ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΚΙΝΗΤΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ

Transcript

1 ΠΕΡΙΛΗΨΕΙΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ της Χαρίκλειας Βαϊκούση, Γεωπόνου με τίτλο: ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΚΙΝΗΤΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ

2 ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο της μελέτης αποτέλεσε η χρήση της κινητικής προσέγγισης στην περιγραφή μεταβολών που συμβαίνουν σε συστήματα τροφίμων, τα οποία υποβαθμίζονται τόσο εξαιτίας χημικών αντιδράσεων, όσο και λόγω της μικροβιακής αλλοίωσης ως συνέπεια της ανάπτυξης της ενδογενούς σ αυτά μικροχλωρίδας, σε στατικές, ισόθερμες συνθήκες επεξεργασίας ή συντήρησης, όσο και σε δυναμικά μεταβαλλόμενες συνθήκες. Για την περίπτωση υποβάθμισης των τροφίμων εξαιτίας χημικών αντιδράσεων μελετήθηκε η μη ενζυμική αμαύρωση συμπυκνωμένου χυμού μήλου, του μελιού και των αραιωμένων συστημάτων αυτών. Εξετάστηκε η μεμονωμένη και συνδυασμένη δράση των παραγόντων θερμοκρασία, αw ή / και των περιεχόμενων αντιδρώντων διαλυτών στερεών συστατικών στη μεταβολή του χρώματος, όπως αποτυπώνεται από τη μετρούμενη απορρόφηση (absorbance) των προϊόντων αυτών κατά τη θέρμανση. Η κινητική σχηματισμού έγχρωμων μελανών συστατικών και στα δύο συστήματα περιγράφηκε ικανοποιητικά από το λογιστικό μοντέλο ενώ η μελέτη της προσαρμογής των δευτερογενών μοντέλων ανέδειξε ότι α) το τροποποιημένο μοντέλο Arrhenius περιγράφει με τον καλύτερο τρόπο τη μεμονωμένη και συνδυασμένη επίδραση των παραπάνω παραγόντων στη μεταβολή του ρυθμού της αντίδρασης, β) η πορεία του ίδιου φαινομένου μπορεί να προβλεφθεί ικανοποιητικά σε συνθήκες διαφορετικές από αυτές που επιλέχτηκαν για τον αρχικό πειραματικό σχεδιασμό και γ) ότι το ανασχηματισμένο ολοκληρωμένο μοντέλο που προέκυψε μπορεί να περιγράψει την έκταση της μη ενζυμικής αμαύρωσης των δύο προϊόντων κάτω από δυναμικές συνθήκες θέρμανσης, προσομοιάζοντας τα συνεχώς μεταβαλλόμενα πρωτόκολλα θέρμανσης που συχνά εφαρμόζονται στη βιομηχανική παραγωγή των τροφίμων. Ακολούθως η κινητική μοντελοποίηση χρησιμοποιήθηκε στην εκτίμηση της μικροβιολογικής ποιότητας των τροφίμων. Η συνεχής παρακολούθηση της προκαλούμενης μικροβιολογικής αλλοίωσης των τροφίμων στην ψυκτική αλυσίδα, επιχειρήθηκε μέσω της ανάπτυξης ενός συστήματος Μικροβιακού Χρονο-θερμοκρασιακού Δείκτη (Time Temperature Indicator, ΤΤΙ) βασιζόμενο στην ανάπτυξη και μεταβολική δραστηριότητα ενός στελέχους γαλακτικού βακτηρίου, του Lactobacillus sakei. Συγκεκριμένα, η κατανάλωση της περιεχόμενης στο υπόστρωμα γλυκόζης από το μικροοργανισμό συντελεί στην παραγωγή γαλακτικού οξέος που ακολούθως προκαλεί την πτώση του ph, και κατά συνέπεια μια εμφανή χρωματική μεταβολή ενός χημικού δείκτη, που επίσης περιλαμβάνεται στο σύστημα, από τον αρχικό κόκκινο στον τελικό κίτρινο χρωματισμό. Η 1

