Sensory evaluation of cracker products and understanding consumer preference

Abstract

The growing demand for sustainable and health-promoting foods necessitates the valorization of alternative sources as functional ingredients. Wheat flour remains the dominant raw material for baked goods, yet its nutritional shortcomings, association with gluten-related disorders, and environmental footprint call for sustainable alternatives. Agricultural by-products and pulse flours represent promising options, offering improved protein quality, bioactive compounds, and alignment with circular economy principles. Realizing their potential, however, requires not only their valorization but also advanced analytical tools capable of guiding their use in product design. The main objective of this thesis was to advance the analytical characterization and valorization of agricultural by-products and alternative raw materials in order to provide a scientific and methodological basis for their integration into functional food design. To achieve this, chromatographic, spectroscopic, and sensory approaches were applied to selected raw materials: lupin and chickpea flours as pulse-derived alternatives, and grape seed and olive stone flours as agro-industrial by-products. A liquid chromatography–quadrupole time-of-flight tandem mass spectrometry (LC-QTOF-MS/MS) method was developed and validated for phenolic profiling, revealing abundant phenolic acids and flavonoids in pulses, while grape seed and olive stone flours were particularly rich in flavanols such as catechin and epicatechin. Complementary amino acid profiling confirmed the high protein quality of lupin and chickpea, supporting their role as sustainable wheat substitutes. Results confirmed the nutritional and functional richness of pulse flours and the phenolic abundance of grape seed and olive stone flours, supporting their dual role as wheat substitutes and sources of bioactive enrichment. The influence of thermal processing was further examined using Vis–NIR–SWIR spectroscopy combined with chemometric modeling. Functional flours demonstrated promising stability of phenolic compounds during heating, with pulse and wheat flours showing increases in total phenolic content under mild treatment, while grape seed and olive stone flours retained stable phenolic levels even at higher baking temperatures. Spectroscopic classification successfully differentiated samples by flour type, thermal treatment, and phenolic content, with Random Forest models delivering strong performance across spectral ranges. The stepwise reduction of spectral windows provided insights into the most informative regions, while explainability analysis identified key wavelengths associated with fundamental absorptions in the NIR. These results confirm the potential of rapid, non-destructive spectroscopy as a powerful tool for quality control, classification, and valorization of functional flours within the food industry. To bridge analytical characterization with application, crackers were employed as a model food system. Partial substitution with lupin and chickpea improved protein and amino acid content, while grape seed and olive stone contributed phenolic enrichment. Sensory evaluation revealed that substitution levels of up to 10–15% were generally well accepted in pulse flours, whereas similar levels in grape seed and olive stone flours introduced bitterness, darker color, and textural changes that reduced consumer preference. These findings confirm that acceptable substitution thresholds are critical to successful valorization, where nutritional and functional enrichment must be balanced with sensory quality.By combining advanced analytical characterization with applied product development, this work contributes a holistic framework for functional food design. The complementarity of protein-rich pulses and phenolic-rich by-products illustrates a pathway toward sustainable, health-promoting foods, while the methodological advances offer tools to assist industry in integrating alternative raw materials into innovative products.

