ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΑΛΛΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΑΤΗΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΑΛΛΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΑΤΗΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Με την ολοκλήρωση της επισκόπησης της χηµείας τροφίµων έχει γίνει σαφές ότι το τρόφιµο είναι ένα πολύπλοκο, φυσικοχηµικά και βιολογικά ενεργό σύστηµα. Τα βασικά συστατικά του τροφίµου, δηλαδή οι πρωτεΐνες, οι υδατάνθρακες και τα λιπαρά, συµµετέχουν σε πολλές αντιδράσεις που έχουν σαν τελικό αποτέλεσµα την αλλοίωση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών, της θρεπτικής αξίας και της ασφάλειας του τροφίµου. Ενδεικτικά µόνον δινονται στο σχήµα 2.1 οι διαφορετικοί δρόµοι αντίδρασης των βασικών αυτών συστατικών. Η ποιότητα τροφίµου γενικά ορίζεται σαν το σύνολο των χαρακτηριστικών που επιτρέπουν το διαχωρισµό του και καθορίζουν το βαθµό αποδοχής του από τον καταναλωτή ή τον χρήστη. Πρόκειται για µια δυναµική κατάσταση που κινείται προς φθίνουσα κατεύθυνση (µε εξαίρεση ορισµένα τρόφιµα που βελτιώνεται η ποιότητά τους µε την ωρίµανση ή παλαίωση). Για το λόγο αυτό τα τρόφιµα έχουν πεπερασµένη διατηρησιµότητα ή διάρκεια ζωής (shelf life). εν έχει διατυπωθεί κάποιος γενικά εφαρµόσιµος ορισµός της διατηρησιµότητας των τροφίµων. Ο καθορισµός της διάρκειας ζωής και των κριτηρίων που οριοθετούν το τέλος της εξαρτώνται απο το προϊόν και από τη χρήση για την οποία προορίζεται. Από το ιεθνές Ινστιτούτο Ψυγµένων Προϊόντων (International Institute of Refrigeration, IIR) υποδεικνύονται δυο διαφορετικοί ορισµοί. Χρόνος υψηλής ποιότητας (HQL: High Quality Life) είναι ο χρόνος µετά την επεξεργασία του προϊόντος για την πρώτη αντιληπτή οργανοληπτική διαφορά (70-80% θετική απάντηση σε τριγωνικό τέστ). Ένας αλλος ορισµός είναι ο χρόνος πρακτικής διατήρησης (PSL: Practical Shelf Life). PSL είναι ο χρόνος αποθήκευσης µετά την παραγωγή, προϊόντος υψηλής αρχικής ποιότητας, στον οποίο το τρόφιµο είναι οργανοληπτικά κατάλληλο για χρήση ή κατανάλωση. Ο χρόνος πρακτικής διατήρησης (PSL) είναι συνήθως δύο ή τρείς φορες µεγαλύτερος απο το χρόνο υψηλής ποιότητας (HQL). H Ευρωπαϊκή Κοινότητα εισήγαγε, για την επισήµανση των προϊόντων, τον χρόνο ελάχιστης διατηρησιµότητας (minimum durability), ο οποίος ορίζεται ως ο χρόνος στον οποίο το τρόφιµο διατηρεί τα χαρακτηριστικά του, υπό κατάλληλες συνθήκες αποθήκευσης. Ο τελευταίος αυτός ορισµός διαφέρει από τους προαναφερθέντες στο ότι αναφέρεται στο τρόφιµο και τις ιδιότητες του χωρίς να λαµβάνει καθόλου υπόψη τη χρήση για την οποία προορίζεται. Από τους επιστήµονες που ασχολούνται µε τα τρόφιµα πολλές φορές επιβεβαιώνεται η βασική παραδοχή ότι το υψηλότερης ποιότητας τρόφιµο είναι εκείνο που έχει παρακευασθεί ή συλλεχθεί πρόσφατα. Παρ' όλα αυτά, µια και τα διάφορα χαρακτηριστικά των τροφίµων αλληλοεπικαλύπτονται, πρέπει να αποφασιστεί µέχρι ποιού σηµείου ένα ορισµένο χαρακτηριστικό ή η εµφάνιση κάποιου ανεπιθύµητου µπορεί να ανιχνευτεί από τον καταναλωτή. Για παράδειγµα, αν η εµφάνιση κάποιου συγκεκριµένου αρώµατος ή γεύσης σηµαίνει την απουσία άλλων γεύσεων, πρέπει να αποφασιστεί µέχρι ποιό επίπεδο µπορεί να γίνει αυτό αντιληπτό από τον καταναλωτή. Ένας τέτοιος ορισµός πλησιάζει αρκετά µε εκείνον που ορίσαµε πρίν ως χρόνο υψηλής ποιότητας (HQL). 66

