EPΓAΣTHPIO ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ TEXNOΛOΓIAΣ TPOΦIMΩN EΠIΣTHMH KAI ΜΗΧΑNIKH TPOΦIMΩN

Transcript

1 EPΓAΣTHPIO ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ TEXNOΛOΓIAΣ TPOΦIMΩN EΠIΣTHMH KAI ΜΗΧΑNIKH TPOΦIMΩN ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY AΘHNA

2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελ. 1 ΓΕΝΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΓΓΡΑΦΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ 5 2 ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Κ. Τζιά 9 3 AΣΚΗΣΗ 1 ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ: ΠΑΡΑΛΑΒΗ, ΙΣΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΤΑΒΥΘΙΣΗ, ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ 19 Β. Γιάννου, Γ. Φρακολάκη, Κ. Τζιά 4 AΣKHΣH 2 YΔATANΘPAKEΣ: ZEΛATINOΠOIHΣH AMYΛOY 29 Φ. Δρόσου, Β. Ωραιοπούλου 5 AΣKHΣH 3 ΛIΠAPA: METPHΣH ΦYΣIKΟXHMIKΩN ΣTAΘEPΩN - EKΧYΛIΣH EΛAIΩΝ 33 Σ. Χανιώτη, Π. Σιαμανδούρα, Μ. Κατσούλη, Κ. Τζιά 6 AΣKHΣH 4 ANTIΔPAΣEIΣ MAILLARD: MH ENZYMIKO MAYPIΣMA - ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 43 Π. Ταούκης, Ε. Δερμεσονλούογλου 7 AΣKHΣH 5 ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 47 Β. Ανδρέου, Μ. Τσεβδού, Π. Ταούκης 8 ΑΣΚΗΣΗ 6 ΜΕΛΕΤΗ ΑΝΤΙΟΞΕΙΔΩΤΙΚΗΣ ΔΡΑΣΗΣ ΒΙΤΑΜΙΝΩΝ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ ΠΡΟΣΘΕΤΩΝ 55 Δ. Τσιμογιάννης, Ε. Χουλιτούδη 9 AΣKHΣH 7 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 63 Ε. Δερμεσονλούογλου, Σ. Γανιάρη 10 ΑΣΚΗΣΗ 8 ΜΕΛΕΤΗ ΡΕΟΛΟΓΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 75 Γ. Δημόπουλος, Π. Ταούκης 11 ΑΣΚΗΣΗ 9 ΔOKIMEΣ OPΓANOΛHΠTIKOY EΛEΓXOY 89 Κ. Τζιά, Τ. Κεκές, Β. Γιάννου 12 AΣKHΣH 10 ΟΡΓΑΝΟΛΗΠΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Κ. Τζιά, Τ. Κεκές, Β. Γιάννου 96 3

4 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 4

5 ΓΕΝΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΓΓΡΑΦΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης Το εργαστηριακό μάθημα Επιστήμη και Μηχανική των Τροφίμων 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. Επίσης καλύπτει τις μηχανικές διεργασίες που απαιτούνται στη βιομηχανία τροφίμων. 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 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 5

6 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY προετοιμασθεί για την εκτέλεση της άσκησης διαβάζοντας τις οδηγίες και τη σχετική 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 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 6

7 ΓΕΝΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΓΓΡΑΦΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ συγκεκριμένο σκοπό της εργαστηριακής άσκησης όπως τον αντιλαμβάνονται και μπορούν να τον αποδώσουν οι σπουδαστές. 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: 7

8 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 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. - 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 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 εκκεντρότητας (accuracy) και της συσσωρευτικότητας (precision). Οι δύο αυτές έννοιες 9

10 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 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 ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 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 Προϋποθέσεις Κανονικός πληθυσμός (μ, σ 2 ) σ 2 άγνωστη Οι πληθυσμοί κανονικοί και άγνωστες Κανονικός πληθυσμός (μ, σ 2 ) 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 Παρατήρηση: 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 ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 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 13

14 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Η 1 : μ i μ j 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

15 ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ (β.ε) 2 : αριθμός εργ. - 1 (β.ε) 1 : (Αριθμ. προσδ. σε κάθε εργ. - 1) (αριθμ. εργ.) 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 15

16 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 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. 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 16

17 ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 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 = 0.1 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 AΣΚΗΣΗ 1 ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ: ΠΑΡΑΛΑΒΗ, ΙΣΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΤΑΒΥΘΙΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ Β. Γιάννου, Π. Σφακιανάκης, Γ. Φρακολάκη, 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. 19

20 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. Μέθοδος Bradford: 20

21 ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ: ΠΑΡΑΛΑΒΗ, ΙΣΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΤΑΒΥΘΙΣΗ - ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ 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 φορτίο των αρνητικά φορτισμένων μικκυλίων καζεΐνης. Συγκεκριμένα, όταν το γάλα 21

22 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 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). 4. Το τυρόπηγμα διαχωρίζεται με χρήση προζυγισμένου διηθητικού χαρτιού. 22

23 ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ: ΠΑΡΑΛΑΒΗ, ΙΣΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΤΑΒΥΘΙΣΗ - ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ 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. 23

24 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. 24

25 ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ: ΠΑΡΑΛΑΒΗ, ΙΣΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΤΑΒΥΘΙΣΗ - ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ 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. 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. 25

26 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Yada, R.Y. and Jackman, R.L., 1994, Protein-structure Function Relationships in Foods, Chapman & Hall. 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 26

27 καταβ. πρωτεΐνες (%) μη καταβ. πρωτεΐνες (%) ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ: ΠΑΡΑΛΑΒΗ, ΙΣΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΤΑΒΥΘΙΣΗ - ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ 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%. 27

28 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 28

29 AΣΚΗΣΗ 2 YΔATANΘPAKEΣ: ZEΛATINOΠOIHΣH AMYΛOY 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 ζαχαροπλαστικής, ο βρασμός, και το τηγάνισμα. Οι μεταβολές που υφίσταται το άμυλο 29

30 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 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. 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. 30

31 YΔATANΘPAKEΣ: ZEΛATINOΠOIHΣH AMYΛOY 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 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. 31

32 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 32

33 AΣKHΣH 3 ΛIΠAPA ΣΩMATA: METPHΣH ΦYΣIKΩN-XHMIKΩN ΣTAΘEPΩN. EKXYΛIΣH EΛAIΩΝ Σ. Χανιώτη, Μ. Κατσούλη, Κ. Τζιά Σκοπός O προσδιορισμός φυσικών (πυκνότητα, δείκτης διάθλασης) και χημικών (οξύτητα) σταθερών που χρησιμεύουν για την ποιοτική κατάταξη και τον χαρακτηρισμό των λιπαρών σωμάτων. Mέτρηση του χρώματος και παραλαβή ελαίου από ελαιούχο σπόρο με εκχύλιση. Θεωρία Τα φυτικά έλαια παραλαμβάνονται από ελαιούχους σπόρους και καρπούς με: α) μηχανική εκχύλιση ή β) με εκχύλιση με διαλύτη. Η μηχανική εκχύλιση εφαρμόζεται κυρίως στον ελαιόκαρπο για εξαγωγή του ελαιόλαδου και στο βαμβακόσπορο για εξαγωγή του βαμβακέλαιου, οπότε παραλαμβάνεται αφενός το έλαιο, ενώ αφετέρου παραμένει το στερεό υπόλειμμα ή πίτα (βαμβακόπιτα, ηλιόπιτα, πλακούντας σόγιας, ελαιοπυρήνας κτλ.). Το ελαιόλαδο παραλαμβάνεται με μηχανική συμπίεση σε υδραυλικά πιεστήρια ή σε φυγοκεντρικούς διαχωριστές μετά από μάλαξη της ελαιόμαζας και προσθήκη νερού. Το ελαιόλαδο μπορεί να καταναλωθεί ως έχει (τελικό προϊόν), εφόσον έχει καλή ποιότητα - οξύτητα <3% σε ελαϊκό οξύ αποκαλούμενο ως παρθένο ελαιόλαδο. Το ελαιόλαδο φιλτράρεται με χρήση διηθητικού χάρτου ή γης διατόμων και τυποποιείται. Το βαμβακέλαιο εξάγεται από το βαμβακόσπορο με κοχλιωτές πρέσες ή με προπίεση και εκχύλιση, και το προκύπτον έλαιο είναι ακατέργαστο, απαιτεί δηλαδή εξευγενισμό προκειμένου να καταστεί εδώδιμο. Η μηχανική εκχύλιση έχει περιορισμένη απόδοση σε έλαιο, αφήνοντας στερεό υπόλειμμα το οποίο περιέχει επιπλέον ποσότητα ελαίου που μπορεί να εξαχθεί στη συνέχεια με εκχύλιση. Άλλα σπορέλαια εξάγονται με εκχύλιση με διαλύτη ή με συνδυασμό εμβάπτισης εκχύλισης σε συστήματα συνεχούς ή ημισυνεχούς λειτουργίας. Πριν την εκχύλιση οι ελαιούχοι σπόροι ξηραίνονται, αλέθονται και μορφοποιούνται σε σωματίδια με μεγάλο πορώδες (φολίδες) για διευκόλυνση της 33