3 μελέτη της κινητικής του συστήματος (ισόθερμες συνθήκες ψύξης) ανέδειξε πως η μεταβολή του χρώματος και του ph σχετίστηκε στενά με τη βακτηριακή ανάπτυξη. Το σημείο λήξης του ΤΤΙ σημειώθηκε όταν ο μικροβιακός πληθυσμός έφτασε στα όρια της αλλοίωσης, με θερμοκρασιακή εξάρτηση όμοια με εκείνη της μικροβιακής ανάπτυξης. Επιπρόσθετα, το επιθυμητό σημείο λήξης του ΤΤΙ μπορεί να επιτευχθεί με την κατάλληλη ρύθμιση της αρχικής συγκέντρωσης του μικροοργανισμού στο μέσο ανάπτυξης. Το υπό ανάπτυξη ΤΤΙ εφαρμόστηκε επιτυχώς στην παρακολούθηση της ποιότητας βοδινού κιμά συσκευασμένου υπό τροποποιημένη ατμόσφαιρα, με το σημείο λήξης του ΤΤΙ να συμπίπτει με τη χρονική στιγμή κατά την οποία παρατηρείται η οργανοληπτική απόρριψη του εν λόγω τροφίμου κατά την συντήρησή του τόσο ισόθερμα όσο και κάτω από περιοδικά μεταβαλλόμενα πρωτόκολλα ψύξης. 2

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο μελέτης της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η χρήση της κινητικής προσεγγίσης στην περιγραφή μεταβολών που συμβαίνουν σε συστήματα τροφίμων τα οποία υποβαθμίζονται τόσο εξαιτίας χημικών αντιδράσεων, όσο και λόγω της μικροβιακής αλλοίωσης, ως συνέπεια της ανάπτυξης της ενδογενούς μικροχλωρίδας, υπό στατικές ή ισόθερμες συνθήκες επεξεργασίας - συντήρησης, όπως και σε δυναμικά μεταβαλλόμενες συνθήκες. Αρχικά μελετήθηκε η μη ενζυμική αμαύρωση συμπυκνωμάτων χυμού μήλου. Η επίδραση της ενεργότητας νερού, αw (στο εύρος ), ή /και της συγκέντρωσης των αντιδρώντων συστατικών στο σχηματισμό μελανών χρωμοφόρων ουσιών εξετάστηκε σε τέσσερις ισόθερμες συνθήκες θέρμανσης σε συμπυκνώματα του χυμού που είχαν είτε την ίδια είτε διαφορετική αρχική συγκέντρωση αντιδρώντων συστατικών. Η έκταση της αντίδρασης Maillard στην πορεία του χρόνου εκτιμήθηκε φασματοφωτομετρικά μετρώντας την απορρόφηση στα 420 nm (Α420). Τα πειραματικά δεδομένα από τις καμπύλες απορρόφησης - χρόνου προσαρμόστηκαν σε πέντε διαφορετικά κινητικά μοντέλα (το μοντέλο μηδενικής και πρώτης τάξης, το μοντέλο weibull, το λογιστικό και το παραβολικό μοντέλο) οπότε και εκτιμήθηκαν οι τιμές των σταθερών του ρυθμού αμαύρωσης και των λοιπών παραμέτρων αυτών των μοντέλων. Η ανάλυση παλινδρόμησης έδειξε ότι το λογιστικό μοντέλο ήταν το καταλληλότερο για την περιγραφή της αμαύρωσης του χυμού μήλου. Σημαντική ήταν η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης των αντιδρώντων συστατικών στη μεταβολή του χρώματος του χυμού μήλου, ενώ μη σημαντική αναδείχθηκε η μεμονωμένη δράση της ενεργότητας νερού. Η θερμοκρασία που εφαρμόστηκε κατά την επεξεργασία εμφάνισε επίσης σημαντική επίδραση στην κινητική της αντίδρασης αμαύρωσης. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν δευτερογενή μοντέλα που περιγράφουν την εξάρτηση των κινητικών παραμέτρων που εξήχθησαν από τα πρωτογενή μοντέλα τόσο από τη θερμοκρασία όσο και από την αw, τα οποία και αξιολογήθηκαν συγκρίνοντας τις προβλεπόμενες τιμές των παραμέτρων με αυτές που παρατηρήθηκαν σε ανεξάρτητα ισόθερμα πειράματα διαφορετικά από εκείνα που χρησιμοποιήθηκαν στον αρχικό πειραματικό σχεδιασμό. Τέλος, το συνολικό ανασχηματισμένο και ολοκληρωμένο μοντέλο που αναπτύχθηκε αξιολογήθηκε περαιτέρω έναντι των παρατηρούμενων αποκρίσεων αμαύρωσης του χυμού μήλου υπό δυναμικές συνθήκες θέρμανσης, δίνοντας έμφαση στη δυνατότητα εφαρμογής του μοντέλου ως πρακτικό εργαλείο στη μελέτη της μη ενζυμικής αμαύρωσης. 3

