background image

Improving Nutritional Value of Dried

Blueberries (Vaccinium corymbosum L.)

Combining Microwave-Vacuum, Hot-Air

Drying and Freeze Drying Technologies

Esteban I. Mejia-Meza, Jaime A. Yanez, Neal M. Davies, Barbara Rasco, Frank

Younce, Connie M. Remsberg, and Carter Clary

Abstract

Blueberries (Vaccinium corymbosum L.) were dried combining microwave-vacuum, hot-air

drying and freeze drying technologies to retain their nutritional value. Polyphenol retention, total
polyphenols, anthocyanins, and antioxidant activity were evaluated in dried blueberries. Glycoside
compounds for ellagic acid, quercetin, and kaempferol exhibited a higher retention than phloridzin,
and R- and S-naringin in dried blueberries following dehydration. Freeze and HA-MIVAC dried
blueberries had a higher retention of total polyphenols and anthocyanins. Freeze dried blueberries
had higher antioxidant activity, followed by the combination of HA-MIVAC, MIVAC and HA dry-
ing methods. FD, HA-MIVAC and MIVAC treated blueberries had a higher retention of individual
polyphenols than HA treated blueberries, indicating that the nutritional properties of berries may
be retained to a greater extent when these processes are employed.

KEYWORDS: blueberries, dehydration, polyphenols, anthocyanins and antioxidant activity

The authors would like to thank the IMPACT Center, Tree Top Inc, and Washington State Uni-

versity. Author Mejia-Meza was a recipient of a United States Department of Agriculture National
Needs Fellowship.

background image

1.   

Introduction 

The Pacific Northwest region of the United States of America is a large producer 
of  berries.  A  diet  high  in  berries  has  been  associated  with  a  reduced  risk  of 
cardiovascular disease as well as cancer and diabetes due to their high content of 
polyphenols  (Skupien  et  al.,  2006).  Currently  different  processing  method  are 
being  evaluated  to  determine  how  processing  may  affect  the  levels  of  these 
bioactive agents. Microwave-vacuum (MIVAC

®

) is a newer dehydration method 

that often preserves highly desirable food properties since it utilizes significantly 
less  energy  and  time  compared  to  atmospheric  dehydration  technologies. 
However, operating expenses may be higher increasing the cost of the dehydrated 
product.  Therefore, a combination of a conventional drying technique such as hot 
air drying with microwave-vacuum and/or freeze-drying could reduce dehydration 
costs  while  preserving  nutritional  and  quality  attributes  of  the  dehydrated  food. 
The objective of this study was to quantify the effect of hot-air, freeze drying and 
microwave  vacuum  drying  individually  and  in  combination  on  the  retention  of 
individual  polyphenols,  total  polyphenols,  anthocyanins  and  antioxidant  activity 
in dried blueberries (Vaccinium corymbosum L.). 
 

2.   

Methodology 

2.1 Drying Methods 
 
Freeze  Drying  Process  (FD):

  Blueberry  samples  were  treated  with  calcium 

chloride  at  -23ºC  for  one  hour.  Freeze  drying  was  performed  using  a 
Freezemobile 24-Unitop dryer (Virtis Company, Gardiner, NY, USA) at vacuum 
pressure  of  20  millitorr,  heating  plate  temperature  of  20ºC,  and  condenser 
temperature of -60ºC. The drying time to reduce moisture content to 5.0% was 72 
hours. 
 
Hot-Air  Drying  (HAD):

  The  samples  were  dried  at  76.6  ºC  for  4.5  hours  in  a 

custom made hot-air convective dryer to a final moisture content of 5%.        
 
Microwave-Vacuum  (MIVAC

®

)  Drying:

  Microwave-vacuum  drying  was 

conducted using a custom made laboratory microwave vacuum unit that consists 
of  a  magnetron  as  previously  described  (Clary  et  al.,  2005).  Frozen  blueberries 
(1000g) were dried at 65.5 ºC for 90 min at 3000 W and a vacuum pressure of 20 
torr (2.6 KPa). 

