Effects of Postharvest-Processing Technologies on the Safety and Quality of African Indigenous Leafy Vegetables

Abstract

Food processing and preservation is one of the primary problems facing many developing countries. Fermentation technology causes the acidification of food by microbial production of organic acids such as lactate and acetate, as well as the production of other antimicrobial compounds such as bacteriocins. This leads to a dramatic increase in the shelf life of food, as well as to improved safety, quality and availability of nutrition. The aim of this study was to determine the effects of fermentation and solar drying methods on the safety and quality of African indigenous leafy vegetables in order to minimize postharvest losses, specifically for the fermentation of African nightshade leaves. To establish and optimize fermentation conditions, various lactic acid bacteria strains previously isolated from African fermented food products and different salt or salt-sugar concentrations were tested for rapid acidification of the product. The results showed that all the tested starter strains in combination with a 3 % salt-sugar solution resulted in a fast and stable pH reduction. Hence, 3% salt-sugar solution was established as the optimal fermentation condition with Lactobacillus plantarum BFE 5092 and Lactobacillus fermentum BFE 6620 used as a starter cultures for nightshade fermentation both at MRI, Karlsruhe, Germany and in JKUAT, Kenya, in 5 litre fermentation vessels. In order to gain more detailed information about the influence of the inoculated starter cultures on the background autochthonous microbiota in the fermentations, total aerobic mesophilic and lactic acid bacteria counts were determined to give an overview of the growth kinetics, while enterobacteria and yeast and moulds counts were used to give an overview of possible microbial contamination with potential spoilage and/or pathogenic microorganisms. The determination of pH, lactate and sucrose/D-glucose by enzyme assays were used to study fermentation dynamics. The use of Lb. plantarum BFE 5092 and Lb. fermentum BFE 6620 starter strains had a significant influence on the bacterial composition in nightshade fermentation, this was noted by a rapid and stable reduction of the pH and accumulation of lactic acid. Hence, the growth of spoilage pathogenic microorganisms was inhibited, resulting in products with improved safety and quality. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and metagenomics analyses using high throughput 16S rRNA amplicon sequencing were investigated on both starter cultures inoculated and uninoculated batches performed both at MRI and JKUAT. It was clear that the use of starter culture Lb. plantarum BFE 5092 and Lb. fermentum BFE 6620 had an impact on the biodiversity and dynamics of the background microbiota during fermentation of vegetable African nightshade. The success of the inoculated selected starter strains during fermentation was investigated on both starters inoculated and uninoculated trials by randomly amplified polymorphic DNA (RAPD) analysis and 16S rRNA sequencing. The analysis showed that the starter culture Lb. plantarum BFE 5092 and Lb. fermentum BFE 6620 may have initiated the fermentation, but were later overgrown by indigenous LAB initially present on the plant materials. The effects of fermentation and solar drying on safety, nutritional quality and sensory attributes were evaluated by basic nutrient analysis, assessing sensory attributes of fermented leaves and challenge tests with the human pathogenic Salmonella and Listeria. The results showed that the fermentations where pathogens were co-inoculated with starter cultures led to a fast and deep reduction of the pH within 24 h to < 4.0, due to increased lactic acid bacteria counts and lactic acid production by these bacteria. Concomitant to this, Listeria monocytogenes was completely inhibited within 48 h (pH < 3.6), while Salmonella Enteritidis inhibition occurred after 144 h (pH < 3.5). Even though fermentation led to reduction of water-soluble vitamins, the fermented product still contained a significant amount of vitamin B1, B2 and C, enough to supplement the daily-recommended intake. Solar drying, on the other hand, had a huge impact on vitamin C. Moreover, solar drying did not guarantee the safety and quality of the product. Fermentation of African nightshade seems to improve the sensory attributes of colour, taste, smell and appearance. There was a general acceptance of the fermented nightshade leaves. Hence, with proper awareness, fermentation might be an option for the local consumers for ensuring product with improved safety, quality and shelf life.