67

68

69

Πάντως όποιος ορισµός και αν χρησιµοποιηθεί τελικά, είναι απαραίτητο να συνοδεύεται από περαιτέρω διευκρινήσεις και οδηγίες π.χ. πρέπει να γίνεται σαφές τι σηµαίνει οργανοληπτική ποιότητα και ποιές είναι οι εκάστοτε µέθοδοι µέτρησης και τα κριτήρια που χρησιµοποιούνται για να θεσµοθετηθούν τα επιτρεπτά όρια αποδοχής. 2.2 ΑΡΧΕΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΑΛΛΟΙΩΣΗΣ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Εφαρµόζοντας τις βασικές αρχές της χηµικής κινητικής ο ρυθµός υποβάθµισης της ποιότητας µπορεί να εκφρασθεί σαν συνάρτηση ενδογενών και εξογενών παραγόντων: όπου: dq dt ( i j) = FC,E (1) C i = παράµετροι σύστασης (αντιδρώντα συστατικά, ανόργανοι καταλύτες, ένζυµα, παρεµποδιστές, ph, ενεργότητα νερού, µικροβιακή χλωρίδα) E j = παράµετροι περιβάλλοντος (θερµοκρασία, σχετική υγρασία, ολική πίεση, µερική πίεση περιβαλλόντων αερίων π.χ. CO 2, N 2, O 2, φως, µηχανικές καταπονήσεις) Όπως είναι γνωστό, για µη αντιστρεπτές αντιδράσεις ισχύει γενικά το σχήµα: k µ 1 Α 1 +µ 2 Α 2 +µ 3 Α 3 +...+µ m A f m P (2) O ρυθµός της παραπάνω αντίδρασης δίνεται από τη σχέση: [ j ] 1 da r = = k f A A... A dt 1 2 [ 1] [ 2] [ ] n n nm m µ j όπου n j η τάξη αντίδρασης ως προς Α j (για πραγµατικές µοριακές αντιδράσεις n j =µ j ). Για ισορροπίες αντίστοιχα ισχύει: (3) k f αα+ββ γc+δd (4) και k b [ ] db [ ] dc [ ] dd [ ] da r = = = + = + = kf A B k C D αdt βdt γ dt δdt [ ] [ ] b[ ] [ ] α β γ δ (5) Γενικά αναζητούνται ποσοτικά µετρήσιµοι και αποτελεσµατικοί δείκτες, Α ή Β, οι οποίοι είτε καθορίζουν την ποιότητα του τροφίµου είτε την χαρακτηρίζουν έµµεσα µεταβαλλόµενοι µε τον ίδιο ρυθµό. Για τους δείκτες αυτούς θεωρείται ότι ισχύει: 70

[ ] da ra = = ka dt [ ] m (6) r B [ B] d = = k dt [ B] m (7) όπου: Α=επιθυµητή ποιοτική παράµετρος π.χ. θρεπτικό συστατικό, άρωµα Β=παράµετρος που υποβαθµίζει το τρόφιµο π.χ. ανεπιθύµητο άρωµα, χρώµα, µικροβιακό φορτίο Οι σχέσεις αυτές µπορούν να προκύψουν από την (3) αν οι συγκεντρώσεις των Α j είναι σε στοιχοιοµετρική αναλογία και m=σn j ή από την (5) για k f >>k b ή [C] και [D] αµελητέες. Tα k, k' (φαινόµενες σταθερές ρυθµού αντίδρασης) και τα m, m' (φαινόµενες τάξεις των αντιδράσεων) προσδιορίζονται πειραµατικά µε δύο τρόπους: 1) ιαφορικές µέθοδοι : Στην κινητική µελέτη των συστηµάτων των τροφίµων δεν είναι δυνατόν να υπολογιστεί πειραµατικά ο ρυθµός της αντίδρασης για αυτό µετρώνται οι συγκεντρώσεις των Α, Β (άµεσα ή έµµεσα) ως συνάρτηση του χρόνου. Με γραφική ή µε κάποια στατιστική µέθοδο προσαρµογής των καµπύλων που προκύπτουν απο τα παραπάνω δεδοµένα (π.χ. γραµµική ή πολυωνυµική προσαρµογή) είναι δυνατόν να υπολογιστούν γραφικά ή αναλυτικά οι ρυθµοί των αντιδράσεων. Αν λογαριθµήσουµε τις εξισώσεις (6), (7) παίρνουµε τις παρακάτω γραµµικές σχέσεις: log r Α = log k + m log [A] (8) log r Β = log k' + m' log [B] (9) Με γραµµική προσαρµογή των δεδοµένων, χρησιµοποιώντας τη µέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων για τις παραπάνω εξισώσεις, είναι δυνατόν να υπολογιστούν οι σταθερές k, k', m, m'. 2) Μέθοδοι µε ολοκλήρωση Στις µεθόδους ολοκλήρωσης, διαχωρίζονται οι µεταβλητές των εξισώσεων (6), (7) και ακολουθεί ολοκλήρωση. Για παράδειγµα για την εξίσωση (6) έχουµε: A d[a] = kt m [A] A0 (10) Η παραπάνω σχέση είναι της µορφής : Q(A) = kt (11) όπου το Q(Α) ορίζεται ως η συνάρτηση ποιότητας του τροφίµου. 71