1

Mejia-Meza et al.: Phytochemical Content of Dried Blueberries

Published by The Berkeley Electronic Press, 2008

background image

Hot  –Air  and  Microwave-Vacuum  Combination  Drying  (HA-MIVAC®):  Fresh 
blueberry  samples  were  pre-dried  from  50  to  40%  moisture  content  using  a 
custom  built  hot-air  convective  dryer  at  98.8  ºC  for  45  min.  Pre-dried  blueberry 
samples (1000g) were frozen  -10ºF (-23ºC) for an hour and kept frozen at -40ºC. 
The  frozen  samples  were  dried  at  71.1ºC  for  60  min  at  3000  W  and  a  vacuum 
pressure of 20 torr (2.6 KPa). 

2.2

 Moisture Content and Water Activity Determination 

Moisture content in dried fruit was determined using the Association of  Official 
Analytical  Chemists  (AOAC)  Method  934.06  (AOAC  1990).  The  water  activity 
for  blueberries  was  determined  using  an  Aqualab  sensor  (Model,  Decagon 
Devices Inc, Pullman, WA, USA) at 25ºC. 

2.3

 Polyphenol Retention 

Polyphenol  concentrations  were  measured  using  a  reverse-phase  HPLC  method 
(Yanez  and  Davies  2005).  The  methanolic  extraction  and  enzymatic  hydrolysis 
was adapted from previous reports to isolate polyphenol glycosides and aglycones 
utilizing  Helix  pomatia  type  HP-2  followed  by  incubation  for  17–24  h  at  37°C 
(Yanez et al., 2007).  

2.4

 Total Polyphenols, Anthocyanins, and Antioxidant Activity    

Total  polyphenols  were  determined  by  the  Folin-Ciocalteu  reagent  method 
(Slinkard  and  Singleton  1977),  total  anthocyanins  according  to  methods 
previously  described  (Vicente  et  al.,  2002),  and  anti-oxidant  activity  via  the 
ABTS method (Arnao et al., 2001).  

2.5

 Statistical Analysis 

General  Linear  Model  (GLM)  Analysis  of  Variance  (ANOVA)  with  Newman-
Keuls  Multiple  Comparison  Test  was  utilized  with  a  p-value<0.05  been 
statistically significant (NCSS Statistical and Power Analysis, Kaysville, UT). 
 

3

  Results 

3.2

 Polyphenol Retention 

Dried  blueberries  by  MIVAC

®

  and  the  combination  of  hot-air  and  MIVAC

®

 

drying (HA-MIVAC

®

) demonstrated significantly (P<0.05) higher retention (232 

and  297  mg/100g  respectively)  of  ellagic  acid  than  HA  (37.7  mg/100g)  and  FD 
(25.7  mg/100g).  Quercetin  glycoside  was  retained  a  higher  concentration  in  FD 
(332  mg/100g)  blueberries  followed  by  MIVAC

®

  (201  mg/100g),  HA-MIVAC

®

 

(156  mg/100g),  and  HA  (137  mg/100g)  drying.  MIVAC

®

  and  HA  dried 

blueberries  showed  a  slightly  higher  retention  (84.5  and  26.4  mg/100g)  in 

2

International Journal of Food Engineering, Vol. 4 [2008], Iss. 5, Art. 5

http://www.bepress.com/ijfe/vol4/iss5/art5

background image

kaempferol  glycoside,  while  almost  none  of  this  flavonoid  was  recovered  in 
freeze  and HA-MIVAC

®

 dried samples  Figure 1). Similar results were observed 

for polyphenol aglycones (data not shown)  
 

 

 
Figure  1.  Polyphenol  retention  of  the  glycoside  from  dried  blueberry  using 
different drying methods (N=9, Mean ± SEM) (wet basis). *Significantly different 
from fresh blueberry (P<0.05).         

3.3

 Total Polyphenols and Anthocyanins  

Glycosides were lost during dehydration (Table 1). However, less of the aglycone 
form was lost.  
 

The retention of total anthocyanins (glycosides and aglycones form) was 

larger in blueberries dried by FD (Table 1). 

