ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ II ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΩΝ ΟΜΑ ΩΝ ΣΤΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑ

Transcript

1 ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ II ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΩΝ ΟΜΑ ΩΝ ΣΤΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑ ΤΙΤΛΟΣ ΥΠΟΕΡΓΟΥ Έλεγχος και αξιολόγηση θερµικών επεξεργασιών τροφίµων µε τη χρήση ενζυµικών Χρονοθερµοκρασιακών Ολοκληρωτών (ΤΤΙ) Φεβρουάριος 2008

2 ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ II ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΩΝ ΟΜΑ ΩΝ ΣΤΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑ Ι ΡΥΜΑ: ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ: ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΠΡΑΞΗΣ υποεργου: στ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟΣ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ: ΠΕΤΡΟΣ Σ. ΤΑΟΥΚΗΣ ΤΙΤΛΟΣ ΥΠΟΕΡΓΟΥ Έλεγχος και αξιολόγηση θερµικών επεξεργασιών τροφίµων µε τη χρήση ενζυµικών Χρονοθερµοκρασιακών Ολοκληρωτών (ΤΤΙ) 2

3 1. 1 ο Πακέτο Εργασίας 1.1 Περιγραφή 1 ου Πακέτου Εργασίας Παρουσίαση αποτελεσµάτων για το 1 ο Πακέτο Εργασίας Γενικη Αρχη Της Συντηρησης Των Τροφιµων Και Επιπεδα Συντηρησης Μεθοδοι Αξιολογησης Θερµικων ιεργασιων Τροφιµων Χρονοθερµοκρασιακοι Ολοκληρωτες (Time Temperature Integrators,TTI) Επιλογή και προµήθεια ή παραγωγή θερµοάντοχων ενζύµων για 27 µελέτη ως ΤΤΙ 2. 2 ο Πακέτο Εργασίας 2.1 Περιγραφή 2 ου Πακέτου Εργασίας Παρουσίαση αποτελεσµάτων για το 2 ο Πακέτο Εργασίας Κινητική µελέτη θερµικής απενεργοποίησης εµπορικής ξυλανάσης Xylanase Pentopan Mono BG (Novo Nordisk) Υλικά και µέθοδοι Προσδιορισµός ενζυµικής ενέργοτητας Αποτελέσµατα κινητικής µελέτης της θερµικής απενεργοποίησης ξυλανάσης Κινητική µελέτη θερµικής απενεργοποίησης εµπορικής αµυλάσης Amylase Termamyl (Novo Nordisk) Υλικά και µέθοδοι Προσδιορισµός ενζυµικής ενέργοτητας Αποτελέσµατα κινητικής µελέτης της θερµικής απενεργοποίησης αµυλάσης Παραγωγή ξυλανασών από το θερµόφυλο µύκητα Thermomyces lanuginosus O θερµοµύκητας Thermomyces lanuginosus Παραγωγή ξυλανασών από διαφορετικά στελέχη του µύκητα Τ. lanuginosus Αλγόριθµος συσχέτισης απόκρισης ΤΤΙ µε µείωση µικροβιακού πληθυσµούστόχου και την επάρκεια θερµικής διεργασίας ο Πακέτο Εργασίας 3.1 Περιγραφή 3 ου Πακέτου Εργασίας Παρουσίαση αποτελεσµάτων για το 3 ο Πακέτο Εργασίας 42 3

4 3.2.1 Αύξηση θερµοανθεκτικότητας ξυλανασών µε µείωση της ενεργότητας νερού, aw Κινητική µελέτη θερµικής απενεργοποίησης ξυλανασών σε µειωµένη ενεργότητα νερού Αλγόριθµος χρήσης πολλαπλών ΤΤΙ ο Πακέτο Εργασίας 4.1 Περιγραφή 4 ου Πακέτου Εργασίας Παρουσίαση αποτελεσµάτων για το 4 ο Πακέτο Εργασίας Λογισµικό συσχέτισης της απόκρισης ενζυµικών Χρονοθερµοκρασιακών Ολοκληρωτών µε το αποτέλεσµα θερµικών διεργασιάν τροφίµων (TTI Response - F- value Calculator (TTIFC)) Λογισµικό υπολογισµού F-value θερµικών διεργασιών βάση του χρονοθερµοκρασιακού ιστορικού της διεργασίας (F-value calculator for thermal processes (FCTP) Παράρτηµα Ανακοινώσεις/ ηµοσιεύσεις Use of a thermostable xylanase as a Time Temperature Integrator (TTI) for thermal processing evaluation Thermal inactivation of xylanases produced by different Thermomyces Lanuginosus strains: Developing a Time Temperature Integrator for thermal processes Influence of Water Activity on Xylanase Thermal Stability: Developing a Time Temperature Integrator for Thermal Processing Evaluation Μελέτη της θερµοανθεκτικότητας ξυλανασών σαν συνάρτηση της ενεργότητας νερού για την ανάπτυξη Χρονοθερµοκρασιακών Ολοκληρωτών θερµικών διεργασιών τροφίµων Βιβλιογραφία 93 4

5 1. 1 ο Πακέτο Εργασίας - Βιβλιογραφική ανασκόπηση Επιλογή Ενζύµων για µελέτη ως ΤΤΙ 1.1 Περιγραφή 1 ου Πακέτου Εργασίας ( ιάρκεια: 6 µήνες) Πραγµατοποιήθηκε βιβλιογραφική ανασκόπηση στην τρέχουσα βιβλιογραφία σχετικά µε τη χρήση θερµοευαίσθητων ουσιών για την αξιολόγηση θερµικών διεργασιών τροφίµων, και οι συγκεκριµένες εφαρµογές τους. Στόχος ήταν να καταγραφούν τα ένζυµα που µπορούν να χρησιµοποιηθούν για το σκοπό αυτό, οι κινητικές τους παράµετροι, το εύρος εφαρµογής τους, η θερµική τους σταθερότητα, τα τρόφιµα στα οποία χρησιµοποιήθηκαν και τα πλεονεκτήµατα και οι αδυναµίες κάθε περίπτωσης. Εξετάζοντας συγκριτικά εναλλακτικά θερµοάντοχα ένζυµα, απώτερος στόχος ήταν να επιλεγούν τα ένζυµα που είναι καλοί υποψήφιοι ΤΤΙ. Παραδοτέα: [1] Πίνακας βιβλιογραφικής επισκόπησης, µε εκτεταµένη αναφορά στα χαρακτηριστικά κάθε ενζύµου [2] Επιλογή και προµήθεια ή παραγωγή θερµοάντοχων ενζύµων για µελέτη ως ΤΤΙ 1.2 Παρουσίαση αποτελεσµάτων για το 1 ο Πακέτο Εργασίας Τα στάδια της συντήρησης και της διανοµής των τροφίµων κατά την αλυσίδα παραγωγή τους, είναι ο κυριότερος παράγοντας ανάπτυξης της βιοµηχανίας των τροφίµων. Ενώ στο παρελθόν η αρχή που έπρεπε να ακολουθείται για την καθιέρωση νέων τεχνολογιών απ τη βιοµηχανία τροφίµων ήταν η µείωση του κόστους και η βελτίωση της απόδοσης, σήµερα πρωτεύον στόχος είναι η άριστη ποιότητα των προϊόντων. Ως αποτέλεσµα, οι επεξεργαστές τροφίµων, ερευνούν κατάλληλες τεχνικές συντήρησης που να εξασφαλίζουν διατήρηση φρεσκάδας στα προϊόντα και καλή εξωτερική εµφάνιση ώστε να µη δίνουν την εντύπωση ότι έχουν υποστεί κατεργασία για να φτάσουν σε αυτό το σηµείο. Επειδή ένας σηµαντικός αριθµός των αποθεµάτων τροφίµων αποτελείται από διατηρηµένα τρόφιµα µέσω θερµικής κατεργασίας, νέες τεχνικές θέρµανσης έχουν αναπτυχθεί, όπως είναι η συνεχής διεργασία σε περιστρεφόµενα αυτόκλειστα και ασηπτικές µονάδες, η θέρµανση τροφίµων µε µικροκύµατα και η ωµική θέρµανση, ελαφρώς κατεργασµένα τρόφιµα (κατεψυγµένα τρόφιµα µε µεγάλη διάρκεια) και θερµικές κατεργασίες σε συνδυασµό µε υψηλή υδροστατική πίεση. Για όλες τις προαναφερόµενες τεχνολογίες κρίνεται αναγκαίο να µελετάται η επίδραση του παράγοντα «χρόνου» και του παράγοντα «θερµοκρασία» τόσο στη 5