34 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY εκχύλισης. Η εκχύλιση εφαρμόζεται άμεσα στους αλεσμένους σπόρους ή στα στερεά υπολείμματα (πίτες) που προέρχονται από μηχανική συμπίεση των σπόρων (εξαγωγή ελαίου σε δύο στάδια: συμπίεση-εκχύλιση). H εκχύλιση με διαλύτη περιλαμβάνει τις φάσεις: α) διάλυση ελαίου της εξωτερικής επιφάνειας, β) διάχυση ελαίου προς το εσωτερικό των πόρων και γ) συνέχιση της ροής σε χώρους τριχοειδών πόρων. H τρίτη φάση δίνει το συνολικό αποτέλεσμα της εκχύλισης και εκφράζεται από τον τύπο: E = α T β, όπου: E: το ανεκχύλιστο ποσό ελαίου α και β συντελεστές που εξαρτώνται ο α από τη θερμοκρασία και την υγρασία για το ίδιο υλικό και ο β (αρνητικός) από την πρώτη ύλη (σταθερός για ορισμένη θερμοκρασία και υγρασία) και T ο χρόνος εκχύλισης. Η εκχύλιση με διαλύτη επηρεάζεται από το είδος του διαλύτη, το μέγεθος του αλεσμένου σπόρου, την υγρασία του σπόρου, το λόγο στερεού/διαλύτη (w/v) και το χρόνο της διεργασίας. Από την εκχύλιση προκύπτει ελαιοδιάλυμα και με απόσταξη αυτού παραλαμβάνεται το ακατέργαστο έλαιο, ενώ το υπόλειμμα μπορεί να αξιοποιηθεί για παραγωγή πρωτεϊνικών προϊόντων. Η εκχύλιση παρέχει υψηλές αποδόσεις - σχεδόν όλο το περιεχόμενο έλαιο στο σπόρο πρακτικά παραλαμβάνεται με μεγάλους χρόνους εκχύλισης. Για το σχεδιασμό μίας διεργασίας με χρήση ενός συγκεκριμένου συστήματος εκχύλισης πρέπει να γίνεται αριστοποίηση της απόδοσης (μεγιστοποίηση) για κάθε ελαιούχο σπόρο, με μείωση του χρόνου εκχύλισης στο ελάχιστο και αντίστοιχη ελαχιστοποίηση του λειτουργικού κόστους. Πειραματική διαδικασία Mέτρηση της πυκνότητας ελαίου με πυκνόμετρο Zυγίζεται το πυκνόμετρο κενό (β) και μετά πλήρες με έλαιο (B) σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (θ) και υπολογίζεται η πυκνότητα στους θ ως: 0 όπου: α = και V 15 C = 50 ml. B + α(θ - θ ) ( [θ - θ ]) d ( θ 0 ) 0 V15 C 0 34

35 ΛIΠAPA ΣΩMATA: METPHΣH ΦYΣIKΩN-XHMIKΩN ΣTAΘEPΩN. EKXYΛIΣH EΛAIOY Mέτρηση του δείκτη διάθλασης ελαίου με διαθλασίμετρο Abbe (n D 40 C ) Tα 2 πρίσματα του διαθλασίμετρου θερμαίνονται μέσω κυκλοφορητή στην επιθυμητή θερμοκρασία. Tοποθετούνται 1-2 σταγόνες ελαίου στο κάτω πρίσμα του διαθλασίμετρου, φέρονται σε επαφή τα 2 πρίσματα και φωτίζονται. Παρατηρείται το οπτικό πεδίο μέσα από τη διόπτρα του οργάνου. Στρέφεται το κουμπί μέτρησης του οργάνου έτσι ώστε η κινούμενη διαχωριστική γραμμή του φωτεινού - σκοτεινού τμήματος του επάνω οπτικού πεδίου να συμπέσει στο σημείο τομής των 2 ακινήτων ευθειών X. Tαυτόχρονα στο κάτω οπτικό πεδίο παρατηρείται η ένδειξη του δείκτη διάθλασης στην κλίμακα του οργάνου. Προσδιορισμός οξύτητας ελαίου Zυγίζονται 20 g (B) ελαίου σε κωνική φιάλη. Σε άλλη φιάλη προστίθενται 50 ml μίγματος αιθανόλης/αιθέρα (1:1 v/v) και εξουδετερώνονται με 0.1N NaOH και δείκτη φαινολοφθαλεΐνη. Tο μίγμα των εξουδετερωμένων διαλυτών προστίθεται στο έλαιο και το ελαιοδιάλυμα εξουδετερώνεται πάλι με 0.1N NaOH και δείκτη φαινολοφθαλεΐνη. H οξύτητα εκφράζεται σε ελαϊκό οξύ υπολογιζόμενη ως: Οξύτητα % = 0.1 x v x x w όπου: v: τα καταναλωθέντα ml 0.1Ν NaOH της τιτλοδότησης w: η μάζα του ελαίου (g) 282: το ΜΒ του ελαϊκού οξέος. Mέτρηση χρώματος H μέτρηση γίνεται σε χρωματόμετρο Lovibond. Γεμίζεται η κυψελίδα του οργάνου μέχρι τη χαραγή και εισάγεται στο όργανο. Παρατηρείται το χρώμα και συνδυάζονται τα φίλτρα ώστε να δώσουν το ίδιο χρωματικό αποτέλεσμα με του ελαίου. Το χρώμα δίνεται σε: Μονάδες Lovibond: YxRxB (cm ύψος ελαίου στην κυψελίδα). Όπου Y = μονάδες κίτρινου, R = μονάδες κόκκινου, B = μονάδες μπλε. Μονάδες του ίδιου χρώματος προστίθενται. Eκχύλιση ελαίου από ελαιούχο σπόρο Δείγματα 25 g ξηρού αλεσμένου ελαιούχου σπόρου εκχυλίζονται σε συσκευή Soxhlet με χρήση διαλυτών εξανίου ή πετρελαϊκού αιθέρα. Κατά τη διάρκεια της εκχύλισης ανά 20 min 35

36 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY διακόπτεται η θέρμανση, αφήνεται το ελαιοδιάλυμα 15 min για ψύξη και λαμβάνεται δείγμα 2 ml ελαιοδιαλύματος με σιφώνιο. Παράλληλα μετρείται και η θερμοκρασία του ελαιοδιαλύματος. Το δείγμα μεταφέρεται σε προζυγισμένο φιαλίδιο ζύγισης. Zυγίζεται η ποσότητα του ελαιοδιαλύματος και μετρείται ο δείκτης διάθλασης αυτού. Με χρήση των καμπυλών αναφοράς του δείκτη διάθλασης και της πυκνότητας του ελαιοδιαλύματος συναρτήσει της περιεκτικότητας αυτού σε έλαιο (αφού προηγουμένως γίνει αναγωγή στη θερμοκρασία αναφοράς με χρήση των κατάλληλων τύπων) υπολογίζεται η ποσότητα του εκχυλισμένου έλαιου για τους διάφορους χρόνους εκχύλισης. Στη συνέχεια, με βάση την περιεκτικότητα των ελαιούχων σπόρων σε έλαιο, υπολογίζεται η ποσότητα του ανεκχύλιστου ελαίου (Ε). Από τις τιμές Ε που προκύπτουν με βάση τους διάφορους χρόνους εκχύλισης (λαμβάνοντας ανά δύο δείγματα) προκύπτουν οι αντίστοιχες τιμές α, και β της συνάρτησης εκχύλισης (E=αT β ), μέσω του δείκτη διάθλασης (η) και μέσω της πυκνότητας (d) των ελαιοδιαλυμάτων και δίνεται η συνάρτηση εκχύλισης με βάση το μέσο όρο των α και β. Υπολογίζεται ο συντελεστής συσχέτισης των α και β υπολογισμένων μέσω (η) και (d). Eρωτήσεις 1. Yπολογίστε την πυκνότητα του εμπορικού ελαίου στους 15 C. 2. Δώστε την τιμή του δείκτη διάθλασης του εμπορικού ελαίου στους 40 C. 3. Yπολογίστε την οξύτητα του εμπορικού ελαίου και κατατάξτε το ποιοτικά με βάση την οξύτητα. 4. Yπολογίστε το ανεκχύλιστο ποσό του ελαίου για τους διάφορους χρόνους εκχύλισης ως το ανηγμένο υπόλειμμα ελαίου από τη σχέση E=C/C 0, όπου C η συγκέντρωση του ελαίου σε χρόνο T και C 0 η αρχική συγκέντρωση ελαίου. Oι συγκεντρώσεις ελαίου υπολογίζονται και μέσω της πυκνότητας και μέσω του δείκτη διάθλασης του ελαιοδιαλύματος. 5. Δώστε τα διαγράμματα E-T (μέσω της πυκνότητας και μέσω του δείκτη διάθλασης). 6. Yπολογίστε τους συντελεστές α και β της εξίσωσης εκχύλισης (μέσοι όροι συντελεστών, αποκλίσεις, σημαντικότητα διαφορών) και με τις δύο μεθόδους υπολογισμού. 7. Δώστε το συντελεστή συσχέτισης για τις δύο μεθόδους προσδιορισμού (μέσω πυκνότητας ή δείκτη διάθλασης) της συγκέντρωσης του ελαίου. 8. Προσδιορίστε την επίδραση του είδους του διαλύτη και του χρόνου εκχύλισης (ANOVA) στην απόδοση της διεργασίας (βάρος εκχυλιζόμενου ελαίου). 36

37 ΛIΠAPA ΣΩMATA: METPHΣH ΦYΣIKΩN-XHMIKΩN ΣTAΘEPΩN. EKXYΛIΣH EΛAIOY Διάγραμμα ροής παραλαβής ελαίου Ελαιούχος σπόρος Συμπίεση Ακατέργαστο έλαιο Υπόλειμμα Έλαιο Εκχύλιση με εξάνιο Εξάτμιση διαλύτη Ακατέργαστο έλαιο Απελαιωμένο υπόλειμμα Διάγραμμα ροής παραλαβής ελαιόλαδου 37

38 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Βιβλιογραφία Bernardini, E., 1983, Oil and Fat Technology, Technologies.r.I., V.1-2, Rome. Bailey s Industrial Oil and Fat Products, 1996, V.1-5, John Wiley & Sons Inc. Boskou, D., 1996, Olive oil: chemistry and technology, AOCS Press, USA. Christie, W., , Advances in Lipid Methodology, V.1-4, Oily Press Lipid Library. Gunstone, F., 1996, Fatty Acid and Lipid, Blackie Academic & Professional. Gunstone, F.D. and Norris, F.A., 1983, Lipids in foods chemistry, biochemistry and Technology, Pergamon Press. Hamilton, R.J., 1995, Developments in Oils and Fats, Blackie Academic & Professional. Hamilton, R.J., 1997, Lipid Analysis of Oils and Fats, Blackie Academic & Professional. Hoffman, G., 1989, The chemistry and technology of edible oils and fats and their high fat products, Academic Press. Kirschenbauer, H.G., 1960, Fats and Oils, Reinhold Publishing Corporation. Lawson, H., 1995, Food Oils and Fats, Chapman & Hall. Mela, D.J., 1992, Dietary Fats, Chapman & Hall. Nettleton, J.A., 1995, Omega-3 Fatty Acids and Health, Chapman & Hall. Tzia, C., and Liadakis, G., 2003, "Extraction optimization in food engineering", p. 370, Marcel Dekker, USA. Wan, P.J., 1991, Introduction to oils and fats technology, AOCS. Θωμόπουλος, Χ.Δ., 1992, Τεχνολογία Γεωργικών Βιομηχανιών, ΕΜΠ, Αθήνα. Τζιά, Κ., 1987, Διδακτορική διατριβή: Συμβολή στη μελέτη του εξευγενισμού υψηλόβαθμων πυρηνέλαιων, ΕΜΠ. 38