3.4

 Total Antioxidant Activity 

Freeze  dried  blueberry  samples  retained  higher  antioxidant  activity  (4.47  Molar 
Trolox/100g sample) in the glycoside forms compared to the other dried blueberry 
samples.  The  HA-MIVAC

®

  processed  berries  had  higher  antioxidant  activity 

(aglycone  form)  than  Freeze  dried  berries.    MIVAC

®

  and  HA  dried  berries 

demonstrated  similar  ABTS  radical  oxidation  activity,  higher  than  in  other 
dehydrated samples. 

3

Mejia-Meza et al.: Phytochemical Content of Dried Blueberries

Published by The Berkeley Electronic Press, 2008

background image

 
Table  1.  Total  polyphenols  (g  Gallic  Acid/100g  sample)  and  total  anthocyanins 
(mg  Pelargonidyin-3-glucoside/100g  sample)  of  dried  blueberries  by  different 
drying  methods  (N=9,  Mean  ±  SEM)  (as  is  basis). 

A

Significantly  different  from 

fresh blueberry (P<0.05) MC (Moisture Content). 

 

Drying 

Method 

Total Polyphenols 

(as g gallic acid/100g 

sample) 

Total Anthocyanins 

(as mg pelargonidyin-3-

glucoside/100g sample) 

 

Glycosides 

Aglycones 

Glycosides 

Aglycones 

Fresh 

(87.2% 

MC) 

66.8 ± 2.2 

294.2 ± 12.9 

1.19 ± 0.09 

113.4 ± 3.2 

Hot-air 

Drying 

(5% MC) 

7.99 ± 0.16 

505.4 ± 7.29

A

  5.20 ± 0.70

A

 

67.9 ± 9.7 

MIVAC

®

 

(5% MC) 

18.8 ± 2.4 

462.6 ± 22.4

A

  3.01 ± 0.40

A

  176.3 ± 32.2

A

 

Freeze 

Drying 

(5% MC) 

34.2 ± 1.4 

474.0 ± 19.3

A

  16.3 ± 0.79

A

  291.8 ± 23.1

A

 

Hot-air 

Drying / 

MIVAC

®

 

(5% MC) 

23.4 ± 4.7 

479.1 ± 5.7

A

 

7.14 ± 0.6

A

 

147.3 ± 6.9

A

 

 

Table 2. Total antioxidant activity (Molar Trolox/100g sample) of dried 
blueberries by different drying methods (N=9, Mean ± SEM) (as is basis). 

A

Significantly different from fresh blueberry (P<0.05) MC (Moisture Content). 

 

Drying Methods 

Total Antioxidant Activity (Molar 

Trolox/100g sample) 

 

Glycosides 

Aglycones 

Fresh (87.2% MC) 

0.46 ± 0.02 

3.25 ± 0.05 

Hot-air Drying (5% 

MC) 

0.30 ± 0.03 

2.44 ± 0.25 

MIVAC® (5% MC) 

1.00 ± 0.12A 

2.72 ± 0.32 

Freeze Drying (5% 

MC) 

4.47 ± 0.05A 

3.51 ± 0.34 

Hot-air Drying / 

MIVAC® 

(5% MC) 

0.71 ± 0.07A 

4.30 ± 0.64 

 

 

4

International Journal of Food Engineering, Vol. 4 [2008], Iss. 5, Art. 5

http://www.bepress.com/ijfe/vol4/iss5/art5

background image

4

  Discussion 

HA,  MIVAC

®

  and  HA-MIVAC

®

  dehydration  yielded  blueberries  with  moisture 

contents  ranging  between  3-5%,  and  water  activity  of  0.170  to  0.240.  The 
different drying methods had a considerable impact on the retention of individual 
polyphenols  glycosides  and  aglycones.  HA  drying  method  had  the  greatest 
negative  effect  on  the  retention  of  some  individual  glycoside  and  aglycone 
compounds  such  as  quercetin,  phloridzin,  phloretin,  R-  and  S-naringin  and 
naringenin as well as kaempferol in blueberries. Our results are in agreement with 
other  reports,  suggesting  that  polyphenols  are  sensitive  to  heat  and  prolonged 
thermal treatments, thus also affecting their antioxidant capacity (Lin et al., 1998; 
Kwok  et  al.,  2004).  Freeze  dried  and  HA-MIVAC