6 µικροβιακή ασφάλεια όσο και στην ποιότητα των τροφίµων (αποδοχή από τον καταναλωτή, θρεπτική αξία). Τα στάδια της συντήρησης και της διανοµής των τροφίµων κατά την αλυσίδα παραγωγή τους, είναι ο κυριότερος παράγοντας ανάπτυξης της βιοµηχανίας των τροφίµων. Ενώ στο παρελθόν η αρχή που έπρεπε να ακολουθείται για την καθιέρωση νέων τεχνολογιών απ τη βιοµηχανία τροφίµων ήταν η µείωση του κόστους και η βελτίωση της απόδοσης, σήµερα πρωτεύον στόχος είναι η άριστη ποιότητα των προϊόντων. Ως αποτέλεσµα, οι επεξεργαστές τροφίµων, ερευνούν κατάλληλες τεχνικές συντήρησης που να εξασφαλίζουν διατήρηση φρεσκάδας στα προϊόντα και καλή εξωτερική εµφάνιση ώστε να µη δίνουν την εντύπωση ότι έχουν υποστεί κατεργασία για να φτάσουν σε αυτό το σηµείο. Επειδή ένας σηµαντικός αριθµός των αποθεµάτων τροφίµων αποτελείται από διατηρηµένα τρόφιµα µέσω θερµικής κατεργασίας, νέες τεχνικές θέρµανσης έχουν αναπτυχθεί, όπως είναι η συνεχής διεργασία σε περιστρεφόµενα αυτόκλειστα και ασηπτικές µονάδες, η θέρµανση τροφίµων µε µικροκύµατα και η ωµική θέρµανση, ελαφρώς κατεργασµένα τρόφιµα (κατεψυγµένα τρόφιµα µε µεγάλη διάρκεια) και θερµικές κατεργασίες σε συνδυασµό µε υψηλή υδροστατική πίεση. Για όλες τις προαναφερόµενες τεχνολογίες κρίνεται αναγκαίο να µελετάται η επίδραση του παράγοντα «χρόνου» και του παράγοντα «θερµοκρασία» τόσο στη µικροβιακή ασφάλεια όσο και στην ποιότητα των τροφίµων (αποδοχή από τον καταναλωτή, θρεπτική αξία) Γενικη Αρχη Της Συντηρησης Των Τροφιµων Και Επιπεδα Συντηρησης Η συντήρηση των τροφίµων έχει σαν στόχο τον έλεγχο των σταθερών ρυθµού των αντιδράσεων που συµβαίνουν στα τρόφιµα, οι οποίες είτε είναι επιθυµητές είτε όχι. Αυτός ο έλεγχος είναι αποτέλεσµα τόσο συνδυασµού εσωτερικών παραγόντων που σχετίζονται µε το ίδιο το τρόφιµο όσο και εξωτερικών παραγόντων όπως οι περιβαλλοντικές συνθήκες, έτσι ώστε να προκύψει ένα ασφαλές καταναλώσιµο αγαθό. Έτσι, υπάρχει αλληλεπίδραση µεταξύ εσωτερικών και εξωτερικών παραγόντων (π.χ. µπορεί να υπάρχει αλληλεπίδραση µεταξύ υγρασίας του περιβάλλοντος και του περιεχοµένου νερού του τροφίµου). Η θέρµανση των τροφίµων οδηγεί σε θανάτωση µικροοργανισµών, καταστρέφει τα ένζυµα τα οποία ευθύνονται για την αλλοίωση των τροφίµων και βελτιώνει τη διάρκεια ζωής. Οι θερµικές διεργασίες δηµιουργούν ποικίλα επίπεδα συντήρησης που εξαρτώνται από το ίδιο το προϊόν. Ανάλογα µε το τρόφιµο και µε τη χρήση του τροφίµου, η θέρµανση µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να δηµιουργήσει ποικίλα επίπεδα συντήρησης και έτσι προκύπτουν οι εξής µέθοδοι: αποστείρωση, εµπορική στειρότητα, παστερίωση και ζεµάτισµα. Ο πίνακας 6

7 που ακολουθεί κατηγοριοποιεί και συγκρίνει αυτές τις θερµικές διεργασίες σε ήπιες και έντονες. Πίνακας 1.1. Περιγραφή θερµικών διεργασιών τροφίµων Σύγκριση Ήπιες διεργασίες Έντονες διεργασίες Σκοπός Θανάτωση παθογόνων µικροοργανισµών Μείωση βακτηριακού πληθυσµού Πλεονεκτήµατα Ελάχιστη βλάβη στη γεύση, το περιεχόµενο, τη θρεπτικότητα Μειονεκτήµατα Μικρή διάρκεια ζωής, κάποια άλλη µέθοδος Συντήρησης πρέπει να χρησιµοποιηθεί (ψύξη, πήξη) Παραδείγµατα Παστερίωση, λεύκανση (ζεµάτισµα) κονσερβοποίηση Θανάτωση όλων των βακτηρίων, το τρόφιµο θα είναι εµπορικά αποστειρωµένο Μεγάλη διάρκεια ζωής, καµία άλλη µέθοδος συντήρησης δεν απαιτείται Το τρόφιµο είναι αρκετά µαγειρεµένο, βασικές αλλαγές στο περιεχόµενο, τη γεύση, τη θρεπτική αξία Θερµική απενεργοποίηση µικροοργανισµών στα τρόφιµα-παράγοντες D-value, z-value, F- value Κατά την ασηπτική κατεργασία και συσκευασία αποστειρώνονται το ίδιο το τρόφιµο, τα όργανα που θα λάβουν µέρος στη διεργασία και το υλικό της συσκευασίας. Η αποστείρωση του τροφίµου γίνεται µε θέρµανση. Τα όργανα της συσκευασίας µπορούν και αυτά να αποστειρωθούν µε θέρµανση (ατµός, ζεστό νερό, αέρας) ή µε συνδυασµό θέρµανσης και χηµικών. Η αποστείρωση των υλικών της συσκευασίας γίνεται και αυτή µε θέρµανση (υπέρθερµος ατµός, ξηρός ζεστός αέρας) ή µε χηµική κατεργασία (Η 2 Ο 2, περασετικό οξύ) ή µε ακτινοβολία (ακτίνες UV, ιονισµός). Το αρχικό µικροβιακό φορτίο και οι ιδιότητες του τροφίµου επηρεάζουν τη διαδικασία της αποστείρωσης. Τα βακτηριακά σπόρια είναι αυτά που παρουσιάζουν τη µεγαλύτερη ανθεκτικότητα στη θέρµανση, τα χηµικά και την ακτινοβολία. Ο Gould (1984) ανακάλυψε ότι ο αριθµός καταστροφής του µικροβιακού φορτίου είναι συνήθως λογαριθµικός (πρώτης τάξεως). Για το λόγο αυτό, εάν ένας µεγάλος αριθµός µικροοργανισµών είναι παρών, ο χρόνος που θα διαρκέσει η αποστείρωση πρέπει να αυξηθεί ώστε να επιτευχθεί ο επιθυµητός βαθµός αποστείρωσης. Οι µεγάλοι χρόνοι κατεργασίας όπως προαναφέραµε, επηρεάζουν την ποιότητα του υλικού. Για το λόγο αυτό, πρέπει να χρησιµοποιούνται υλικά µε όσο το δυνατό χαµηλότερο µικροβιακό φορτίο. Η θερµική αντίσταση των µικροοργανισµών είναι ένας παράγοντας πολύ σηµαντικός για το σχεδιασµό των θερµικών διεργασιών. Συχνά, πληροφορίες απαιτούνται για τη θερµική αντίσταση ενός συγκεκριµένου µικροοργανισµού όπως π.χ. του Listeria monocytogenes, σε 7

8 ένα συγκεκριµένο υπόστρωµα όπως γάλα µε 1% λιπαρά. Σε µια τέτοια περίπτωση, µία µοναδική παράµετρος χρειάζεται που θα επιτρέπει τη σύγκριση της θερµικής αντίστασης µεταξύ των διαφόρων οργανισµών ή θερµικών υποστρωµάτων και η οποία θα επιτρέπει µία εκτίµηση της θερµικής διεργασίας που είναι απαραίτητη για την απενεργοποίηση ή τη µείωση τις πληθυσµού στόχου. Η παράµετρος που συχνά χρησιµοποιείται είναι η παράµετρος D T, ή δεκαδικός χρόνος µείωσης (γνωστή και ως D-value). H D T, εκφράζει τον χρόνο που απαιτείται σε συγκεκριµένη θερµοκρασία (Τ ref ) για έναν υποδεκαπλασιασµό ή µία µείωση κατά 90% του επιζήσαντος µικροοργανισµού σε συγκεκριµένο υπόστρωµα. Η παράµετρος D T µπορεί να επηρεαστεί από τα χαρακτηριστικά του τροφίµου, ή από τα χαρακτηριστικά του ίδιου του µικροοργανισµού, συµπεριλαµβανοµένων της θερµοκρασίας, της φάσης ανάπτυξης του µικροοργανισµού, του γένους και της έκθεσης σε θανατηφόρους παράγοντες θέρµανσης. Οι τιµές D-values πρέπει να καθορίζονται για συγκεκριµένο µικροοργανισµό και ποικίλουν βάσει της ποιότητας των µικροοργανισµών, της θερµοκρασίας, του µέσου θέρµανσης, του τρόπου παραγωγής των σπορίων και της µεθόδου ελέγχου όπως φαίνεται στον πίνακα 3.3 που παρατίθεται ακολούθως. Πολλοί συγγραφείς έχουν προτείνει ότι η χρήση µετρήσεων που αφορούν τη θερµική θανάτωση όπως οι παράγοντες F-values (F T ) είναι πιο χρήσιµα εργαλεία από τους παράγοντες D-values σε περιπτώσεις όπου οι καµπύλες θανάτωσης που αφορούν του επιζήσαντες µικροοργανισµούς είναι µη λογαριθµικές.oι F-values είναι µετρήσεις που αφορούν το θερµικό χρόνο θανάτου, που είναι ο χρόνος που απαιτείται για να απενεργοποιηθεί ένας συγκεκριµένος µικροβιακός πληθυσµός σε ένα συγκεκριµένο υλικό. Σαν παράδειγµα για έναν αρχικό πληθυσµό 5 log 10 cfu/ml, F T =5*D T. Στην πράξη ο παράγοντας F χρησιµοποιείται πιο συχνά σαν δείκτης της διεργασίας θανάτωσης στα εµπορικά συστήµατα παστερίωσης. Η διαφορά θερµοκρασίας που απαιτείται για να δεκαπλασιαστεί ή να υποδεκαπλασιαστεί η τιµή της D-value ορίζεται ως z-value. Η z-value είναι ένα µέγεθος που συσχετίζει τη σχετική αντίσταση ενός µικροοργανισµού σε διαφορετικές θερµοκρασίες ώστε να επιτευχθεί ισοδύναµη καταστροφή από τη διεργασία. Για παράδειγµα, µια τιµή z= 10 0 C, χρησιµοποιείται για να επιβεβαιωθεί ότι οι διεργασίες που αναπτύσσονται για την καταστροφή των σπορίων του C.botulinum για χαµηλής οξύτητας τρόφιµα σε θερµοκρασίες µικρότερες των C, είναι ασφαλείς. Όταν η τιµή της παραµέτρου D T είναι γνωστή σε δύο θερµοκρασίες (Τ 1,Τ 2 ), το z µπορεί να υπολογιστεί ως εξής : z = (T 2 -T 1 )/(logd 1 -logd 2 ) (1.4) 8