39 Δείκτης διάθλασης (25οC) Δείκτης διάθλασης (25οC) ΛIΠAPA ΣΩMATA: METPHΣH ΦYΣIKΩN-XHMIKΩN ΣTAΘEPΩN. EKXYΛIΣH EΛAIOY ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Αρχική περιεκτικότητα ελαιούχου σπόρου σε έλαιο Βαμβακόπιτα: 8.7% Ελαιοπυρήνας: 12.3% Ελαιούχος σπόρος: Ελαιοπυρήνας Διαλύτης: Εξάνιο ΔΕΙΚΤΗΣ ΔΙΑΘΛΑΣΗΣ Καμπύλη αναφοράς 1,388 1,386 1,384 y = 0,0011x + 1,3718 R 2 = 0,9983 1,382 1,38 1,378 1,376 1,374 1,372 1, Σύσταση ελαίου (% κ.ό.) Ελαιούχος σπόρος: Ελαιοπυρήνας Διαλύτης: Πετρελαϊκός αιθέρας Καμπύλη αναφοράς 1,386 1,384 1,382 1,38 1,378 1,376 1,374 1,372 1,37 1,368 y = 0,0015x + 1,3674 R 2 = 0,9955 1, Σύσταση ελαίου (% κ.ό.) 39

40 Πυκνότητα (g/ml) Τ=25οC Πυκνότητα (g/ml) Τ=25οC ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Μεταβολή του δείκτη διάθλασης με τη θερμοκρασία: n D t1 = n D t2 + (t 2 t 1 )*k, όπου n D t1 ο δείκτης διάθλασης στη θερμοκρασία t 1 αναφοράς, n D t2 ο δείκτης διάθλασης στη θερμοκρασία t 2 και k = για τα έλαια. Ελαιούχος σπόρος: Ελαιοπυρήνας Διαλύτης: Εξάνιο ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ Καμπύλη αναφοράς 0,685 0,68 0,675 y = 0,0026x + 0,6531 R 2 = 0,9758 0,67 0,665 0,66 0,655 0, Σύσταση ελαίου (% κ.ό.) Ελαιούχος σπόρος: Ελαιοπυρήνας Διαλύτης: Πετρελαϊκός αιθέρας Καμπύλη αναφοράς 0,675 0,67 y = 0,0029x + 0,6438 R 2 = 0,9919 0,665 0,66 0,655 0,65 0,645 0, Σύσταση ελαίου (% κ.ό.) Μεταβολή της πυκνότητας με τη θερμοκρασία: d t1 = d t (t 2 t 1 ) 40

41 Δείκτης διάθλασης (25οC) Δείκτης διάθλασης (25οC) ΛIΠAPA ΣΩMATA: METPHΣH ΦYΣIKΩN-XHMIKΩN ΣTAΘEPΩN. EKXYΛIΣH EΛAIOY Ελαιούχος σπόρος: Βαμβακόπιτα Διαλύτης: Εξάνιο ΔΕΙΚΤΗΣ ΔΙΑΘΛΑΣΗΣ Καμπύλη αναφοράς 1,386 1,384 y = 0,0012x + 1,3718 R 2 = 0,9982 1,382 1,38 1,378 1,376 1,374 1,372 1, Σύσταση ελαίου (% κ.ό) Ελαιούχος σπόρος: Βαμβακόπιτα Διαλύτης: Πετρελαϊκός αιθέρας Καμπύλη αναφοράς 1,384 1,382 1,38 y = 0,0015x + 1,3674 R 2 = 0,9959 1,378 1,376 1,374 1,372 1,37 1,368 1, Σύσταση ελαίου (% κ.ό.) Μεταβολή του δείκτη διάθλασης με τη θερμοκρασία: n D t1 = n D t2 + (t 2 t 1 )*k, όπου n D t1 ο δείκτης διάθλασης στη θερμοκρασία t 1 αναφοράς, n D t2 ο δείκτης διάθλασης στη θερμοκρασία t 2 και k = για τα έλαια. ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ Ελαιούχος σπόρος: Βαμβακόπιτα Διαλύτης: Εξάνιο 41

42 Πυκνότητα (g/ml) Τ=25οC Πυκνότητα (g/ml) Τ=25οC ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Καμπύλη αναφοράς 0,69 0,685 0,68 y = 0,0037x + 0,6485 R 2 = 0,9692 0,675 0,67 0,665 0,66 0,655 0,65 0, Σύσταση ελαίου (% κ.ό.) Ελαιούχος σπόρος: Βαμβακόπιτα Διαλύτης: Πετρελαϊκός αιθέρας Καμπύλη αναφοράς 0,67 0,665 y = 0,0029x + 0,6374 R 2 = 0,9987 0,66 0,655 0,65 0,645 0,64 0, Σύσταση ελαίου (% κ.ό.) Μεταβολή της πυκνότητας με τη θερμοκρασία: d t1 = d t (t 2 t 1 ) 42

43 AΣKHΣH 4 ANTIΔPAΣEIΣ MAILLARD - MH ENZYMIKO MAYPIΣMA ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Π. Ταούκης, Ε. Δερμεσονλούογλου Σκοπός Σκοπός της άσκησης αυτής είναι να μελετηθεί το μη ενζυμικό μαύρισμα των τροφίμων (αντίδραση Maillard) σε πρότυπα συστήματα. Μελετάται η επίδραση παραγόντων σημαντικών για το σχεδιασμό και τη διατηρησιμότητα των τροφίμων στο ρυθμό αντίδρασης και επιχειρείται η μαθηματική έκφραση της. Θεωρία Οι αντιδράσεις Maillard είναι αντιδράσεις που γίνονται στα τρόφιμα κατά τη θερμική κατεργασία τους ή τη μακρά αποθήκευσή τους και έχουν ως αποτέλεσμα την εμφάνιση καστανού χρώματος, χαρακτηριστικής οσμής και γεύσης. Oφείλονται κατ αρχή στην αντίδραση μεταξύ καρβονυλοενώσεων (αλδεΰδες ή κετόνες) με αμινομάδες και οδηγούν μέσα από πολλά στάδια σε σκουρόχρωμα προϊόντα. Aντίστοιχες ενώσεις υπάρχουν στα τρόφιμα: ανάγοντα σάκχαρα (γλυκόζη, γαλακτόζη, μαλτόζη, λακτόζη, φρουκτόζη) και πρωτεΐνες, πεπτίδια αμινοξέων. Παράγοντες που καθορίζουν το ρυθμό της αντίδρασης Maillard είναι: η θερμοκρασία, το ph, το είδος και η συγκέντρωση του ανάγοντος σακχάρου και της αμινοενώσεως, η ενεργότητα νερού και η παρουσία ιόντων χαλκού. Oι αντιδράσεις Maillard ευνοούνται από μέσες υγρασίες (ενεργότητα νερού ). Tα οξέα αναστέλλουν ή παρεμποδίζουν την αντίδραση γιατί αδρανοποιούν τις ελεύθερες αμινομάδες των αμινοξέων, πεπτιδίων και πρωτεϊνών σχηματίζοντας με αυτές άλατα. Oι βάσεις επιτείνουν την αντίδραση γιατί απελευθερώνουν αμινομάδες που είναι ενδεχόμενα αδρανοποιημένες σε μορφή αλάτων. Παρεμπόδιση των αντιδράσεων γίνεται με χημικά μέσα π.χ. με NaHSO 3. H δράση του NaHSO 3 βασίζεται στο ότι αντιδρά με την καρβονυλομάδα των αναγόντων σακχάρων 43

44 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY (εμποδίζοντας έτσι την καρβονυλο-αμινο αντίδραση) παρέχοντας υδροξυσουλφονικά άλατα. Η μελέτη των παραμέτρων που επηρεάζουν την αντίδραση είναι πολύ χρήσιμη για το σχεδιασμό πολλών τροφίμων, ιδιαίτερα των αφυδατωμένων και μέσης υγρασίας, και τον καθορισμό της διατηρησιμότητάς τους. Ιδιαίτερα για τον τελευταίο ακολουθείται η μεθοδολογία των Επιταχυνόμενων Δοκιμών Διατηρησιμότητας (ASLT= Accelerated Shelf Life Testing). Το ASLT συνίσταται στη μελέτη της αντίδρασης σε συνθήκες όπου είναι σημαντικά επιταχυμένη, και η μαθηματική προεκβολή των αποτελεσμάτων στις πραγματικές συνθήκες του τροφίμου. Στην άσκηση αυτή θα μελετηθεί η αντίδραση Maillard σε πρότυπα συστήματα και θα επιδιωχθεί η μαθηματική έκφραση της επίδρασης των διαφόρων παραγόντων στο ρυθμό αντίδρασης. Πειραματική διαδικασία Υλικά και μέθοδοι γλυκόζη MB = / γλυκίνη MB = Παρασκευάζονται διαλύματα γλυκόζης/γλυκίνης σε 0.1M ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών αλάτων καθορισμένου ph. Οι παράγοντες που μελετώνται είναι: θερμοκρασία (Τ), συγκέντρωση γλυκόζης/γλυκίνης (Glu/Gly σε Μ), ph, συγκέντρωση ιόντων Cu (ppm Cu ++ ). Τα επίπεδα των παραμέτρων και τα απαιτούμενα πειράματα δίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 1. Παράμετροι που εξετάζονται και πειραματικές συνθήκες Μελετώμενη παράμετρος Πείραμα (α/α) Τ ( C) Glu/Gly [M] ph Προτεινόμενη συχνότητα δειγμ. (min) Τ / Τ / Τ / Glu/Gly / Glu/Gly / Glu/Gly / ph / ph / ph /