5 Ομοίως, μελετήθηκε και η μη ενζυμική αμαύρωση σε μέλι και αραιωμένα συστήματα μελιού. H επίδραση της ενεργότητας του νερού στο σχηματισμό ουσιών κίτρινου χρωματισμού διεξήχθη σε αιωρήματα μελιού που διαφοροποιούνταν ως προς την αw στο εύρος , λόγω διαφοροποίησης στην αρχική συγκέντρωση των αντιδρώντων συστατικών, υπό ισόθερμες συνθήκες σε τέσσερις σταθερές θερμοκρασίες (50, 60, 70, 80 C). H έκταση της μη ενζυμικής αμαύρωσης εκτιμήθηκε και πάλι φασματοφωτομετρικά μετρώντας την απορρόφηση των αιωρημάτων στα 420 nm. Τα δεδομένα που περιγράφουν τη μεταβολή της απορρόφησης ως συνάρτηση του χρόνου προσαρμόστηκαν στο λογιστικό μοντέλο με στόχο τη μαθηματική περιγραφή της μη ενζυμικής αμαύρωσης στο μέλι. H εφαρμοζόμενη θερμοκρασία αλλά και η ενεργότητα νερού, ή η αρχική συγκέντρωση των αντιδρώντων ουσιών είχαν σημαντική επίδραση στην κινητική αμαύρωσης και τη μεταβολή του χρώματος του μελιού. Ακολούθως, αναπτύχθηκαν δευτερογενή μοντέλα που περιγράφουν την επίδραση της θερμοκρασίας και της αw στις παραμέτρους του πρωτογενούς λογιστικού μοντέλου (ρυθμός αμαύρωσης και μέγιστη τιμή απορρόφησης). Επιπλέον, η κινητική WLF βασιζόμενη στη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, εφαρμόστηκε εναλλακτικά στην περιγραφή της εξάρτησης των σταθερών του ρυθμού αμαύρωσης από τη θερμοκρασία. Τα βασικά δευτερογενή μοντέλα αξιολογήθηκαν συγκρίνοντας τις προβλεπόμενες από τα μοντέλα τιμές των παραμέτρων με τις αντίστοιχες παρατηρούμενες τιμές όπως αυτές προέκυψαν από τα ισόθερμα πειράματα. Τέλος, το ολοκληρωμένο μοντέλο που αναπτύχθηκε αξιολογήθηκε ως προς τη δυνατότητά του να προβλέπει ικανοποιητικά τις πραγματικές (παρατηρούμενες) αποκρίσεις των μεταβολών της απορρόφησης κατά την αμαύρωση του μελιού κάτω από μεταβαλλόμενα χρόνο-θερμοκρασιακά προφίλ θερμικής επεξεργασίας. Σε ότι αφορά τη συνεχή παρακολούθηση της μικροβιολογικής αλλοίωσης των τροφίμων κατά την παραμονή τους στην ψυκτική αλυσίδα, αναπτύχθηκε ένα σύστημα μικροβιακού Χρονο-θερμοκρασιακού Δείκτη (Time Temperature Indicator) βασιζόμενο στην ανάπτυξη και μεταβολική δραστηριότητα ενός στελέχους γαλακτικού βακτηρίου, του Lactobacillus sakei. Στο σύστημα αυτό συμβαίνει μια μη αντιστρεπτή μεταβολή στο χρώμα ενός χημικού χρωματικού δείκτη (από το αρχικό κόκκινο στο τελικό κίτρινο) εξαιτίας της πτώσης του ph που προκαλείται από τη μικροβιακή ανάπτυξη και το μεταβολισμό σε ένα επιλεγμένο υπόστρωμα. Μελετήθηκε η σχέση μεταξύ της απόκρισης του ΤΤΙ (χρωματική αλλαγή) και της μικροβιακής ανάπτυξης και μεταβολικής δραστηριότητας (κατανάλωση γλυκόζης, παραγωγή γαλακτικού οξέος, μείωση του ph). 4