9 Όταν η παράµετρος z για έναν οργανισµό είναι γνωστή, µία καθορισµένη τιµή της µεταβλητής D T (σε θερµοκρασία T 1 ), µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να υπολογισθεί η D T σε µία διαφορετική θερµοκρασία Τ 2 µέσω της ακόλουθης εξίσωσης: log 10 D 2 = (T 1 -T 2 )/z +log 10 D 1 (1.5) Το σύµβολο F z Tref χρησιµοποιείται για να καθορίσουµε τη θερµοκρασία αναφοράς και την τιµή της z-value της διεργασίας. Η πιο συχνή θερµοκρασία αναφοράς είναι 121,1 0 C. Η τιµή της z=10 0 C είναι µια σύνηθης τιµή για την καταστροφή βακτηριακών σπορίων και χρησιµοποιείται πολύ συχνά στους υπολογισµούς αξιολόγησης µιας θερµικής διεργασίας. Η θερµική επεξεργασία στην οποία υποβάλλεται ένα τρόφιµο σχεδιάζεται έτσι ώστε να καταστραφούν όσο το δυνατόν περισσότεροι µικροοργανισµοί οι οποίοι είναι θερµοάντοχοι και µπορούν να προκαλέσουν αλλοιώσεις στο τρόφιµο, απειλώντας µε αυτό τον τρόπο τη δηµόσια υγεία. Η θερµική αντίσταση που προβάλλουν οι µικροοργανισµοί σε ένα τρόφιµο εξαρτάται από τις ιδιότητες και των ίδιων των µικροοργανισµών αλλά και του τροφίµου. Καθώς στα τρόφιµα σπάνια είναι παρόν ένα µόνο είδος µικροοργανισµού, ένας µικροβιακός πληθυσµός έχει εκ φύσεως θερµοάντοχες ιδιότητες που επηρεάζονται από το είδος και τον αριθµό των µικροοργανισµών του τροφίµου. Έτσι, οι ζύµες και οι µούχλες είναι πιο επιρρεπείς στη θέρµανση, ενώ τα βακτήρια είναι πιο θερµοάντοχα. Στον Πίνακα 1.2 δίνονται οι τιµές της θερµικής αντίστασης, z, και οι χρόνου υποδεκαπλασιασµού, D, µικροοργανισµών που αποτελούν στόχος της θερµικής διεργασίας τροφίµων. Πίνακας 1.2. Κινητικά χαρακτηριστικά θερµικής καταστροφής µικροοργανισµών Μικροοργανισµός Τref (ºC) D Tref (min) z-value (ºC) Τρόφιµο C.botulinum Τρόφιµα χαµηλήςοξύτητας *1 C sporogenes Κρέας *1 B.stearotherm Γάλα/Λαχανικά *1 C.thermosach. B.subtilis B.coagulans C.pasteurianum Λαχανικά *1 Γαλακτοκοµικά *1 Τοµάτα *1 Αχλάδι *1 S.cerevisiae Χυµός µήλου *2 L.plantarum Χυµός µήλου *2 *1 Maroulis and Saravacos, 2003 *2 S. Tajchakavit et al.,1998 9

10 Στην περίπτωση της θερµικής απενεργοποίησης ανεπιθύµητων ενζύµων υπεύθυνων για την ποιοτική υποβάθµιση των τροφίµων, οι τιµές του z-value είναι µεγαλύτερες και οι χρόνου υποδεκαπλασιασµού µικρότεροι, στον Πίνακα 1.2 δίνονται δίνονται οι τιµές της θερµικής αντίστασης, z, και οι χρόνου υποδεκαπλασιασµού, D, µικροοργανισµών που αποτελούν στόχος της θερµικής διεργασίας τροφίµων Μεθοδοι Αξιολογησης Θερµικων ιεργασιων Τροφιµων Ισοδύναµος χρόνος σε µια επιλεγµένη θερµοκρασία αναφοράς Η πιο παλιά µέθοδος για την αξιολόγηση της επίδρασης µιας θερµικής διεργασίας σε µια συγκεκριµένη ποιοτική ιδιότητα ενός τροφίµου, είναι η αντιστοίχιση του µεταβαλλόµενου χρονοθερµοκρασιακού προφίλ σε έναν ισοδύναµο χρόνο κατεργασίας σε µια επιλεγµένη θερµοκρασία αναφοράς T ref που θα επιφέρει τα ίδια αποτελέσµατα στο εξεταζόµενο ποιοτικό χαρακτηριστικό του τροφίµου (Bigelow et al., 1920). Ο ισοδύναµος χρόνος στη θερµοκρασία αναφοράς αναφέρεται ως τιµή διεργασίας F και ορίζεται από την ακόλουθη εξίσωση: z Tref t 0 0 t ( T Tref )/ z 10 F = L dt = dt (1.1),όπου το L ορίζεται ως ο ρυθµός θνησιµότητας σε κάθε θερµοκρασία. Σε «γλώσσα» Arrhenius, η εξίσωση µετασχηµατίζεται σε (Tobback et al., 1992, Mwangi et al., 1992): Ea Tref t 0 0 t ( E / ) (1/ 1/ ) 10 a R T ref T F = L dt = dt (1.2) Η επιλογή της καταλληλότερης από τις δύο εξισώσεις, εξαρτάται από το ποια αναπαριστά καλύτερα τα στοιχεία της κινητικής σε κάθε περίπτωση. Από τη στιγµή όµως που θα επιλεγεί κάποιο από τα δύο µοντέλα, είτε το D-z είτε το k-e a, θα πρέπει καθόλη τη διάρκεια των µετέπειτα υπολογισµών να χρησιµοποιείται το ίδιο µοντέλο χωρίς να µετατρέπονται οι παράµετροι που προκύπτουν από το ένα στο άλλο. Ισοδύναµη θερµοκρασία σε ένα επιλεγµένο χρόνο κατεργασίας Η ισοδύναµη θερµοκρασία ή δραστική θερµοκρασία (T eff ) ορίζεται ως η σταθερή θερµοκρασία που µετά την έκθεση του τροφίµου σε αυτή για το συγκεκριµένο χρονικό 10

11 διάστηµα κατεργασίας, επιφέρει τα ίδια αποτελέσµατα όσον αφορά το συγκεκριµένο ποιοτικό χαρακτηριστικό τα οποία επιφέρει και το µεταβαλλόµενο χρονοθερµοκρασιακό προφίλ (Taoukis and Labuza, 1989). Για πρώτης τάξεως κινητική και σε «γλώσσα» Arrhenius προκύπτει η εξίσωση E 1 Ea 1 k exp[ ] dt = ln( ) = k exp[ t] dt R T t N R T t a N 0 0 () 0 0 eff (1.3),όπου k 0 ο προεκθετικός παράγοντας από τον οποίο µπορέι να υπολογιστεί η Τ eff. Μέθοδος Ισοδύναµου Σηµείου Η µέθοδος του ισοδύναµου σηµείου δηµιουργήθηκε από τον Swartzet το Στόχευε στη σύγκριση άµεσων και έµµεσων UHT συστηµάτων. Για να γίνει κατανοητή η έννοια του ισοδύναµου σηµείου, αξίζει να αναφερθεί ότι σε ένα διάγραµµα του λογαρίθµου της F-value ως προς τη θερµοκρασία αναφοράς για µια σειρά ενεργειών ενεργοποίησης (τουλάχιστον 2), το ισοδύναµο σηµείο είναι το σηµείο τοµής. Για κάθε επιλεγµένη ενέργεια ενεργοποίησης ή z-value, υπάρχει γραµµική σχέση µεταξύ λογαρίθµου του ισοδύναµου χρόνου (σε µια επιλεγµένη θερµοκρασία ) και της θερµοκρασίας αναφοράς. Αυτό σηµαίνει ότι στο σηµείο τοµής, η τιµή της διεργασίας t E στην επιλεγµένη θερµοκρασία αναφοράς T E είναι ανεξάρτητη της ενέργειας ενεργοποίησης ή της z-value αντίστοιχα. Συνήθεις µέθοδοι αξιολόγησης θερµικών διεργασιών Η επίδραση της θερµικής επεξεργασίας πάνω στην ποιότητα ή την ασφάλεια ενός τροφίµου, είναι ένα θέµα που αφορά και πρέπει να αφορά όλους ανεξαιρέτως τους επεξεργαστές τροφίµων. Η επίδραση αυτή σχετίζεται µε τους ρυθµούς των αντιδράσεων, οι οποίοι µε τη σειρά τους επηρεάζονται από τη θερµότητα και χαρακτηρίζουν τις ιδιότητες του τροφίµου καθώς και µε το χρονικό διάστηµα που διαρκούν αυτοί οι ρυθµοί. Η «κατάσταση» στην οποία βρίσκεται ένα τρόφιµο είναι αυτή που το χαρακτηρίζει και εκφράζεται σε όρους ασφάλειας ή και ποιότητας. Εξαρτάται δε, από το σύνολο όλων εκείνων των αντιδράσεων που συµβαίνουν στο τρόφιµο, συνυπολογίζοντας ολόκληρο το ιστορικό του τροφίµου µέχρι τη στιγµή που αυτό καταναλώνεται. Στο σχήµα 4.1 που ακολουθεί, σκιαγραφείται η ιδέα του «αντιδραστήρα συντήρησης». Αυτή η ιδέα εφαρµόζεται σε όλη τη διαδικασία χειρισµού του τροφίµου (προετοιµασία, 11