45 ANTIΔPAΣEIΣ MAILLARD Για κάθε πείραμα ζυγίζεται η απαιτούμενη ποσότητα Glu/Gly σε ποτήρι ζέσης 50 ml και διαλύεται σε 40 ml ρυθμιστικού NaH 2 PO 4 /Na 2 HPO 4 του ζητούμενου ph. 10 ml σε δοκιμαστικό σωλήνα θερμαίνονται σε υδατόλουτρο στην απαιτούμενη θερμοκρασία. Δείγμα 1 ml λαμβάνεται κατά διαστήματα και μετράται η απορρόφηση σε φασματοφωτόμετρο στα 420 nm. Χρειάζονται 5-6 μετρήσεις της Α ανά πείραμα για τον προσδιορισμό της φαινόμενης τάξης της αντίδρασης. Η φαινόμενη τάξη προσδιορίζεται με προσδιορισμό του n που δίνει την καλύτερη προσαρμογή (με μέθοδο τελείων τετραγώνων) σε μία από τις παρακάτω εξισώσεις: Για n=0: Για n=1: Για n 1: Α-A o =k t ln(α/a o )=k t [Α 1-n - A o 1-n ] /(1-n)=k t Αφού προσδιοριστεί το n, προσδιορίζεται η σταθερά ρυθμού αντίδρασης για κάθε συνθήκη. Η επίδραση κάθε παραμέτρου προσδιορίζεται από τις παρακάτω εξισώσεις: Τ: lnk=lnk o -(E A /RT) Glu/Gly: ph: lnk=c 1 +c 2 (ln[glu]+ln[gly]) lnk=c 3 +c 4 ph Τέλος μπορεί να προσδιοριστεί ένα συνοπτικό μοντέλο της επίδρασης όλων των παραμέτρων της μορφής: lnk = a ο + a 1 (ln[glu]+ln[gly]) + a 2 ph + a 3 (1/T) (Από δημοσιευμένες μελέτες προκύπτει ότι η αλληλεπίδραση των παραγόντων είναι μικρή και μπορεί να αγνοηθεί). Οι σταθερές a i υπολογίζονται με γραμμική παλινδρόμηση με τη μέθοδο των τελείων τετραγώνων (multiple linear regression). Για να μελετηθεί η επίδραση του είδους του σακχάρου στην αντίδραση το πείραμα 2 γίνεται με αντικατάσταση του σακχάρου με 1Μ φρουκτόζη ή 1Μ σακχαρόζη (πειράματα 8 και 9). Επίσης μελετάται η παρεμποδιστική δράση των θειωδών αλάτων με προσθήκη στο μίγμα του πειράματος 2, 200 ppm NaHSO 3 (πείραμα 10). 45

46 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Ερωτήσεις 1. Σημασία των αντιδράσεων Maillard στα τρόφιμα. Μέθοδοι ελέγχου. 2. Δώστε σχηματικά τη σειρά αντιδράσεων γλυκόζης/γλυκίνης. 3. Για κάθε πείραμα δώστε το διάγραμμα απορρόφησης προς χρόνο και υπολογίστε την τάξη και τη σταθερά ρυθμού αντίδρασης. 4. Υπολογίστε την επίδραση του κάθε μελετώμενου παράγοντα στη σταθερά ρυθμού αντίδρασης βάσει των παραπάνω εξισώσεων. Υπολογίστε τις σταθερές της συνολικής εξίσωσης. 5. Θεωρώντας ότι τα συμπεράσματα της μελέτης των συστημάτων μοντέλων μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πραγματικά τρόφιμα δώστε εκτίμηση της διατηρησιμότητας (διάρκειας ζωής) ενός τροφίμου μέσης υγρασίας που περιέχει 10% μέλι, και 20% πρωτεΐνες γάλακτος και σιταλεύρου (1 g πρωτεΐνης έχει τη δραστικότητα 0.1 g γλυκίνης όσον αφορά την αντίδραση Maillard). To ph του προϊόντος είναι 7. Διατήρηση στους 25 C. Δώστε την ίδια εκτίμηση για 35 C. Βιβλιογραφία Baisier, W.M. and Labuza, T.P., 1992, Maillard Browning Kinetics in a Liquid Model System, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 40: Hoskin, J.C. and Dimick, P.S., 1995, Non-enzymatic browning of foods, in Physicochemical Aspects of Food Processing, ed. S.T. Beckett, p , Blackie Academic & Professional, London. Weissman, I. Ramonj, O., Kopelman, I.J. and Mizrahi, S., 1993, A kinetic model for accelerated tests of Maillard browning in a liquid model system, Journal of Food Processing and Preservation, 17: Whistler, R.L. and Daniel, J.R., 1985, Carbohydrates, in Food Chemistry, ed. O.R. Fennema, p , Marcel Dekker, New York. Μπόσκου, Δ., 1989, Αντιδράσεις Maillard., στο Χημεία Τροφίμων με στοιχεία Τεχνολογίας. Τροφίμων, σελ , Εκδόσεις Γαργατάνη, Θεσ/νίκη. 46

47 ΑΣΚΗΣΗ 5 ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Β. Ανδρέου, M. Γιαννόγλου, Μ. Τσεβδού, Π. Ταούκης Σκοπός Η εξοικείωση των σπουδαστών με βασικούς πειραματικούς χειρισμούς που ακολουθούνται στη μικροβιολογία τροφίμων. Η παρατήρηση των κυριότερων κατηγοριών μικροοργανισμών που απαντώνται στα τρόφιμα. Θεωρία Οι μικροοργανισμοί είναι διαδεδομένοι παντού, έτσι ώστε να εκφράζονται επιφυλάξεις, αν ο άνθρωπος, τα ανώτερα ζώα αλλά και άλλοι πολυκύτταροι οργανισμοί θα μπορούσαν να ζήσουν ομαλά και να εκπληρώσουν την αποστολή τους υπό ασηπτικές συνθήκες. Τα τρόφιμα, δηλαδή οι θρεπτικές ύλες που χρησιμοποιεί ο άνθρωπος για τη διατροφή του, φέρουν κατά κανόνα μεγαλύτερο μικροβιακό φορτίο απ ότι οι άλλες μορφές οργανικής και πολύ περισσότερο, ανόργανης ύλης. Οι μικροοργανισμοί που ενδιαφέρουν τη βιομηχανία τροφίμων είναι τα βακτήρια, οι μύκητες, οι ζύμες και οι ιοί. Η μόλυνση των τροφίμων με μικρόβια στο στάδιο της πρώτης ύλης διαφέρει ανάλογα με το είδος, με τις ιδιαίτερες συνθήκες που επικράτησαν στο χώρο της παραγωγικής διαδικασίας και με την επαφή με τις λεγόμενες πηγές μολύνσεως. Οι πηγές μολύνσεως είναι οι τόποι στους οποίους σημειώνεται το maximum της μικροβιακής αναπτύξεως, με αποτέλεσμα να φθάνει ο μικροβιακός πληθυσμός σε υψηλά επίπεδα και να μολύνει τα τρόφιμα που έρχονται σε άμεση επαφή μαζί του. Οι σπουδαιότερες πηγές μόλυνσης των τροφίμων είναι: 1) Ο άνθρωπος με ιδιαίτερα βεβαρημένο το πεπτικό του σύστημα. Εκεί απαντούν και πολλαπλασιάζονται κυρίως εντεροβακτήρια, τα οποία ο άνθρωπος με τα χέρια του μεταφέρει στα τρόφιμα κατά τη διακίνηση, συσκευασία, επεξεργασία. Φορείς μικροβίων είναι η ρινοφαρυγγική κοιλότητα, όπου απαντούν διάφορα παθογόνα (κυρίως Σταφυλόκοκκοι), τα ανοικτά τραύματα κ.α. 2) Το πεπτικό σύστημα των αγροτικών ζώων, που είναι ομοίως βεβαρημένο με βακτήρια της οικογένειας των Enterobacteriaceae με στρεπτόκοκκους κ.α. 47

48 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 3) Οι μύγες, οι κατσαρίδες και άλλα κολεόπτερα που συχνάζουν στους χώρους των εργοστασίων και είναι κατάφορτες από μικρόβια στο πεπτικό τους σύστημα, στα φτερά, στις κεραίες. Μεταφέρουν βακτήρια, ζύμες αλλά και μύκητες. 4) Τα ποντίκια και οι αρουραίοι που είναι φορείς, όχι μόνο σαπρόφυτων, αλλά και φοβερών παθογόνων για τον άνθρωπο, όπως είναι το παθογόνο της πανώλης, η Τριχίνη (Trichinella spiralis) κ.ά. 5) Η κοπριά των ζώων που είναι φορτωμένη με πολλά μικρόβια, σηξιγόνα και μη, μεταξύ των οποίων δεσπόζουν τα κλωστηρίδια και οι βάκιλλοι. 6) Ο κονιορτός που είναι φορτωμένος με περισσότερα ή λιγότερα μικρόβια ανάλογα με τον τόπο προελεύσεως, τη σχετική υγρασία της ατμόσφαιρας, τη θερμοκρασία κ.τ.λ. 7) Το έδαφος που είναι πλούσια παρακαταθήκη διαφόρων τύπων μικροβίων. Ο αριθμός ποικίλλει ανάλογα με τη φυσική και χημική σύσταση, επηρεάζεται όμως κυρίως από την περιεκτικότητα του σε οργανική ουσία. Επικρατούν τα κλωστηρίδια, οι βάκιλοι, οι ζύμες και οι μύκητες. 8) Το νερό από πηγές ή δίκτυο υδρεύσεως, ιδιαίτερα αν δεν είναι χλωριωμένο. Πειραματική διαδικασία Προετοιμασία του πάγκου εργασίας: Για τον μικροβιολογικό έλεγχο των δειγμάτων απαραίτητη προϋπόθεση είναι η όσο το δυνατόν επίτευξη ασηπτικών συνθηκών στον πάγκο εργασίας και στο περιβάλλον γύρω από αυτόν. Για το σκοπό αυτόν, ο πάγκος εργασίας είναι κλειστός γύρω-γύρω και αποστειρώνεται ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Πριν την έναρξη των πειραματικών εργασιών αποστειρώνεται πάντα με οινόπνευμα. Όσον αφορά στο περιβάλλον μέσα στον πάγκο, χρησιμοποιείται λύχνος βουτανίου, ο οποίος μένει ανοικτός κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. Παρασκευή-αποστείρωση θρεπτικού υποστρώματος: Τα μικρόβια που προξενούν αλλοιώσεις στα τρόφιμα, είναι ετερότροφα και έχουν ανάγκη από έτοιμη τροφή. Πρέπει να βρουν τα θρεπτικά συστατικά τα οποία τους είναι απαραίτητα για να αναπτυχθούν και τα οποία δεν μπορούν να συνθέσουν από μόνα τους. Κατά κανόνα τα τρόφιμα είναι πλούσια σε θρεπτικά συστατικά και για αυτό το λόγο μπορούν να υποστηρίξουν την ανάπτυξη πολλών ειδών μικροβίων. Έτσι άλλωστε εξηγείται και η 48

