HydroSOStainable almonds: nutritional, functional and sensory quality parameters and product acceptability in the European market

Abstract

Water is the most limiting factor in the Mediterranean Basin due to the rainfall shortage and higher rates of annual evapotranspiration (ET). Moreover, climate change is contributing to very frequent and severe drought day by day and agriculture sector needs maximum crop yield which is only feasible if optimum wáter supply is assured to maintain a normal physiological activity and transport processes. Among the different strategies to maintain the viability of the agricultural sector would be the introduction of drought-tolerant crops; or the implementation of wáter saving strategies, such as deficit irrigation (DI) that will seek adequate yields, maintaining, or even improving, the quality of the final product. Therefore, the main aim of this Doctoral Thesis, meant to investigate the effect of different deficit irrigation (DI) strategies on yield and physicochemical, functional, and sensorial parameters of raw and roasted almond (Prunus dulcis Mill. cv. Vairo), establishing those quality markers required further to identify/certify whether an almond is hydroSOStainable (growth under deficit irrigation strategies) or not; as well as evaluating the sensory profile and international consumers opinion regarding the hydroSOStainable almonds acceptance. The study was carried out along three seasons (2017-2019), in which, the following irrigation treatments were developed: (i) control treatment (covering 100% of the crop ET), (ii) 2 regulated deficit irrigations (RDI) treatments with a period of water stress during the kernel filling phase (with different stress levels depending on the stem water potential T2=-1.50 MPa and T3=-2.0 MPa) and full irrigated conditions for the rest of the year, and (iii) a sustained deficit irrigation (SDI) in which a lower amount of water was applied during the whole season (T4). Regarding the effect of DI on agronomical, morphological, and functional parameters of almonds, the results showed that almonds from moderated RDI (T2) were characterized by a redder color, a higher fat, K, glucose and total phenolic content (TPC), together with a greater content of individual phenolic compounds and proanthocyanidins (PAs), degree of polymerization, antioxidant activity, unsaturated fatty acid and total volatile content. Moreover, the TPC was positively correlated with the stress integral (SI), increasing with the water stress in plant. The phytoprostanes (PhytoPs) and phytofurans (PhytoFs) were quantified only in almonds growth under deficit irrigation conditions because in T1 these compounds were below de limit of quantification. In relation to the sensory profile of almonds and the international consumers acceptance, preference, and willingness to pay it was observed that (i) T2 almonds were characterized by an intense color, and intensity of both sweetness and hardness attributes; and that (ii) T2 almonds were the most liked by both nationalities due to the sweetness, almond flavor, and crispiness. Consumers are now more aware tan ever on the importance of the optimization of water as they were willing to pay a higher price for the hydroSOStainable almonds, which means higher incomes and benefits for farmers. Additionally, it was observed that water stress accumulated during the studied seasons significantly affected the agronomical and quality characteristics of hydroSOStainable almonds displaying positive relationship with some parameters such as dry weight, color coordinates (L*a*b*), minerals (K, Fe, and Zn), organic acids (citric acid), sugars (sucrose, fructose and total sugars), antioxidant activity and fatty acids (linoleic, PUFA, SFA, PUFA/MUFA, among others). In contrast, the water stress in almonds showed a negative correlation with yield, water activity, weight, size, some minerals (Ca and Mg), fatty acids (oleic acids, oleic/linoleic ratio, MUFA and PUFA/SFA) and sensory attributes (size, bitterness, astringency, benzaldehyde and woody). In summary, K, Fe, Zn, sucrose, fructose, total sugars, antioxidant activity and the fatty acids can be considered important markers for hydroSOStainable almonds detection. Moreover, when almonds were processed it was observed that a heat treatment of 170 oC during 10 min in a convection oven were the optimum roasting conditions from an aromatic, descriptive and affective point of view for the cv. Vairo almonds. Besides, deficit irrigation led to sweeter almonds with higher intensity of roasted almond and nutty notes, and with greater content of aroma compounds comparing to the control. According to the results obtained in this research work, it can be concluded that controlled deficit irrigation strategies can be considered an important tool to reduce the water consumption in almond crop, with significant improvements in fruit bioactive compounds with potential beneficial effect on human health. Moreover, it has been proved that controlling the stress in almond trees can increase both the irrigation water productivity and the farmers profit; by producing environmentally friendly products, better valued by the consumers. In this scenario, government and industry actions might emphasize on providing the right information to the consumers regarding hydroSOStainable products, while agricultural sector might produce these foods helping to combat the water scarcity worldwide