12 συσκευασία, επεξεργασία, διανοµή, συντήρηση) καθώς καις ε κάθε ξεχωριστό στάδιο αυτής της αλυσίδας. Οι ρυθµοί µε τους οποίους συµβαίνουν οι διάφορες επιθυµητές και µη αντιδράσεις, είναι συναρτήσεις ενδογενών ιδιοτήτων (δηλαδή ιδιοτήτων που σχετίζονται µε το τρόφιµο) καθώς και εξωγενών παραγόντων (δηλαδή παραγόντων που σχετίζονται µε τη διεργασία) (Maesmans G. et al., 1990). Ένας κρίσιµος εξωγενής παράγοντας είναι η θερµοκρασία, η οποία σχετίζεται µε τη διασφάλιση της ασφάλειας και της ποιότητας κατά τη διάρκεια της παραγωγής και της αποθήκευσης. ΕΝ ΟΓΕΝΕΙΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ: ph ενεργότητα νερού οξειδαναγωγικό δυναµικό θρεπτικό περιεχόµενο ΑΡΧΙΚΗ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΤΡΟΦΙΜΟΥ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΤΕΛΙΚΗ ΠΟΙΟΤΗΤΑ: ασφάλεια θρεπτικότητα εµφάνιση άρωµα γεύση ΕΞΩΓΕΝΕΙΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ: θερµοκρασία υψηλή πίεση ακτινοβολίες υλικό συσκευασίας χρόνος παραµονής Σχήµα 1.1. Παραδείγµατα ενδογενών και εξωγενών παραγόντων που µπορούν να επηρεάσουν το ρυθµό επιδείνωσης της ποιότητας του τροφίµου. Οι δυο πιο συχνά χρησιµοποιούµενες µέθοδοι για αξιολόγηση των θερµικών διεργασιών είναι η in situ προσέγγιση και η φυσικοµαθηµατική µέθοδος (Hendrickx M. Et al, 1993, Hendrickx M. Et al, 1995). Στην in situ µέθοδο, το επίπεδο της ποιότητας ή της ασφάλειας που µας ενδιαφέρει υπολογίζεται πριν και µετά τη θερµική κατεργασία, παρέχοντας έτσι άµεσες και αξιόπιστες πληροφορίες για την επίδραση της διεργασίας. Εντούτοις, στην πράξη η µέτρηση µικροβιακών πληθυσµών σε τρυβλία, υφής, περιεκτικότητας σε βιταµίνες, οργανοληπτικής ποιότητας κ.ά, απαιτούν δύσκολη, χρονοβόρα και πολυέξοδη διαδικασία. Σε µερικές µάλιστα περιπτώσεις, είναι αδύνατη η µέτρηση λόγω των ορίων ανίχνευσης της αναλυτικής µεθόδου και/ ή της ανάγκης για λήψη δείγµατος. Από την άλλη πλευρά, οι φυσικοµαθηµατικές µέθοδοι, αξιολογούν τη θερµική διεργασία βασιζόµενες στο χρονοθερµοκρασιακό ιστορικό του προϊόντος είτε αυτό έχει καταγραφεί είτε προσοµοιωθεί, 12

13 σε συνδυασµό µε απαραίτητες πληροφορίες για την κινητική καταστροφής του χαρακτηριστικού που µας ενδιαφέρει. Όµως, η ανάγκη για λήψη χρονοθερµοκρασιακών δεδοµένων περιορίζει σηµαντικά την εφαρµογή της µεθόδου. Πολλές φορές δεν είναι κατάλληλη απευθείας λήψη του χρονοθερµοκρασιακού προφίλ σε συγκεκριµένες θερµοκρασίες, καθώς π.χ. θερµοστοιχεία θα εµπόδιζαν την ελεύθερη κίνηση ενός µίγµατος στερεού-υγρού και κατά συνέπεια θα οδηγούσαν σε σφάλµατα. Επίσης, όσον αφορά τη χρήση µοντέλων για υπολογιστική αναπαράσταση του χρονοθερµοκρασιακού προφίλ, αυτή περιορίζεται από την ακρίβεια που χαρακτηρίζει τις φυσικές παραµέτρους που απαιτούνται. Η έλλειψη ακριβών υπολογισµών αυτών των παραµέτρων (π.χ. δεδοµένα για το ιξώδες ή την αγωγιµότητα σε υψηλές θερµοκρασίες) περιορίζει την προσοµοίωση των τεχνικών θέρµανσης. Αναφορικά µε τις παραπάνω τεχνικές αξιολόγησης των θερµικών διεργασιών, αναπτύσσονται νέες αναλυτικές µέθοδοι καθώς και τεχνικές για λήψη ακριβέστερων φυσικών παραµέτρων. Όλη αυτή η προσπάθεια στοχεύει στην ανάπτυξη νέων ολοένα εξελισσόµενων τεχνικών θέρµανσης όπως οι ασηπτικές διεργασίες, η ωµική θέρµανση, η θέρµανση µε µικροκύµατα. Όµως, η έλλειψη µεθόδων που να τις χαρακτηρίζει αξιοπιστία και ακρίβεια για την αξιολόγηση αυτών των νέων τεχνικών, µπορεί να εµποδίσει την εισαγωγή τους στην αγορά. Για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισµοί, οι χρονοθερµοκρασιακοί ολοκληρωτές (ΤΤΙ) συνεχίζουν να αναπτύσσονται ως µία εναλλακτική και πολλά υποσχόµενη µέθοδος αξιολόγησης διεργασιών. Μέθοδοι αποτίµησης µικροβιακής καταστροφής Η χρήση ενός εύρους δεικτών συζητήθηκε από τους Lee et al. (1979). Υπάρχει µία συνεχής µελέτη για συστήµατα δεικτών που να µπορούν να χρησιµοποιηθούν στην πράξη και να καθορίζουν την ικανότητα εξολόθρευσης των µικροβιακών κυττάρων στα τρόφιµα. Οι δείκτες που θα βγαίνουν κατά καιρό στο εµπόριο πρέπει να δοκιµάζονται µε στόχο να βρεθεί ποια είναι τα όρια χρήσης τους και αν είναι κατάλληλοι για το σκοπό για τον οποίο χρησιµοποιήθηκαν. Μερικοί δείκτες είναι σχετικά απλοί και µόνο δείχνουν µία ένδειξη της διεργασίας που έχει υποστεί η κονσέρβα ενώ άλλοι είναι πιο σύνθετοι και στοχεύουν στο να παρέχουν και ποιοτικές πληροφορίες Χρονοθερµοκρασιακοι Ολοκληρωτες (Time Temperature Integrators,TTI) 13

14 Μία τεχνολογία που βοηθά στην αξιολόγηση των διεργασιών είναι η χρήση των χρονοθερµοκρασιακών δεικτών (ΤΤΙ s). Ο Taoukis (2001) ανέφερε τη χρήση των TTI για τη διασφάλιση της ασφάλειας των τροφίµων και τη διατήρηση του χρόνου ζωής τους κατά τη µεταφορά τους, αποθήκευση και πώληση. Η άλλη πλευρά των ΤΤΙ s και της χρήσης τους είναι να χρησιµοποιούνται σαν δείκτες της θερµικής διεργασίας που εξακριβώνουν την αποτελεσµατικότητα της παστερίωσης και της αποστείρωσης. Ένα επιτυχηµένο σύστηµα ΤΤΙ επιτρέπει τη σκιαγράφηση του θερµικού ιστορικού ενός τροφίµου και την εκτίµηση του ιστορικού µέσω του οποίου έχει περάσει το τρόφιµο,καθώς οι δείκτες µιµούνται τα θερµικά χαρακτηριστικά κάθε στόχου(για παράδειγµα διατήρηση µικροβιακού φορτίου ή διατήρηση βιταµινών). Το κεφάλαιο αυτό αναλύει το θεωρητικό υπόβαθρο των χρονοθερµοκρασιακών δεικτών, την αρχή λειτουργίας τους, αναφέρει τα είδη των δεικτών ΤΤΙ, τους τύπους απόκρισης τους, την προέλευση και εφαρµογή τους στο τρόφιµο, τον τρόπο τοποθέτησής τους και τέλος εισάγει το κλίµα για ανάγκη ερευνών που θα οδηγούν σε βελτίωση της ποιότητας και ασφάλειας των τροφίµων. Καθώς ο αριθµός των διαφόρων προϊόντων και η ποικιλία τους αυξάνεται σταθερά, οι βιοµηχανίες παραγωγής τροφίµων αντιµετωπίζουν τη νέα πρόκληση του να αποδείξουν στο καταναλωτικό κοινό ότι τα προϊόντα τους είναι σωστά παστεριωµένα. Η χρήση των χρονοθερµοκρασιακών δεικτών σαν ένα µέσο εκτίµησης της διεργασίας, τόσο όσον αφορά τη θερµοκρασία όσο και το µικροβιακό φορτίο, έχει λάβει εξαιρετική σηµασία. Η εκτίµηση της διεργασίας την οποία έχει υποστεί το τρόφιµο, είναι πολλές φορές µία δύσκολη υπόθεση, κυρίως στην περίπτωση τροφίµων που µαγειρεύονται σε κλιβάνους ή τηγάνια συνεχούς λειτουργίας (όπως ψωµί, µπιφτέκια, κροκέτες κοτόπουλου) και τροφίµων τα οποία είναι σε κοµµατάκια και µαγειρεύονται σε δοχεία µε εξώθηση ατµού (όπως σούπες, έτοιµα γεύµατα, σάλτσες και προετοιµασία φρούτων) καθώς και τροφίµων που µαγειρεύονται σε εναλλάκτες θερµότητας (σάλτσες για σαλάτες, γλυκά του κουταλιούpreserves). Εάν δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί οποιοσδήποτε άλλος θερµοκρασιακός έλεγχος, οι χρονοθερµοκρασιακοί δείκτες TTI µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να συγκεντρώσουν παρόµοια δεδοµένα για τη διεργασία µε αυτά που προέρχονται από τους µικροοργανισµούς. Η χρήση των δεικτών ΤΤΙ σαν ένα εναλλακτικό τρόπο εκτίµησης της διεργασίας, είναι πολλαπλής σηµασίας φαινόµενο. Ένας δείκτης ΤΤΙ µπορεί να είναι ένα ένζυµο όπως αµυλάση ή περοξιδάση, το οποίο απενεργοποιείται καθώς θερµαίνεται σε ένα ρυθµιστικό διάλυµα. Εάν οι κινητικές απενεργοποίησης του ενζύµου αυτού προσοµοιάζουν µε κινητική πρώτης τάξεως απενεργοποίησης µικροβίων, τότε το ΤΤΙ µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν 14

