Χημεία, Μικροβιολογία και Αρχές Συντήρησης Τροφίμων

Transcript

1 Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Τροφίμων ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΜΠ Χημεία, Μικροβιολογία και Αρχές Συντήρησης Τροφίμων Εργαστηριακές Ασκήσεις 8 o Εξάμηνο 1 Αθήνα, 2019

2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 2

3 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελ. 1 ΓΕΝΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΓΓΡΑΦΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ 5 2 ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 9 Κ. Τζιά 3 AΣΚΗΣΗ 1 19 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ & ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ Ε. Δερμεσονλούογλου, Μ. Κατσούλη, Π. Σιαμανδούρα 4 AΣKHΣH 2 31 ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ: ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Β. Γιάννου, Τ. Κεκές, Α. Μπιζύμης, Κ. Τζιά 5 AΣKHΣH 3 41 ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ: ΜΕΛΕΤΗ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ. ΖΕΛΑΤΙΝΟΠΟΙΗΣΗ. ΓΛΥΚAIΜΙΚΟΣ ΔΕΙΚΤΗΣ Φ. Δρόσου, Β. Ωραιοπούλου 6 AΣKHΣH 4 49 ΜΕΛΕΤΗ ΡΕΟΛΟΓΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΤΟΥ ΠΡΟΦΙΛ ΥΦΗΣ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Γ. Δημόπουλος, Α. Λημναίος, Π. Ταούκης 7 AΣKHΣH 5 63 ΜΕΛΕΤΗ ΑΝΤΙΟΞΕΙΔΩΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗΣ ΔΡΑΣΗΣ ΒΙΟΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΛΙΠΑΡΩΝ ΚΑΙ ΣΕ ΤΕΛΙΚΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Δ. Τσιμογιάννης, Ε. Χουλιτούδη, Β. Ωραιοπούλου 8 ΑΣΚΗΣΗ 6 71 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΑ ΕΡΓΑΛΕΙΑ & ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΔΙΑΡΚΕΙΑΣ ΖΩΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΤΗΣ ΑΛΥΣΙΔΑΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ B. Ανδρέου, Μ. Τσεβδού, Π. Ταούκης, Γ. Φρακολάκη 9 AΣKHΣH 7 81 ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΚΥΡΙΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΤΡΟΦΙΜΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ & ΜΕΛΕΤΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ MAILLARD ΣΕ ΠΡΟΤΥΠΟ ΣΥΣΤΗΜΑ & ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΤΡΟΦΙΜΟ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΑΠΛΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ Π. Ταούκης, Θ. Τσιρώνη, Ε. Δερμεσονλούογλου 10 ΑΣΚΗΣΗ 8 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙΝΟΤΟΜΟΥ ΤΡΟΦΙΜΟΥ: ΔΙΑΔΡΑΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΙΔΕΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ Π. Ταούκης, Ε. Δερμεσονλούογλου, Β. Γιάννου 85 3

4 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 4

5 Γενικές οδηγίες εργαστηριακής άσκησης και συγγραφής αναφοράς ΓΕΝΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΓΓΡΑΦΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης Το εργαστηριακό μάθημα ΧΗΜΕΙΑ, ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΑΡΧΕΣ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ παρέχει τις βασικές γνώσεις για τα συστατικά των τροφίμων, τις λειτουργικές και φυσικοχημικές τους ιδιότητες και τη συμπεριφορά τους στο τρόφιμο κάτω από διάφορες συνθήκες καθώς και για τη μικροβιολογία των τροφίμων, τις λειτουργικές τους ιδιότητες και τη μελέτη των μηχανικών τους ιδιοτήτων. Η εργαστηριακή άσκηση, στοχεύει στην πιο άμεση και ολοκληρωμένη αντίληψη όλων των παραπάνω θεμάτων που καλύπτονται στη θεωρία. Συγκεκριμένα εξοικειώνει τους φοιτητές με τις βασικές αναλύσεις για τον προσδιορισμό των συστατικών των τροφίμων και τις μετρήσεις των λειτουργικών, φυσικοχημικών και μηχανικών ιδιοτήτων τους. Επίσης με τη μεθοδολογία της μικροβιολογικής ανάλυσης και της οργανοληπτικής εξέτασης των τροφίμων. Όλα αυτά εξειδικεύονται και εφαρμόζονται στις βασικότερες κατηγορίες τροφίμων. Κατ αυτό τον τρόπο ο σπουδαστής θα μπορέσει στο επόμενο εξάμηνο να κατανοήσει τις διεργασίες που ακολουθούνται στη βιομηχανία τροφίμων. Επί πλέον των πειραματικών χειρισμών ο φοιτητής μαθαίνει πως να αναζητεί βιβλιογραφικά δεδομένα για τις αναλυτικές μεθόδους, τη σύσταση των τροφίμων, τη μελέτη τους και την ερμηνεία πειραματικών μετρήσεων. Επίσης εξοικειώνεται στην καταγραφή των πειραματικών αποτελεσμάτων, την επεξεργασία τους και τη συγγραφή αναφοράς της εργαστηριακής άσκησης. Ο τελικός στόχος είναι η εξοικείωση με τη μελέτη του τροφίμου: ο εντοπισμός του προβλήματος, η αναζήτηση βιβλιογραφικών μεθόδων ανάλυσης, μέτρησης και δεδομένων, η επιλογή και εφαρμογή των πειραματικών μεθόδων μελέτης, η ερμηνεία των αποτελεσμάτων, η καταγραφή και παρουσίασή τους. Οργάνωση εργαστηρίου, υποχρεώσεις Η συμμετοχή των φοιτητών στην εργαστηριακή άσκηση είναι υποχρεωτική. Οι φοιτητές συγκροτούν διμελείς ή τριμελείς ομάδες οι οποίες ασκούνται στο εργαστήριο σε διαφορετικές ασκήσεις με κυκλική εναλλαγή. Το πρόγραμμα των ασκήσεων των ομάδων δίνεται στους φοιτητές στην αρχή του εξαμήνου. Οι φοιτητές είναι υποχρεωμένοι να έχουν προετοιμασθεί για την εκτέλεση της άσκησης διαβάζοντας τις οδηγίες και τη σχετική 5

6 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY βιβλιογραφία. Η προετοιμασία ελέγχεται με προφορική εξέταση στην αρχή της εργαστηριακής άσκησης. Για κάθε άσκηση παραδίδεται γραπτή αναφορά εντός 15 ημερών σύμφωνα με τις οδηγίες της παραγράφου 3 και ακολουθεί προφορική εξέταση της ομάδας από τον επιβλέποντα. Η βαθμολογία της εργαστηριακής άσκησης προκύπτει από την επίδοση του φοιτητή στην προφορική εξέταση, τη συμμετοχή του στην εκτέλεση της άσκησης και την ποιότητα της γραπτής αναφοράς. Οδηγίες για τη συγγραφή της αναφοράς της εργαστηριακής άσκησης Η αναφορά πρέπει να παρουσιάζει με σαφήνεια και ακρίβεια την πειραματική διαδικασία, τις χρησιμοποιούμενες μεθόδους ελέγχου και ανάλυσης, τα αποτελέσματα των μετρήσεων, την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων, το σχολιασμό τους και τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την εργαστηριακή άσκηση. Μία εργαστηριακή αναφορά δεν μπορεί να τυποποιηθεί πλήρως αλλά θα πρέπει να ακολουθεί ένα γενικό τύπο και να περιέχει: Ι. Εξώφυλλο Περιλαμβάνει: Το όνομα του εργαστηριακού μαθήματος, τον τίτλο της άσκησης, τα ονόματα των σπουδαστών, τις ημερομηνίες της εκτέλεσης της άσκησης και της παράδοσης της αναφοράς. ΙΙ. Περίληψη Στην περίληψη δίνεται μία συνοπτική αλλά περιεκτική και πλήρη περιγραφή του πειράματος, τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που προέκυψαν. Δεν περιλαμβάνονται λεπτομερείς περιγραφές και γενικές διατυπώσεις. ΙΙΙ. Εισαγωγή Στην εισαγωγή περιλαμβάνονται τα βασικά θεωρητικά στοιχεία που σχετίζονται με την πειραματική άσκηση. Η βιβλιογραφία που χρησιμοποιείται θα πρέπει να αναφέρεται σαφώς με παραπομπή στην αντίστοιχη πηγή. Η εισαγωγή πρέπει να καταλήγει με το συγκεκριμένο σκοπό της εργαστηριακής άσκησης όπως τον αντιλαμβάνονται και μπορούν να τον αποδώσουν οι σπουδαστές. 6

7 Γενικές οδηγίες εργαστηριακής άσκησης και συγγραφής αναφοράς ΙV. Πειραματική διαδικασία Στην πειραματική διαδικασία περιλαμβάνονται τα υλικά, οι συσκευές που χρησιμοποιήθηκαν, η διαδικασία που ακολουθήθηκε στην εργαστηριακή άσκηση και οι μέθοδοι ανάλυσης. Αν και δεν πρέπει να περιέχονται περιττά στοιχεία, πρέπει να δίνονται όλες οι λεπτομέρειες που θα επιτρέψουν στον αναγνώστη να επαναλάβει το πείραμα με τις ίδιες συνθήκες. Όπου απαιτείται πρέπει να δίνεται διάγραμμα της πειραματικής συσκευής. V. Αποτελέσματα - Σχολιασμός - Συμπεράσματα Παρουσιάζονται οι τιμές των πρωτογενών μετρήσεων και τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τους αναλυτικούς υπολογισμούς των πειραματικών δεδομένων σε πίνακες ή διαγράμματα. Επίσης εάν χρησιμοποιηθούν δεδομένα από τη βιβλιογραφία γίνεται αναφορά στην πηγή από την οποία έχουν ληφθεί. Αναφέρονται με σαφήνεια οι παραδοχές οι οποίες γίνονται. Οι πίνακες και τα διαγράμματα αριθμούνται και συνοδεύονται από σαφή τίτλο, ενώ γίνεται απαραίτητα αναφορά αυτών και μέσα στο κείμενο. Ακολουθεί σχολιασμός των αποτελεσμάτων, σύγκριση με βιβλιογραφικά δεδομένα, όπου είναι απαραίτητο, και σαφής απάντηση των ερωτημάτων που τίθενται σε κάθε άσκηση. Για την εξαγωγή συμπερασμάτων είναι απαραίτητο να εντοπισθούν οι πιθανές πηγές σφαλμάτων, οι αποκλίσεις των λαμβανόμενων τιμών από τις αναμενόμενες και να αναφέρονται οι παραδοχές οι οποίες γίνονται. VI. Βιβλιογραφία Παρατίθεται όλη η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε αλφαβητικά, ή με τη σειρά εμφάνισης στο κείμενο, ανάλογα με τον τρόπο που χρησιμοποιείται στο κείμενο (ονόματα συγγραφέων ή αρίθμηση παραπομπών). Παραδείγματα: - Βιβλίο: Θωμόπουλος, Χ.Δ., 1981, Τεχνολογία Γεωργικών Βιομηχανιών, ΕΜΠ, Αθήνα. - Κεφάλαιο σε βιβλίο: Taoukis, P.S., Labuza, T.P. and Saguy I.S., 1997, Kinetics of food deterioration and shelf-life prediction, in Handbook of Food Engineering Practice, ed. K.J. Valentas, E. Rotstein and R.P. Singh, p , CRC Press, Boca Raton, New York. 7

8 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY - Άρθρο σε περιοδικό: Liadakis, G.N., Tzia, C., Oreopoulou, V. and Thomopoulos, C.D., 1995, Protein isolation from tomato seed meal, extraction optimization, Journal of Food Science, 60: Παρουσίαση σε συνέδριο: Tzia, C., Oreopoulou, V., Melanitis, A. and Liadakis G.N., 1998, HACCP analysis in spray drying of foods: the case of baby food, presented at IDS 98, 11 th International Drying Symposium, Chalkidiki, Greece, August VII. Παραρτήματα Σε παραρτήματα δίνεται πρόσθετο υλικό, όπως πειραματικές μετρήσεις, καμπύλες, σχήματα, υπολογισμοί κ.λ.π. που είναι πολύ λεπτομερείς για να συμπεριληφθούν στην άσκηση, αλλά βοηθητικό ή απαραίτητο για την κατανόησή της. 8

9 Στατιστική επεξεργασία αποτελεσμάτων μετρήσεων ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Κ. Τζιά Γενικά Η στατιστική ασχολείται με την ανάλυση και το σχολιασμό δεδομένων (data) σε καταστάσεις αβεβαιότητας και διακύμανσης (variability). Τα αριθμητικά δεδομένα, τα οποία χρησιμοποιούνται στη στατιστική ανάλυση, εμφανίζονται σε δύο μορφές: τα συνεχή (continuous data) και τα διακριτά (discrete data). Βασικές έννοιες των στατιστικών τεχνικών βασίζονται στη γενική ιδέα του πληθυσμού (population ή universe) και του δείγματος (sample). Το δείγμα είναι κάθε ομάδα στοιχείων του πληθυσμού που προκύπτει από αυτόν τυχαία, δηλαδή με τέτοιο τρόπο ώστε όλα τα μέλη του πληθυσμού να έχουν τις ίδιες πιθανότητες να επιλεγούν. Μία ακόμη έννοια που χρησιμοποιείται συχνά στη στατιστική ανάλυση είναι εκείνη των κατανομών. Οι κατανομές είναι θεωρητικά μοντέλα που περιγράφουν τη συμπεριφορά τυχαίων δεδομένων (συνεχών και διακριτών). Μέτρα θέσης και μεταβλητότητας Το συνηθισμένο μέτρο θέσεως είναι ο αριθμητικός μέσος (mean, μ-πληθυσμού, - δείγματος) ενώ ως μέτρο μεταβλητότητας συχνότερα χρησιμοποιείται η διακύμανση (variance σ 2 -πληθυσμού, S 2 -δείγματος). Άλλα χαρακτηριστικά που μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως μέτρα θέσεως είναι η κορυφή (mode) και η διάμεση τιμή (median) ενώ ως μέτρο μεταβλητότητας συχνά χρησιμοποιείται το εύρος (Range) (R=Χ max -X min ) και εκφράζει τη διαφορά της μεγαλύτερης από τη μικρότερη τιμή ενός δείγματος ή μίας ομάδας δεδομένων. Ένα πολύ χρήσιμο μέγεθος είναι ο συντελεστής μεταβλητότητας CV ο οποίος χρησιμοποιείται για τη σύγκριση της μεταβλητότητας δειγμάτων που προέρχονται από διαφορετικούς πληθυσμούς και ορίζεται ως εξής: S CV 100 % X Έννοιες που χρησιμοποιούνται συχνά κατά τον υπολογισμό της μέσης τιμής ή της διασποράς μίας ομάδας μετρήσεων (εκτίμηση κατά σημείο) είναι εκείνες της 9

10 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY εκκεντρότητας (accuracy) και της συσσωρευτικότητας (precision). Οι δύο αυτές έννοιες είναι συνιστώσες της έννοιας της ακρίβειας μίας μέτρησης. Λέμε, για παράδειγμα, ότι η εκτίμηση της μέσης τιμής παρουσιάζει "μεγάλη" εκκεντρότητα στην περίπτωση που η τιμή αυτή είναι απομακρυσμένη από την "πραγματική" τιμή μ ή την τιμή η οποία γίνεται αποδεκτή ως τιμή αναφοράς. Από την άλλη, η εκτίμηση της μέσης τιμής παρουσιάζει μεγάλη συσσωρευτικότητα όταν οι μεμονωμένες τιμές που συνιστούν τη μέση τιμή είναι "κοντά" η μία στην άλλη. Δοκιμές σημαντικότητας (signifigance tests) Οι δοκιμές αυτές δίνουν τη δυνατότητα στον πειραματιστή να γνωρίζει σε συγκεκριμένο επίπεδο σημαντικότητας α κατά πόσο διαφέρει στατιστικά η προσδιοριζόμενη τιμή από την "πραγματική" τιμή μ ή την τιμή η οποία γίνεται αποδεκτή ως τιμή αναφοράς. Η προσδιοριζόμενη τιμή μπορεί να είναι η μέση τιμή του πληθυσμού ή οποιαδήποτε άλλη χωρίς να υπάρχει το αντίστοιχο δείγμα. (Βλέπε Πίνακα 1). Πίνακας 1: Δοκιμές σημαντικότητας Μηδενική Υπόθεση Η 0 Κριτήρια απόρριψης της Η 0 Έλεγχος σημαντικότητας Η 0 : μ = μ 0 σ 2 άγνωστη Η 0 : μ 1 = μ σ 2 άγνωστη οι δύο πληθυσμοί είναι ανεξάρτητοι Η 0 : μ 1 = μ σ 1 2, σ 2 2 άγνωστες οι δύο πληθυσμοί είναι ανεξάρτητοι 2 Η 0 : t 0 > t α/2,ν t 0 > t α,ν t 0 < - t α,ν ν=n-1 t 0 > t α/2,ν t 0 > t α,ν t 0 < - t α,ν ν=n 1 +n 2 +1 t 0 > t α/2,ν t 0 > t α,ν t 0 < - t α,ν όπου ν βλέπε σχέση (2) F 0 > F α/2,ν1,ν2 ή F 0 > F 1- α/2,ν1,ν2 ν 1 = n 1-1 ν 2 = n 2-1 t 0 X 0 S n X1 X 2 t S P n1 n2 όπου S p βλέπε σχέση (1) t 0 F 0 X s s 1 2 s n X s n