El agua es el recurso natural más limitante en los agro-ecosistemas mediterráneos, consecuencia de una climatología caracterizada por la escasez e irregularidad de precipitaciones y unas altas tasas de evapotranspiración. Además, el cambio climático está dificultando aún más si cabe la gestión sostenible de los recursos hídricos generando una mayor incertidumbre y dificultad para mantener la sostenibilidad y competitividad de los sistemas productivos. Dentro de las diferentes estrategias para mantener la viabilidad del sector agrícola estarían la introducción de cultivos tolerantes a la sequía; o la implementación de estrategias de ahorro de agua, tales como el riego deficitario (RD) que permitan alcanzar unos rendimientos adecuados, manteniendo, o incluso mejorando, la calidad del producto final. Por todo ello, el principal objetivo de esta tesis doctoral fue la evaluación de diferentes estrategias de riego deficitario en el rendimiento y los parámetros fisicoquímicos, funcionales y sensoriales de la almendra (Prunus dulcis Mill. cv. Vairo) cruda y tostada estableciendo aquellos marcadores de calidad que permitieran identificar/certificar si una almendra es hidroSOStenible (cultivada bajo estrategias de riego deficitario) o no; así como la evaluación del perfil sensorial y de la opinión de los consumidores internacionales con respecto a la aceptación de las almendras hidroSOStenibles. El estudio se llevó a cabo durante tres campañas consecutivas (2017-2019) en las cuales se desarrollaron los siguientes tratamientos de riego: (i) tratamiento control (que cubre el 100% de la ET del cultivo), (ii) 2 tratamientos de riego deficitario controlado (RDI) con un período de estrés hídrico durante el llenado del grano (con diferentes niveles de estrés dependiendo del potencial hídrico del tallo T2 = -1.5 MPa y T3 = -2.0 MPa) y condiciones de riego completas para el resto del año, y (iii) un riego deficitario sostenido (SDI) en el que se aplicó una menor cantidad de agua durante toda la temporada (T4). En cuanto a los efectos en los parámetros agronómicos, morfológicos y funcionales de las almendras los resultados mostraron que las almendras obtenidas bajo una estrategia de RDI moderado (T2) se caracterizaron por un color más rojo, mayor contenido de grasa, K, glucosa, contenido de fenoles totales (TPC), un mayor contenido de compuestos fenólicos y proantocianidinas individuales, un mayor grado de polimerización, actividad antioxidante, ácidos grasos insaturados y volátiles. Además, se observó un incremento muy importante en el contenido de fitoprostanos (PhytoPs) y fitofuranos (PhytoFs), siendo cuantificados solo en almendras cultivadas en condiciones de déficit hídrico, ya que en el tratamiento T1 los contenidos se encontraron por debajo del límite de cuantificación. En cuanto al perfil sensorial de las almendras, la aceptación, preferencia y disponibilidad a pagar por parte de los consumidores internacionales, se observó que las almendras T2 presentaban un color más intenso, mayor intensidad de dulzor y dureza, siendo además este tratamiento el que obtuvo una mayor aceptación debido a su dulzor, sabor a almendras y crujibilidad según los consumidores. Además, estos se mostraron dispuestos a pagar un precio más alto por las almendras hidroSOStenibles, lo que significa mayores ingresos y beneficios para los agricultores. Por otra parte, se pudo observar que el déficit hídrico acumulado a largo de las campañas de estudio afectaba significativamente a las características agronómicas y de calidad de las almendras hidroSOStenibles que manifestaron una correlación positiva con algunos parámetros tales como: peso seco, coordenadas de color (L* a* b*), minerales (K, Fe y Zn), ácidos orgánicos (ácido cítrico), azúcares (sacarosa, fructosa y azúcares totales), actividad antioxidante y ácidos grasos (linoleico, PUFA, SFA, PUFA / MUFA, entre otros). Por lo contrario, el estrés hídrico mostró una correlación negativa con el rendimiento, la actividad del agua, el peso, el tamaño, algunos minerales (Ca y Mg), ácidos grasos (ácido oleico, relación oleico/linoleico, MUFA y PUFA / SFA) y atributos sensoriales (tamaño, amargor, astringencia, benzaldehído y amaderado). Tras el proceso de tostado, se observó que un tratamiento térmico de 170 oC durante 10 min en un horno de convección eran las condiciones óptimas de tostado desde un punto de vista aromático, descriptivo y afectivo para las almendras de la variedad Vairo. Además, el riego deficitario dio lugar a almendras más dulces con mayor intensidad de notas a almendra tostada, a frutos secos y con un mayor contenido de compuestos aromáticos en comparación con el control. De acuerdo a los resultados obtenidos en este trabajo de investigación, se puede concluir que las estrategias de riego deficitario pueden considerarse una buena herramienta para reducir el consumo de agua en el cultivo de la almendra, dando lugar a frutos con mejoras significativas en sus compuestos bioactivos. Además, se ha demostrado que controlando el estrés hídrico en los almendros se puede aumentar tanto la productividad del agua como los beneficios para los agricultores al producirse una almendra más sostenible, sabrosa y mejor valorada por los consumidores. Dicho esto, las distintas administraciones y la industria deberían enfatizar sus acciones para proporcionar la información correcta a los consumidores con respecto a los productos hidroSOStenibles, mientras que el sector agrícola debería apostar por la producción de estos alimentos para ayudar a reducir la escasez de agua en el mundo