Lebensmittel-Verarbeitung und -konservierung ist ein großes Problem vieler Entwicklungsländer. Die Fermentation von Lebensmitteln führt zur Ansäuerung durch mikrobielle Produktion von organischen Säuren wie Acetat und Laktat, sowie zur Freisetzung von anderen antimikrobiellen Verbindungen, wie Bakteriozinen. Dies führt zu einem dramatischen Anstieg der Haltbarkeit von Lebensmitteln und damit zu verbesserter Sicherheit, Qualität und Verfügbarkeit der Lebensmittel für die menschliche Ernährung. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, am Beispiel der Fermentation von afrikanischen Nightshade Blattgemüse, die Auswirkungen von Fermentation und Solar-Trocknungsverfahren auf die Sicherheit und die Qualität zu charakterisieren und um Nachernteverluste zu minimieren. Zur Optimierung der Fermentationsbedingungen für Blattgemüse wurden verschiedene Milchsäurebakterienstämme, isoliert aus afrikanischen fermentierten Lebensmitteln, unter Einsatz verschiedener Salz- oder Salz-Zucker-Konzentrationen bei der Säuerung der Produkte getestet. Alle getesteten Starterstämme zeigten in Kombination mit einer 3% Salz-Zucker-Lösung eine schnelle und stabile pH-Reduktion in der Lebensmittelfermentation. Unter diesen Bedingungen wurden Lactobacillus plantarum BFE 5092 und Lactobacillus fermentum BFE 6620 als Starterkulturen für die Gärung von Nightshade Blattgemüse eingesetzt (Versuche beim MRI Karlsruhe sowie und in JKUAT Kenia in 5-Liter Fer-mentationsbehältern). Um detailliertere Informationen über den Einfluss der Starterkulturen auf die autochthone Mikrobiota zu erhalten, wurden die aerobe mesophile Gesamtkeimzahlen sowie die Milchsäurebakterienzahlen zu verschiedenen Fermentationszeitpunkten bestimmt. Der Nachweis von Enterobakterien, Hefen und Schimmelpilzen ermöglichte die Beurteilung des Levels der Kontamination des fermentierten Lebensmittels mit Verderbs- und /oder pathogenen Mikroorganismen. Die Bestimmung von pH, Milchsäure, Saccharose und D- Glucose über Enzym-Assays erlaubte, die Fermentationsdynamik zu charakterisieren. Die Verwendung von Lb plantarum BFE 5092 und Lb fermentum BFE 6620 als Starterkultur hatte einen signifikanten Einfluss auf die bakterielle Zusammensetzung der Nachtschatten Fermentationen: der pH-Wert wurde durch die Freisetzung von Milchsäure schnell abgesenkt, daher wurde das Wachstum von Verderbs- und pathogenen Mikroorganismen gehemmt, welches zu Produkten mit verbesserter Sicherheit und Qualität führte. Fermentationen mit und ohne Starterkultur Zusatz wurden mittels denaturierender Gradienten-Gelelektrophorese (DGGE) und Metagenomics Analysen mit Hochdurchsatz 16S rRNA-Amplicon Sequenzierung sowohl bei MRI und JKUAT charakterisiert. Es wurde deutlich, dass die Verwendung der Starterkultur Lb plantarum BFE 5092 und Lb fermentum BFE 6620 Auswirkungen auf die Biodiversität und die Dynamik der natürlich vorhandenen Microbiota bei der Fermentation von afrikanischem Nightshade Blattgemüse hatte. Der Wachstumserfolg der Starterkulturstämme in den Fermentationen wurde in beimpften und unge-impften Kontrollversuchen durch Randomly-Amplified-Polymorphic DNA Analyse (RAPD) und 16S-rRNA-Sequenzierung untersucht. Die Analysen zeigten, dass die eingesetzten Starterkulturen die Fermentationen mit schneller Säuerung einleiteten (und damit sicher machten), die aber später von indigenen Milchsäurebakterien überwachsen wurden. Die Auswirkungen der Fermentation und Solartrocknung auf Sicherheit, Ernährungsqualität und sensorische Eigenschaften des Gemüses wurden durch Nährstoffanalyse, sensorische Eigenschaften und Challenge Tests mit hu-manpathogenen Salmonellen und Listerien untersucht. Gärungen, die mit Starterkulturen und Krankheitserregern angeimpft worden waren, zeigten einen schnellen und tiefe Absenkung des pH innerhalb von 24 h bis unter pH 4,0 aufgrund der hohen Keimzahlen der Milchsäurebakterien und der damit verbundenen starken Milchsäureproduktion. Listeria monocytogenes wurde innerhalb von 48 h (pH <3,6) vollständig gehemmt, Salmonella Enteritidis erst nach 144 h (pH <3,5). Obwohl die Gärung des Gemüses zur Reduktion von wasserlöslichen Vitaminen führte, enthielt das fermentierte Produkt nach wie vor noch eine erhebliche Menge an Vitamin B1, B2 und C, in ausreichend hoher Konzentration, um die tägliche empfohlene Zufuhr dieser Mikronährstoffe zu ergänzen. Andererseits hatte Solartrocknung einen großen Einfluss auf den Vitamin C Gehalt und konnte auch nicht die Sicherheit und Qualität des Produktes gewährleisten. Fermentation der afrikanischen Nachtschattenblätter schien die sensorischen Eigenschaften von Farbe, Geschmack, Geruch und Aussehen zu verbessern. Generell gab es eine gute Akzeptanz des fermentierten Nightshade Gemüses. Ein entsprechendes Verbraucherbewusstsein vorausgesetzt könnte Fermentation eine Option für ein Lebensmittel mit verbesserter Sicherheit, Qualität und Haltbarkeit sein.