11 Στατιστική επεξεργασία αποτελεσμάτων μετρήσεων Παρατηρήσεις: Με το γράμμα t δηλώνεται η κατανομή Student και με το σύμβολο (t α,ν ) η τιμής της κατανομής Student για ένα συγκεκριμένο επίπεδο σημαντικότητας (α) και για συγκεκριμένους ελευθερίας (ν). Με το γράμμα F δηλώνεται η αντίστοιχη κατανομή και με το σύμβολο F α,ν1,ν2 η τιμή της κατανομής F για ένα συγκεκριμένο επίπεδο σημαντικότητας α και για ν 1 βαθμούς ελευθερίας (αφορούν τον αριθμητή - S 2 1 ) και για ν 2 βαθμούς ελευθερίας (αφορούν τον παρανομαστή S 2 2 ). Οι τιμές των δύο αυτών κατανομών υπάρχουν σε όλα τα βιβλία που πραγματεύονται θέματα στατιστικής. 2 Για το S p ισχύει: 2 n1 1 s n 1 1 s s p n n (1) n1 n2 Για το ν ισχύει: (2) 1 2 s s n1 n2 n n 1 1 S S Εκτίμηση κατά διάστημα (διαστήματα εμπιστοσύνης) Στις περιπτώσεις που δεν προσδιορίζεται ένας συγκεκριμένος αριθμός αλλά ένα διάστημα που περιέχει το προσδιοριζόμενο μέγεθος τότε πρόκειται για εκτίμηση κατά διάστημα. Στον υπολογισμό των διαστημάτων εμπιστοσύνης βασική παράμετρος είναι ο βαθμός εμπιστοσύνης (1-α)%, μέγεθος που εκφράζει την πιθανότητα το διάστημα που προσδιορίσθηκε να περιέχει την πραγματική τιμή της εξεταζόμενης παραμέτρου. Πίνακας 2: Προσδιορισμός διαστημάτων εμπιστοσύνης Παράμετροι προς προσδιορισμό Μ μ 1 - μ 2 σ 2 Παρατήρηση: Προϋποθέσεις Κανονικός πληθυσμός (μ, σ 2 ) σ 2 άγνωστη Οι πληθυσμοί κανονικοί και άγνωστες Κανονικός πληθυσμός (μ, σ 2 ) 11 Διάστημα Εμπιστοσύνης X ν=n-1 X t á 2 í n S /, t S S X /, í n n n 1 S n 1 S, 2 á/ 2, í 1 á / 2, í

12 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Η κατανομή X 2 χρησιμοποιείται για συγκεκριμένο επίπεδο σημαντικότητας (α/2 και 1-(α/2)) και για ν βαθμούς ελευθερίας. Τιμές και για αυτή την κατανομή υπάρχουν σε όλα τα εγχειρίδια που πραγματεύονται θέματα στατιστικής. Σφάλματα Το συνολικό σφάλμα σε ένα πειραματικά προσδιοριζόμενο φυσικό μέγεθος μπορεί να αναλυθεί σε τρεις επιμέρους κατηγορίες, όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί: ΣΦΑΛΜΑ Μέτρησης Ανάλυσης Υπολογισμού Στρογγυλοποίησης Αποκοπής Αλγόριθμου Αμέλειας Σφάλμα μέτρησης: Σφάλμα σε μεγέθη που προσδιορίζονται πρωτογενώς από μετρήσεις και όχι σε εκείνα που προκύπτουν από υπολογισμούς. Σφάλμα ανάλυσης: Τα σφάλματα που γίνονται κατά τη μαθηματικοποίηση των φυσικών προβλημάτων λόγω παραδοχών ή εξιδανικεύσεων. Σφάλμα υπολογισμού: Τα σφάλματα αυτά οφείλονται στην κατά ανάγκη προσεγγιστική επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων. Σημαντικά ψηφία - στρογγύλεμα αριθμών Στρογγύλεμα ενός αριθμού είναι η απομάκρυνση σημαντικών ψηφίων του, τα οποία θεωρούνται άχρηστα, με βάση την ακρίβεια της μεθόδου με την οποία ελήφθησαν. Σημαντικά ψηφία ενός αριθμού ορίζονται εκείνα τα ψηφία του που είναι γνωστά με βεβαιότητα και ένα ψηφίο ακόμα, που είναι το πρώτο αβέβαιο. Στον υπολογισμό των σημαντικών ψηφίων λογαριάζεται η σειρά όλων των ψηφίων του αριθμού, χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η υποδιαστολή. Σε περίπτωση αριθμού μικρότερου από το μηδέν δεν υπολογίζεται το μηδέν πριν από την υποδιαστολή ή τα μηδενικά αμέσως μετά την υποδιαστολή. Το μηδέν στο τέλος του αριθμού θεωρείται σημαντικό ψηφίο ακόμα και αν είναι αμέσως μετά την υποδιαστολή. 12

13 Στατιστική επεξεργασία αποτελεσμάτων μετρήσεων Επαναληψιμότητα Με τον όρο επαναληψιμότητα δηλώνεται η εγγύτητα μεταξύ δύο διαδοχικών προσδιορισμών που γίνονται στο ίδιο εργαστήριο, από τον ίδιο ερευνητή περίπου την ίδια χρονική στιγμή. Ποσοτικά ο προηγούμενος ορισμός δηλώνει ότι επαναληψιμότητα είναι η τιμή κάτω της οποίας υπό ορισμένη πιθανότητα αναμένεται να βρίσκεται η απόλυτη διαφορά μεταξύ δύο μεμονωμένων αποτελεσμάτων που λαμβάνονται με τις παραπάνω συνθήκες. Ο μαθηματικός τύπος που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της επαναληψιμότητας φαίνεται παρακάτω: r t 2 s όπου: r: η επαναληψιμότητα της μεθόδου Tο s: η τυπική απόκλιση από ένα δείγμα m επαναλήψιμων μετρήσεων t: βρίσκεται από τους πίνακες για δίπλευρο έλεγχο και για m-1 βαθμούς ελευθερίας. 2 δικαιολογείται επειδή ενδιαφέρει η διαφορά μεταξύ δύο (μεμονωμένων ή ολόκληρων σειρών) προσδιορισμών. Με βάση τον προηγούμενο τύπο δύο διαδοχικοί προσδιορισμοί που γίνονται με συνθήκες επαναληψιμότητας δεν πρέπει να διαφέρουν περισσότερο από το προσδιοριζόμενο r. Ανάλυση διακύμανσης Προηγουμένως μέσω της έννοιας της επαναληψιμότητας εξετάστηκε η περίπτωση όπου δύο σειρές μετρήσεων ή μεμονωμένες μετρήσεις έγιναν από τον ίδιο άνθρωπο, στο ίδιο εργαστήριο, στις ίδιες συνθήκες. Η περίπτωση όπου οι μετρήσεις γίνονται, για παράδειγμα, σε διαφορετικά εργαστήρια εξετάζεται με τη βοήθεια της έννοιας της αναπαραγωγισιμότητας (reproducibility). Μία τεχνική που χρησιμοποιείται για να εξεταστεί εάν διαφέρουν στατιστικά οι μέσοι από περισσότερους από δύο προσδιορισμούς (αλλάζοντας έναν ή περισσότερους παράγοντες όπως εργαστήριο, πειραματιστή κτλ.) είναι η ανάλυση διακύμανσης (ANOVA). Η ανάλυση διακύμανσης είναι κατά βάση μια δοκιμή σημαντικότητας (signifigance test) για τη σύγκριση μέσων από δύο ή περισσότερα δείγματα. Όταν αλλάζει ένας παράγοντας ANOVA-ONE (π.χ. το εργαστήριο) Η 0 : μ 1 = μ 2 =... μ n Η 1 : μ i μ j 13

14 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Όταν αλλάζουν δύο παράγοντες ANOVA-TWO (π.χ. θερμοκρασία και πειραματιστής) ελέγχονται δύο υποθέσεις: H 0 : μ 1θ = μ 2θ =... μ nθ Η 1 : μ iθ μ jθ και ταυτόχρονα: Η 0 : μ π1 = μ π2 =... μ πn Η 1 : μ πi μ πj Παραδοχή: Δεν υπάρχει αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Στη συνέχεια αναλύεται η περίπτωση της ANOVA-ONE. Με τη βοήθεια αυτής της τεχνικής είναι δυνατό να διαχωριστεί η ολική διακύμανση (total variability) σε διακύμανση μέσα στο κάθε εργαστήριο σ 2 w ή μέσα σε κάθε ομάδα μετρήσεων (variability within laboratories) και σε διακύμανση μεταξύ των εργαστηρίων σ 2 b ή μεταξύ των ομάδων μετρήσεων (variability between laboratories). H σ 2 w είναι ένα μέτρο της διακύμανσης που θα παρουσίαζαν οι μετρήσεις εάν αυτές πραγματοποιούνταν στο ίδιο εργαστήριο και είναι αποτέλεσμα του τυχαίου σφάλματος (random error) που είναι άλλωστε αναπόφευκτο σε όλες τις μετρήσεις. Η σ 2 b είναι ένα μέτρο της επιπλέον διακύμανσης που περιλαμβάνει τα συστηματικά σφάλματα (systematic errors) που προκαλούν την εκκεντρότητα των μετρήσεων σε ένα εργαστήριο και πρόσθετα τυχαία σφάλματα τα οποία δε θα υπήρχαν αν είχαν εξασφαλιστεί συνθήκες επαναληψιμότητας. Για τις ανάγκες αυτής της μεθόδου χρησιμοποιείται ένας διαφορετικός ορισμός της διακύμανσης από εκείνον που ήδη αναφέρθηκε. Σύμφωνα με αυτόν το νέο ορισμό η σ 2 w και σ 2 b ορίζεται ως εξής: MS w = σ 2 w = Σ (μετρήση ίδιου εργ. - τη μέση τιμή μετρήσεων για το συγκ. εργ.) 2 / (β.ε.) 1 όπου η άθροιση (Σ) γίνεται για όλες τις μετρήσεις του ίδιου εργαστηρίου MS b = σ 2 b = Σ [(αρ.μετρήσεων στο εργ.) (μέση τιμή εργ. - γενικό μέσο)] 2 / (β.ε.) 2 όπου η άθροιση (Σ) γίνεται για όλα τα εργαστήρια σ 2 t = Σ (μέτρηση - γενικό μέσο) 2 / (β.ε.) όπου η άθροιση (Σ) γίνεται για όλες τις μετρήσεις και επίσης όπου: (β.ε): συνολικός αριθμός παρατηρήσεων - 1 (β.ε) 2 : αριθμός εργ. - 1 (β.ε) 1 : (Αριθμ. προσδ. σε κάθε εργ. - 1) (αριθμ. εργ.) 14

15 Στατιστική επεξεργασία αποτελεσμάτων μετρήσεων Πίνακας 3: Παράδειγμα πίνακα ANOVA για α=0.05 Anova: Single Factor SUMMARY Groups Count Sum Average Variance Column Column Column Column ANOVA Source of Variation SS df MS F P-value F crit Between Groups Within Groups Total Παρατηρήσεις: Το F είναι η τιμή που προκύπτει από τη μαθηματική πράξη ΜS b / MS W (0.1667/ ). Το p-value (prob-value) δείχνει πόσο "μακρινή" είναι η Η 0 για τα εξεταζόμενα δεδομένα (περίπτωση απόρριψης της Η 0 ) ή πόσο πολύ υποστηρίζεται από αυτά η Η 0 (περίπτωση αποδοχής της). Σε κάθε περίπτωση το επιθυμητό είναι η p-value να είναι όσο το δυνατό πιο μικρή. Η πιθανότητα λανθασμένης απόρριψης της μηδενικής υπόθεσης (Σφάλμα τύπου Ι) συμβολίζεται με α (επίπεδο σημαντικότητας) και είναι μεταβλητή. Το F crit δίνεται από πίνακες της κατανομής για τους αντίστοιχους βαθμούς ελευθερίας F (ν1=νb,ν2=vw) και για το συγκεκριμένο α. Έλεγχος Duncan Όταν η ανάλυση διακύμανσης δείχνει ότι η μηδενική υπόθεση μπορεί να απορριφθεί, το επόμενο βήμα είναι να προσδιοριστούν ομάδες από τα δεδομένα στα οποία οι μέσες τιμές δεν διαφέρουν στατιστικά. Με άλλα λόγια να προσδιορισθούν ομάδες για τις οποίες ισχύει η μηδενική υπόθεση. Προκειμένου να γίνουν αυτοί οι προσδιορισμοί χρησιμοποιείται ο έλεγχος Duncan. Η διαδικασία που ακολουθείται είναι η εξής: Όλες οι μέσες τιμές των έστω κ δειγμάτων τοποθετούνται με αύξουσα σειρά. 15

16 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Εξετάζεται η τιμή του εύρους των ομάδων που περιλαμβάνουν: από το κ-1 (προτελευταίου στην κατάταξη) ως και το πρώτο. από το κ (τελευταίου στην κατάταξη) ως και το δεύτερο. Αν κάποια από τις προηγούμενες τιμές δεν είναι στατιστικά σημαντική συμπεραίνεται ότι στη συγκεκριμένη ομάδα ισχύει η μηδενική υπόθεση. Προκειμένου αυτό να καταδειχθεί, η συγκεκριμένη ομάδα των μέσων τιμών υπογραμμίζεται με μία συνεχή γραμμή. Αν και οι δύο τιμές που προσδιορίζονται είναι στατιστικά σημαντικές, τότε ο έλεγχος προχωρεί σε ομάδες μεγέθους κ-2. Η διαδικασία αυτή συνεχίζεται έως ότου ξεχωρισθούν οι μέσες τιμές που προκαλούν την απόρριψη της αρχικής υπόθεσης. Σε κάθε στάδιο η σύγκριση του εύρους που προσδιορίζεται γίνεται με την εξής κρίσιμη τιμή: R g = C(g,ν,α)[ΜS W / μέγεθος δείγματος] 1/2 όπου: g = το πλήθος των μέσων τιμών που συμπεριλαμβάνονται στον υπολογισμό της προς σύγκριση διαφοράς. ν = βαθμοί ελευθερίας του MS W της αρχικής ανάλυσης διακύμανσης α = το επίπεδο σημαντικότητας Παράδειγμα: Οι μέσες τιμές των προσδιορισμών των τεσσάρων εργαστηρίων ήταν: 19.8, 20.2, 20.1, Οι τιμές αυτές τοποθετούνται με αύξουσα σειρά ως εξής: Εξετάζονται οι ομάδες: A D C B ADC: για την οποία το εύρος είναι: = 0.3 DCB: για την οποία το εύρος είναι: = 0.3 Προσδιορίζεται η κρίσιμη τιμή: R g = C(g,ν,α)[ΜS W / μέγεθος δείγματος] 1/2 R 3 = C(3,16,0.01)[ /5] 1/2 R 3 = C(3,16,0.01) = = 0.28 Με δεδομένο ότι R 3 < 0.3 πρέπει η διερεύνηση να συνεχιστεί για ομάδες που αποτελούνται από δύο εργαστήρια AD: εύρος =

17 Στατιστική επεξεργασία αποτελεσμάτων μετρήσεων DC: εύρος = 0.2 CB: εύρος = 0.1 Προσδιορίζεται η κρίσιμη τιμή: R 2 = C(2,16,0.01)[ /5] 1/2 R 2 = = 0.27 Με δεδομένο ότι R 2 είναι μικρότερη από τις τιμές που προσδιορίστηκαν η διερεύνηση σταματά και διαμορφώνονται τα εξής ζευγάρια, όπως φαίνονται στον παρακάτω: A D C B Βιβλιογραφία Banks, J., 1989, "Principles of Quality Control", John Wiley. Caulcutt, R., 1989, "Data Analysis in the Chemical Industry" (V.1 Basic Techniques), Ellis Horwood Limited. Caulcutt, R. and Boddy, R., 1983, "Statistics for Analytical Chemists", Chapman & Hall. Chrinstensen, R., 1996, "Analysis of Variance, Design and Regression" (Applied statistical methods), Chapman & Hall. Hines, W. and Montgomery, D.C., 1990, "Probability and Statistics in Engineering and Management Science", John Wiley & Sons, 3 rd Edition. Hubbard, M., 1990, "Statistical Quality Control for the Food Industry", AVI. Mandel, J., 1991, "Evaluation and Control of Measurements ", Marcel Dekker. Murdoch, J. and Barnes, J.A., 1986, "Statistical Tables", MacMillan. Wernimont, G.T., 1988, "Use of Statistics to Develop and Evaluate Analytical Methods", AOAC. Μασαβέτας, Κ.Α., 2000, "Σχεδιασμός Πειραμάτων και Μαθηματική Επεξεργασία Πειραματικών Δεδομένων - Θεωρία Σφαλμάτων", ΕΜΠ, Αθήνα. 17