15 βιοχηµικός δείκτης της διεργασίας. Συγκεκριµένα, ο χρόνος θερµικού θανάτου σε µία συγκεκριµένη θερµοκρασία αναφοράς, γνωστός ως D T και ο κινητικός παράγοντας z είναι οι µεταβλητές που χρησιµοποιούνται. Συνοψίζοντας, ένας δείκτης ΤΤΙ είναι µια µικρή συσκευή που εµφανίζει µια αλλαγή, η οποία είναι συνάρτηση του χρόνου και της θερµοκρασίας, µη αντιστρέψιµη, ενώ είναι εύκολα µετρήσιµη και µάλιστα µε µεγάλη ακρίβεια (Taoukis and Labuza, 1989a,b, WSeng et al, 1991, De Cordt et al, 1992). Αυτή η αλλαγή πρέπει να συσχετίζεται µε τις αλλαγές του στόχου τροφίµου το οποίο περνά µέσω του ίδιου θερµοκρασιακού ιστορικού. Το µέγεθος στόχος που µελετάται µπορεί να είναι οποιαδήποτε ιδιότητα σε σχέση µε την ασφάλεια και την ποιότητα, όπως για παράδειγµα η απενεργοποίηση των µικροοργανισµών, η απώλεια µιας βιταµίνης, η υφή, το χρώµα. Όπως προαναφέρθηκε, η αλλαγή πρέπει να είναι µη αντιστρέψιµη ώστε να είναι δυνατή η ποσοτικοποίηση της επίδρασης της θερµικής διεργασίας στο τέλος αυτής. Σε µερικές περιπτώσεις, είναι δυνατή η επαναφορά στην αρχική κατάσταση του ΤΤΙ µε σκοπό την επαναχρησιµοποίησή του. Υπάρχουν πολλά πλεονεκτήµατα που πηγάζουν από τη χρήση των δεικτών ΤΤΙ ως εκτιµητών της διεργασίας. Η προετοιµασία των δεικτών και η λήψη των σχετικών µετρήσεων λαµβάνουν χώρα σε πολύ πιο σύντοµα χρονικά διαστήµατα έναντι των τεχνικών µε σπόρια που χρειάζονται µερικές ηµέρες. Έτσι µε τη χρήση των ΤΤΙ κερδίζουµε σε χρόνο και σε κόστος. Επίσης, η µεταφορά των δεικτών ΤΤΙ από ένα εργαστήριο στο εργοστάσιο δεν απαιτεί τόσο αυστηρούς κανόνες ασφαλείας όπως γίνεται µε άλλες τεχνικές µε µικροβιακά σπόρια λόγω του µεγάλου χρόνου δεκαδικής µείωσης στο περιβάλλον και στις συνθήκες ψύξης και αντιθέτως µε τα σπόρια, εδώ δεν υπάρχει θέµα ανάπτυξης. Το κυριότερο πλεονέκτηµα όµως των ΤΤΙ είναι η δυνατότητα ποσοτικοποίησης της χρονοθερµοκρασιακής επίδρασης στο µέγεθος στόχο χωρίς τη γνώση του πραγµατικού χρονοθερµοκρασιακού προφίλ που υπέστη το τρόφιµο. Έτσι, οι δείκτες ΤΤΙ µπορούν να χρησιµοποιηθούν εκεί όπου υστερούν άλλες µέθοδοι όπως η in situ προσέγγιση ή το φυσικοµαθηµατικό µοντέλο. Εξ ορισµού, οι ΤΤΙ αποτελούν post factum δείκτες της επίδρασης της θερµικής διεργασίας, εφόσον ο υπολογισµός της επίδρασης αυτής βασίζεται στην αλλαγή της κατάστασης του ΤΤΙ στο τέλος της διεργασίας σε σχέση µε την αρχική του κατάσταση. Για το λόγο αυτό, οι ΤΤΙ δεν ενδείκνυται για on line παρακολούθηση της αποτελεσµατικότητας µιας θερµικής διεργασίας. Στο σηµείο αυτό πρέπει να τονιστεί πως εάν η θερµοκρασία δεν είναι ο µοναδικός παράγοντας που προσδιορίζει το ρυθµό, η χρήση ενός ΤΤΙ θα οδηγούσε σε σφάλµα, καθώς υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που µεταβάλλονται µε το χρόνο και είναι εξίσου σηµαντικοί 15

16 (π.χ. περιεκτικότητα υγρασίας ή πίεση στην περίπτωση µιας διεργασίας υψηλή πίεση και µέτρια θερµοκρασία). Στην περίπτωση τέτοιων διεργασιών απαιτείται ένας ολοκληρωτής που θα µιµείται τη συµπεριφορά του µεγέθους στόχου σε σχέση µε κάθε αλλαγή όλων των ενδογενών και εξωγενών παραγόντων. Ένας ΤΤΙ για να είναι αποτελεσµατικός πρέπει να πληροί τις εξής προδιαγραφές: Θα πρέπει να είναι φθηνός, να παρασκευάζεται γρήγορα και εύκολα και να είναι προσιτός και φιλικός προς το χρήστη. Θα πρέπει να ενσωµατώνεται στο τρόφιµο χωρίς να παρεµποδίζει τη µεταφορά θερµότητας µέσα στο τρόφιµο. Η παρουσία του θα πρέπει να µην µεταβάλλει το χρονοθερµοκρασιακό προφίλ του τροφίµου, ενώ θα υφίσταται το ίδιο χρονοθερµοκρασιακό προφίλ όπως τη παραµέτρου που ελέγχεται. Θα πρέπει να ποσοτικοποιεί την επίδραση της διεργασίας στο µέγεθος στόχο έτσι ώστε η θερµοκρασιακή ευαισθησία της σταθεράς ρυθµού του ΤΤΙ και του στόχου να είναι ίδια. Θεωρητικά, η χρήση ενός ΤΤΙ που χαρακτηρίζεται από µια z-value, δικαιολογείται αυστηρά για τον έλεγχο µεγεθών µε την ίδια z-value. Πρακτικά όµως, η επιτρεπόµενη διαφορά µεταξύ των z-value µεταξύ του ΤΤΙ και του στόχου για την επίτευξη της συγκεκριµένης ακρίβειας στον προσδιορισµό της επίδρασης της διεργασίας έχει µελετηθεί θεωρητικά. Γενικά, η επιτρεπόµενη διαφορά στις z-value αυξάνεται όσο η πραγµατική θερµοκρασία της διεργασίας πλησιάζει τη θερµοκρασία αναφοράς και όσο ψηλότερη τιµή έχει η z-value του στόχου (Van Loey et al 1995). Θα πρέπει επίσης να τονιστεί πως όσον αφορά την ασφάλεια, µία υπερεκτίµηση της πραγµατικής επίδρασης µε τη χρήση ενός ΤΤΙ µε αποκλίνουσα z-value θα πρέπει να αποφευχθεί διότι µπορεί να οδηγήσει σε συνθήκες µη παστερίωσης των προϊόντων και κατά συνέπεια να αποτελέσει κίνδυνο για τη δηµόσια υγεία. Εποµένως, η χρήση ενός ΤΤΙ στην αξιολόγηση των θερµικών διεργασιών θα πρέπει να παρέχει έναν αξιόπιστο και συντηρητικό υπολογισµό του µικροβιολογικού επιπέδου ασφαλείας που έχει επιτευχθεί (Van Loey et al 1995). Σε αντίθεση µε τις τιµές z-value του ΤΤΙ και του στόχου που πρέπει να είναι ίδιες, οι σταθερές ρυθµού των αντιδράσεων στη θερµοκρασία αναφοράς και οι τάξεις των αντιδράσεων της θερµικής απενεργοποίησης του ΤΤΙ και του στόχου µπορούν να διαφέρουν. Είναι όµως σηµαντικό, η σταθερά του ρυθµού του ΤΤΙ να είναι αρκετά χαµηλή στο ζητούµενο θερµοκρασιακό εύρος, έτσι ώστε να επιτρέπει µια ανιχνεύσιµη απόκριση στο θερµοκρασιακό ιστορικό. Βέβαια, επειδή ο στόχος του ΤΤΙ είναι ο υπολογισµός της F- 16