49 ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ευαισθησία τους στην αλλοίωση. Όσον αφορά στους εργαστηριακούς ελέγχους χρησιμοποιούνται υποστρώματα τα οποία διαθέτουν θρεπτικά συστατικά απαραίτητα για την ανάπτυξη συγκεκριμένων μικροβίων. Συγκεκριμένα, στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση θα απαριθμηθεί η ολική μικροβιακή χλωρίδα καθώς και τα γαλακτικά βακτήρια, δειγμάτων τα οποία θα δίδονται κάθε φορά από τον υπεύθυνο της άσκησης. Για τον έλεγχο της ολικής μικροβιακής χλωρίδας, χρησιμοποιείται το μη επιλεκτικό υπόστρωμα Plate Count Agar (PCA), για την παρασκευή του οποίου απαιτείται η διάλυση 22.5 g υποστρώματος σε 1 L απιονισμένου νερού. Αντίστοιχα, για τον έλεγχο των γαλακτικών βακτηρίων χρησιμοποιείται το επιλεκτικό υπόστρωμα de Mann, Rogosa and Sharpe s (MRS), για την παρασκευή του οποίου απαιτείται η διάλυση 68.2 g υποστρώματος σε 1 L απιονισμένου νερού, όπως και παραπάνω. Για την παρασκευή του ορρού Ringer, σε γυάλινο μπουκάλι διαλύεται μια κάψουλα του ορρού σε μισό λίτρο απιονισμένου νερού. Στην συνέχεια και τα τρία μπουκάλια κλείνονται και τοποθετούνται στο αυτόκλειστο, μαζί με tips πιπετών, όπου και θα ακολουθήσει η αποστείρωσή τους. Η αποστείρωση πραγματοποιείται στους 121 C για 15 min. Μετά την αποστείρωση, τα υποστρώματα αφήνονται να κρυώσουν μέχρι περίπου τους 50 C. Το υπόστρωμα της ολικής μικροβιακής χλωρίδας (PCA), μοιράζεται σε 10 τρυβλία, με τη διαδικασία που θα επιδειχθεί κατά τη διάρκεια της άσκησης και αφήνεται να πήξει. Το υπόστρωμα των γαλακτικών βακτηρίων (MRS) τοποθετείται σε υδατόλουτρο στους 50 C μέχρι να χρησιμοποιηθεί, προκειμένου να μην στερεοποιηθεί. Σε αποστειρωμένους δοκιμαστικούς σωλήνες τοποθετούνται 9 ml ορρού Ringer. Οι όλες παραπάνω διαδικασίες πραγματοποιούνται στον πάγκο εργασίας, προσπαθώντας να επιτύχουμε όσο το δυνατόν ασηπτικές συνθήκες. Δειγματοληψία: Το άτομο το οποίο θα κάνει τη δειγματοληψία απολυμαίνει τα χέρια του με οινόπνευμα προτού ξεκινήσει την διαδικασία. Στην συνέχεια, ανοίγει το δείγμα προσεχτικά και όσο το δυνατόν πιο κοντά στο λύχνο, όπου οι συνθήκες είναι πιο ασηπτικές. Στον πάγκο όπου πραγματοποιείται η δειγματοληψία υπάρχει ηλεκτρονική ζυγαριά, η οποία έχει απολυμανθεί πριν τη χρήση της. Πάνω στη ζυγαριά τοποθετείται ένα ποτήρι ζέσεως και 49

50 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY μέσα σε αυτό τοποθετείται μια αποστειρωμένη σακούλα, η οποία έχει ανοιχθεί με προσοχή, έτσι ώστε να μην επιμολυνθεί το εσωτερικό της, όπου και θα τοποθετηθεί το προς εξέταση δείγμα. Με τη βοήθεια ενός κοπιδιού και μιας τσιμπίδας, τα οποία είναι εμβαπτισμένα σε οινόπνευμα και αναφλέγονται πριν τη χρήση τους για λόγους αποστείρωσης, ζυγίζονται 25 g του δείγματος και τοποθετούνται μέσα στην αποστειρωμένη σακούλα. Στη συνέχεια, στην ίδια σακούλα προστίθενται 225 g ορρού Ringer. Η σακούλα κλείνεται πρόχειρα και το όλο μίγμα οδηγείται στον ομογενοποιητή (Stomacher), όπου και ομογενοποιείται για 60 s σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Τεχνική των διαδοχικών αραιώσεων: Οι δοκιμαστικοί σωλήνες έχουν τοποθετηθεί στη σειρά, ο ένας δίπλα στον άλλο προκειμένου να είναι πιο εύκολο για αυτόν που θα κάνει τις αραιώσεις. Το ομογενοποιημένο διάλυμα χαρακτηρίζεται ως Από το ομογενοποιημένο δείγμα λαμβάνεται 1 ml διαλύματος με χρήση πιπέτας και αποστειρωμένου tip. Το διάλυμα αυτό τοποθετείται στον πρώτο δοκιμαστικό σωλήνα ο οποίος όπως έχει αναφερθεί περιέχει 9 ml ορρού Ringer και αναδεύεται καλά προκειμένου το καινούριο διάλυμα να γίνει ομογενές. Αυτός ο δοκιμαστικός σωλήνας χαρακτηρίζεται ως 10-2, επειδή κάθε ml από το περιεχόμενό του περιέχει 0.01 ml από το αρχικό δείγμα. Στην συνέχεια, και με χρήση καινούριου tip λαμβάνεται 1 ml από το διάλυμα αυτού του δοκιμαστικού σωλήνα και τοποθετείται στον επόμενο, προσπαθώντας να διατηρούνται όσο το δυνατόν ασηπτικές συνθήκες. Ο επόμενος αναδεύεται καλά και χαρακτηρίζεται ως 10-3, επειδή κάθε ml από το περιεχόμενό του περιέχει 0.1 ml από το διάλυμα του προηγούμενου, ή αλλιώς ml από το διάλυμα του αρχικού δείγματος. Η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται για τόσες αραιώσεις όσες θα αποφασιστεί από τον υπεύθυνο της άσκησης, λαμβάνοντας υπόψη την αλλοίωση που φαίνεται να έχει το αρχικό δείγμα. Τεχνικές μέτρησης αριθμού μικροοργανισμών Το μικροβιακό φορτίο είναι μια μεταβλητή των τροφίμων με ιδιαίτερη σημασία για τον προσδιορισμό της ποιότητας. Είναι ένα ποιοτικό χαρακτηριστικό, η τιμή του οποίου βρίσκεται σε αντίστροφη σχέση με την ποιότητα, γιατί όσο μικρότερο είναι το μικροβιακό φορτίο τόσο καλύτερα ποιοτικά είναι το τρόφιμο. Οι τεχνικές μετρήσεως του μικροβιακού πληθυσμού στα τρόφιμα είναι οι εξής: 50

51 ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 1) Κατευθείαν μέτρηση του πληθυσμού στο μικροσκόπιο 2) Εκτίμηση βάσει του θολώματος που θα εμφανίσει ο ζωμός ο οποίος θα εμβολιασθεί με ορισμένο όγκο του δείγματος. 3) Μέτρηση αποικιών που θα αναπτυχθούν σε θρεπτικό υλικό κεκλιμένης επιφάνειας. 4) Μέτρηση αποικιών από σταγόνες δείγματος που έπεσαν σε στερεοποιημένο θρεπτικό υλικό. 5) Μέτρηση αποικιών επιφανειακής αναπτύξεως σε τρυβλία. 6) Με καλλιέργεια των μικροβίων που κατακρατά η μεμβράνη διηθήσεως του τροφίμου. 7) Μέτρηση αποικιών που αναπτύσσονται σε τρυβλία έπειτα από διαδοχικές αραιώσεις του δείγματος και μετασπορά σε τρυβλία. 8) Με τη χρησιμοποίηση της τεχνικής του περισσότερου πιθανού αριθμού μικροβίων. 9) Με ηλεκτρονική μέτρηση σωματιδίων σε εναιώρηση. Στην παρούσα πειραματική διαδικασία θα χρησιμοποιηθεί η μέθοδος μέτρησης αποικιών επιφανειακής ανάπτυξης σε τρυβλία. Μέθοδος μέτρησης αποικιών επιφανειακής ανάπτυξης σε τρυβλία Η μέθοδος στηρίζεται στο ότι από ένα μικροβιακό κύτταρο αναπτύσσεται μία και μόνο αποικία και συνεπώς η μέτρηση των αποικιών δίνει τον αριθμό των μικροοργανισμών απ όπου προήλθαν. Α. Ανάπτυξη αποικιών στο μη επιλεκτικό υπόστρωμα PCA: Το θρεπτικό υλικό διανεμήθηκε σε τρυβλία και αφέθηκε να στερεοποιηθεί, όπως περιγράφηκε παραπάνω. Με χρήση πιπέτας, της οποίας το tip είναι αποστειρωμένο, λαμβάνεται 0.1 ml από το αρχικό δείγμα και στην συνέχεια απλώνεται σε όλη την επιφάνεια του τρυβλίου με τη βοήθεια ενός γυάλινου ραβδιού κεκαμμένου κατά το άκρο του σε σχήμα τριγώνου. Το ραβδί πριν χρησιμοποιηθεί στην εξάπλωση του δείγματος αποστειρώνεται με εμβάπτιση σε οινόπνευμα και ανάφλεξη. Η όλη διαδικασία γίνεται κοντά στην φλόγα του λύχνου, καθώς είναι πολύ εύκολη η επιμόλυνση των τρυβλίων σε αυτή τη φάση. Η ίδια διαδικασία επαναλαμβάνεται δυο φορές προκειμένου να ληφθούν περισσότερα και πιο αξιόπιστα αποτελέσματα. Ακριβώς τα ίδια πραγματοποιούνται για όλους τους δοκιμαστικούς σωλήνες και κατ επέκταση για όλες τις διαδοχικές αραιώσεις του αρχικού δείγματος. Μετά το τέλος της επίστρωσης όλων των τρυβλίων, τα τρυβλία 51