6 Επιπρόσθετα, η θερμοκρασιακή εξάρτηση της κινητικής του ΤΤΙ εξετάστηκε ισόθερμα στο εύρος θερμοκρασιών 0-16 C, και μοντελοποιήθηκε κάνοντας χρήση ενός συστήματος διαφορικών εξισώσεων. Σε όλες τις θερμοκρασίες που εξετάστηκαν οι μεταβολές του ph και του χρώματος του συστήματος ΤΤΙ ακολούθησαν στενά την πορεία της ανάπτυξης του L. sakei με το σημείο λήξης του ΤΤΙ (χρονική στιγμή κατά την οποία παρατηρείται ευδιάκριτη χρωματική αλλαγή από το αρχικό κόκκινο στο τελικό κίτρινο) να συμπίπτει με πληθυσμό του L. sakei στο επίπεδο των CFU/ml. Το σημείο λήξης μειώθηκε από 27 ημέρες κατά τη συντήρηση του ΤΤΙ στους 0 C και στις 2.5 ημέρες κατά τη συντήρησή του στους 16 C, με ενέργεια ενεργοποίησης 97.7 kj/mol, τιμή που βρίσκεται πολύ κοντά στην τιμή της ενέργειας ενεργοποίησης που εκφράζει τη θερμοκρασιακή εξάρτηση της ανάπτυξης του L. sakei στο υπόστρωμα ανάπτυξης του συστήματος ΤΤΙ (103.2 kj/mol). Επιπλέον, η μελέτη της επίδρασης του αρχικού επιπέδου εμβολίου ανέδειξε πως η εξίσωση μιας αρνητικής γραμμικής συμμεταβολής περιγράφει ικανοποιητικά τη σχέση μεταξύ της αρχικής συγκέντρωσης μικροοργανισμού με την οποία εμβολιάζεται το υπόστρωμα του συστήματος και του σημείου λήξης του ΤΤΙ. Πιο συγκεκριμένα το σημείο λήξης του ΤΤΙ κατά τη συντήρησή του στους 8 C κυμάνθηκε από 6 ως 2 ημέρες για αρχικά επίπεδα εμβολίου μεταξύ 10 1 και 10 6 CFU/ml, αντίστοιχα. H σχέση αυτή επιτρέπει την εύκολη ρύθμιση του σημείου λήξης του ΤΤΙ σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία ανάλογα με τη διάρκεια ζωής του υπό μελέτη προϊόντος χρησιμοποιώντας το κατάλληλο επίπεδο εμβολίου του L. sakei. Το μικροβιακό πρότυπο ΤΤΙ που αναπτύχθηκε στην παρούσα μελέτη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως αποτελεσματικό εργαλείο για τον έλεγχο της διάρκειας ζωής των τροφίμων κατά τη διανομή και αποθήκευση προϊόντων τροφίμων που συντηρούνται υπό ψύξη και όταν αυτά αλλοιώνονται πρωτίστως από γαλακτικά βακτήρια ή άλλους μικροοργανισμούς που παρουσιάζουν παρόμοιες κινητικές αποκρίσεις ή πιθανές αλλοιώσεις. Πράγματι, η μελέτη της αλλοίωσης ενός προϊόντος κρέατος (βοδινός κιμάς) συσκευασμένου υπό συνθήκες τροποποιημένης ατμόσφαιρας (Modified atmosphere Packaging, MAP) κατά τη συντήρηση διακίνησή του σε ισόθερμες (0-15 C) αλλά και μεταβαλλόμενες (δυναμικές) συνθήκες ψύξης, ανέδειξε τα γαλακτικά βακτήρια ως τον ειδικό αλλοιογόνο οργανισμό. Επίσης, κατά την παράλληλη συντήρηση του συστήματος ΤΤΙ στις ίδιες συνθήκες η καμπύλη ανάπτυξης του L. sakei στο ΤΤΙ συνέπεσε με αυτή των γαλακτικών βακτηρίων στο κρέας και το σημείο λήξης του ΤΤΙ βρέθηκε χρονικά κοντά στη στιγμή της οργανοληπτικής απόρριψης του τροφίμου, κατά τη συντήρηση τόσο υπό ισόθερμες όσο και δυναμικές συνθήκες, αποδεικνύοντας πως η απόκριση του 5

7 προτεινόμενου ΤΤΙ αντικατοπτρίζει σχεδόν απόλυτα την απώλεια της ποιότητας του εν λόγω προϊόντος. Επιχειρήθηκε τέλος, ο σχεδιασμός της εμπορικής μορφής του μικροβιακού ΤΤΙ που αναπτύχθηκε. 6