®

  dried  blueberry  samples 

showed  higher  retention  in  total  polyphenols  and  total  anthocyanins  (Table  1). 
The  reason  for  this  effect  is  because  the  use  of  vacuum  pressure  and  low 
temperature in the case of freeze drying, and reduced time and temperature for the 
HA-MIVAC

®

 combination drying method. Kwok et al. (2004) suggested that the 

combination  of  hot-air  and  microwave  vacuum  drying  led  to  higher  retention  of 
total  anthocyanins  and  polyphenols  in  Saskatoon  berries  than  berries  processed 
solely with hot-air drying (Kwok et al., 2004). Freeze dried berries had the highest 
total  antioxidant  activity  and    generally  provides  higher  retention  of  total 
anthocyanins  and  polyphenols  than  vacuum  microwave  drying  and  the 
combination  of  drying  methods  (Kwok  et  al.,  2004)  but  this  appears  to  be  a 
product  specific  and  antioxidant  specific  effect,  because  in  our  study,  HA-
MIVAC  resulted  in  similar  or  greater  retention  of  certain  antioxidants  in  the 
aglycone form.  
 

5

  Conclusion 

Freeze drying resulted in a higher retention of total polyphenols and anthocyanins 
as  well  as  higher  antioxidant  activity  in  the  glycoside  forms.  Aglycone 
polyphenols  were  more  heat  stable  under  the  dehydration  conditions  used  here 
and,  in  some  cases  were  present  in  HA-MIVAC  treated  blueberries  at  similar 
levels as in the  freeze dried. HA-MIVAC

®

 led to lower loss of  antioxidants and 

antioxidant activity than hot air drying 

 

 

6

  References 

 

AOAC. 1990. Official methods of analysis. Washington D.C. 1011-2 p. 
Arnao  MB,  Cano  A,  Alcolea  JF,  Acosta  M.  2001.  Estimation  of  free  radical-

quenching  activity  of  leaf  pigment  extracts.  Phytochem  Anal  12(2):138-
43. 

5

Mejia-Meza et al.: Phytochemical Content of Dried Blueberries

Published by The Berkeley Electronic Press, 2008

background image

Clary  CD,  Wang  S,  Petrucci  VF.  2005.  Fixed  and  incremental  levels  of 

microwave power application on drying grapes under vaccum. Journal of 
Food Science 70(5):344-9. 

Kwok  BHL,  Hu  C,  Durance  T,  Kitts  DD.  2004.  Dehydration  techniques  affect 

phytochemical contents and free radical scavenging activities of saskatoon 
berries (Amelanchier alnifolia Nutt.). Journal of Food Science 69(3):122-
6. 

Lin TM, Durance TD, Scaman CH. 1998. Characterization of vaccum microwave, 

air and freeze dried carrot slices. Food Research International 31(2):111-7. 

Skupien  K,  Oszmianski  J,  Kostrzewa-Nowak  D,  Tarasiuk  J.  2006.  In  vitro 

antileukaemic activity of extracts from berry plant leaves against sensitive 
and multidrug resistant HL60 cells. Cancer Lett 236(2):282-91. 

Slinkard  K,  Singleton  VL.  1977.  Total  Phenol  Analysis:  Automation  and 

Comparison with Manual Methods. AM J Enol Vitic 28(1):49-55. 

Vicente  AR,  Martinez  GA,  Civello  PM,  Chaves  AR.  2002.  Qualoty  of  heat-

treated  strawberry  fruit  during  refrigerated  storage.  Postharvest  Biology 
and Technology 25:59-71. 

Yanez  JA,  Davies  NM.  2005.  Stereospecific  high-performance  liquid 

chromatographic  analysis  of  naringenin  in  urine.  J  Pharm  Biomed  Anal 
39(1-2):164-9. 

Yanez  JA,  Miranda  ND,  Remsberg  CM,  Ohgami  Y,  Davies  NM.  2007. 

Stereospecific  high-performance  liquid  chromatographic  analysis  of 
eriodictyol in urine. J Pharm Biomed Anal 43(1):255-62. 

 

 

6

International Journal of Food Engineering, Vol. 4 [2008], Iss. 5, Art. 5

http://www.bepress.com/ijfe/vol4/iss5/art5

background image