52 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY κλείνονται με τα καπάκια τους, αναποδογυρίζονται, τοποθετούνται μέσα σε σακούλες και τέλος τοποθετούνται σε κλίβανο θερμοκρασίας 25 C για επώαση για 5 ημέρες. Β. Ανάπτυξη αποικιών στο επιλεκτικό υπόστρωμα MRS: Από το αρχικό δείγμα λαμβάνεται 1 ml ομογενοποιημένου διαλύματος και τοποθετείται σε άδειο αποστειρωμένο τρυβλίο. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιείται για όλες τις διαδοχικές αραιώσεις λαμβάνοντας πάντα υπόψη ότι οι διαδικασίες αυτές πραγματοποιούνται κοντά στη φλόγα του λύχνου και ότι τα tips των πιπετών έχουν προηγουμένως αποστειρωθεί. Στην συνέχεια κρυώνεται ελαφρώς το επιλεκτικό υπόστρωμα MRS (το οποίο όλη αυτή την ώρα διατηρούνταν σε υδατόλουτρο θερμοκρασίας 50 C), τόσο ώστε η θερμοκρασία του να είναι ανεχτή στο μάγουλο του προσώπου. Αφού κρυώσει, διανέμεται στα τρυβλία τα οποία περιέχουν μόνο το 1 ml από τα διαλύματα των αραιώσεων. Τοποθετείται τόση ποσότητα ώστε να καλύψει την επιφάνεια του τρυβλίου και ταυτόχρονα η στρώση να είναι αρκετά λεπτή. Όταν τελειώσει η διαδικασία αυτή τα δείγματα ανακινούνται προσεχτικά, όπως θα δειχθεί από τον υπεύθυνο, ώστε τα διαλύματα μέσα στα τρυβλία να είναι κατά το δυνατόν ομογενή. Αφού το υλικό αυτό μέσα στα τρυβλία κρυώσει αρκετά και στερεοποιηθεί, τότε ακολουθεί μια δεύτερη στρώση υποστρώματος όπως και προηγούμενα, τόσης ποσότητας ώστε να καλύψει την επιφάνεια και ταυτόχρονα η στρώση να είναι λεπτή. Η διαδικασία αυτή της δεύτερης επίστρωσης πραγματοποιείται ώστε τελικά να έχουμε όσο το δυνατόν καλύτερες αναερόβιες συνθήκες. Όταν στερεοποιηθεί και η δεύτερη επίστρωση του υποστρώματος, τα τρυβλία κλείνονται με τα καπάκια τους, γυρίζονται ανάποδα και τοποθετούνται σε σακούλες. Στη συνέχεια, τοποθετούνται σε κλίβανο θερμοκρασίας 25 C για επώαση για 5 ημέρες. Καταμέτρηση των αποικιών: Μετά την επώαση των τρυβλίων στους 25 C για 5 ημέρες, τα τρυβλία βγαίνουν από τον κλίβανο προσεχτικά προκειμένου να καταμετρηθούν οι αποικίες. Όπως είναι εύκολα αντιληπτό στις μικρές αραιώσεις οι αποικίες είναι πιο πυκνές και δυσδιάκριτες, άρα πιο δύσκολα μετρήσιμες. Όσο μεγαλώνει η αραίωση, οι αποικίες αραιώνουν. Η μέτρηση των αποικιών γίνεται σε μια αραίωση τέτοια ώστε να υπάρχουν αποικίες ανά τρυβλίο. Κάθε αποικία που μετριέται διαχωρίζεται από τις υπόλοιπες με μια τελίτσα πάνω σε αυτήν με τη χρήση κάποιου μαρκαδόρου. 52

53 logcfu/g ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Υπολογισμός του μικροβιακού φορτίου του δείγματος: Ο αριθμός των αποικιών που μετρώνται σε κάθε τρυβλίο πολλαπλασιαζόμενος επί τον αντίστροφο του δίνει τις ικανές αποικίες να σχηματίσουν βιολογικές μονάδες ανά γραμμάριο δείγματος. Για παράδειγμα αν σε ένα τρυβλίο αραίωσης 10-4 μετρηθούν συνολικά 124 αποικίες γαλακτικών βακτηρίων, τότε το συνολικό φορτίο θα είναι: 124 1/10-4 = CFU/g Συνήθως, όταν πρόκειται για την επεξεργασία των αποτελεσμάτων, δεν χρησιμοποιούνται τόσο μεγάλα νούμερα, αλλά αντί για αυτά χρησιμοποιείται ο δεκαδικός τους λογάριθμος. Στην συγκεκριμένη περίπτωση θα λέγαμε ότι το αρχικό δείγμα έχει φορτίο γαλακτικών βακτηρίων: log ( ) = 6.09 άρα το συνολικό φορτίο είναι 6.09 logcfu/g. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων του φορτίου ενός μικροβίου που προκύπτουν ανά τακτά χρονικά διαστήματα αν παρασταθούν σε πίνακα αξόνων εμφανίζουν μια καμπύλη που ακολουθεί ένα ορισμένο πρότυπο, όπως αυτή που φαίνεται παρακάτω στην εικόνα 1: Φάση Εκθετικής Ανάπτυξης Λανθάνουσα Φάση Χρόνος (ημέρες) Φάση Στασιμότητας Φάση Θνησιμότητας Εικόνα 1: Τυπική καμπύλη ανάπτυξης των μικροβίων 53

54 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Ερωτήσεις 1. Υπολογίστε το ολικό φορτίο, καθώς και το φορτίο σε γαλακτικά βακτήρια του τροφίμου το οποίο εξετάσατε. 2. Από τα αποτελέσματα που θα σας δοθούν κατά τη διάρκεια της εργαστηριακής άσκησης για την ανάπτυξη ενός μικροβίου σε 4 θερμοκρασίες συντήρησης, υπολογίστε τα παρακάτω: - Αποδώστε την καμπύλη ανάπτυξης του μικροβίου σε κάθε θερμοκρασία. - Υπολογίστε τον εκθετικό ρυθμό ανάπτυξης του μικροβίου σε κάθε θερμοκρασία. - Υπολογίστε το χρόνο διατήρησης του τροφίμου σε κάθε θερμοκρασία συντήρησης με βάση το αποδεκτό όριο αλλοίωσης. Το αποδεκτό όριο αλλοίωσης ορίζεται ως 6.5 logcfu/g. - Υπολογίστε το χρόνο διατήρησης του τροφίμου στη θερμοκρασία των 4 C, γνωρίζοντας ότι το αποδεκτό όριο αλλοίωσης είναι 6.5 logcfu/g, όπως παραπάνω. Βιβλιογραφία Adams, M.R. and Moss, M.O., 1999, Food Microbiology, The Royal Society of Chemistry, Cambridge UK. Banwart, G., 1989, Basic Food Microbiology, Chapman n Hall, New York. Forsythe, S.J., 2000, The microbiology of safe food, Blackwell Science, Oxford UK. Jay, J.M., 2000, Modern Food Microbiology, 6 th ed., Aspen Publication. Junéja, V.K. and Sofos, J.N., 2002, Control of Foodborne Microorganisms, Marcel Dekker, Inc., New York. Robinson, R.K., 2000, Encyclopedia of Food Microbiology, Academic Press, San Diego. Spec, I., 1984, Compendium of the Methods for the Microbiological Examination of Foods, APHA. Μπαλατσούρας, Γ.Δ., 1992, Μικροβιολογία τροφίμων, Αθήνα. Μπεζιρτζόγλου, Ε., 2004, Μικροβιολογία Τροφίμων και του Πεπτικού Συστήματος, Εκδόσεις ΠΑΡΙΣΙΑΝΟΣ. Ταούκης, Π., 2009, Μικροβιολογία Τροφίμων, Κεφ. 3 σε: ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ: Συστατικά - Ιδιότητες - Ποιότητα - Μικροβιολογία - Ρεολογία - Συσκευασία. Επιστήμη και Μηχανική των Τροφίμων (σημειώσεις από τις παραδόσεις, ΕΜΠ), Αθήνα. 54