18 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 18

19 Άσκηση 1 Προσδιορισμός συστατικών τροφίμων AΣΚΗΣΗ 1 Προσδιορισμός συστατικών τροφίμων και επίδραση διεργασιών επεξεργασίας & συντήρησης Ε. Δερμεσονλούογλου, Μ. Κατσούλη, Π. Σιαμανδούρα Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι η εξοικείωση με την ανάλυση διαφόρων συστατικών ενός τροφίμου, ώστε να εκτιμηθεί η ποιότητά του και να προσδιορισθεί αν βρίσκεται εντός των προκαθορισμένων προδιαγραφών. Θεωρία Για τον καθορισμό της ποιότητας και της θρεπτικής αξίας ενός τροφίμου απαιτούνται αξιόπιστα αναλυτικά στοιχεία της ποσότητας των θρεπτικών ουσιών που περιέχει. Συστατικά των τροφίμων είναι το νερό, οι υδατάνθρακες, τα λιπαρά, οι πρωτεΐνες, οι βιταμίνες, τα ανόργανα άλατα, τα ένζυμα και πιθανές πρόσθετες ουσίες. Οι θρεπτικές ουσίες μπορούν να ομαδοποιηθούν στα μακροθρεπτικά συστατικά που αποτελούν τον κυριότερο όγκο των τροφίμων, και στα μικροθρεπτικά συστατικά που είναι όχι λιγότερο σημαντικά αλλά βρίσκονται σε μικρές ποσότητες μέσα στα τρόφιμα. Το Σχήμα 1 παρέχει μια επισκόπηση και των δύο ομάδων και καταδεικνύει την ποικιλομορφία των ουσιών που αποτελούν ένα τρόφιμο. Υπάρχουν τρία θεμελιώδη βήματα στην ανάλυση οποιουδήποτε τροφίμου: η δειγματοληψία, οι μετρήσεις, και η ερμηνεία των στοιχείων από την άποψη των νομοθετικών ή/και θρεπτικών προτύπων. Μέθοδοι προσδιορισμού-πειραματική διαδικασία Νερό Το νερό είναι ένα σημαντικό συστατικό στα περισσότερα τρόφιμα. Η περιεκτικότητα του νερού στα τρόφιμα κυμαίνεται από 12% σε ζυμαρικά και δημητριακά, 60-80% σε κρέας και ψάρια και πάνω από 90% σε φρούτα και λαχανικά. Οι μέθοδοι ανάλυσης που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του νερού στα τρόφιμα είναι κυρίως η ξήρανση 19

20 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY και η απόσταξη αλλά και διάφορες χημικές και ενόργανες μέθοδοι ανάλυσης. Για κάθε κατηγορία τροφίμων ακολουθείται και η κατάλληλη μέθοδος προσδιορισμού υγρασίας (στο νωπό δείγμα), σύμφωνα με τον AOAC. Σχήμα 1. Συστατικά των τροφίμων Μακροσυστατικά Μικροσυστατικά Νερό Ανόργανα Βιταμίνες Πρωτεΐνες Άζωτο Αμινοξέα Αμίνες Υδατάνθρακες Σάκχαρα Άμυλο Διαιτητικές ίνες Αμέταλλα Αλογόνα Θειικά Φωσφορικά ΝΟ 2 /ΝΟ 3 Ag Al As Cd Hg Pb Sn Si Μέταλλα Ca Co Cr Cu Fe K Li Mg Mn Mo Na Ni Rb Se V Zn Λιποδιαλυτές Ρετινόλες Καροτένια Τοκοφερόλες D2 και D3 Λιπαρά Υδατοδιαλυτές Ολικά Λιπαρά Λιπαρά οξέα Φωσφολιπίδια Τριγλυκερίδια Μη-σαπωνοποιημένα λίπη Προσδιορισμός (έμμεσος) με ξήρανση Η μέθοδος ανάλυσης με ξήρανση περιλαμβάνει τη μέτρηση της απώλειας βάρους ενός δείγματος εξ αιτίας της εξάτμισης του νερού, συνήθως στους C (και για ορισμένα τρόφιμα μέχρι 130 C) ή υπό κενό στους 70 C, ανάλογα με τη φύση του υλικού. Η ξήρανση υπό κενό σε C είναι προτιμητέα από την ξήρανση σε φούρνο αέρα, ιδιαίτερα για τα τρόφιμα που είναι πλούσια σε σάκχαρα. Βιταμίνες Β-Ομάδας Θιαμίνη Ριφοβλαβίνη Νιασίνη Φολικό οξύ Παντοθενικό οξύ Βιοτίνη Β6 Β12 Βιταμίνη C 20

21 Άσκηση 1 Προσδιορισμός συστατικών τροφίμων 1 η Μέθοδος: 2-3 g δείγματος τοποθετούνται σε προζυγισμένο φιαλίδιο ζύγισης με πώμα και ζυγίζονται σε αναλυτικό ζυγό με ακρίβεια g. Το δείγμα αφήνεται για ξήρανση σε φούρνο στους C μέχρι να σταθεροποιηθεί το βάρος του (δύο διαδοχικές ζυγίσεις να μην διαφέρουν περισσότερο από 1-3 mg, όταν το ξηρό βάρος είναι 2-5 g). Ακολουθεί τοποθέτηση (με κλειστό πώμα) σε ξηραντήρα για ψύξη στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, και ζύγιση. 2 η Μέθοδος (υπό κενό): Η μέθοδος εφαρμόζεται όπως η προηγούμενη, αλλά το δείγμα τοποθετείται σε φούρνο ξήρανσης θερμοκρασίας <100 C και πίεσης <100 mmhg (13.3 kpa). Διάρκεια ξήρανσης περίπου 4 h. Μετά το τέλος της ξήρανσης η επαναφορά της πίεσης στην ατμοσφαιρική μπορεί να γίνει με ξηρό ρεύμα αέρα με διαβίβαση μέσω πυκνού H 2 SΟ 4. Προσδιορισμός με απόσταξη Οι αναφερθείσες μέθοδοι είναι ακατάλληλες για τρόφιμα με υψηλό περιεχόμενο πτητικών συστατικών. Η μέθοδος Dean-Stark, η οποία στηρίζεται στην απόσταξη του νερού, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε τέτοια τρόφιμα. Επίσης χρησιμοποιείται σε τρόφιμα με μεγάλη περιεκτικότητα σε λιπαρά, όπως οι ελαιούχοι σπόροι. Σε αυτήν τη μέθοδο το νερό αποστάζεται ως αζεοτροπικό μίγμα με έναν μη αναμίξιμο με το νερό διαλύτη όπως το τολουόλιο (σ.ζ. 137 C) και το ξυλόλιο (σ.ζ. 111 C). Η μέθοδος είναι εγκεκριμένη από την AOAC για καρυκεύματα και τυρί, με πολύ καλά επίπεδα ακρίβειας (AOAC 2002). Προσδιορισμός με χημικές μεθόδους: Η τιτλοδότηση Karl Fischer είναι η πιο συνηθισμένη χημική μέθοδος. Η μέθοδος εξαρτάται από την αντίδραση μεταξύ του διοξειδίου του θείου και του ιωδίου παρουσία νερού, πυριδίνης και μεθανόλης: S0 2 + I 2 + 2H 2 0 H 2 S HI Το δείγμα του τροφίμου διαλύεται σε ένα μείγμα μεθανόλης / διοξειδίου του θείου / πυριδίνης και στη συνέχεια τιτλοδοτείται με πρότυπο διάλυμα ιωδίου σε μεθανόλη μέχρι την εμφάνιση περίσσειας ιωδίου. Η ανίχνευση γίνεται συνήθως οπτικά. Η μέθοδος Karl Fischer είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τρόφιμα με πολύ χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία και για υγροσκοπικά τρόφιμα που είναι δύσκολο να ξηρανθούν με τη χρησιμοποίηση των συμβατικών μεθόδων. 21

22 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Στερεό υπόλειμμα Στερεό υπόλειμμα ολικό, ή ολικές στερεές ύλες, καλείται το σύνολο των ουσιών, οι οποίες υπό καθορισμένες φυσικές συνθήκες, δεν είναι πτητικές. Οι φυσικές αυτές συνθήκες πρέπει να καθορίζονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε οι ουσίες που αποτελούν το στερεό υπόλειμμα να υφίστανται τη μικρότερη δυνατή αλλοίωση. Άμεσα το στερεό υπόλειμμα μπορεί να προσδιορισθεί με ξήρανση υπό ατμοσφαιρική πίεση ή υπό κενό, όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Tέφρα Η Τέφρα είναι το υπόλειμμα των τροφίμων που παραμένει μετά από την καύση τους στους 500 C-650 C, ανάλογα με το τρόφιμο, και προσεγγίζει το ανόργανο περιεχόμενο. Σε προζυγισμένη κάψα πορσελάνης τοποθετείται ποσότητα δείγματος του τροφίμου, ζυγισμένη σε αναλυτικό ζυγό. Στη συνέχεια η κάψα θερμαίνεται σε πυριαντήριο στους 110 C για 1 h και τέλος μεταφέρεται σε κλίβανο τέφρας, παραμένει στην προκαθορισμένη θερμοκρασία για 1-2 h και ζυγίζεται μετά από ψύξη. Ολική ογκομετρική οξύτητα Ολική ογκομετρική οξύτητα καλείται το σύνολο των ογκομετρούμενων οξέων όταν με την προσθήκη τιτλοδοτημένου διαλύματος αλκάλεως, το τρόφιμο (σε μορφή διαλύματος ή αιωρήματος) φέρεται σε ph 7. Η ολική ογκομετρική οξύτητα είναι σημαντικός ποιοτικός δείκτης σε πολλά υγρά τρόφιμα, όπως το κρασί, το λάδι, οι χυμοί φρούτων, αλλά και σε στερεά, όπως τα άλευρα. Ειδικότερα στο κρασί το διοξείδιο του άνθρακα δεν περιλαμβάνεται στην ογκομετρούμενη οξύτητα. Σε περίπτωση που υπάρχει διοξείδιο του άνθρακα αυτό απομακρύνεται πριν από τον προσδιορισμό, με θέρμανση άνω των 80 C. Σε κωνική φιάλη προστίθενται 10 ml υγρού τροφίμου, ή αιωρήματος στερεού τροφίμου γνωστής περιεκτικότητας, και το διάλυμα τιτλοδοτείται με 0.1 N NaOH και δείκτη φαινολοφθαλεΐνη. Εάν το τρόφιμο έχει έντονο χρώμα που παρεμποδίζει την ικανότητα διάκρισης της αλλαγής χρώματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί άλλος κατάλληλος δείκτης. Ειδικότερα στα λάδια το ζυγισμένο δείγμα αναμιγνύεται με μίγμα αιθανόλης/αιθέρα και τιτλοδοτείται (αναλυτικά στη σχετική άσκηση). H οξύτητα εκφράζεται σε ισοδύναμο βάρος (% w/w ή w/v) του οξέος που αποτελεί το κύριο συστατικό οξύ του τροφίμου (π.χ. τρυγικό στο κρασί, κιτρικό στον πορτοκαλοχυμό, ελαϊκό στο ελαιόλαδο). 22

23 Άσκηση 1 Προσδιορισμός συστατικών τροφίμων Πρωτεΐνες Οι πρωτεΐνες είναι πολυμερείς ενώσεις με μοριακά βάρη που κυμαίνονται από 5000 έως και μερικά εκατομμύρια και αποτελούν τα κύρια αζωτούχα συστατικά των τροφίμων. Σχεδόν όλες οι πρωτεΐνες αποτελούνται από 20 διαφορετικά αμινοξέα ενωμένα με πεπτιδικούς δεσμούς. Οι ιδιότητες και οι λειτουργίες μιας πρωτεΐνης εξαρτώνται από την ιδιαίτερη ακολουθία των αμινοξέων της, τη δευτεροταγή και τριτοταγή δομή της. Ο προσδιορισμός της συνολικής περιεκτικότητας σε πρωτεΐνες ενός τροφίμου, παρόλο που στην πραγματικότητα αποτελείται από ένα σύνθετο μίγμα πρωτεϊνών, είναι μια βασική ανάλυση για τον καθορισμό της ποιότητάς του. Η θρεπτική αξία των περιεχόμενων πρωτεϊνών ενός τροφίμου εξαρτάται τόσο από το συνολικό ποσό τους όσο και από τη σύνθεση τους σε αμινοξέα. Ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών μεθόδων έχει εφαρμοστεί με στόχο τη μέτρηση των συνολικών πρωτεϊνών. Το βασικό πρόβλημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί είναι η ποικιλομορφία της πρωτεϊνικής σύνθεσης από το ένα τρόφιμο στο άλλο. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να χρησιμοποιηθούν έμμεσες μέθοδοι ανάλυσης. Οι περισσότερες βασίζονται στη μέτρηση μιας κοινής ιδιότητας όλων των πρωτεϊνών. Ο προσδιορισμός του αζώτου με τη διαδικασία Kjeldhal είναι η πιο αξιόπιστη και διαδεδομένη τεχνική. Η μέθοδος ανάλυσης είναι βασισμένη στον προσδιορισμό του συνολικού ποσού του αζώτου, υποθέτοντας ότι οι μη πρωτεϊνικές ενώσεις του αζώτου στα τρόφιμα (π.χ. DNA) βρίσκονται σε χαμηλά ποσοστά. Παρόλο που η μέθοδος Kjeldhal έχει υποβληθεί σε πολλές τροποποιήσεις κατά τη διάρκεια των ετών, τα βασικά στοιχεία της παραμένουν αμετάβλητα. Το ποσοστό του αζώτου στις περισσότερες πρωτεΐνες είναι 16% (w/w), έτσι χρησιμοποιείται συνήθως ο συντελεστής 6.25 για να μετατρέψει την περιεκτικότητα του αζώτου σε περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη. Οι παραλλαγές στην αμινοξική σύνθεση των διαφορετικών τροφίμων τροποποιούν αυτό το συντελεστή μετατροπής σε ορισμένα τρόφιμα, π.χ. δημητριακά (5.70), ζελατίνη (5.55), γαλακτοκομικά προϊόντα (6.38) και αυγά (6.68). Μέθοδος προσδιορισμού οργανικώς δεσμευμένου αζώτου κατά Kjeldahl Η αρχή της μεθόδου είναι η καύση του δείγματος με περίσσεια πυκνού θειικού οξέος παρουσία μεταλλικών καταλυτών (οξείδιο υδραργύρου, σελήνιο, θειικό άλας χαλκού ή διοξείδιο τιτανίου) και αλάτων καλίου ή νατρίου. Από το όξινο θειικό αμμώνιο που σχηματίζεται ελευθερώνεται αμμωνία, σε αλκαλικό περιβάλλον, η οποία αποστάζει και 23