17 value της διεργασίας βασιζόµενοι µόνο στην απόκρισή του, είναι απαραίτητο η κινητική της απόκρισης του ΤΤΙ να υπακούει σε εξίσωση, η οποία να επιτρέπει το διαχωρισµό των µεταβλητών (Hendrickx et al, 1995). Η εξίσωση που ακολουθεί δίνει την τιµή της F-value χρησιµοποιώντας την απόκριση του ΤΤΙ(χ) (για κινητική πρώτης τάξης) υπολογίζεται από την ακόλουθη εξίσωση: F 1 X log[ ] ln[ ] ze, T X a ref 0 0 TTI = DTTI X = Tref k TTI X Οι ΤΤΙ κατηγοριοποιούνται σε σχέση µε την αρχή λειτουργίας τους, τον τύπο απόκρισής τους, την προέλευσή τους, την εφαρµογή τους και την τοποθέτησή τους στο τρόφιµο. Όσον αφορά την ιδιότητα απόκρισης, οι ΤΤΙ διακρίνονται σε βιολογικούς (µικροβιολογικοί και ενζυµικοί), σε χηµικούς και φυσικούς. Επίσης, έχουµε τους απλούς (single components) και τους πολλαπλούς (multi components) TTI. Οι µεν απλοί χρησιµοποιούνται όταν η θερµική ευαισθησία του στόχου µπορεί να εκφραστεί µε µία ενέργεια ενεργοποίησης και πρέπει να συµφωνούν µε την τιµή αυτή. Όταν αυτό δεν είναι δυνατό, χρησιµοποιούνται οι πολλαπλοί ΤΤΙ για να προβλεφθεί η επίπτωση της διεργασίας, διαβάζοντας την επίδραση σε διαφορετικούς ΤΤΙ µε διαφορετικές ενέργειες ενεργοποίησης που θα διαφέρουν από την ενέργεια ενεργοποίησης του στόχου. Σε σχέση µε την προέλευσή τους, υπάρχουν ενδογενείς και εξωγενείς ΤΤΙ. Οι ενδογενείς είναι αυτοί που υπάρχουν ήδη στο τρόφιµο και αντιπροσωπεύουν τη συµπεριφορά του στόχου. Οι εξωγενείς τοποθετούνται στο τρόφιµο. Με κριτήριο την εφαρµογή του ΤΤΙ στο τρόφιµο, υπάρχουν οι διεσπαρµένοι ΤΤΙ, οι διαπερατοί και οι µεµονωµένοι. Στα διεσπαρµένα συστήµατα, οττι είναι οµογενώς διεσπαρµένος στο τρόφιµο επιτρέποντας µια εκτίµηση της επίδρασης σε ένα µέσο όγκο του τροφίµου. Οι εξωγενείς ΤΤΙ που δεν είναι διεσπαρµένοι µπορεί να είναι διαπερατοί (επιτρέπουν µικρή διάχυση των συστατικών µέσα στο ΤΤΙ) ή αποµονωµένοι. Και οι τρεις προσεγγίσεις µπορούν να αποτελέσουν τη βάση για µια εκτίµηση της διεργασίας µέσω ενός σηµείου σωστά επιλεγµένου µέσα στο τρόφιµο (single point evaluation). Βασιζόµενοι στην παραπάνω κατηγοριοποίηση, στον Πίνακα 1.3 που ακολουθεί, παρουσιάζονται κάποιοι από τους ήδη υπάρχοντες ολοκληρωτές. (1.4) Πίνακας 1.3. Περιληπτικός πίνακας απλών χρονοθερµοκρασιακών ολοκληρωτών (ΤΤΙ) θερµικών διεργασιών που έχουν µελετηθεί (Van Loey et al., 1996). Προέλευση/ Εφαρµογή Είδος (TTI) Μικροβιολογικοί Εξωτερικά/ B. stearothermophilus -- Ε a (kj/mol) /z ( C) 17

18 ιεσπαρµένα B. coagulans -- B. subtilis -- Cl. sporegenes -- Εξωτερικά/ B. stearothermophilus σε αλγινικά z=8.5 ιαπερατά B. stearothermophilus σε αλγινικά z= Cl. sporogenes σε αλγινικά z= B. stearothermophilus σε αλγινικά z=9 B. stearothermophilus σε αλγινικά -- Cl. sporogenes σε κοµµάτια γαλοπούλας z=8.5 B. stearothermophilus σε πηκτή πολυακριλαµιδίου z=11.7 B. stearothermophilus σε αλγινικά z= Εξωτερικά/ B. anthracis σε perspex z=60 Αποµονωµένα B. stearothermophilus σε πλαστικό z= B. stearothermophilus σε γυάλινο σφαιρίδιο z=10 B. stearothermophilus σε αλουµίνιο -- Ενζυµικοί Εσωτερικά/ Μέθοδος ELISA για γαλακτική αφυδρογονάση -- ιεσπαρµένα Εξωτερικά/ ιαπερατά β-γαλακτοζιδάση σε αλγινικά Λιπάση σε αλγινικά Αναγωγάση νιτρικών σε αλγινικά Ακινητοποιηµένη αµυλάση σε αλγινικό υπόστρωµα -- Εξωτερικά/ Ακινητοποιηµένη περοξιδάση σε δεκανόλη z=11.6 Αποµονωµένα Ακινητοποιηµένη περοξιδάση σε δωδεκάνιο z=10.1 Ακινητοποιηµένη α-αµυλάση από B. licheniformis E a =302 Χηµικοί Εσωτερικά/ ιεσπαρµένα Εξωτερικά/ α-αµυλάση από B. amyloliquefaciens + 83%(w/w) E a =701 γλυκερόλη α-αµυλάση από B. amyloliquefaciens + 49%(w/w) E a =560 γλυκερόλη + 31%(w/w) σακχαρόζη α-αµυλάση από B. subtilis σε tris buffer (5-30mg/ml) z= α-αµυλάση από B. subtilis (200mg/mL) z=8.6 α-αµυλάση από B. subtilis (200mg/mL) z=6.2 + τρεχαλόζη (500mg/mL) Σχηµατισµός 2,3-διυδρο-3,5-διυδροξυ-6-µεθυλ-4Η-πυραν-4-όνη a =96 Αποσύνθεση θειαµίνης z=26 ιεσπαρµένα Εξωτερικά/ Υδρόλυση δισακχαριτών z=18 Αποµονωµένα Αποσύνθεση σουλφονική µεθυλοµεθειονίνης z= Όξινη υδρόλυση σακχαρόζης E a =95 Καταστροφή Blue #2 σε ph 11.3 E a =58 Καταστροφή Blue #2 σε ph 9.5 E a =75 Φυσικοί Εξωτερικά/ "Thermal Memory Cell" multi Αποµονωµένα "Thermalog S" z= Αρχη λειτουργιας των TTI 18

19 Κάθε σύστηµα, βιολογικό, χηµικό είτε φυσικό, µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να µιµηθεί τις αλλαγές µιας ιδιότητας του τροφίµου εφόσον η θερµοκρασιακή ευαισθησία των σταθερών ρυθµού (z value ή E a ) του TTI και του στόχου είναι ίδιες στο δεδοµένο θερµοκρασιακό εύρος και οι ρυθµοί των αντιδράσεων κατά τη θέρµανση παρουσιάσουν µια υπολογίσιµη απόκριση στο θερµοκρασιακό ιστορικό. Η χρήση µικροβιολογικών συστηµάτων για την παρακολούθηση της αποτελεσµατικότητας διεργασιών αποστείρωσης (π.χ. χρήση σπορίων Bacillus spp. και Clostridium sporogenes) αποτελεί την πιο συχνή εφαρµογή των TTI στη βιοµηχανία τροφίµων και φαρµάκων. Επειδή κάθε θερµική διεργασία πρέπει να πληροί τις αυστηρές απαιτήσεις για ασφάλεια, η z value των σπορίων που θα χρησιµοποιηθούν πρέπει να είναι, όσο το δυνατόν, πλησιέστεροι προς την z value που έχει παρατηρηθεί στα σπόρια των πρωτεολυτικών στελεχών του Clostridium botulinum (z=10 ο C), ο µικροοργανισµός που χρησιµοποιείται για την ασφάλεια στην αποστείρωση τροφίµων χαµηλής οξύτητας. Το πλεονέκτηµα ενός µικροβιολογικού συστήµατος για την παρακολούθηση µιας θερµικής διεργασίας είναι πως ο ολοκληρωτής και ο στόχος είναι ευαίσθητοι στην θερµότητα στο ίδιο θερµοκρασιακό εύρος. Το µεγαλύτερο µειονέκτηµά τους είναι µακροσκελές assay. Ο µεγάλος χρόνος επώασης µεταξύ της διεργασίας και της µέτρησης των αποικιών (µέχρι και µερικές ηµέρες) δεν επιτρέπει γρήγορη επέµβαση σε οποιοδήποτε απόκλιση της διεργασίας ή συστηµατικού σφάλµατος κάθε είδους. Η ποσοτικοποίηση ενός µικροβιολογικού TTI απαιτεί ικανότητες, ενώ η αναλυτική ακρίβεια των διαθέσιµων τεχνικών είναι µάλλον χαµηλή (Pflug, I.J., Smith, G.M., 1977). Επιπλέον προβλήµατα προκύπτουν από την ποικιλότητα των ζωντανών οργανισµών. Γι αυτό το λόγο προτού χρησιµοποιηθεί ένα τέτοιο σύστηµα, θα πρέπει να έχει προσδιοριστεί πρώτα η θερµική αντίστασή τους (Mulley, A. et al, 1975). Οι κίνδυνοι επιµόλυνσης µπορούν να µειωθούν χρησιµοποιώντας διαπερατούς ή µεµονωµένους TTI παρά διεσπαρµένους. Αυτοί οι περιορισµοί ελέγχου της αποτελεσµατικότητας των θερµικών διεργασιών, καθώς ο χρόνος, η δυσκολία και το κόστος αυτών των µεθόδων έχουν οδηγήσει την έρευνα προς την εύρεση εναλλακτικών. Τα χηµικά συστήµατα ΤΤΙ βασίζονται σε µια καθαρά χηµική απόκριση ως προς το χρόνο και τη θερµοκρασία. Η ανίχνευση της µεταβολής της συγκέντρωσης ενός χηµικού συστατικού που προστίθεται στο τρόφιµο ως µέτρο της επίδρασης της θερµικής κατεργασίας, εισήχθη ως µέθοδος πριν πολλά χρόνια για να ξεπεραστούν τα προβλήµατα που παρουσιάζονταν µε τα µικροβιολογικά TTI (Struppe, 1968, Mulley et al., 1975c). Η ευχρηστία τους, καθώς και η υψηλή αναλυτική ακρίβεια στην ανίχνευση των χηµικών αντιδράσεων, καθιστούν τους χηµικούς TTI σηµαντικά εργαλεία για την αξιολόγηση των 19