55 AΣKHΣH 6 ΜΕΛΕΤΗ ΑΝΤΙΟΞΕΙΔΩΤΙΚΗΣ ΔΡΑΣΗΣ ΒΙΤΑΜΙΝΩΝ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ ΠΡΟΣΘΕΤΩΝ Δ. Τσιμογιάννης, Ε. Χουλιτούδη Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι η εκτίμηση της αντιοξειδωτικής συμπεριφοράς σημαντικών συστατικών των τροφίμων όπως η βιταμίνη C καθώς και συνθετικά παρασκευασμένων ουσιών με αντιοξειδωτική δράση. Χρησιμοποιούνται δύο από τις βασικότερες μεθόδους εκτίμησης της δράσης τους που είναι η αντίδραση με την σταθερή ελεύθερη ρίζα του διφαινυλο-πικρυλ-υδραζυλίου (DPPH) και οι δοκιμές οξείδωσης κατόπιν προσθήκης των αντιοξειδωτικών σε έλαια. Θεωρία ΟΞΕΙΔΩΣΗ: Η χημική οξείδωση τροφίμων πλούσιων σε λιπαρά συστατικά οφείλεται κατά κύριο λόγο στις αντιδράσεις αυτοξείδωσής τους. Τα λιπαρά αποτελούνται κυρίως από τριγλυκερίδια που είναι τριεστέρες γλυκερόλης και λιπαρών οξέων. Τα σημαντικότερα λιπαρά οξέα ως συστατικά τροφίμων είναι: παλμιτικό (C16:0), στεατικό (C18:0), ελαϊκό (C18:1), λινελαϊκό (C18:2) και λινολενικό (C18:3). Τα οξέα με 2 ή περισσότερους διπλούς δεσμούς ονομάζονται πολυακόρεστα και είναι ευαίσθητα στην οξείδωση από το Ο2 του ατμοσφαιρικού αέρα. Τα σχηματιζόμενα υδροϋπεροξείδια αποτελούν τα πρωτογενή προϊόντα της οξείδωσης και είναι άοσμα και άγευστα. Τα υδροϋπεροξείδια πολυακόρεστων λιπαρών οξέων σχηματίζουν μέσω ισομερίωσης συζυγείς δομές, συγκεκριμένα συζυγή διένια και τριένια. Τα πρωτογενή αυτά προϊόντα είναι ασταθή και διασπώνται σε δευτερογενή προϊόντα οξείδωσης όπως αλδεΰδες, κετόνες, λακτόνες, φουρανικά παράγωγα. Παράλληλα πραγματοποιείται πολυμερισμός των υπεροξειδικών παραγώγων. Τέλος παράλληλα προχωρούν αντιδράσεις οξείδωσης και άλλων συστατικών του τροφίμου, όπως βιταμινών, χρωστικών και ενώσεις που συμβάλουν στη γεύση και το άρωμα. 55

56 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY Άμεσα αποτελέσματα της δημιουργίας των παραπάνω προϊόντων είναι η ποιοτική υποβάθμιση του τροφίμου, η μείωση της διατροφικής του αξίας και η αύξηση των επιβλαβών ενώσεων για την υγεία. Προκύπτει συνεπώς ότι είναι απαραίτητος ο περιορισμός της οξειδωτικής διαδικασίας και μπορεί να επιτευχθεί βάσει των παρακάτω αρχών: 1) Ελαχιστοποίηση της συγκέντρωσης του Ο 2. 2) Ελαχιστοποίηση του ρυθμού των αντιδράσεων έναρξης μέσω: i) ελαχιστοποίησης του αρχικού επιπέδου οξείδωσης ή επιμόλυνσης με οξειδωμένα συστατικά, ii) ελαχιστοποίησης του επιπέδου των προοξειδωτικών συστατικών (μέταλλα), iii) διατήρησης της ενεργότητας του νερού σε ιδανικό επίπεδο. 1) Επιλογή αποτελεσματικών αντιοξειδωτικών και προσθήκη τους στο τρόφιμο πριν φτάσει η οξειδωτική διαδικασία σε σημαντικό επίπεδο. ΑΝΤΙΟΞΕΙΔΩΤΙΚΑ: Αντιοξειδωτικό ονομάζεται κάθε ένωση η οποία όταν βρίσκεται σε χαμηλές περιεκτικότητες σε ένα οξειδούμενο υπόστρωμα επιβραδύνει ή παρεμποδίζει την πορεία οξείδωσης του υποστρώματος. Τα πρωτογενή αντιοξειδωτικά δρουν ως δότες ατόμων υδρογόνου στις πολύ δραστικές ρίζες ROO και RO διακόπτοντας έτσι τις αντιδράσεις διάδοσης. Τα Η ανήκουν σε υδροξύλια ατόμων άνθρακα που συμμετέχουν σε διπλούς δεσμούς. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται ο μηχανισμός αντίδρασης ενός φαινολικού αντιοξειδωτικού με την ελεύθερη ρίζα DPPH: O O H N + O - O N + O -. O O N + O - O N + O -. N N + O H N N + O N O - N O - Ρίζα DPPH: Βαθύ μπλε χρώμα (Μεγιστο Απορρόφησης 515 nm) Υποκίτρινο παράγωγο της ρίζας DPPH που απορροφά ελάχιστα στα 515nm. O O O O O O

57 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Ένα αντιοξειδωτικό πρέπει να συνδυάζει τις εξής ιδιότητες : 1) Να είναι αποτελεσματικό σε πολύ μικρή περιεκτικότητα. 2) Να μην έχει καμία βλαβερή συνέπεια στην υγεία του ανθρώπου. 3) Να μην προσδίδει στο τρόφιμο δυσάρεστη γεύση και οσμή. 4) Να είναι έστω και ελάχιστα λιποδιαλυτό. 5) Να είναι όσο γίνεται σταθερό στα διάφορα στάδια επεξεργασίας του τροφίμου. Πειραματική Διαδικασία A. Μετρήσεις της δέσμευσης της ελεύθερης ρίζας DPPH Ι. Παρασκευή μεθανολικών διαλυμάτων αντιοξειδωτικού: Κατάλληλη ποσότητα της ένωσης ζυγίζεται και φέρεται σε ογκομετρική φιάλη των 25 ml, οπότε δημιουργείται αρχική συγκέντρωση C. Εν συνεχεία πραγματοποιούνται αραιώσεις σε συγκεντρώσεις 0.8C, 0.6C, 0.5C, 0.4C και 0.2C. Οι αραιώσεις γίνονται με μικροπιπέτα των 1000 μl σε υποδοχείς Eppendorff. II. Παρασκευή μεθανολικού διαλύματος DPPH: Ζυγίζονται g DPPH, τοποθετούνται προσεκτικά σε ογκομετρική φιάλη των 100 ml και διαλύονται σε 50 ml μεθανόλης περίπου. Το μίγμα ανακινείται έντονα με τη βοήθεια vortex μέχρι πλήρους διάλυσης του DPPH οπότε και γίνεται η πλήρωση με το διαλύτη μέχρι τη χαραγή. ΙΙΙ. Φασματοφωτομετρική παρακολούθηση της πορείας αντίδρασης: Σε κυψελίδα προστίθενται 100 μl διαλύματος αντιοξειδωτικού που λαμβάνονται με μικροπιπέτα και 3.9 ml δ/τος DPPH που λαμβάνονται με σιφώνιο μετρήσεως των 5 ml. Η κυψελίδα πωματίζεται και τα συστατικά αναμιγνύονται καλά. Η παρακολούθηση της αντίδρασης γίνεται στα 515 nm, μέχρις ότου η παρατηρούμενη μείωση της απορρόφησης σταματήσει και δημιουργηθεί πλατώ στη σχηματιζόμενη καμπύλη. H διαδικασία επαναλαμβάνεται για όλες τις συγκεντρώσεις του αντιοξειδωτικού. Β. Διάλυση του αντιοξειδωτικού σε λιπαρό υπόστρωμα και πραγματοποίηση δοκιμής οξείδωσης Ι. Κατάλληλη ποσότητα διαλύματος αντιοξειδωτικού προστίθεται σε 100 g βαμβακέλαιο σε ποτήρι ζέσεως. Ακολουθεί ομογενοποίηση με αναδευτήρα. 57

58 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY ΙΙ. Δοκιμή οξείδωσης: Το δείγμα με αντιοξειδωτικό πρόσθετο καθώς και το control (δείγμα χωρίς πρόσθετο) τοποθετούνται σε φούρνο με συγκεκριμένη θερμοκρασία (70 C ή 200 C) όπου πραγματοποιείται η θερμική τους οξείδωση. Σε τακτά χρονικά διαστήματα λαμβάνονται δείγματα και εκτιμάται η πορεία οξείδωσης μέσω του προσδιορισμού του αριθμού υπεροξειδίων, της περιεκτικότητας σε συζυγή διένια ή του αριθμού ανισιδίνης. ΙΙΙ. Προσδιορισμός Αριθμού Υπεροξειδίων PV (Peroxide Value). O αριθμός υπεροξειδίων αποτελεί μέτρο της περιεκτικότητας μιας λιπαρής ύλης σε υπεροξειδικώς ενωμένο οξυγόνο και συνεπώς του βαθμού αυτοξείδωσης. Εκφράζει τα χιλιοστοϊσοδύναμα του ενεργού οξυγόνου σε 1 kg λιπαρής ύλης, το οποίο προσδιορίζεται στις συνθήκες της χρησιμοποιούμενης μεθόδου. Ο προσδιορισμός του βασίζεται σε ιωδιομετρική μέθοδο κατά την οποία αντιδρούν τα υδροϋπεροξείδια με υδροιώδιο και ογκομετρείται το προκύπτον ιώδιο με διάλυμα Να 2 S 2 O 3 : K I + CH 3 COOH H I + CH 3 COOK O O H + 2HI H O H + I I + OH R R 1 R R 1 Σε κωνική φιάλη των 100 ml ζυγίζονται g δείγματος με ακρίβεια mg. Προστίθενται 30 ml μίγματος οξικού οξέος-χλωροφορμίου 3:2 και 0.5 ml κορεσμένου διαλύματος ΚΙ. Η φιάλη ανακινείται για 1 min και αφήνεται για 5 min σε σκοτεινό μέρος. Ακολουθεί προσθήκη 30 ml απεσταγμένου νερού και 0.5 ml του δείκτη αμύλου. Το σχηματιζόμενο Ι 2 ογκομετρείται με διάλυμα Νa 2 S 2 O N. Η τιτλοδότηση ολοκληρώνεται με την εξαφάνιση του μπλε χρώματος. Γίνεται και τυφλός προσδιορισμός. O αριθμός Υπεροξειδίων υπολογίζεται από τη σχέση: PV = (S B) N 1000 Βάρος δείγματος (g) S: καταναλωθέντα ml δ/τος Νa 2 S 2 O 3 για την τιτλοδότηση του δείγματος Β: καταναλωθέντα ml δ/τος Νa 2 S 2 O 3 για το λευκό προσδιορισμό Ν: κανονικότητα του δ/τος Na 2 S 2 O 3 ΙV. Προσδιορισμός των συζυγών διενίων (Conjugated Dienes): Ο προσδιορισμός των συζυγών διενίων αποτελεί μέτρο της συγκέντρωσης των υδροϋπεροξειδίων των 58