24 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY δεσμεύεται σε περίσσεια διαλύματος θειικού οξέος. Η αμμωνία στη συνέχεια αποστάζεται και παγιδεύεται σε τυποποιημένη ποσότητα αραιού οξέος. Ακολουθεί τιτλοδότηση με τυποποιημένο αλκαλικό διάλυμα για τον προσδιορισμό της οργανικής περιεκτικότητας σε άζωτο του δείγματος. Σε ειδικό σωλήνα καύσης μεταφέρεται ποσοτικά η αναγκαία ποσότητα δείγματος (ζυγισμένη με ακρίβεια g), 10 g θειικού καλίου, 1 g ένυδρου θειικού χαλκού και 25 ml πυκνού θειικού οξέος (95-98%) και πυρήνες βρασμού. Ο σωλήνας τοποθετείται στην ειδική συσκευή καύσης Kjeldahl, όπου θερμαίνεται αρχικά ήπια για 20 min έως ότου αρχίσει ο αφρισμός, ακολούθως σε συνθήκες ήπιου βρασμού για τουλάχιστον 15 min μέχρις ότου διαυγαστεί το περιεχόμενό του, και τελικώς σε συνθήκες έντονου βρασμού για 30 min. Ο σωλήνας αφήνεται να ψυχθεί, προσαρμόζεται στην ειδική συσκευή απόσταξης Kjeldahl όπου προστίθενται 75 ml νερού και 125 ml διαλύματος καυστικού νατρίου 32% w/w και υποβάλλεται σε απόσταξη, ενώ το απόσταγμα διαβιβάζεται σε 50 ml διαλύματος 0.5 N θειικού οξέος. Μετά τη συλλογή περίπου 200 ml αποστάγματος στον υποδοχέα, τιτλοδοτείται το υπολειπόμενο θειικό οξύ με διάλυμα καυστικού νατρίου 0.5 Ν και δείκτη ερυθρό μεθυλίου-μπλε μεθυλενίου (παρασκευή δείκτη: g ερυθρό μεθυλίου g μπλε μεθυλενίου σε 100 ml αιθανόλης). Παράλληλα εκτελείται και λευκός προσδιορισμός. Η περιεκτικότητα του δείγματος σε οργανικό άζωτο (Ν%) υπολογίζεται από τη σχέση: Ν% = (V1-V2) N/β όπου, V1 και V2 οι καταναλωθέντες όγκοι του προτύπου διαλύματος καυστικού νατρίου κατά τον κυρίως και το λευκό προσδιορισμό αντιστοίχως, Ν η κανονικότητα του προτύπου διαλύματος καυστικού νατρίου, και β το βάρος του δείγματος. Ο προσδιορισμός γίνεται εις διπλούν για κάθε δείγμα. Υδατάνθρακες Οι υδατάνθρακες είναι τα αφθονότερα συστατικά των τροφίμων και αποτελούν ένα μεγάλο ποσοστό της ανθρώπινης διατροφής. Οι κύριοι αφομοιώσιμοι υδατάνθρακες που προσλαμβάνει ο άνθρωπος με την τροφή είναι οι μονοσακχαρίτες γλυκόζη και φρουκτόζη, οι δισακχαρίτες σακχαρόζη και λακτόζη, και το άμυλο. Στους υδατάνθρακες που προσλαμβάνονται με την τροφή περιλαμβάνονται ακόμη οι δομικοί πολυσακχαρίτες των φυτών (κυτταρίνη, ημικυτταρίνες και πηκτίνες) και διάφοροι πολυσακχαρίτες ποικίλης προέλευσης χρησιμοποιούμενοι κυρίως ως πρόσθετα (κόμμεα, φυτοβλέννες, 24

25 Άσκηση 1 Προσδιορισμός συστατικών τροφίμων πολυσακχαρίτες διαφόρων φυκών και χημικώς τροποποιημένοι πολυσακχαρίτες). Ανήκουν στους μη αφομοιώσιμους υδατάνθρακες και αποτελούν το κύριο κλάσμα των διαιτητικών ινών. Η συνολική περιεκτικότητα των τροφίμων σε υδατάνθρακες βρίσκεται συχνά από τη διαφορά: Συνολικοί υδατάνθρακες (%) = (νερό% + πρωτεΐνη% + λίπος% + τέφρα%) Για την παραλαβή των διαλυτών σακχάρων από ένα δείγμα μπορεί να γίνει εκχύλιση με αιθανόλη 80% v/v. Το αλεσμένο δείγμα προστίθεται σε διάλυμα αιθανόλης (ο όγκος και η συγκέντρωση του οποίου καθορίζονται ώστε, λαμβανομένου υπόψιν και του νερού του δείγματος, η τελική συγκέντρωση να είναι 80%) και το μίγμα θερμαίνεται κοντά στο σημείο βρασμού, όπoυ και παραμένει επί 30 min υπό ανάδευση. Για την πλήρη παραλαβή από ορισμένα τρόφιμα μπορεί να απαιτηθούν διαδοχικές εκχυλίσεις ή και εκχύλιση σε συσκευή Soxhlet. Η εκχύλιση με αιθανόλη συνδυάζει την πλήρη παραλαβή των διαλυτών σακχάρων με τη σχεδόν ποσοτική παραμονή στο υπόλειμμα των πρωτεϊνών και των διαιτητικών ινών. Προσδιορισμός αναγωγικών σακχάρων Οι μονοσακχαρίτες και ορισμένοι ολιγοσακχαρίτες, όπως π.χ. οι δισακχαρίτες λακτόζη και μαλτόζη, είναι ενώσεις με αναγωγικές ιδιότητες. Ως αναγωγικά σάκχαρα προσδιορίζονται μέσω της ικανότητας αναγωγής οξειδωτικών μέσων όπως το φελίγγειο υγρό. Η μέθοδος αυτή, αν και πρότυπη για ορισμένα τρόφιμα, έχει δυσκολία στην εφαρμογή της και αντικαθίσταται σε πολλά εργαστήρια ανάλυσης τροφίμων από απλές μεθόδους όπως η μέθοδος του δινιτροσαλικυλικού οξέος, το οποίο παρουσία αναγωγικών σακχάρων, σε ισχυρώς αλκαλικό περιβάλλον, μετατρέπεται σε ένα κόκκινο-καφέ προϊόν, το 3-αμινο-5- νιτροσαλικιλικό οξύ, με χαρακτηριστικό μήκος κύματος απορρόφησης τα 540 nm. Χρωματομετρική μέθοδος DNS: Σε 0.5 ml του ειδικού αντιδραστηρίου Α προστίθεται 0.5 ml δείγματος κατάλληλα αραιωμένου και το μίγμα τοποθετείται σε υδατόλουτρο υπό βρασμό για 15 λεπτά. Το μίγμα στη συνέχεια αραιώνεται με αποσταγμένο νερό σε τελικό όγκο 5 ml. Μετρείται η απορρόφησή του στα 540 nm έναντι λευκού. Χρησιμοποιείται η παρακάτω σχέση για τον υπολογισμό των αναγωγικών σακχάρων C (g/l). C (g/l) =1.24 Απορρόφηση (540 nm) Αραίωση Η γραμμική περιοχή της μεθόδου ισχύει για τιμές απορρόφησης έως

26 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Παρασκευή αντιδραστηρίου Α: Διαλύονται 10 g δινιτροσαλικυλικού οξέος σε 200 ml 2Ν ΝαΟΗ και 300 g σε 500 ml απιονισμένου νερού υπό ήπια ανάδευση. Τα διαλύματα αναμειγνύονται και συμπληρώνονται με απιονισμένο νερό μέχρι τελικό όγκο 1 L. Άμυλο Η ανίχνευση του αμύλου βασίζεται στη ζωηρόχρωμη αντίδραση μεταξύ του αμύλου και του ιωδίου. Για τον ποσοτικό προσδιορισμό του αμύλου χρησιμοποιείται μια ενζυμική μέθοδος υδρόλυσής του με γλυκοαμυλάση (Glucoamylase), ή όξινη υδρόλυση για την ποσοτική μετατροπή του σε γλυκόζη και στη συνέχεια προσδιορίζεται η γλυκόζη ως αναγωγικό σάκχαρο. Διαιτητικές ίνες Ο προσδιορισμός των ολικών διαιτητικών ινών των τροφίμων σύμφωνα με την πρότυπη μέθοδο AOAC (991.43), χρησιμοποιεί ένα συνδυασμό ενζυμικής υδρόλυσης και σταθμικής (gravimetric) ανάλυσης. Η ανάλυση απαιτεί, όπου χρειάζεται, πρώτα απομάκρυνση των ολικών λιπαρών και στη συνέχεια ενζυμική υδρόλυση του δείγματος με θερμοάντοχες αμυλάσες και πρωτεάσες για την διαλυτοποίσηση των πρωτεϊνών και του αμύλου, αντίστοιχα. Οι ολικές διαιτητικές ίνες διακρίνονται σε διαλυτές (π.χ. πηκτίνη) και αδιάλυτες (κυτταρίνη, ημικυτταρίνες) στο νερό. Οι διαλυτές διαιτητικές ίνες καταβυθίζονται από τα διαλύματα ενζυμικής επεξεργασίας με προσθήκη αιθανόλης και μετά από φιλτράρισμα και έκπλυση με αιθανόλη και ακετόνη ξηραίνεται το δείγμα και προσδιορίζουμε το βάρος του. Προσδιορίζεται το υπόλειμμα των μη υδρολυμένων πρωτεϊνών και η τέφρα του ξηρού δείγματος και αφαιρείται το βάρος τους για να προσδιορισθούν οι ολικές διαιτητικές ίνες. Λιπαρά Τα λιπαρά είναι αδιάλυτα σε νερό, ελάχιστα διαλυτά σε αλκοόλη, και πλήρως διαλυτά σε μη πολικούς οργανικούς διαλύτες, όπως ο πετρελαϊκός αιθέρας ή ο διαιθυλαιθέρας. Έτσι ο προσδιορισμός των (ολικών) λιπαρών που περιέχονται σε ένα τρόφιμο γίνεται με εκχύλιση με διαιθυλαιθέρα, πετρελαϊκό αιθέρα, εξάνιο ή μίγματα των παραπάνω διαλυτών. Η εκχύλιση γίνεται συνήθως σε συσκευή Soxhlet με διάρκεια που εξαρτάται από το προϊόν. Μετά την απομάκρυνση του διαλύτη από το εκχύλισμα, ζυγίζεται το εναπομένον δείγμα και αποτελεί τη μάζα των ολικών λιπαρών που εκφράζεται κατά βάρος στο τρόφιμο. Ο προσδιορισμός αυτός δεν θεωρείται απολύτως ακριβής σε τρόφιμα που περιέχουν και δεσμευμένα λιπίδια, στα οποία το κλάσμα των ελεύθερων λιπιδίων αποτελεί περίπου το 26

27 Άσκηση 1 Προσδιορισμός συστατικών τροφίμων 99% των συνολικών λιπαρών. Στην περίπτωση αυτή, π.χ. στο κρέας, απελευθερώνονται τα δεσμευμένα λιπαρά με υδροχλωρικό οξύ πριν την εκχύλιση ή πραγματοποιείται εκχύλιση με πολικούς διαλύτες. Βιταμίνη C Η βιταμίνη C αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους ποιοτικούς δείκτες των τροφίμων. Αποτελείται από δύο βιολογικά ενεργές ουσίες, το L-ασκορβικό οξύ (ΑΑ) και το L- δεϋδροασκορβικό οξύ (DHAA). Tα οπτικά ισομερή του, το L-ισοασκορβικό οξύ και το D- ασκορβικό οξύ, συμπεριφέρονται με παρόμοιο χημικό τρόπο, χωρίς όμως να διαθέτουν βιταμινική δράση. Ωστόσο, χρησιμοποιούνται ως πρόσθετα στα τρόφιμα, λόγω της αναγωγικής και αντιοξειδωτικής τους ιδιότητας (όπως π.χ. παρεμπόδιση ενζυμικού μαυρίσματος). Το ΑΑ απαντάται στα φρούτα και τα λαχανικά, και σε μικρότερο βαθμό, σε ζωικούς ιστούς και σε ζωικά προϊόντα, με τη μορφή του L-ασκορβικού οξέος, ενώ η συγκέντρωση του DHAA είναι σημαντικά μικρότερη. Η υποβάθμιση του ασκορβικού οξέος σχετίζεται κυρίως με τη χημική οξείδωση προς DHAA, που συνοδεύεται από επακόλουθη υδρόλυση προς 2,3-δικετογουλονικό οξύ και περαιτέρω οξείδωση, αφυδάτωση και πολυμερισμός οδηγούν σε μια πληθώρα άλλων προϊόντων, που στερούνται θρεπτικής αξίας. Οι κυρίαρχοι παράγοντες που επηρεάζουν το ρυθμό, το μηχανισμό και το είδος των προϊόντων που παράγονται περιλαμβάνουν το ph, τη συγκέντρωση του οξυγόνου και την παρουσία ιχνών μετάλλων, όπως ο σίδηρος ή ο χαλκός. Μέθοδοι προσδιορισμού βιταμίνης C Εξαιτίας της διευρυμένης χρήσης της βιταμίνης C, έχει αναπτυχθεί πλήθος μεθόδων για τον ποσοτικό της προσδιορισμό, τόσο σε φυσικά φυτικά προϊόντα, όσο και σε ενισχυμένα τρόφιμα ή φαρμακευτικά παρασκευάσματα. Η πιο διαδεδομένη προτυποποιημένη ογκομετρική μέθοδος είναι αυτή που χρησιμοποιεί τη 2,6 διχλωροφαινολοϊνδοφαινόλη (DCIP) ως δείκτη για τον άμεσο προσδιορισμό του ασκορβικού οξέος σε τρόφιμα (AOAC 1984, ). Η αρχή της μεθόδου είναι η αναγωγή του DCIP σε όξινο διάλυμα, μεταφωσφορικού οξέος-οξικού οξέος (HPO 3 -ΗΟΑc), από το ασκορβικό οξύ. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει ανάμιξη ποσότητας 2 ml από το άγνωστο διάλυμα, καθώς και από ένα πρότυπο διάλυμα ασκορβικού οξέος (50 mg ξηρού ασκορβικού οξέος/50 ml δ/τος HPO 3 - ΗΟΑc) με 5 ml του διαλύματος HPO 3 -ΗΟΑc [ανάμειξη των 15 g υαλώδους HPO 3, 40 ml ΗΟΑc και 200 ml Η 2 Ο, αραίωση έως 500 ml Η 2 Ο], και άμεση τιτλοδότηση με διάλυμα DCIP 27

28 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY (100 mg DCIP και 84 mg NaHCO 3 /200 ml H 2 O), που δρα και ως δείκτης. Στο τελικό σημείο της τιτλοδότησης, η περίσσεια χρωστικής που δεν έχει αναχθεί δίνει χρώμα ροζ στο διάλυμα οξέων. Για τον προσδιορισμό της βιταμίνης C επίσης χρησιμοποιούνται ηλεκτροχημικές μέθοδοι, μέθοδοι χημειοφωταύγειας, φθοροσιμετρίας και χρωματογραφικές μέθοδοι. Η χρήση υγρής χρωματογραφίας υψηλής πίεσης (HPLC) ανάστροφης φάσης με ανίχνευση στο υπεριώδες στην περιοχή μεταξύ nm έχει ευρύτατα διαδοθεί. Οξειδωτικές και αναγωγικές μορφές του ασκορβικού οξέος προσδιορίζονται σε διαφορετικά δείγματα τροφίμων με πολικές στήλες και διάφορα είδη κινητών φάσεων, μεταξύ των οποίων μίγματα διαφόρων αναλογιών μεθανόληςακετονιτριλίου παρουσία αραιών ρυθμιστικών διαλυμάτων φωσφορικού-κιτρικού-οξικού οξέος ή υδατικού διαλύματος κιτρικού ή ρυθμιστικού διαλύματος μεταφωσφορικού οξέος (ph=2.2). Μελέτη επίδρασης της θερμικής κατεργασίας στη βιταμίνη C Για την μελέτη της επίδρασης της θερμικής επεξεργασίας στη βιταμίνη C, πέντε δείγματα καθαρού χυμού των 5 ml προστίθενται αντίστοιχα σε πέντε δοκιμαστικούς σωλήνες, οι οποίοι τοποθετούνται σε υδατόλουτρο θερμοκρασίας 90 C. Ανά τακτά χρονικά διαστήματα, λαμβάνεται ένα από τα δείγματα και προσδιορίζεται η περιεκτικότητά του σε βιταμίνη C. Αλκοολικός βαθμός Ο αλκοολικός βαθμός ή αλκοολικός τίτλος κατ' όγκο ή βαθμός Gay-Lussac, (G.L.) ενός υδραλκοολικού διαλύματος προσδιορίζεται με χρήση αλκοολομέτρου. Για την παραλαβή του υδραλκοολικού διαλύματος του οίνου που σας δίνεται, 200 ml φέρονται εντός κλασματήρα απόσταξης έως ότου παραληφθεί απόσταγμα ίσο με τα 2/3 του αρχικού όγκου, ώστε να έχει αποστάξει όλο το οινόπνευμα. Το απόσταγμα αραιώνεται με νερό μέχρι τελικού όγκου 200 ml (ίσο με το αρχικό δείγμα). Σε ογκομετρικό κύλινδρο των 250 ml πραγματοποιείται η μέτρηση του αλκοολικού βαθμού. 28