Η αυξανόμενη ζήτηση για βιώσιμα και υγιεινά τρόφιμα καθιστά αναγκαία την αξιοποίηση εναλλακτικών πηγών ως λειτουργικών συστατικών. Το αλεύρι σίτου παραμένει η κυρίαρχη πρώτη ύλη για τα αρτοσκευάσματα, ωστόσο οι διατροφικοί του περιορισμοί, η σύνδεσή του με την κοιλιοκάκη και το περιβαλλοντικό του αποτύπωμα καθιστούν απαραίτητη την αναζήτηση βιώσιμων εναλλακτικών. Αγροτοβιομηχανικά παραπροϊόντα και αλεύρια οσπρίων αποτελούν υποσχόμενες επιλογές, καθώς προσφέρουν βελτιωμένη πρωτεϊνική σύνθεση, βιοδραστικές ενώσεις και συμμόρφωση με τις αρχές της κυκλικής οικονομίας. Η αξιοποίησή τους, ωστόσο, προϋποθέτει όχι μόνο τη βιομηχανική τους ενσωμάτωση, αλλά και την ανάπτυξη προηγμένων αναλυτικών εργαλείων ικανών να καθοδηγήσουν τη χρήση τους στον σχεδιασμό νέων προϊόντων. Κύριος στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η χρήση του αναλυτικού χαρακτηρισμού και της αξιοποίησης αγροτοβιομηχανικών παραπροϊόντων και εναλλακτικών πρώτων υλών, με σκοπό την παροχή επιστημονικής και μεθοδολογικής βάσης για την ένταξή τους στον σχεδιασμό λειτουργικών τροφίμων. Για τον σκοπό αυτό εφαρμόστηκαν χρωματογραφικές, φασματοσκοπικές και αισθητηριακές προσεγγίσεις σε επιλεγμένες πρώτες ύλες: αλεύρια λούπινου και ρεβιθιού ως εναλλακτικές πρώτες ύλες, και αλεύρια από γίγαρτα σταφυλιού και πυρήνες ελιάς ως αγροβιομηχανικά παραπροϊόντα. Αναπτύχθηκε και επικυρώθηκε μέθοδος υγρής χρωματογραφίας (LC-QTOF-MS/MS) για την ανάλυση φαινολικών ενώσεων, η οποία αποκάλυψε την ύπαρξη φαινολικών οξέών και φλαβονοειδών στα όσπρια, ενώ τα αλεύρια από γίγαρτα σταφυλιού και πυρήνες ελιάς ήταν ιδιαίτερα πλούσια σε φλαβανόλες όπως η κατεχίνη και η επικατεχίνη. Παράλληλα, η ανάλυση αμινοξέων επιβεβαίωσε την υψηλή πρωτεϊνική ποιότητα του λούπινου και του ρεβιθιού, ενισχύοντας τον ρόλο τους ως βιώσιμες εναλλακτικές του σίτου. Η επίδραση της θερμικής επεξεργασίας μελετήθηκε περαιτέρω μέσω φασματοσκοπίας Vis–NIR–SWIR σε συνδυασμό με χημειομετρική μοντελοποίηση. Τα λειτουργικά αλεύρια έδειξαν ενθαρρυντική σταθερότητα των φαινολικών ενώσεων κατά τη θέρμανση, με τα αλεύρια οσπρίων και σίτου να παρουσιάζουν αύξηση της ολικής φαινολικής περιεκτικότητας σε ήπιες θερμικές συνθήκες, ενώ τα αλεύρια από γίγαρτα και πυρήνες εμφάνισαν σταθερότητα ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες ψησίματος. Η φασματοσκοπική ταξινόμηση διαφοροποίησε επιτυχώς τα δείγματα ως προς τον τύπο αλευριού, το θερμικό καθεστώς και την περιεκτικότητα σε φαινολικά, με τα μοντέλα Random Forest να επιτυγχάνουν υψηλή ακρίβεια σε διαφορετικά φασματικά παράθυρα. Η συστηματική μείωση των φασματικών περιοχών ανέδειξε τις πιο πληροφοριακές ζώνες, ενώ η ανάλυση ερμηνευσιμότητας εντόπισε κρίσιμα μήκη κύματος συνδεδεμένα με θεμελιώδεις δονητικές απορροφήσεις στο NIR. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώνουν τις δυνατότητες της ταχείας και μη καταστροφικής φασματοσκοπίας ως εργαλείου ποιοτικού ελέγχου, ταξινόμησης και αξιοποίησης λειτουργικών αλεύρων στη βιομηχανία τροφίμων. Για να γεφυρωθεί ο αναλυτικός χαρακτηρισμός με την πρακτική εφαρμογή, χρησιμοποιήθηκαν κράκερς ως πρότυπο σύστημα τροφίμου. Η μερική υποκατάσταση με αλεύρι λούπινου και ρεβιθιού βελτίωσε την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες και αμινοξέα, ενώ τα αλεύρια από γίγαρτα και πυρήνες συνέβαλαν στον εμπλουτισμό σε φαινολικά. Η αισθητηριακή αξιολόγηση έδειξε ότι επίπεδα υποκατάστασης έως 10–15% ήταν γενικά αποδεκτά για τα άλευρα οσπρίων, ενώ αντίστοιχα ποσοστά για τα άλευρα από γίγαρτα και πυρήνες εισήγαγαν πικρή γεύση, πιο σκούρο χρώμα και αλλαγές στην υφή που μείωσαν την καταναλωτική αποδοχή. Τα ευρήματα αυτά επιβεβαιώνουν ότι τα αποδεκτά όρια υποκατάστασης είναι κρίσιμα για την επιτυχή αξιοποίηση, όπου ο διατροφικός και λειτουργικός εμπλουτισμός πρέπει να ισορροπεί με την αισθητηριακή ποιότητα. Συνδυάζοντας προηγμένο αναλυτικό χαρακτηρισμό με εφαρμοσμένη ανάπτυξη προϊόντων, η εργασία αυτή συμβάλλει σε ένα ολιστικό πλαίσιο για τον σχεδιασμό λειτουργικών τροφίμων. Η συμπληρωματικότητα των πρωτεϊνούχων οσπρίων και των φαινολικά πλούσιων παραπροϊόντων αναδεικνύει μια πορεία προς τη δημιουργία βιώσιμων, υγιεινών τροφίμων, ενώ οι μεθοδολογικές προσεγγίσεις προσφέρουν εργαλεία για την υποστήριξη της βιομηχανίας στην ενσωμάτωση εναλλακτικών πρώτων υλών σε καινοτόμα προϊόντα.