59 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ πολυακορέστων λιπαρών οξέων. Τα συζυγή διένια εμφανίζουν μέγιστο απορρόφησης στα 232 nm. Σε ογκομετρική φιάλη των 25 ml ζυγίζονται 0.2 g ελαίου με ακρίβεια 0.1 mg και προστίθεται μέχρι τη χαραγή ισοοκτάνιο. Ποσότητα του διαλύματος μεταφέρεται σε κυψελίδα χαλαζία και καταγράφεται η απορρόφηση σε μήκος κύματος 232 nm, ως προς ισοοκτάνιο (διάλυμα αναφοράς). Η απορρόφηση του διαλύματος πρέπει να είναι μεταξύ 0.2 και 0.8. Εάν η απορρόφηση είναι μεγαλύτερη από 0.8 τότε πραγματοποιείται η αντίστοιχη αραίωση. Ο συντελεστής απόσβεσης πάχους 1 cm δίνεται από τον τύπο: 1% E 1cm (ή Κ 232 ) σε μήκος κύματος 232 nm και για κυψελίδα E 1% 1cm όπου c: η συγκέντρωση του ελαίου σε g ανά 100 ml διαλύματος. V. Προσδιορισμός αριθμού π-ανισιδίνης p-av (p-anisidine Value): Ο αριθμός ανισιδίνης αποτελεί την ποσοτική έκφραση των αλδεϋδών που περιέχονται σε ένα δείγμα ελαίου. Η μέθοδος βασίζεται στην αντίδραση μεταξύ της π-ανισιδίνης (π-μεθοξυ-ανιλίνη) και των αλδευδών που σχηματίζονται εξαιτίας της οξείδωσης της λιπαρής ύλης με σχηματισμό βάσεων του Schiff, που έχουν κίτρινο χρώμα (λ max =350 nm). Η ένταση του χρώματος αυτού εξαρτάται όχι μόνο από την ποσότητα των αλδεϋδών αλλά και από τη δομή τους. Έχει βρεθεί ότι η ύπαρξη διπλού δεσμού στην ανθρακική αλυσίδα σε συζυγία με τον καρβονυλικό διπλό δεσμό αυξάνει την απορρόφηση των εγχρώμων προϊόντων κατά τέσσερις ή πέντε φορές. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην εκτεταμένη συζυγία των σχηματιζόμενων βάσεων του Schiff. Συνεπώς οι ενώσεις στις οποίες οφείλεται κυρίως η προσδιοριζόμενη τιμή του αριθμού ανισιδίνης είναι οι 2- αλκενάλες. Σε ογκομετρική φιάλη των 25 ml ζυγίζονται g ελαίου με ακρίβεια mg και προστίθεται μέχρι τη χαραγή ισοοκτάνιο. Μετρείται η απορρόφηση (A b ) του διαλύματος στα 350 nm ως προς ισοοκτάνιο (διάλυμα αναφοράς). 5 ml διαλύματος μεταφέρονται σε δοκιμαστικό σωλήνα και προστίθεται 1 ml διαλύματος ανισιδίνης σε οξικό οξύ (2.5 g/l). Το μίγμα ανακινείται και μετά από ακριβώς 10 min μετρείται η απορρόφησή του (A s ) στα 350 nm ως προς ανάλογο διάλυμα που παρασκευάσθηκε με ανάμιξη ισοοκτανίου και διαλύματος ανισιδίνης. Ο αριθμός ανισιδίνης (p-a.v.) υπολογίζεται από τη σχέση: A 232 c 59

60 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY όπου m: η μάζα του ελαίου που ζυγίστηκε. Ερωτήσεις: 1. Να υπολογιστεί η στοιχειομετρία της αντίδρασης του αντιοξειδωτικού με την ελεύθερη ρίζα DPPH. 2. Με βάση την προκύπτουσα στοιχειομετρία να προσδιοριστούν τα ενεργά υδροξύλια του αντιοξειδωτικού και να δοθεί το μηχανιστικό σχήμα της δράσης του. 3. Να κατασκευαστούν τα γραφήματα αύξησης των δεικτών οξείδωσης όσον αφορά το εμπλουτισμένο και το καθαρό έλαιο. Πόσο προστάτευσε το αντιοξειδωτικό την λιπαρή ύλη; 4. Να δοθούν οι αντιδράσεις οξείδωσης του ελαϊκού, λινελαϊκού και λινολενικού οξέος προς τα αντίστοιχα υδροϋπεροξειδικά παράγωγα. Ποια είναι τα περισσότερο ευπαθή άτομα C για την απόσπαση του ατόμου Η κατά την έναρξη και γιατί; 5. Ποιες είναι οι βιομηχανικές πρακτικές/μέθοδοι για την ενσωμάτωση αντιοξειδωτικών σε λιπαρές ύλες; Παράρτημα: Το σύνολο των υπολογισμών θα βασιστεί σε καμπύλη αναφοράς DPPH (διάγραμμα Α DPPH C DPPH ) που θα κατασκευαστεί βάσει των δεδομένων: C DPPH (M) A DPPH 6.99E E E E E Βάσει της καμπύλης αναφοράς θα υπολογιστεί η συγκέντρωση του αρχικού διαλύματος DPPH καθώς και του μη ανηγμένου DPPH μετά το τέλος της εκάστοτε αντίδρασης. MB DPPH = και καθαρότητα: 95%. Για τον προσδιορισμό της στοιχειομετρίας της αντίδρασης αντιοξειδωτικό-dpph θα πραγματοποιηθούν τα ακόλουθα βήματα: 60

61 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ α) Αναγωγή των τιμών απορρόφησης των δειγμάτων σε τιμές συγκέντρωσης DPPH (μέσω της καμπύλης αναφοράς). β) Κατασκευή του γραφήματος όπου. γ) Προσαρμογή ευθείας με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων. Η κλίση της προκύπτουσας ευθείας εκφράζει το πλήθος των αναγόμενων ριζών ανά μόριο αντιοξειδωτικού. Ο βαθμός προστασίας της λιπαρής ύλης από το αντιοξειδωτικό μπορεί να προσδιοριστεί μέσω της σύγκρισης των κλίσεων στα διαγράμματα αύξησης του δείκτη οξείδωσης (αντίστοιχα στο καθαρό και στο εμπλουτισμένο δείγμα). Βιβλιογραφία AOCS Official Method Cd8-53, Brand-Williams, W., Cuvelier, M.E. and Berset, C., 1995, Use of a Free Radical Method to Evaluate Antioxidant Activty, Lebensm. Wiss. u. Technol., 28: IUPAC, Standard Methods for the Analysis of oils, fats and derivatives. 7 th Revised and Enlarged Edition. Methods: Determination of the p-anisidine Value (p-a.v.) Evidence of purity and deterioration from ultraviolet spectrophotometry. Karel, M., 1992, Kinetics of lipid oxidation, in Physical Chemistry of Foods, ed. H.G. Schwartzberg, R.W. Hartel, p , Marckel Decker Inc., New York. Kochhar, S.P., 1993, Oxidative pathways to the formation of off-flavours, in Food Taints and Off-Flavours, ed. M.J. Saxby, Blackie Academic & Professional, p , Chapman and Hall, Glasgow. Tsimogiannis, D. and Oreopoulou V., 2007, Defining the role of flavonoid structure on cottonseed oil stabilization: Study of A- and C-ring substitution, Journal of the American Oil Chemists s Society, 84(2): Tsimogiannis, D. and Oreopoulou, V., 2006, The contribution of flavonoid C-ring on the DPPH free radical scavenging efficiency. A kinetic approach for the 3,4 -hydroxy substituted members. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 7:

62 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 62

63 AΣKHΣH 7 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Ε. Δερμεσονλούογλου, Σ. Γανιάρη, Β. Ωραιοπούλου 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 και η απόσταξη αλλά και διάφορες χημικές και ενόργανες μέθοδοι ανάλυσης. Για κάθε 63

64 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY κατηγορία τροφίμων ακολουθείται και η κατάλληλη μέθοδος προσδιορισμού υγρασίας (στο νωπό δείγμα), σύμφωνα με τον AOAC. Σχήμα 1. Συστατικά των τροφίμων Μακροσυστατικά Μικροσυστατικά Νερό Τέφρα 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 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 64

65 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 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. 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 65

66 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 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). 66

67 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 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 δεσμεύεται σε περίσσεια διαλύματος θειικού οξέος. Η αμμωνία στη συνέχεια αποστάζεται 67

68 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 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, πολυσακχαρίτες διαφόρων φυκών και χημικώς τροποποιημένοι πολυσακχαρίτες). Ανήκουν 68

69 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 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 1.0. 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. 69

70 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 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 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. 70

71 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 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 (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 71

72 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 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. 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: 72

73 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ (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. 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/

74 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ AΣKHΣEIΣ 8 ου EΞAMHNOY 74

75 ΑΣΚΗΣΗ 8 ΜΕΛΕΤΗ ΡΕΟΛΟΓΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Γ. Δημόπουλος, 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. 75

76 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 76

77 Διατμητική τάση (τ) Φαινόμενο ιξώδες (η) ΜΕΛΕΤΗ ΡΕΟΛΟΓΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 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. 77

78 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 78

79 Ρυθμός διάτμησης (γ) Φαινόμενο ιξώδες (η) Ρυθμός διάτμησης (γ) Φαινόμενο ιξώδες (η) ΜΕΛΕΤΗ ΡΕΟΛΟΓΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 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 79

80 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. 80

81 ΜΕΛΕΤΗ ΡΕΟΛΟΓΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 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. 81

82 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. 82

83 ΜΕΛΕΤΗ ΡΕΟΛΟΓΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 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. 83