29 Άσκηση 1 Προσδιορισμός συστατικών τροφίμων Ερωτήσεις 1. Ποιες πληροφορίες (διατροφικές και μη) δίνονται στην ετικέτα ενός προϊόντος σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή νομοθεσία; (Δίνεται το τρόφιμο:... ) 2. Να προσδιοριστούν οι περιεκτικότητες σε... στα τρόφιμα που θα σας δίνονται, και να γίνει αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Πιο συγκεκριμένα: (α) Να προσδιοριστούν οι περιεκτικότητες σε περιεχόμενο νερό, στερεό υπόλειμμα και τέφρα στο αλεύρι. (β) Να προσδιοριστούν οι δείκτες ποιότητας του οίνου: ολική ογκομετρική οξύτητα, πτητική οξύτητα και αλκοολικός βαθμός, (γ) Να προσδιορισθεί η περιεκτικότητα του χυμού που σας δίνεται σε βιταμίνη C πριν τη θερμική επεξεργασία και να γίνει αξιολόγηση των αποτελεσμάτων σε σχέση με τη διατροφική ετικέτα. Να γίνει κινητική μελέτη της απώλειας της βιταμίνης C που περιέχεται στο χυμό κατά την θερμική επεξεργασία του. Να υπολογιστεί η σταθερά ρυθμού απώλειας της βιταμίνης στη θερμοκρασία του πειράματος, θεωρώντας κινητική πρώτης τάξης. Ποια η εναπομένουσα ζωή του χυμού, αν θεωρήσει κανείς ότι τίθεται διατροφικός περιορισμός, σχετικά με τη θρεπτική αξία του χυμού (όριο λήξης: η περιεχόμενη βιταμίνη του χυμού να μην πέσει κάτω από το 70% της αρχικής περιεκτικότητας); Δίνεται η ενέργεια ενεργοποίησης Ε α = 53.1 kj/mol). Βιβλιογραφία Egan, H., Kirk, R.S. and Sawer, R., 1981, Pearson s Chemical Analysis of Foods, Churchill Livingstone, New York. Greenfield, H. and Southgate, D.A.T., 2003, Food composition data, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome. James, C.S., 1999, Analytical chemistry of foods, Aspen Publishers, Gaithersburg, Maryland, USA. Marcone, M., 2006, Analytical Techniques in Food Biochemistry, in Food Biochemistry and Food Processing, ed. Y.H. Hui, p , Blackwell Publishing, Iowa, USA. 29

30 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Polydera, A.C., Stoforos, N.G. and Taoukis, P.S Quality degradation kinetics of pasteurised and high pressure processed fresh Navel orange juice: Nutritional parameters and shelf life. Innovative Food Science and Emerging Technologies 6, 1-9. Κανονισμός (ΕΕ) αριθ. 1169/

31 Άσκηση 2 Πρωτεΐνες: Λειτουργικότητα και αλληλεπιδράσεις σε συστήματα τροφίμων AΣΚΗΣΗ 2 Πρωτεΐνες: Λειτουργικότητα και αλληλεπιδράσεις σε συστήματα τροφίμων Β. Γιάννου, Τ. Κεκές, Α. Μπιζύμης, Κ. Τζιά Α. ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ: ΠΑΡΑΛΑΒΗ ΠΡΩΤΕΪΝΗΣ, ΙΣΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΤΑΒΥΘΙΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Σκοπός Παραλαβή πρωτεϊνών από πρωτεϊνούχο υλικό με εκχύλιση και προσδιορισμός του ισοηλεκτρικού σημείου πρωτεΐνης. Σχηματισμός πήγματος πρωτεϊνών και εφαρμογές στη βιομηχανία τροφίμων. Θεωρία Η παραλαβή των πρωτεϊνών στηρίζεται στην εκχύλιση/διαλυτοποίηση των πρωτεϊνών και στην ισοηλεκτρική καταβύθισή τους. Η διαδικασία παραλαβής των πρωτεϊνών παρουσιάζεται σε διάγραμμα παρακάτω. Οι παράγοντες που παίζουν σημαντικότερο ρόλο στην εκχύλιση είναι: η κοκκομετρία του υλικού, το εκχυλιστικό μέσο (νερό ή αραιό διάλυμα αλκάλεως ή άλατος), η θερμοκρασία (<50 ο C), το ph (σε αλκαλική περιοχή), η ανάδευση και ο χρόνος εκχύλισης. Η καταβύθιση γίνεται με ρύθμιση του ph στο ισοηλεκτρικό σημείο που είναι διαφορετικό για κάθε φυσική πρωτεΐνη. Ακολουθεί η ξήρανση με ψεκασμό ή υπό κατάψυξη για διατήρηση της ποιότητας και θρεπτικότητας των πρωτεϊνών. Τα προϊόντα που προκύπτουν καλούνται πρωτεϊνικά υπερσυμπυκνώματα, έχουν περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες >90%, και χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων. Η διαδικασία σχηματισμού πήγματος (με οξίνιση ή με ενζυμικά μέσα) χρησιμοποιείται επίσης στη βιομηχανία τροφίμων για την παραγωγή διαφόρων προϊόντων, όπως π.χ. στο γάλα για την παραγωγή του τυριού. 31

32 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Πειραματική διαδικασία «Εκχύλιση πρωτεϊνών και προσδιορισμός ισοηλεκτρικού σημείου» Εκχύλιση πρωτεϊνών από πρωτεϊνούχο πρώτη ύλη Από πρωτεϊνούχο πρώτη ύλη (βαμβακόπιτα, ηλιόπιτα, κ.ά.) εκχυλίζονται οι πρωτεΐνες με νερό [ή αραιό διάλυμα αλκάλεως ή άλατος (0.1Ν ΝaOH, 0.5% w/v Na 2 SO 3 )] για 30 min σε συγκεκριμένες τιμές ph και θερμοκρασίας. Χρησιμοποιούνται 20 g πρώτης ύλης σε 500 ml εκχυλιστικού διαλύματος και καθόλη τη διάρκεια της εκχύλισης το ph διατηρείται σε σταθερή τιμή με χρήση διαλύματος H 2 SO 4 0.5N και διαλύματος ΝaOH 0.5Ν. Το μη εκχυλισθέν υπόλειμμα διαχωρίζεται με φυγοκέντρηση οπότε παραλαμβάνονται οι πρωτεΐνες σε διάλυση (πρωτεϊνικό εκχύλισμα). Το εκχύλισμα αυτό ογκομετρείται και μετράται η περιεκτικότητά του σε πρωτεΐνες (με τη μέθοδο Bradford ή θολωσιμετρικά). Η περιεκτικότητα του εκχυλίσματος σε πρωτεΐνες υπολογίζεται είτε από την καμπύλη αναφοράς μέσω Bradford ή μέσω της πρωτεϊνικής περιεκτικότητας της πρώτης ύλης και της απόδοσης εκχύλισης. Προσδιορισμός ισοηλεκτρικού σημείου Προκειμένου να προσδιοριστεί το ισοηλεκτρικό σημείο των πρωτεϊνών στο παραληφθέν πρωτεϊνικό εκχύλισμα, αυτό χωρίζεται ισόποσα (45 ml) σε 8 ποτήρια ζέσεως και ρυθμίζεται το ph σε καθένα από αυτά σε μία από τις παρακάτω τιμές: 3, 3.25, 3.5, 4, 4.5, 4.75, 5, 5.5. Μετά από φυγοκέντρηση μετρείται η περιεκτικότητα της πρωτεΐνης των υπερκείμενων υγρών όπως και του αρχικού πρωτεϊνικού παρασκευάσματος θολωσιμετρικά (ή με τη μέθοδο Bradford). Το ισοηλεκτρικό σημείο προσδιορίζεται επίσης έμμεσα με ζύγιση των καταβυθισμένων πρωτεϊνών. Θολωσιμετρική μέτρηση με θολωσίμετρο HACH: Γεμίζεται ο σωλήνας του θολωσίμετρου μέχρι τη λευκή γραμμή, πωματίζεται, εισάγεται στο όργανο και λαμβάνεται η ένδειξη του οργάνου. 32

33 Άσκηση 2 Πρωτεΐνες: Λειτουργικότητα και αλληλεπιδράσεις σε συστήματα τροφίμων Μέθοδος Bradford: Σε δοκιμαστικό σωλήνα φέρονται 50 μl διαλύματος πρωτεΐνης και 2.5 ml διαλύματος Bradford (100 mg Coomassie Brilliad Blue G250 σε 50 ml 95% αιθανόλης, 100 ml 85% H 3 PO 4 και 850 ml απιονισμένο νερό, ανάδευση και διήθηση), αναδεύονται και μετά από πάροδο 5 min για την ανάπτυξη μπλε χρώματος, μετρείται η απορρόφησή τους στα 595 nm. Η ποσότητα της πρωτεΐνης υπολογίζεται από καμπύλη αναφοράς. Υπολογισμοί πρωτεΐνες στο διάλυμα Απόδοση εκχύλισης (%) = x 100 πρωτεΐνες στην πρώτη ύλη πρωτεΐνες στο υπερκείμενο υγρό Μη καταβυθισμένες πρωτεΐνες (%) = x 100 πρωτεΐνες στο αρχικό διάλυμα Εργασία 1. Προσδιορίστε το ισοηλεκτρικό σημείο χρησιμοποιώντας τα δεδομένα από τη θολωσιμετρική εξέταση των διαλυμένων στο υπερκείμενο υγρό πρωτεϊνών και από τη ζύγιση των καταβυθισμένων πρωτεϊνών. Για το λόγο αυτό απαιτείται η κατασκευή δύο διαγραμμάτων στο πρώτο από τα οποία θα απεικονίζονται οι % μη καταβυθισμένες πρωτεΐνες σε συνάρτηση με το ph ενώ στο δεύτερο οι % καταβυθισμένες πρωτεΐνες σε συνάρτηση με το ph. Υπολογίστε το συντελεστή συσχέτισης των δεδομένων (σε όλες τις τιμές ph) των δύο μεθόδων. «Εφαρμογές σχηματισμού πήγματος πρωτεϊνών γάλακτος στη βιομηχανία τροφίμων Παρασκευή τυριού» Οι πρωτεΐνες του γάλακτος αποτελούνται περίπου από 80% καζεΐνη και 20% πρωτεΐνες ορού γάλακτος. Υπάρχουν τέσσερις βασικοί τύποι μορίων καζεΐνης: a s1, a s2, β- και κ- καζεΐνη. Αντίστοιχα, οι βασικοί τύποι πρωτεϊνών ορού γάλακτος είναι: η β- γαλακτογλοβουλίνη, η α-γαλακτοαλβουμίνη, η οροαλβουμίνη και η ανοσογλοβουλίνη. Η καζεΐνη που βρίσκεται σε διασπορά στο γάλα φέρει αρνητικό φορτίο. Με την προσθήκη ενός οξέος στο γάλα, αυξάνεται η συγκέντρωση Η + με αποτέλεσμα να εξουδετερώνεται το 33

34 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY φορτίο των αρνητικά φορτισμένων μικκυλίων καζεΐνης. Συγκεκριμένα, όταν το γάλα οξινίζεται σε pη ~4,7 (ισοηλεκτρικό σημείο καζεΐνης), σχηματίζεται ένα πήγμα γνωστό και ως όξινη καζεΐνη. Στις συνθήκες αυτές δεν καταβυθίζονται παράλληλα και οι πρωτεΐνες ορού γάλακτος. Το τυρί τύπου cottage και η κρέμα τυριού παρασκευάζονται με όξινη πήξη της καζεΐνης με γαλακτικό οξύ ή μέσω μικροοργανισμών που παράγουν γαλακτικό οξύ. Πήγματα καζεΐνης σχηματίζονται επίσης με χρήση του ενζύμου ρεννίνη, το οποίο βρίσκεται στην πυτιά (ένα εμπορικό παρασκεύασμα που λαμβάνεται από το ήνυστρο (τέταρτο στομάχι) των νεαρών μόσχων). Η δράση της ρεννίνης μεγιστοποιείται σε θερμοκρασία σώματος (37 C). Συνεπώς αν το γάλα είναι πολύ κρύο, η αντίδραση είναι πολύ αργή, και αν το γάλα είναι πολύ ζεστό, παρατηρείται μετουσίωση και αδρανοποίηση της ρεννίνης. Ο μηχανισμός για την πήξη της καζεΐνης με τη ρεννίνη είναι διαφορετικός από με την αντίστοιχη με χρήση οξέος. Το πήγμα που σχηματίζεται αποτελείται από καζεΐνη, πρωτεΐνες ορού γάλακτος, λιπαρά, λακτόζη και ανόργανα άλατα του γάλακτος, και έχει πιο αφράτη και σπογγώδη υφή από το πήγμα του οξέος. Η δράση της πυτιάς επιτελείται σε τρεις φάσεις. Κατά την πρώτη φάση γίνεται μία ειδική πρωτεόλυση που καθιστά την καζεΐνη ευαίσθητη στο σχηματισμό πήγματος (πρωτογενής ενζυμική φάση). Κατά τη δεύτερη φάση, που δεν είναι ενζυμική, λαμβάνει χώρα ο σχηματισμός πήγματος ύστερα από αντίδραση των μικκυλίων της καζεΐνης με τα υπάρχοντα ιόντα ασβεστίου (δευτερογενής φάση). Η τρίτη φάση της γενικής πρωτεόλυσης λαμβάνει χώρα αργότερα κατά την ωρίμανση του τυριού, δρώντας στους πεπτιδικούς δεσμούς (τριτογενής φάση). Πειραματική διαδικασία Σχηματισμός πήγματος καζεΐνης γάλακτος με οξύ (οξικό οξύ) 1. Σε προζυγισμένο ποτήρι ζέσεως προστίθενται 150 g παστεριωμένου γάλακτος. 2. Το γάλα υποβάλλεται σε θέρμανση έως τους 70 C με τη βοήθεια πλάκας θέρμανσης. 3. Η θέρμανση διακόπτεται και προστίθεται υδατικό διάλυμα οξικού οξέος (8% v/v) σε ποσότητα 10% κ.ο. ως προς το γάλα, με σκοπό το ph του γάλακτος να φτάσει στην περιοχή (ισοηλεκτρικό σημείο καζεΐνης). Το γάλα διατηρείται υπό ήπια ανάδευση για 2 min, και στη συνέχεια αφήνεται σε ηρεμία για άλλα 5 min οπότε και σχηματίζεται το πήγμα της καζεΐνης του γάλακτος (λευκό τυρόπηγμα). 34

35 Άσκηση 2 Πρωτεΐνες: Λειτουργικότητα και αλληλεπιδράσεις σε συστήματα τροφίμων 4. Το τυρόπηγμα διαχωρίζεται με χρήση προζυγισμένου διηθητικού χαρτιού. 5. Το τυρόπηγμα συγκεντρώνεται, πιέζεται μέχρις ότου σταματήσει η αποβολή ορού, αφήνεται να στεγνώσει για τουλάχιστον 5 min και ζυγίζεται. Παράλληλα ζυγίζεται ο διαχωριζόμενος ορός γάλακτος. Ενζυμική πήξη καζεΐνης γάλακτος με πυτιά 1. Σε προζυγισμένο ποτήρι ζέσεως προστίθενται 150 g παστεριωμένου γάλακτος. 2. Το γάλα υποβάλλεται σε θέρμανση έως τους 40 C με τη βοήθεια πλάκας θέρμανσης. 3. Η θέρμανση διακόπτεται και προστίθεται κατάλληλη ποσότητα πυτιάς ανάλογα με τη δραστικότητά της. Το γάλα διατηρείται υπό ήπια ανάδευση για 2 min, και στη συνέχεια αφήνεται σε ηρεμία μέχρις ότου σχηματιστεί σταθερό πήγμα. 4. Το τυρόπηγμα διαχωρίζεται με χρήση προζυγισμένου διηθητικού χαρτιού. 5. Το τυρόπηγμα συγκεντρώνεται, πιέζεται μέχρις ότου σταματήσει η αποβολή ορού, αφήνεται να στεγνώσει για τουλάχιστον 5 min και ζυγίζεται. Παράλληλα ζυγίζεται ο διαχωριζόμενος ορός γάλακτος. Εργασία 1. Υπολογίστε την απόδοση σε τυρόπηγμα ως % ποσοστό επί του γάλακτος. Αναφέρετε τυχόν διαφορές που αναμένεται να υπάρχουν όσον αφορά τη σύσταση και τα χαρακτηριστικά του τυροπήγματος ανάλογα με τον τρόπο παρασκευής (με οξύ ή με πυτιά). Ποια συστατικά του γάλακτος διαχωρίζονται με τον ορό γάλακτος; Β. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι η μέτρηση ορισμένων χαρακτηριστικών λειτουργικών ιδιοτήτων των πρωτεϊνών. Οι ιδιότητες που μετρώνται περιλαμβάνουν την ικανότητα συγκράτησης νερού και ελαίου, τις γαλακτωματοποιητικές, τις αφριστικές, και την ικανότητα σχηματισμού πηκτής. 35