20 θερµικών διεργασιών. Σηµαντικότατο µειονέκτηµα όµως παραµένει ότι µέχρι στιγµής δεν έχουν αναγνωρισθεί χηµικές αντιδράσεις στη θερµική κατεργασία τροφίµων που να διαθέτουν την κατάλληλη ενέργεια ενεργοποίησης, E a, ή z value που απαιτείται για την αξιολόγηση της ασφάλειας ενός τροφίµου στο θερµοκρασιακό εύρος της αποστείρωσης, ενώ µόνο λίγες είναι διαθέσιµες που µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την παρακολούθηση άλλων ποιοτικών χαρακτηριστικών ενός τροφίµου. Ο µηχανισµός ελέγχου της θερµοκρασίας των υπαρχόντων φυσικών TTI για την αξιολόγηση των θερµικών διεργασιών βασίζεται στη διάχυση. Το φυσικό σύστηµα που προτάθηκε από τον Witonsky (1977) βασίζεται στη διάχυση µιας χρωστικής χηµικής ουσίας σε ένα χάρτινο φορέα. Το µειονέκτηµα αυτού του συστήµατος είναι ότι ενεργοποιείται από ατµό και εποµένως δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την αξιολόγηση θερµικών διεργασιών χρησιµοποιώντας άλλου είδους θερµαντικά µέσα, αλλά ούτε και να εµφυτευτεί σε ένα στερεό τεµάχιο τροφίµου. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγµα φυσικού TTI είναι το Thermal Memory Cell του Swartzel (1991), το οποίο βασίζεται στη διάχυση τουλάχιστον δυο διαφορετικών ιόντων, κάθε ένα µε τη δική του ενέργεια ενεργοποίησης, στο µονωµένο στρώµα ενός συγκεκριµένου είδους πυκνωτή. Ως απόκριση του συστήµατος λαµβάνουµε την έκταση της διάχυσης, η οποία διαβάζεται εύκολα και µε µεγάλη ακρίβεια µετρώντας τη µεταβολή της χωρητικότητας του πυκνωτή πριν και µετά τη διεργασία. Συνδυάζοντας τις αντίστοιχες ενδείξεις για κάθε ιόν, χρησιµοποιώντας τη µέθοδο του ισοδύναµου σηµείου (equivalent point method), µπορούν να εξαχθούν συµπεράσµατα για την επίδραση της διεργασίας στο τρόφιµο. Ενζυµικά ΤΤΙ Τα πιθανά ενζυµικής φύσεως συστήµατα TTI έχουν αποκτήσει µεγάλο ενδιαφέρον. Η σχετική ευκολία µε την οποία διαβάζεται η απόκρισή τους αλλά και η ευκολία χειρισµού τους τους δίνει ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα απέναντι στα µικροβιολογικά TTI. Γι αυτό θεωρούµε ότι υπερτερούν ως προς τα αντίστοιχα µικροβιολογικά. Στα ενζυµικά συστήµατα, συχνά η αξιολόγηση της θερµικής επίδρασης της διεργασίας γίνεται µε µέτρηση της εναποµένουσας ενζυµικής ενεργότητας. ιάφορα χαρακτηριστικά θερµοάντοχων ενζύµων θεωρούνται πλεονεκτήµατα στον τοµέα ανάπτυξης των TTI: είναι µικρά σε µέγεθος, σχετικώς φθηνά και παρασκευάζονται εύκολα ενώ η θερµοσταθερότητά τους επιτρέπει τη χρησιµοποίησή τους στο θερµοκρασιακό εύρος των διεργασιών αποστείρωσης και παστερίωσης. Τόσο η ενζυµική ενεργότητα, όσο και η ενθαλπία µετουσίωσης µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως απόκριση ενός τέτοιου TTI (ιδιότητες που 20

21 µπορούν να µετρηθούν γρήγορα και µε ακρίβεια). Ακόµα οι κινητικές θερµικής απενεργοποίησής τους µπορεί να τις χειριστεί κανείς µε διάφορους τρόπους. ιάφορες προσπάθειες για επιλογή θερµοάντοχων ενζύµων και έλεγχο των κινητικών θερµικής απενεργοποίησής τους έχουν αναφερθεί. Μέχρι ένα βαθµό, αλλάζοντας τις συνθήκες ενός ενζύµου (π.χ. µέσω της ακινητοποίησής του ή µε χρήση πρωτεϊνικής µηχανικής (protein engineering)) και/ ή τις συνθήκες του περιβάλλοντός του (αλλάζοντας την ιονική συγκέντρωση, το ph, την περιεχόµενη υγρασία, πρόσθετα), η θερµική ευαισθησία του ενζύµου µπορεί να αλλάξει κατά τέτοιο τρόπο ώστε να ταιριάζει µε την κινητική συµπεριφορά του χαρακτηριστικού στόχου. Στην περιοχή ανάπτυξης ενζυµικών TTI έχει αναφερθεί αρκετή εργασία πάνω στην α αµυλάση από Bacillus spp. Επίσης έχει µελετηθεί η πιθανότητα χρήσης α αµυλάσης του Bacillus licheniformis ακινητοποιηµένης σε κλίνες υάλου ή της α αµυλάσης του Bacillus amyloliquefaciens παρουσία πολυαλκοολών ή υδατανθράκων ως TTI (De Cordt, et al, 1992, De Cordt, et al, 1994, De Cordt, et al, 1993). Επίσης έχουν αναπτυχθεί πιθανοί TTI προερχόµενοι από την α-αµυλάση του Bacillus subtilis για τον έλεγχο της ασφάλειας των διεργασιών παστερίωσης (Van Loey, et al 1995). Επίσης, το εύρος των κινητικών χαρακτηριστικών της θερµικής απενεργοποίησης των ενζύµων περιλαµβάνει τις τυπικές τιµές για την ποιότητα και την ασφάλεια τροφίµων. Γενικά, η ενζυµική απενεργοποίηση χαρακτηρίζεται από τιµές z value µεταξύ 6,5 και 55 o C, όταν για τα σπόρια οι αντίστοιχες τιµές είναι µεταξύ 4,5 και 12 o C, ενώ για τα ποιοτικά χαρακτηριστικά (χρώµα, υφή, γεύση, βιταµίνες) η τιµή z value κυµαίνεται µεταξύ 25 και 45 o C. Σε σχέση µε την ασφάλεια, ο σχεδιασµός διεργασιών αποστείρωσης κονσερβών χαµηλής οξύτητας κατευθύνεται από την καταστροφή των σπορίων των πρωτεολυτικών στελεχών του Clostridium botulinum (z=10 o C). Για την αξιολόγηση διεργασιών παστερίωσης έχουν χρησιµοποιηθεί διάφοροι µικροοργανισµοί, µε τιµές z value από 5 µέχρι 12 o C, µικροοργανισµοί αναφοράς, ανάλογα µε την κύρια αιτία καταστροφής του εκάστοτε τροφίµου. Οι ΡΜΕ είναι ένζυµα που καταλύουν τη διµεθυλίωση της πεκτίνης (demethylation). Η τεχνολογική της σπουδαιότητα είναι καταγεγραµµένη στη βιβλιογραφία (Pilnik W, Voragen AG, 1991) και µάλιστα η χρήση της PME για την ανάπτυξη ενος ΤΤΙ είχε διερευνηθεί από τους Guiavarch et al., Η παρουσία ποικίλων ισοενζύµων µε διαφορετικό βαθµό θερµικής σταθερότητας έχει ήδη αναφερθεί σε τοµάτες (De Sio et al., 1995), σε χυµό από πορτοκάλι (Snir et al., 1996, Cameron-Randall et al., 1994), στο λεµόνι. Η επίδραση των σταθεροποιητών στις κινητικές παραµέτρους (D Tref, z-value) καθιστά ικανή την ανάπτυξη χρονοθερµοκρασιακών ολοκληρωτών βασιζόµενων στην ΡΜΕ 21

22 και οι οποίοι να εφαρµόζονται σε ένα µεγάλο εύρος θερµοκρασιών, ειδικά σε θερµοκρασίες µικρότερες από 80 0 C, στον τοµέα παστερίωσης. Μελετήθηκε η επίδραση σακχάρων, όπως η σουκρόζη και η τρεχαλόζη, και πολυαλκοολών, όπως η µανιτόλη, η σορβιτόλη, η λακτιτόλη και η γλυκερόλη, στη θερµοανθεκτικότητα των PME. Επίσης η χρήση της αλκαλικής φωσφατάσης µελετήθηκε ως πιθανός χρονοθερµοκρασιακός ολοκληρωτής από τους Caterina Dinnella et al., 2004 εφαρµόζοντας µια τεχνική ακινητοποίησης του ενζύµου. Η ακινητοποίηση της φωσφατάσης σε κατάλληλες αναλογίες σε ειδικό πολυµερές έδειξε την πιθανή χρήση της ως ενζυµικό χρονοθερµοκρασιακό ολοκληρωτή. Στον Πίνακα 1.4 δίνεται µια λίστα προτεινόµενων ενζυµικών ΤΤΙ από την πιο πρόσφατη βιβλιογραφιά Πίνακας 1.4 Πίνακας προτεινόµενων ενζυµικών χρονοθερµοκρασιακών ολοκληρωτών (ΤΤΙ) θερµικών διεργασιών που έχουν µελετηθεί Ένζυµο z-value (ºC) Βιβλιογραφική αναφορά Φωσφατάση 11.4 Dinella et al., 2004 α-αµυλάση 9.4 Tucker et al., 2002 (B.amyloliquefaciens) α-αµυλάση 9.1 Tucker et al., 2002 (B.licheniformis) Πηκτινµεθυλεστεράση 5.34 Hendrickx et al., 2003 (τοµάτα) Πηκτινµεθυλεστεράση 5.23 Hendrickx et al., 2003 (αγγούρι) Α-αµυλάση 10.2 Raviyan et al., 2003 (Aspergillus oryzae) Λακτοπεροξειδάση 3.3 Claeys et al., 2004 (γάλα) α-αµυλαση 9.95 Tucker et al., 2006 (Pyrococcus furiosus) α-αµυλαση (B.licheniformis) 10.0 Mehauden et al., 2007 Στις περισσότερες µελέτες για την ανάπτυξη χρονοθερµοκρασιακών δεικτών το z-value βρέθηκε να είναι κοντά στην τιµή 10, που σηµαίνει ότι οι συγκεκριµένοι προτεινόµενοι δείκτες µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την αποτίµηση θερµικών διεργασιών σχετικά µε την απενεργοποίηση µικροοργανισµών. Στην περίπτωση που επιθυµείται να αποτιµηθεί η απενεργοποίησης ενός ενζύµου ή µιας βιταµίνης αυτό είναι αδύνατο αφού η τιµή z-value είναι πολύ χαµηλή. Επίσης θα πρέπει να σηµειωθεί ότι στους προτεινόµενους δείκτες του Πίνακα 1.4 οι σταθερά του ρυθµού των ΤΤΙ ήταν πολύ µεγάλη και δεν ικαναποείται η 22