36 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Πειραματική διαδικασία α) Ικανότητα συγκράτησης νερού ή ελαίου. Σε βαθμονομημένο σωλήνα φυγοκέντρου φέρονται 0.1 g πρωτεΐνης και προστίθενται 5 ml απεσταγμένου νερού ή ελαίου αντίστοιχα. Ακολουθεί ανάδευση για 30 s σε Vortex και στη συνέχεια φυγοκέντρηση σε 3000 rpm για 20 min. Μετρείται ο όγκος του διαχωριζόμενου υγρού και υπολογίζεται η ικανότητα συγκράτησης νερού ή ελαίου από την πρωτεΐνη ως το πηλίκο του συγκρατούμενου νερού ή ελαίου (ml) ανά 100 g πρωτεΐνης. β) Γαλακτωματοποιητικές ιδιότητες. Σχηματίζεται πρωτεϊνικό διάλυμα (1-5% w/v) και ρυθμίζεται το ph περίπου στο 5. Σε ορισμένο όγκο του διαλύματος (50 ml) προστίθεται η λιπαρή φάση ( ml). Ακολουθεί έντονη ανάδευση των μιγμάτων επί 5 min. Μετά το σχηματισμό των γαλακτωμάτων, για τη μέτρηση της σταθερότητας φέρονται 50 ml σε ογκομετρικό κύλινδρο και μετρείται ο όγκος του ελαίου που ελευθερώνεται από το γαλάκτωμα με την πάροδο του χρόνου. Για τη μέτρηση της γαλακτωματοποιητικής ικανότητας ποσότητα 10 ml του γαλακτώματος φέρεται σε βαθμονομημένο σωλήνα, φυγοκεντρείται και μετρείται ο όγκος του διαχωριζόμενου ελαίου. γ) Αφριστικές ιδιότητες. Σχηματίζεται πρωτεϊνικό διάλυμα (1-5% w/v) και ρυθμίζεται το ph περίπου στο 5. Ορισμένος όγκος του διαλύματος (50 ml) αναδεύεται έντονα και φέρεται σε ογκομετρικό κύλινδρο. Μετρείται ο ολικός όγκος και οι όγκοι του αφρού και της υγρής φάσης αμέσως καθώς και με την πάροδο του χρόνου. δ) Ικανότητα σχηματισμού πηκτής. Σχηματίζονται πρωτεϊνικά διαλύματα (1-5% w/v) και όγκος 5 ml από το καθένα φέρεται σε δοκιμαστικό σωλήνα. Μετά από βρασμό για 15 min, ψύχονται και παρατηρείται η ευκολία ροής του διαλύματος. Ερωτήσεις 1. Υπολογίστε την ικανότητα συγκράτησης νερού και ελαίου των πρωτεϊνών. 2. Εκφράστε τη γαλακτωματοποιητική ικανότητα των πρωτεϊνών που χρησιμοποιήθηκαν σε ml συγκρατούμενου ελαίου/g πρωτεΐνης. 3. Δώστε τη γραφική παράσταση του ποσοστού (%) ελαίου που διαχωρίζεται από το γαλάκτωμα ως προς το χρόνο. 4. Υπολογίστε την % αύξηση του όγκου κατά τον αφρισμό και την ικανότητα αφρισμού των πρωτεϊνών που εκφράζεται ως ποσοστιαίος (%) λόγος του όγκου του αφρού προς τον όγκο της υγρής φάσης. 36

37 Άσκηση 2 Πρωτεΐνες: Λειτουργικότητα και αλληλεπιδράσεις σε συστήματα τροφίμων 5. Δώστε τη γραφική παράσταση του ποσοστού (%) αφρού που παραμένει ως προς το χρόνο. 6. Υπολογίστε την ελάχιστη συγκέντρωση σχηματισμού πηκτής ως την μικρότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης όπου παρατηρείται απουσία ροής. Βιβλιογραφία Altshul, A., 1978, New Protein Foods, V. 1-3, Academic Press Inc. Cheftel, J., Cuq, J. and Lorient, D., 1985, Proteines Alimentaires, Technique et Documentation, Lavoisier, Paris. Cherry, J.P., 1981, Protein Functionality in Foods, ACS Symposium Series 147, American Chemical Society. Cherry, J.P., 1982, Food Protein Deterioration, ACS Symposium Series 206, American Chemical Society. Davies, P., 1974, Single Cell Proteins, Academic Press, Inc. FAO, Technology of Production of edible flours and protein products, FAO Agricultural Services Bulletin 97, Feeney, R.E. and Whitaker, J.R., 1982, Modification of Proteins, in Advances in Chemistry Series 198, American Chemical Society. Fennema, Ο.R., 1985, Food Chemistry, 2 nd edition, Marcel Dekker, Inc. Fox, P.F. and Condon, J.J., 1982, Food Proteins, Applied Science Publishers. Godon, B. and Vallery Masson, D., 1985, Proteines Vegetales, Technique et Documentation, Lavoisier, Paris. Hall, G.M., 1996, Methods of Testing Protein Functionality, Blackie Academic & Professional. Hettiarachchy, N.S. and Ziegler, G.R., 1994, Protein Functionality in Food Systems, IFT Symposium Series, Marcel Dekker, Inc. Hoogenkamp, H.W., 1991, Vegetable Protein, in Protein Technology International. Hudson, B.J.F., , Developments in Food Proteins, V. 1-7, Chapman & Hall. Hudson, B.J.F, 1992, Biochemistry Food Proteins, Chapman & Hall. Hudson, B.J.F., 1994, New and Developing Sources of Food Proteins, Chapman & Hall. Liepa, G.U., 1992, Dietary Proteins, American Oil Chemist s Society. Nwokolo, E. and Smartt, J., 1996, Food and Feed from Legumes and Oilseeds, Chapman & Hall. Ory R., 1986, Plant Proteins: Applications, Biological Effects and Chemistry, American Chemical Society. Phillips, L.G., Whitehead, D.M. and Kinsella, J., 1994, Structure-Function Properties of Food Proteins, Academic Press Inc. Yada, R.Y. and Jackman, R.L., 1994, Protein-structure Function Relationships in Foods, Chapman & Hall. 37

38 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Διάγραμμα Ροής Ελαιούχος σπόρος Συμπίεση Έλαιο Υπόλειμμα Εκχύλιση με οργανικό διαλύτη Ελαιοδιάλυμα Απελαιωμένο υπόλειμμα ελαιούχου σπόρου Προκατεργασίες: Άλεση, Κοσκίνιση, Απομάκρυνση τοξικών, αντιθρεπτικών κτλ. Απόσταξη Έλαιο Πρωτεϊνικό άλευρο Εκχύλιση πρωτεϊνών Φυγοκέντρηση Στερεό (ζωοτροφή) Εκχύλισμα πρωτεϊνών Καταβύθιση πρωτεϊνών στο pi Φυγοκέντρηση Υγρό Ίζημα Ξήρανση Πρωτεϊνικό υπερσυμπύκνωμα 38

39 καταβ. πρωτεΐνες (%) μη καταβ. πρωτεΐνες (%) Άσκηση 2 Πρωτεΐνες: Λειτουργικότητα και αλληλεπιδράσεις σε συστήματα τροφίμων ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ PI ph Μη καταβυθισμένες πρωτεΐνες (%) = (μη καταβ. πρωτεΐνες σε κάθε κύλινδρο / ολικές πρωτεΐνες στο εκχύλισμα) = Vi NTU i 100 V. NTU PI Καταβυθισμένες πρωτεΐνες (%) = ξηρές καταβ. πρωτεΐνες σε κάθε κύλινδρο (g) / ολικές πρωτεΐνες στο εκχύλισμα (g) ph Δίδονται: Ικανότητα συγκράτησης νερού από τη βαμβακόπιτα: 224 g H 2 O/100 g ξηρού δείγματος Τα 324 g ενυδατωμένου δείγματος περιέχουν 100 g ξηρού Άρα τα α i που περιέχονται σε κάθε κύλινδρο περιέχουν x i ξηρού Για τη βαμβακόπιτα ισχύουν τα εξής: Ικανότητα συγκράτησης νερού (g H 2 O/100 g ξηρού δείγματος): 224 Απόδοση εκχύλισης (%): 32.84% Περιεκτικότητα πρώτης ύλης σε πρωτεΐνη (%): 42.5%. 39

40 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 40

41 Άσκηση 3 Υδατάνθρακες: Μελέτη φυσικοχημικών και λειτουργικών ιδιοτήτων AΣΚΗΣΗ 3 Υδατάνθρακες: Μελέτη φυσικοχημικών και λειτουργικών ιδιοτήτων. Ζελατινοποίηση. Γλυκαιμικός δείκτης. Φ. Δρόσου, Β. Ωραιοπούλου Σκοπός Η παρατήρηση του φαινομένου ζελατινοποίησης του αμύλου και των μικροσκοπικών και μακροσκοπικών μεταβολών που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια αυτού. Επίσης ο προσδιορισμός των ρεολογικών ιδιοτήτων του ζελατινοποιημένου αμύλου και ο χαρακτηρισμός αυτού από ρεολογική άποψη. Θεωρία Tο άμυλο χρησιμοποιείται συχνά σε συστήματα τροφίμων σαν μέσο πάχυνσης (thickening agent). Σημαντικό ρόλο στα ρεολογικά χαρακτηριστικά των αμυλοπαρασκευασμάτων παίζει η σύσταση του αμύλου και η θερμική κατεργασία την οποία έχει υποστεί. Tο άμυλο αποτελείται από δύο είδη μορίων: την αμυλόζη, που είναι ένα γραμμικό ομοπολυμερές της γλυκόζης και την αμυλοπηκτίνη που είναι διακλαδισμένο ομοπολυμερές της γλυκόζης. Απαντάται σε μορφή κόκκων που σχηματίζονται εξωτερικά από μόρια κυρίως αμυλοπηκτίνης, ενώ τα μόρια αμυλόζης βρίσκονται στο εσωτερικό τους. H σύσταση και το σχήμα των κόκκων ποικίλλει στους διάφορους τύπους αμύλου. Όταν το άμυλο θερμαίνεται ενώ βρίσκεται σε διασπορά μέσα σε νερό αρχίζει μία αναντίστρεπτη διόγκωση των κόκκων στους C και μεταβολή της δομής τους. Tο φαινόμενο καλείται ζελατινοποίηση του αμύλου. Mε ανύψωση της θερμοκρασίας παρατηρείται επί πλέον διόγκωση και ελευθέρωση των μορίων της αμυλόζης από τους κόκκους. Tέλος σε ακόμη υψηλότερη θερμοκρασία και με απορρόφηση μεγάλης ποσότητας νερού μπορεί να συμβεί διάρρηξη των κόκκων. Ζελατινοποίηση του αμύλου πραγματοποιείται στις διεργασίες όπου τα αμυλούχα τρόφιμα θερμαίνονται σε θερμοκρασία μεγαλύτερη της αντίστοιχης έναρξης ζελατινοποίησης. Τυπικές τέτοιες διεργασίες είναι ο κλιβανισμός αρτοσκευασμάτων ή ειδών 41

42 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY ζαχαροπλαστικής, ο βρασμός, και το τηγάνισμα. Οι μεταβολές που υφίσταται το άμυλο κατά τη ζελατινοποίηση επηρεάζουν τη δομή και τις ρεολογικές ιδιότητες των τροφίμων. Ο προσδιορισμός των ρεολογικών ιδιοτήτων ενός τροφίμου και η γνώση της ρεολογικής του συμπεριφοράς είναι σημαντικά όχι μόνο για τις κατεργασίες και τη μεταφορά του, αλλά και ως ποιοτικοί δείκτες οι οποίοι μπορούν να μετρηθούν αντικειμενικά και να συσχετισθούν με τις οργανοληπτικές ιδιότητες του τροφίμου. Γλυκαιμικός Δείκτης Ο όρος γλυκαιμικός δείκτης (Glycemic Index, GI) κατηγοριοποιεί τα τρόφιμα με βάση την επίδραση τους στο επίπεδο γλυκόζης στο αίμα μετά την κατανάλωση. Τα τρόφιμα χαμηλού γλυκαιμικού δείκτη (χαμηλό: GI 55, μεσαίο: 55<GI<70) προκαλούν μικρή, σταδιακή αύξηση στο επίπεδο σακχάρων και διατηρούν αυξημένο επίπεδο ενέργειας για περισσότερο χρόνο σε αντίθεση με τα τρόφιμα υψηλού γλυκαιμικού δείκτη (GI>70). Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τιμές γλυκαιμικού δείκτη για διάφορα τρόφιμα. Πίνακας. Γλυκαιμικός δείκτηςδιαφόρων τροφίμων Μέσες τιμές γλυκαιμικού δείκτη διαφόρων τροφίμων (με τρόφιμο αναφοράς το άσπρο ψωμί) Φρουκτόζη 30 Κεράσια 32 Δαμάσκηνα 34 Γκρέιπ-φρουτ 35 Ροδάκινα 40 Φακές 43 Άπαχο γάλα 46 Αχλάδια 47 Γάλα 49 Παγωτό 52 Γιαούρτι 52 Μήλα 53 Ψωμί πλήρες σίκαλης 58 Σταφύλια 62 Σπαγγέτι 66 Πορτοκάλια 66 Φασόλια φούρνου (κονσέρβα) 70 Καρπούζι 72 Μπανάνες 79 Πατάτες (βραστές) 81 42

43 Άσκηση 3 Υδατάνθρακες: Μελέτη φυσικοχημικών και λειτουργικών ιδιοτήτων Σακχαρόζη 86 Σταφίδες 93 Ψωμί ολικής αλέσεως 99 Άσπρο ψωμί 100 Cornflakes 119 Μέλι 126 Πατάτες ψητές 135 Γλυκόζη 138 Μαλτόζη 152 O γλυκαιμικός δείκτης ορίζεται ως η εκατοστιαία αύξηση του σακχάρου του αίματος μετά από χορήγηση ενός τροφίμου που περιέχει 50 g διαθέσιμων υδατανθράκων σε σύγκριση με την αύξηση που προκύπτει από χορήγηση γλυκόζης (η αντίδραση στη γλυκόζη θεωρείται το 100). Οι διαθέσιμοι υδατάνθρακες ορίζονται ως οι αφομοιώσιμοι απο τον οργανισμό υδατάνθρακες (παρουσιάζονται στην παρακάτω Εικόνα), και δεν περιλαμβάνουν τις ίνες και το ανθεκτικό άμυλο. Εικόνα Διαθέσιμοι υδατάνθρακες (Available carbohydrates) (Englyst et al., 2018). Ο γλυκαιμικός δείκτης ενός τροφίμου μπορεί να υπολογιστεί in vivo, με τη λήψη δειγμάτων αίματος σε τακτά χρονικά διαστήματα μετά την κατανάλωση του. Προκειμένου να επιτευχθεί ο in vivo προσδιορισμός του γλυκαιμικού δείκτη, λαμβάνονται δείγματα τροφίμου που πρέπει να περιέχουν 50 g διαθέσιμους υδατάνθρακες και καταναλώνονται (10 άτομα). Το δείγμα - τρόφιμο αναφοράς είναι 50 g διαλυμένης γλυκόζης σε 500 ml νερό (ή 50 g διαθέσιμων υδατανθράκων από άσπρο ψωμί). Τα άτομα καταναλώνουν το δείγμα αναφοράς και το τρόφιμο. Λαμβάνονται δείγμα αίματος πριν από την κατανάλωση των 43

44 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY δειγμάτων, και μετά 15, 30, 45, 60, 90 και 120 min από την καταναλώση. Η λήψη αίματος μπορεί να πραγματοποιηθεί από την άκρη του δαχτύλου με κατάλληλη συσκευή μέτρησης σακχάρου. Κατασκευάζονται οι καμπύλες σακχάρου αίματος όπως φαίνεται στην παρακάτω Εικόνα. Ως γλυκαιμικός δείκτης ορίζεται η περιοχή (εμβαδόν) κάτω από την καμπύλη του υπό εξέταση τροφίμου διαιρούμενη με την περιοχή (εμβαδόν) κάτω από την καμπύλη του τροφίμου αναφοράς (γλυκόζη ή λευκό ψωμί με GI=100) *100. Εικόνα. Ενδεικτικές καμπύλες σακχάρου για δείγμα αναφοράς (διάλυμα γλυκόζης) και δείγμα τροφίμου. Επίσης μπορεί να γίνει μία εκτίμηση του γλυκαιμικού δείκτη in vitro με ενζυμική μέθοδο που προσομoιώνει τη διαδικασία διάσπασης των υδατανθράκων στον ανθρώπινο οργανισμό (Englyst et al., 1996). Με την ενζυμική μέθοδο προσδιορίζεται η άμεσα διαθέσιμη γλυκόζη (rapidly available glucose, RAG, g / 100 g) από την γλυκόζη στα 20 λεπτά (G20) και την γλυκόζη στα 120 λεπτά (G120) (Englyst et al., 1996, 2018; Hawkins and Johnson, 2005). Παρακάτω παρουσιάζεται η μέθοδος προσδιορισμού: Προετοιμασία διαλυμάτων Μίγμα Πανκρεατίνης/Αμυλογλυκοζιδάσης/Ινβερτάσης: Σε δοκιμαστικό σωλήνα προστίθενται 7,2 g πανκρεατίνης, 0,0532 g αμυλογλυκοζιδάσης,51,4 g ινβερτάσης και 24 ml απιονισμένου νερού. Το μίγμα φυγοκεντρείται για 10 min (5000 rpm) και το υπερκείμενο υγρό (περίπου 18 ml) αποτελεί το επιθυμητό μίγμα. Διάλυμα Πεπσίνης/Guar Gum: Σε δοκιμαστικό σωλήνα προστίθενται 20 ml HCl 0,05 Μ, 0,1674 g πεπσίνης και 0,02 g guar gum και ανακινούνται ελαφρά ώστε να ομογενοποιηθούν. 44

45 Άσκηση 3 Υδατάνθρακες: Μελέτη φυσικοχημικών και λειτουργικών ιδιοτήτων Πειραματική διαδικασία Ζυγίζεται ποσότητα δείγματος που περιέχει 50 mg διαθέσιμων υδατανθράκων (available carbohydrate). Το δείγμα τοποθετείται σε δοκιμαστικό σωλήνα και προστίθεται 0,5 ml 50% κορεσμένου διαλύματος βενζοϊκού οξέος. Σε δύο επιπλέον δοκιμαστικούς σωλήνες προστίθεται 0,5 ml 50% κορεσμένου διαλύματος βενζοϊκού οξέος (αυτό αποτελεί το τυφλό δείγμα). Στη συνέχεια, σε όλα τα δείγματα προστίθεται 1 ml διαλύματος πεπσίνης/guar gum. Τα δείγματα επωάζονται σε θερμοκρασία 37 C και χρόνο 30 min, με σκοπό την υδρόλυση των περιεχόμενων πρωτεϊνών. Ακολουθεί προσθήκη 0,5 ml ρυθμιστικού διαλύματος 0,5 Μ οξικού νατρίου (ph 5,2). Μόλις τα δείγματα ισορροπήσουν ξανά στη θερμοκρασία 37 C, προστίθεται 0,5 ml διαλύματος πανκρεατίνης/αμυλογλυκοζιδάσης/ιμβερτάσης. Τα δείγματα επωάζουν υπό συνεχή ανακίνηση στους 37 C, με σκοπό την εκκίνηση της πέψης των υδατανθράκων. Ο χρόνος προσθήκης του μίγματος πανκρεατίνης/αμυλογλυκοζιδάσης/ιμβερτάσης θεωρείται χρόνος μηδέν. Μετά από 20 min ενζυμικής κατεργασίας, λαμβάνεται από κάθε δοκιμαστικό σωλήνα δείγμα, το οποίο τοποθετείται σε υδατόλουτρο στους 90 C για 20 min, με σκοπό την απενεργοποίηση των ενζύμων. Στη συνέχεια, λαμβάνεται 0,05 ml δείγματος από κάθε δοκιμαστικό σωλήνα και προστίθεται σε 2 ml αποσταγμένου νερού και φυγοκεντρείται. Το υπερκείμενο υγρό, χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της διαθέσιμης γλυκόζης στα 20 λεπτά (G20). Όμοια διαδικασία ακολουθείται και για το δείγμα που λαμβάνεται μετά από 120 λεπτά ενζυμικής κατεργασίας, το οποίο χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της διαθέσιμης γλυκόζης στα 120 min (G120). Ο προσδιορισμός της γλυκόζης G20 και G120 γίνεται με την βοήθεια κιτ προσδιορισμού της D-γλυκόζης (D-Glucose UV-Test, Enzymatic BioAnalysis/Food Analysis, by Boehringer Manheim/R-Biopharm). Η λειτουργία του κιτ βασίζεται στις παρκάτω αντιδράσεις: Η D-γλυκόζη φωσφορυλιώνεται σε φωσφορική-6-γλυκόζη (G-6-P), παρουσία του ενζύμου εξοκινάση (HK) και 5 -τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ) με παράλληλη δημιουργία 5 - διφωσφορικής αδενοσίνης (ADP). HK (1) D Glu cose ATP G 6 P ADP Παρουσία του ενζύμου αφυσρογονάση της φωσφορικής-6-γλυκόζης (G6P-DH), η G-6-P οξειδώνεται από το νικοτιναμιδο-αδενινο-δινουκλεοτίδιο (NADP) σε D-gluconate-6-45

46 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY phosphate με ταυτόχρονη δημιουργία ανηγμένου φωσφορικού νικοτιναμιδο-αδενινοδινουκλεοτιδίου (NADPH) (2) G 6 P NADP G6P DH D gluconate 6 phosphate NADPH H Η ποσότητα του NADPH που δημιουργείται σε αυτή την αντίδραση, είναι στοιχειομετρικά η ποσότητα της D-γλυκόζης. Η αύξηση του NADPH μετριέται με τη βοήθεια φωτόμετρου στα μήκη κύματος 334, 340 ή 365 nm. Μετά την μέτρηση της απορρόφησης, ακολουθείται το παρακάτω μαθηματικό μοντέλο για τον υπολογισμό της ποσότητας της D-γλυκόζης: V MW c A d v 1000 D-glucose [g/l] V = τελικός όγκος [ml] v = όγκος δείγματος [ml] MW = μοριακό βάρος εξεταζόμενου συστατικού[g/mol] d = μήκος κυψελίδας [cm] ε = συντελεστής απορρόφησης NADPH στα 340 nm = 6,3 [l x mmol -1 x cm -1 ] Συγκεκριμένα για την D-γλυκόζη: c A D-glucose [g/l] A ε D glu cos e [ gd glucose / lsamplesolution ] Εάν το δείγμα έχει υποστεί αραίωση, τότε το αποτέλεσμα πολλαπλασιάζεται και με τον παράγοντα αραίωσης F. Ενώ όμως για την εύρεση του γλυκαιμικού δείκτη ενός τροφίμου χρησιμοποιείται μία σταθερή ποσότητα υδατανθράκων, στην πράξη είναι γνωστό ότι η ποσότητα των υδατανθράκων που περιέχεται στα τρόφιμα που καταναλώνονται καθημερινά, ποικίλλει. Επειδή η γλυκαιμική και ινσουλινική απόκριση εξαρτώνται τόσο από την ποιότητα όσο και από την ποσότητα των υδατανθράκων του τροφίμου, έχει εισαχθεί η έννοια του γλυκαιμικού φορτίου, το οποίο προσδιορίζει την ολική γλυκαιμική επίδραση του τροφίμου (Mendosa, 2003). To γλυκαιμικό φορτίο ενός τροφίμου ανά 100 g μερίδας ορίζεται ως το γινόμενο του γλυκαιμικού δείκτη επί τη ποσότητα διαθέσιμων υδατανθράκων (ανά 100 g): GI food = GI * available carbohydrates (g) in one serving (100 g) / 100 Η έννοια του γλυκαιμικού φορτίου έχει μεγαλύτερη σημασία από τις μεμονωμένες τιμές του γλυκαιμικού δείκτη των τροφίμων. Για παράδειγμα, τρόφιμα με υψηλό γλυκαιμικό 46

47 Άσκηση 3 Υδατάνθρακες: Μελέτη φυσικοχημικών και λειτουργικών ιδιοτήτων δείκτη αλλά με χαμηλή ποσότητα υδατανθράκων (ανά μερίδα) θα έχουν μικρό γλυκαιμικό φορτίο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το καρότο το οποίο έχει υψηλό γλυκαιμικό δείκτη (101) και μικρή ποσότητα υδατανθράκων (8 g ανά μερίδα, άρα χαμηλό γλυκαιμικό φορτίο, 8) με αποτέλεσμα η κατανάλωση ενός καρότου να έχει πολύ μικρή επίδραση στις συγκεντρώσεις γλυκόζης. Πειραματική διαδικασία Zυγίζονται 12.0 g αμύλου και προστίθενται σε 350 g νερού. Tο αιώρημα θερμαίνεται, ενώ αναδεύεται έντονα. Σε τιμές της θερμοκρασίας 62, 75 και 95 C λαμβάνονται δείγματα των 20 ml και γίνεται δοκιμή ικανότητας για άπλωμα σε επίπεδη γυάλινη πλάκα. Tαυτόχρονα γίνεται παρατήρηση των μεταβολών των κόκκων του αμύλου στο μικροσκόπιο. Όταν το μίγμα φθάσει σε βρασμό καταγράφεται η θερμοκρασία και αφήνεται σε πλήρη βρασμό για 1 min. Στη συνέχεια αποσύρεται από την εστία θέρμανσης και ψύχεται μέχρι τους 30 C. Στη θερμοκρασία αυτή προσδιορίζεται το φαινόμενο ιξώδες του ζελατινοποιημένου αμύλου σε περιστροφικό ιξωδόμετρο Brookfield. Στο ίδιο ιξωδόμετρο μετριέται το φαινόμενο ιξώδες, σε μεταβαλλόμενο ρυθμό διάτμησης και μεταβαλλόμενο χρόνο διάτμησης, ζελατινοποιημένου αμύλου που έχει παραμείνει σε ηρεμία τουλάχιστον επί 12 h. Eρωτήσεις 1. Ποιες μεταβολές στην ικανότητα απλώματος και στην εικόνα του μικροσκοπίου παρατηρούνται στο αιώρημα αμύλου στις τρεις τιμές της θερμοκρασίας; 2. Tι είναι η ζελατινοποίηση του αμύλου και ποιοι παράγοντες την επηρεάζουν; Ποια είναι η επίδραση της προσθήκης ζάχαρης ή οξέος στη ζελατινοποίηση και στο ιξώδες του ζελατινοποιημένου αμύλου; Διαφορετικοί τύποι αμύλου παρουσιάζουν διαφορετική συμπεριφορά στη ζελατινοποίηση και στα ρεολογικά χαρακτηριστικά του παρασκευάσματος που προκύπτει ή όχι και γιατί; 3. Ποια η διαφορά ζελατινοποίησης και ζελοποίησης; 4. Να δοθούν σε διαγράμματα τα αποτελέσματα των μετρήσεων φαινόμενου ιξώδους του ζελατινοποιημένου αμύλου όταν α) μεταβάλλεται η συχνότητα περιστροφής του κυλίνδρου και β) ο χρόνος παραμονής σε διάτμηση, και να χαρακτηριστεί το ρευστό. 47

48 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 5. Να υπολογισθεί ο συντελεστής συνεκτικότητας και ο εκθέτης ρεολογικής συμπεριφοράς με βάση τα δεδομένα μεταβολής του ιξώδους α) με αύξηση της συχνότητας περιστροφής και β) με μείωση της συχνότητας περιστροφής. Bιβλιογραφία Englyst, H., Hudson, H.N The classification and measurement of dietary carbohydrates, Food Chemistry, 96, p Englyst, K., Goux, A., Meynier, A., Quigley, M., Englyst, H., Brack, O., Vinoy, S Interlaboratory validation of the starch digestibility method for determination of rapidly digestible and slowly digestible strarch, Food Chemistry, 245, p Hawkins, A., and Johnson, S K In vitro carbohydrate digestibility of whole-chickpea and chickpea bread products", International Journal of Food Sciences and Nutrition, 56(3), Mendosa, R., 2003, Glycemic load values, American Journal of Clinical Nutrition, 77, p Penfield, M.P. and Campbell, A.M., 1990, Experimental Food Science, p , 3 rd edition, Academic Press, San Diego. Pomeranz, Y., 1991, Functional Properties of Food Components, p , Academic Press Inc., London. Radley, J.A., 1954, Starch and its Derivatives, 3 rd edition, J. Wiley and Sons, NY. Whistler, R.L., Bemiller, J.N. and Paschall, E.F., 1984, Starch Chemistry and Technology, 2 nd edition, Academic Press, Orlando. Wolever, T.M., Jenkins, D.J., 1986, The use of glycemic index in predicting the blood glucose response in mixed meals. American Journal of Clinicla Nutrition, 43, p

49 Άσκηση 4 Μελέτη ρεολογικών ιδιοτήτων των τροφίμων AΣΚΗΣΗ 4 Μελέτη ρεολογικών ιδιοτήτων των τροφίμων Βασικές αρχές ανάλυσης του προφίλ υφής των τροφίμων Επίδραση από την επεξεργασία Γ. Δημόπουλος, Α. Λημναίος, Π. Ταούκης Σκοπός Σκοπός του πειράματος αυτού αποτελεί ο προσδιορισμός των λειτουργικών ιδιοτήτων κόμμεων σημαντικών για τη βιομηχανία τροφίμων. Θα μελετηθούν οι ρεολογικές ιδιότητες διαλυμάτων αμύλου, ξανθάνης και πηκτίνης και θα εξεταστεί η επίδραση της συγκέντρωσης και της θερμοκρασίας σε αυτές. Τέλος θα μελετηθούν οι μηχανικές ιδιότητες πηγμάτων ζελατίνης και θα εξεταστεί η επίδραση της συγκέντρωσης ζελατίνης σε αυτές. Θεωρία Ρεολογία Ρεολογία είναι η επιστήμη η αφιερωμένη στη μελέτη της παραμόρφωσης και της ροής της ύλης. Η ροή των ρευστών αποτελεί ένα σημαντικό κομμάτι της, με ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τον μηχανικό, που ασχολείται με τα τρόφιμα, καθώς υπεισέρχεται στο σχεδιασμό των περισσοτέρων διεργασιών επεξεργασίας των τροφίμων. Παράμετροι όπως η επίδραση χημικών και μικροβιολογικών δράσεων, της θερμοκρασίας και της υγρασίας στις ρεολογικές ιδιότητες πρέπει να λαμβάνονται υπ' όψη και συχνά προκύπτει η ανάγκη προσφυγής σε εμπειρικά μεγέθη και πειραματικές μετρήσεις ειδικά αναπτυγμένες για τα συγκεκριμένα τρόφιμα. Πέραν του σχεδιασμού του απαραίτητου εξοπλισμού η ρεολογική μελέτη των τροφίμων επιτρέπει την εκτίμηση της δομής τους και της λειτουργικότητάς τους. Συχνά χρησιμοποιείται για τον έλεγχο των πρώτων υλών ή των διεργασιών παραγωγής των προϊόντων. Τέλος, δεν πρέπει να παραγνωρίζεται ότι οι ρεολογικές ιδιότητες και η υφή των περισσοτέρων τροφίμων σχετίζονται άμεσα με την ποιότητα τους και την αποδοχή τους από τους καταναλωτές. 49

50 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Ρυθμός διάτμησης Διατμητική τάση Μοντέλο δύο πλακών Για να κατανοήσουμε τις βασικές ρεολογικές παραμέτρους που χρησιμοποιούνται για το χαρακτηρισμό των ρευστών, χρησιμοποιούμε το μοντέλο των δύο πλακών. Υποθέτουμε δύο παράλληλες πλάκες επιφάνειας Α οι οποίες περικλείουν ένα ρευστό. Η απόσταση μεταξύ των πλακών είναι ίση με h. Η κατώτερη πλάκα παραμένει ακίνητη, ενώ στην επάνω ασκείται διατμητική δύναμη F. Η επάνω πλάκα κινείται με ταχύτητα v και έτσι το ρευστό υφίσταται διάτμηση. Καθώς η επάνω πλάκα κινείται στο ρευστό, σχηματίζεται μία κατανομή ταχυτήτων. Το ανώτατο στρώμα του ρευστού έχει την ταχύτητα της πλάκας ενώ το κατώτατο είναι ακίνητο. Εάν α) το ρευστό δεν ολισθαίνει σε καμία πλάκα και β) η ροή που αναπτύσσεται είναι στρωτή, τότε ο υπολογισμός των ρεολογικών παραμέτρων είναι εύκολος. Η διατμητική τάση δίνεται από την εξίσωση: τ = F A Ο ρυθμός διάτμησης δίνεται από την εξίσωση: γ = v h Η σχέση διατμητικής τάσης ρυθμού διάτμησης χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό των ρευστών. Ιδανική ροή Νευτωνικά ρευστά Νευτωνικά ονομάζονται τα ρευστά των οποίων η σχέση διατμητικής τάσης ρυθμού διάτμησης είναι γραμμική (νόμος του Newton): τ = η γ Όπου η το ιξώδες του ρευστού. Τυπικά νευτωνικά τρόφιμα είναι αυτά που περιέχουν ενώσεις μικρού μοριακού βάρους (π.χ. σάκχαρα) και δεν περιέχουν μεγάλες συγκεντρώσεις 50