23 απαίτηση σύµφωνα µε την οποία η σταθερά του ρυθµού ενός ΤΤΙ πρέπει να είναι αρκετά χαµηλή στο ζητούµενο θερµοκρασιακό εύρος, έτσι ώστε να επιτρέπει µια ανιχνεύσιµη απόκριση στο θερµοκρασιακό ιστορικό. Τύποι απόκρισης των TTI Η απόκριση ενός συστήµατος ΤΤΙ µπορεί να είναι η αλλαγή της κατάστασης ενός απλού ή πολλών επιµέρους ΤΤΙ. Στην περίπτωση ενός απλού ΤΤΙ µε z ίση µε αυτή του χαρακτηριστικού στόχου, έχουµε άµεση σχέση µεταξύ της αλλαγής που εµφανίζει ο ΤΤΙ και αυτής του χαρακτηριστικού στόχου, όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραµµα. Μέτρηση (Χ ΤΤΙ ) ο και (Χ ΤΤΙ ) t Υπολογισµός του F TTI όπου F TTI = f[(x TTI ) o, (X TTI ) t, n TTI, k ref,tti ] Αν (z) ΤΤΙ = (z) target τότε F TTI = F target F target = f[(x target ) o, (X target ) t, n target, k ref,target ] Υπολογισµός του (X target ) t Σχήµα 1.2. Τρόπος χρήσης ενός απλού TTI για τον υπολογισµό της επίδρασης της διεργασίας F target, καθώς και της κατάστασης της ιδιότητας στόχου. (X η ιδιότητα απόκρισης, n η τάξη της αντίδρασης, k η σταθερά ρυθµού) Όταν τώρα η z-value του ΤΤΙ διαφέρει από αυτή του χαρακτηριστικού στόχου, είναι απαραίτητες πληροφορίες σχετικά µε το χρονοθερµοκρασιακό ιστορικό του τροφίµου έτσι ώστε να προβλεφθεί η επίδραση της θερµικής επεξεργασίας επί του χαρακτηριστικού στόχου. Αυτό µπορεί να γίνει σε συνθήκες διεργασιών που ελέγχονται πλήρως (π.χ. θέρµανση υγρών σε γνωστή σταθερή θερµοκρασία σε ένα ασηπτικό σύστηµα θέρµανσης). Η 23

24 συσχέτιση της απόκρισης των TTI µε ποιοτικές αλλαγές τροφίµων σε συγκεκριµένες χρονοθερµοκρασιακές συνθήκες, χωρίς την αντιστοίχηση των σταθερών ρυθµού µε την θερµοκρασία, είναι χρήσιµη, αλλά δεν προσφέρει χρήσιµες πληροφορίες, εφόσον η συσχέτιση που βρέθηκε θα ισχύει µόνο για τις συγκεκριµένες συνθήκες που ελέγχθηκαν. Προεκβολή των συσχετίσεων σε άλλες θερµοκρασίες είτε σε µεταβαλλόµενες συνθήκες θα µπορούσε να οδηγήσει σε σφάλµατα. Σε αντιδιαστολή, όταν οι τιµές των z-value του TTI και του στόχου είναι ίδιες, είναι δυνατόν να γίνει υπολογισµός της επίδρασης της θερµικής διεργασίας από την απόκριση του TTI σε οποιοδήποτε θερµοκρασιακό ιστορικό Η χρήση πολλαπλών ΤΤΙ προτείνεται όταν η z-value του ΤΤΙ διαφέρει από αυτή του χαρακτηριστικού στόχου και δεν υπάρχουν πληροφορίες σχετικές µε το χρονοθερµοκρασιακό ιστορικό του τροφίµου. Η αξιολόγηση της διεργασίας µε βάση τις αποκρίσεις διαφορετικών TTI µε διαφορετικές z-value γίνεται µε χρήση κατάλληλης συνάρτησης µετασχηµατισµού. Μια τέτοια συνάρτηση έχει προταθεί, η οποία ολοκληρώνει ένα µεταβαλλόµενο θερµοκρασιακό ιστορικό και το µετατρέπει σε µία ισοδύναµη θερµοκρασία για ένα ισοδύναµο χρονικό διάστηµα, ανεξαρτήτως της E a. (Swartzel 1986). Επειδή µια θεωρητική βάση για τη µέθοδο ισοδύναµου σηµείου µπορεί να διατυπωθεί µόνο για ισοθερµοκρασιακά προφίλ, η µέθοδος αποκτά εµπειρικό χαρακτήρα σε µεταβαλλόµενες µε το χρόνο συνθήκες και γι αυτό θα πρέπει να χρησιµοποιείται µε προσοχή. Χρήση χρονοθερµοκρασιακών ολοκληρωτών πολλαπλής απόκρισης στο σχεδιασµό και την αξιολόγηση θερµικών διεργασιών Η προϋπόθεση που πρέπει να πληρείται για να χρησιµοποιηθούν οι δείκτες ΤΤΙ για την αξιολόγηση των θερµικών διεργασιών, είναι ότι οι ενέργειες ενεργοποίησης ή οι τιµές z- values του δείκτη ΤΤΙ και του υποστρώµατος που µας ενδιαφέρει πρέπει να είναι ίδιες (Taoukis and Labuza, 1989, Hendrickx et al., 1995). Ο σχεδιασµός ενός τέτοιου δείκτη δεν είναι εύκολος (Van Loey, 1996). Πολλές φορές χρησιµοποιούνται δείκτες των οποίων η τιµή z-value είναι διαφορετική από αυτή που χαρακτηρίζει την ουσία που µας ενδιαφέρει. Ο µετασχηµατισµός αποτελεσµάτων από µια τιµή z-value σε κάποια άλλη έχει προταθεί από τους Pflug και Christensen (1980). Εντούτοις, η προσέγγιση αυτή απαιτεί γνώση των παραµέτρων θερµικής διείσδυσης για τη διεργασία και το τρόφιµο που µας ενδιαφέρει, οπότε δεν είναι εφαρµόσιµη. Σαν λύση στο πρόβληµα που αναφέρθηκε παραπάνω προτείνεται η χρήση ολοκληρωτών διπλής ή τριπλής απόκρισης για να αξιολογήσουν την επίδραση µιας θερµικής διεργασίας σε 24

25 ένα συγκεκριµένο χαρακτηριστικό στόχο ευµετάβλητο στη θερµοκρασία. Η χρήση των δεικτών πολλαπλής απόκρισης γίνεται βασιζόµενη σε ένα µεγάλο αριθµό χρονοθερµοκρασιακών προφίλ του τροφίµου. Οι παράµετροι που µας ενδιαφέρουν κατά τη χρήση πολλαπλών δεικτών είναι η τιµή z-value του στόχου, η τιµή z-value του δείκτη ΤΤΙ και η θερµοκρασία αναφοράς που χρησιµοποιείται στους διάφορους υπολογισµούς. Οι Taoukis και Stoforos (1998), θέλησαν να αναπτύξουν µία θεώρηση βάσει της οποίας θα µπορούσαν να χρησιµοποιήσουν µε επιτυχία συστήµατα πολλαπλών δεικτών ΤΤΙ κατάλληλα για σχεδιασµό και αξιολόγηση των θερµικών διεργασιών. Η µεθοδολογία τους ξεκίνησε να αναπτύσσεται βασιζόµενη στην υπόθεση ότι για µικρές διαφορές µεταξύ των τιµών z-value του χαρακτηριστικού που µας ενδιαφέρει και του δείκτη ΤΤΙ, η διαφορά των τιµών F-value ανάµεσα στο χαρακτηριστικό που µας ενδιαφέρει και στο δείκτη ΤΤΙ, είναι ανάλογη της αντίστοιχης διαφοράς z. Λαµβάνοντας υπόψη ότι για F=0, z=0, έχουµε: F = α z (1.5),όπου η παράµετρος α στην εξίσωση µπορεί να καθοριστεί από δύο τιµές F 1,F 2 υπολογιζόµενες από την απόκριση δύο δεικτών ΤΤΙ από τους οποίους ο καθένας χαρακτηρίζεται από µία δική του τιµή z-value (z 1 και z 2 ) µέσω της σχέσης α = (F 2 -F 1 )/(z 2 -z 1 ) (1.6) Έχοντας υπολογίσει την παράµετρο α για µια συγκεκριµένη διεργασία, κατόπιν χρησιµοποιώντας την F-value που συνδέεται µε την z-value του µικροοργανισµού στόχου (z targ =10 0 C), και µέσω της εξίσωσης (6), κάποιος µπορεί να υπολογίσει την F-value για ένα χαρακτηριστικό στόχο µε µία συγκεκριµένη z targ. Ουσιαστικά ο συντελεστής α είναι ένας συντελεστής διόρθωσης ο οποίος µειώνει το % σφάλµα το οποίο δίδεται από τη σχέση: %error = ((F TTI -F Food )/F Food )*100 (1.7),όπου F TTI είναι η τιµή F-value του δείκτη ενώ F Food είναι η τιµή F-value του τροφίµου που µας ενδιαφέρει. Γενικά, βασιζόµενοι στη κλασσική θερµοβακτηριακή θεώρηση (TDT approach, Ball and Olson, 1957, Stumbo,1973) η βασική σχέση µέσω της οποίας υπολογίζεται η F-value είναι η εξής: 25