51 Διατμητική τάση (τ) Φαινόμενο ιξώδες (η) Άσκηση 4 Μελέτη ρεολογικών ιδιοτήτων των τροφίμων διαλυμένων πολυμερών (π.χ. πηκτίνες, άμυλο) ή αδιάλυτων στερεών. Παραδείγματα τροφίμων με νευτωνική συμπεριφορά είναι το νερό, τα σιρόπια, το μέλι και το γάλα. ρυθμός διάτμησης (γ) Α) Καμπύλη διατμητικής τάσης - ρυθμού διάτμησης για νευτωνικό ρευστό ρυθμός διάτμησης (γ) Β) Καμπύλη φαινόμενου ιξώδους - ρυθμού διάτμησης για νευτωνικό ρευστό Μη νευτωνικά ρευστά Τα ρευστά των οποίων η σχέση ρυθμού διάτμησης- διατμητικής τάσης δεν είναι γραμμική ονομάζονται μη νευτωνικά. Η ρεολογική συμπεριφορά των ρευστών αυτών μπορεί να περιγραφεί από το νόμο του Ostwald: τ = k γ n Όπου k η σταθερά συνεκτικότητας και n ο δείκτης ρεολογικής συμπεριφοράς. Η σχέση φαινόμενου ιξώδους-ρυθμού διάτμησης προκύπτει διαιρώντας την παραπάνω σχέση με το ρυθμό διάτμησης: τ n 1 μ = k γ γ Όπου μ το φαινόμενο ιξώδες. Ο δείκτης n μπορεί να πάρει τιμές είτε μικρότερες είτε μεγαλύτερες της μονάδας. Για n=1 ο νόμος του Ostwald ισοδυναμεί με τον νόμο του Newton και k=μ. Ανάλογα με τις τιμές του n τα ρευστά μπορούν να χαρακτηριστούν ως ψευδοπλαστικά ή πηγνυόμενα. Ψευδοπλαστικά ρευστά Για τιμές του n<1, αυξανόμενου του ρυθμού διάτμησης, η διατμητική τάση αυξάνεται, ενώ το φαινόμενο ιξώδες μειώνεται. Ψευδοπλαστικά είναι συνήθως ρευστά που περιέχουν μακρομόρια (πχ πρωτεΐνες ή υδατάνθρακες) τα οποία ευθυγραμμίζονται με τη ροή κατά τη διάτμηση. Αποτέλεσμα της ευθυγράμμισης είναι η μείωση του φαινόμενου ιξώδους. 51

52 Διατμητική τάση (τ) Φαινόμενο ιξώδες (η) Διατμητική τάση (τ) Φαινόμενο ιξώδες (η) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Παρόμοια συμπεριφορά εμφανίζουν επίσης γαλακτώματα που περιέχουν σταγονίδια σε διασπορά, τα οποία επιμηκύνονται στην διεύθυνση της ροής μειώνοντας το φαινόμενο ιξώδες. ρυθμός διάτμησης (γ) Α) Καμπύλη διατμητικής τάσης - ρυθμού διάτμησης για ψευδοπλαστικό ρευστό ρυθμός διάτμησης (γ) Β) Καμπύλη φαινόμενου ιξώδους - ρυθμού διάτμησης για ψευδοπλαστικό ρευστό Πηγνυόμενα ρευστά Για τιμές του n>1, αυξανόμενου του ρυθμού διάτμησης η διατμητική τάση αυξάνεται και το φαινόμενο ιξώδες αυξάνεται. Πηγνυόμενη συμπεριφορά εμφανίζουν ρευστά όπως αιωρήματα με μεγάλη συγκέντρωση σε στερεά σωματίδια ή μη διασυνδεμένα πολυμερή. Καθώς ο ρυθμός διάτμησης αυξάνεται, η αλληλεπίδραση των σωματιδίων γίνεται όλο και πιο έντονη και μπορεί να οδηγήσει σε περιπλοκή τους. Το αποτέλεσμα είναι το ιξώδες να αυξάνεται απότομα σε υψηλούς ρυθμούς διάτμησης. Τέτοια ρεολογική συμπεριφορά θα πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη καθώς μπορεί να οδηγήσει σε βλάβες του βιομηχανικού εξοπλισμού. ρυθμός διάτμησης (γ) Α) Καμπύλη διατμητικής τάσης - ρυθμού διάτμησης για πηγνυόμενο ρευστό ρυθμός διάτμησης (γ) Β) Καμπύλη φαινόμενου ιξώδους - ρυθμού διάτμησης για πηγνυόμενο ρευστό 52

53 Ρυθμός διάτμησης (γ) Φαινόμενο ιξώδες (η) Ρυθμός διάτμησης (γ) Φαινόμενο ιξώδες (η) Άσκηση 4 Μελέτη ρεολογικών ιδιοτήτων των τροφίμων Χρονικά εξαρτώμενη ρεολογική συμπεριφορά Σε κάποιες περιπτώσεις το φαινόμενο ιξώδες για σταθερό ρυθμό διάτμησης εξαρτάται από το χρόνο εφαρμογής της διάτμησης. Με βάση αυτή την παρατήρηση τα ρευστά μπορούν να διακριθούν σε θιξοτροπικά και σε ρεοπηκτικά. Θιξοτροπικά ρευστά Ως θιξοτροπικά χαρακτηρίζονται τα ρευστά των οποίων το φαινόμενο ιξώδες μειώνεται με το χρόνο, για σταθερό ρυθμό διάτμησης. Τέτοια ρευστά είναι η σως κέτσαπ και το παραφινέλαιο. Η συμπεριφορά αυτή οφείλεται στην διατάραξη της δομής λόγω της διάτμησης. χρόνος διάτμησης (t) χρόνος διάτμησης (t) Καμπύλη φαινόμενου ιξώδους-χρόνου διάτμησης για θιξοτροπικό ρευστό σε σταθερό ρυθμό διάτμησης Ρεοπηκτικά ρευστά Ως ρεοπηκτικά χαρακτηρίζονται τα ρευστά των οποίων το φαινόμενο ιξώδες αυξάνεται με το χρόνο για σταθερό ρυθμό διάτμησης. Ρεοπηκτική συμπεριφορά εμφανίζουν αιωρήματα με υψηλή συγκέντρωση σε στερεά σωματίδια. χρόνος διάτμησης (t) χρόνος διάτμησης (t) Καμπύλη φαινόμενου ιξώδους-χρόνου διάτμησης για ρεοπηκτικό ρευστό σε σταθερό ρυθμό διάτμησης 53

54 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Κόμμεα - Υδροκολλοειδή Ο όρος κόμμι περιλαμβάνει όλα τα υδατοδιαλυτά πολυμερή υλικά που κατά τη διάλυσή τους στο νερό δίνουν παχυντικό ή πηκτικό αποτέλεσμα. Επειδή τα κόμμεα είναι ουσίες κολλοειδούς φύσης, καλούνται και υδροκολλοειδή. Τα περισσότερα κόμμεα είναι πολυσακχαρίτες, δηλαδή το μόριό τους αποτελείται από πολλούς μονοσακχαρίτες ή ολιγοσακχαρίτες. Η παρουσία μεγάλου αριθμού υδροξυλομάδων στα μόρια των κόμμεων τα καθιστά ιδιαίτερα υδρόφιλα και τους προσδίδει την ιδιότητα να δεσμεύουν το νερό. Τα κόμμεα έχουν ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών στη βιομηχανία τροφίμων, αλλά η βασική λειτουργία τους μπορεί να συνοψιστεί σε δύο κύριες ιδιότητες: αύξηση του ιξώδους και σχηματισμό πήγματος (ζελέ). Κόμμι Προέλευση Χρήσεις Κόμμι γκουάρ Αραβικό κόμμι (κόμμι ακακίας) Ξανθάνη Καραγεννάνη Άγαρ-άγαρ Ζελατίνη Ενδοσπέρμιο του φυτού γκουάρ (Cyamopsis tetragonoloba) Σπόροι διαφόρων ειδών ακακίας Εξωπολυσακχαρίτης του βακτηρίου Xanthomonas campestris Βρώσιμα φύκη Κόκκινα μικροφύκη Gellidium amansii Υδρόλυση ζωικού κολλαγόνου Μείωση κρυστάλλων στο παγωτό Σταθεροποίηση γαλακτοκομικών Διατήρηση της υγρασίας σε προϊόντα αρτοποιίας τσίκλες και προϊόντα ζαχαροπλαστικής Σταθεροποίηση σε dressings και σως Σταθεροποίηση φυσικών χυμών Μείωση της συναίρεσης σε γαλακτοκομικά Συνδετικό σε προϊόντα κρέατος Υποκατάσταση ζελατίνης Πηκτές Γαλακτοκομικά Πηκτές Αύξηση του ιξώδους Όλα τα κόμμεα ή υδροκολλοειδή έχουν εξ ορισμού την ικανότητα αύξησης του ιξώδους κατά τη διασπορά τους σε υδατικό μέσο, που οφείλεται στην απορρόφηση νερού και την επακόλουθη διόγκωσή τους. Τα διογκωμένα μακρομόρια του κόμμεος περιπλέκονται μεταξύ τους με αποτέλεσμα το ιξώδες του συστήματος να αυξάνεται. Η ιδιότητα αυτή αποτελεί τη βάση για τη χρήση τους ως παράγοντες υφής, σταθεροποίησης και γαλακτωματοποιητικής δράσης. Το ιξώδες των υδροκολλοειδών εξαρτάται από τις παρακάτω παραμέτρους: 1. Συγκέντρωση: όσο μεγαλύτερη η συγκέντρωση του κόμμεος τόσο πιο ισχυρές οι διαμοριακές αλληλεπιδράσεις και άρα το ιξώδες. 54

55 Άσκηση 4 Μελέτη ρεολογικών ιδιοτήτων των τροφίμων 2. Θερμοκρασία: αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μείωση του ιξώδους, καθώς αυξάνεται η κινητική ενέργεια των μορίων και εξασθενούν οι μοριακές αλληλεπιδράσεις. Για πολλά ρευστά, η εξάρτηση του ιξώδους από τη θερμοκρασία μπορεί να περιγραφεί από την εξίσωση Arrhenius: E a ( 1 μ = μ Tref e R T 1 ) T ref όπου Ε a η ενέργεια ενεργοποίησης, R η σταθερά των αερίων και μ Tref το φαινόμενο ιξώδες σε μία θερμοκρασία αναφοράς T ref 3. Ηλεκτρικό φορτίο: η παρουσία ηλεκτρικού φορτίου (θετικό ή αρνητικό) στις αλυσίδες του πολυμερούς καθορίζει την έλξη ή την άπωσή τους. Επίσης σε κάποια κόμμεα καθορίζει τη δημιουργία ιοντικών δεσμών 4. Μοριακό βάρος: αύξηση του μοριακού βάρους οδηγεί σε αύξηση του ιξώδους. Το ιξώδες συστημάτων γραμμικών πολυμερών-διαλύτη εξαρτάται από το μοριακό βάρος μέσω της εξίσωσης Mark-Houwink-Sakurada: [η] = Κ Μ α όπου [η] το εσωτερικό ιξώδες του μακρομορίου, Μ το μοριακό βάρος και Κ, α παράμετροι που χαρακτηρίζουν το σύστημα πολυμερούς-διαλύτη. 5. Βαθμός διακλάδωσης: μακρομόρια με πιο έντονα διακλαδισμένες αλυσίδες αυξάνουν πιο έντονα το ιξώδες. 6. Παρουσία ηλεκτρολυτών: οι ηλεκτρολύτες μπορεί είτε να αυξήσουν είτε να μειώσουν το ιξώδες των υδροκολλοειδών, ανάλογα με τις αλληλεπιδράσεις με τα μόριά τους. Για παράδειγμα, σε διαλύματα αραβικού κόμμεος χαμηλής συγκέντρωσης, ο προστιθέμενος ηλεκτρολύτης προσδένεται στα υδρόφοβα τμήματα του μορίου, μειώνοντας τις απωστικές δυνάμεις μεταξύ μορίου και διαλύτη και συνεπώς μειώνοντας το ιξώδες. Αντίθετα, στην περίπτωση της πηκτίνης, οι πλευρικές καρβοξυλομάδες του μορίου μπορούν να αντιδράσουν με δισθενή κατιόντα (όπως Ca + ) και να σχηματίσουν διασταυρώσεις, επιφέροντας αύξηση του ιξώδους. 7. Παρουσία άλλων υδροκολλοειδών: το συνολικό ιξώδες των μειγμάτων πολυμερών εξαρτάται έντονα από τις διαμοριακές δυνάμεις. Υδροκολλοειδή που έλκονται έντονα ή σχηματίζουν διασταυρώσεις εμφανίζουν υψηλότερες τιμές ιξώδους. 55

56 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 8. Προηγούμενη μηχανική κατεργασία: μακρομοριακές αλυσίδες που έχουν ευθυγραμμιστεί στην διεύθυνση της ροής οδηγούν σε χαμηλότερο ιξώδες. Σχηματισμός πήγματος Κάποια κόμμεα, όπως το άγαρ-άγαρ, τα αλγινικά, η καραγεννάνη, η ζελατίνη, η πηκτίνη και το άμυλο, έχουν και την ιδιότητα να σχηματίζουν πήγμα (ζελέ) υπό ορισμένες συνθήκες. Το ζελέ είναι προϊόν που διατηρεί το σχήμα του και δεν ρέει, εκτός κι αν ασκηθεί πίεση. Πρόκειται για ένα συνεχές τρισδιάστατο δίκτυο ενωμένων μορίων που περικλείουν μεγάλο όγκο μιας συνεχούς υγρής φάσης. Το ζελέ συμπεριφέρεται σαν ένα ιξωδοελαστικό στερεό, αφού η απόκρισή του στην άσκηση πίεσης είναι εν μέρει ίδια με αυτήν του ελαστικού στερεού και εν μέρει ίδια με αυτήν του ιξώδους υγρού. Κατά τη χρήση κάποιου από τα παραπάνω κόμμεα, πρέπει να λαμβάνονται υπ όψιν και οι δύο ιδιότητες διότι ανάλογα με τις συνθήκες το κόμμι θα εμφανίσει τη μία ή την άλλη. Για παράδειγμα, ανάλογα με τον τύπο και τη συγκέντρωσή της, η ζελατίνη μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε ως παράγοντας ιξώδους είτε ως παράγοντας ζελοποίησης. Υπάρχουν πολλοί τρόποι σχηματισμού ζελέ. Η πιο συνηθισμένη μέθοδος είναι η ψύξη ενός θερμού διαλύματος υδροκολλοειδούς. Το πρώτο στάδιο σχηματισμού του ζελέ είναι η ενυδάτωση του κόμμεος, η οποία συνήθως απαιτεί τη θέρμανση του διαλύματος του κόμμεος. Το κόμμι ενυδατώνεται και οι μακρομοριακές αλυσίδες αποδιατάσσονται. Κατά την ψύξη, οι αλυσίδες επαναδιατάσσονται σχηματίζοντας περιοχές με έντονη αλληλεπίδραση οι οποίες κατανέμονται στο χώρο σε ένα τρισδιάστατο δίκτυο. Κάποια κόμμεα όπως το άγαρ-άγαρ και η καραγεννάνη έχουν την ιδιότητα να αντιδρούν με κατιόντα μετάλλων και να σχηματίζουν διαμοριακούς δεσμούς μεταξύ των αλυσίδων, μια διεργασία που σταθεροποιεί την τρισδιάστατη δομή του πλέγματος. Διαμόρφωση των μορίων της κ-καραγεννάνης κατά το σχηματισμό πήγματος. Καθώς το σύστημα ψύχεται, οι αλυσίδες περιπλέκονται σχηματίζοντας κρυσταλλικές περιοχές. Παρουσία κατιόντων καλίου δημιουργεί ιοντική ζεύξη των μακρομορίων ενισχύοντας το πλέγμα. 56

57 Άσκηση 4 Μελέτη ρεολογικών ιδιοτήτων των τροφίμων Ροόμετρα Για τον προσδιορισμό των ρεολογικών ιδιοτήτων των ρευστών χρησιμοποιούνται τα ροόμετρα. Ο συνηθέστερος τύπος ροομέτρου είναι το περιστροφικό. Αποτελείται από ένα σταθερό στέλεχος που περιέχει το ρευστό και ένα περιστρεφόμενο στέλεχος (κύλινδρος, κώνος ή δίσκος) το οποίο βυθίζεται στο ρευστό. Σε κάθε γεωμετρία στελέχους, η αρχή λειτουργίας παραμένει ίδια. Το ροόμετρο εφαρμόζει ένα σταθερό ρυθμό διάτμησης (που ισοδυναμεί με σταθερή γωνιακή ταχύτητα) και υπολογίζει τη διατμητική τάση από τη μετρούμενη ροπή. Από την καταγραφή της σχέσης διατμητικής τάσης -ρυθμού διάτμησης μπορεί να προσδιοριστεί η ρεολογική συμπεριφορά του ρευστού. Ανάλυση υφής τροφίμων Η ανάλυση υφής (Texture Profile Analysis, TPA) είναι μια μέθοδος μέτρησης μηχανικών ιδιοτήτων των τροφίμων. Οι ιδιότητες αυτές συσχετίζονται με ιδιότητες υφής όπως τις αντιλαμβάνεται ο άνθρωπος κατά την κατανάλωση του τροφίμου. Η ανάλυση υφής αποτελεί σημαντικό εργαλείο στον προσδιορισμό της ποιότητας του τροφίμου, καθώς επιτρέπει τη συσχέτιση οργανοληπτικών παραμέτρων με άμεσα μετρήσιμα φυσικά μεγέθη. 57