Ανάλογα µε την τάξη της αντίδρασης προκύπτουν διαφορετικές συναρτήσεις ποιότητας για κάθε τρόφιµο, όπως φαίνεται στον παρακάτω Πίνακα 2.1. Περιλαµβάνεται επίσης στον πίνακα και ο χρόνος ηµιζωής, ο οποίος αντιπροσωπεύει το χρόνο στον οποίο η τιµή της συγκέντρωσης του δείκτη Α έχει µειωθεί στο µισό της αρχικής τιµής της. Πίνακας 2.1 : Εξισώσεις της ποιοτικής αλλοίωσης των τροφίµων και του χρόνου ηµιζωής τους για διαφορετικές τάξεις αντιδράσεων. Φαινόµενη τάξη αντίδρασης Συνάρτηση Ποιότητας Q(A) t Χρόνος ηµιζωής t 1/2 0 A o -A t A o /(2k o ) 1 ln(a o -A t ) ln2/k 1 2 1/A o -1/A t 1/(k 2 A o ) m (m 1) 1 1 m 1 m ( At A0 ) m 1 m 1 2 1 k (m 1) A m 1m o Στη µέθοδο µε ολοκλήρωση γίνεται ποσοτικός προσδιορισµός της τιµής του δείκτη Α, την οποία υπολογίζουµε µε κατάλληλες φυσικοχηµικές µεθόδους, σε τακτά χρονικά σηµεία και επιλέγουµε από τον πιο πάνω πίνακα, την εξίσωση που δίνει την καλύτερη στατιστική προσαρµογή στα πειραµατικά σηµεία (µέθοδοι ελαχίστων τετραγώνων). Ακολουθεί στατιστική ανάλυση του επιλεγµένου µοντέλου, όπου µας ενδιαφέρουν η διασπορά των µετρήσεων, ο συντελεστής συσχετίσεως και το διάστηµα εµπιστοσύνης της προσδιοριζόµενης παραµέτρου. Στα σχήµατα (2.2) και (2.3) φαίνεται ο τρόπος µε τον οποίο ο βαθµός µετατροπής της κρίσιµης παραµέτρου και η ακρίβεια ποσοτικού προσδιορισµού της, καθορίζουν την αποτελεσµατικότητα του προσδιοριζόµενου µοντέλου. Αναφερόµενοι στο σχήµα 2.2 πρέπει να επισηµανθεί ότι το τέλος της διατηρησιµότητας για πολλά τρόφιµα αντιστοιχεί σε απώλεια του δείκτη ποιότητας Α λιγότερο του 30% και ως εκ τούτου µικρή πρακτικά σηµασία θα είχε αν το φαινόµενο περιγραφεί µε µηδενική ή πρώτη τάξη. Όπως όµως είναι φανερό από το σχήµα 2.3, δεδοµένου ότι η ακρίβεια µέτρησης συνήθως κυµαίνεται στο 5%, η αντίδραση πρέπει να µετρηθεί τουλάχιστον µέχρι µετατροπής 50%, οπότε η διαφορά προσαρµογής των δύο µοντέλων είναι πλέον σηµαντική. 72

Σχήµα 2.2 : Απώλεια της ποιότητας του τροφίµου ως συνάρτηση του χρόνου, όπου παρουσιάζεται η διαφορά µεταξύ της αντίδρασης πρώτης και µηδενικής τάξης. Σχήµα 2.3 : Επίδραση του αναλυτικής ακρίβειας στο σφάλµα υπολογισµού της σταθεράς του ρυθµού αντίδρασης. 73

Τις περισσότερες αντιδράσεις αλλοίωσης που έχουµε µελετήσει και χρησιµοποιήσει για την ποσοτική περιγραφή της διατηρησιµότητας των τροφίµων τις χαρακτηρίζουµε ως µηδενικής ή πρώτης τάξης και φαίνονται στον πίνακα 2.2. Πίνακας 2.2 : Σηµαντικές συναρτήσεις ποιότητας που ακολουθούν µηδενικής και πρώτης τάξης κινητική. ΚΙΝΗΤΙΚΗ Αλλοίωση κατεψυγµένων 0 ης ΤΑΞΗΣ Μη ενζυµικό µαύρισµα Απώλεια βιταµινών ΚΙΝΗΤΙΚΗ Μικροβιακή µείωση/ανάπτυξη 1 ης ΤΑΞΗΣ Οξειδωτική απώλεια χρώµατος Απώλεια υφής κατά τη θερµική κατεργασία Πρέπει ακόµη να σηµειωθεί το γεγονός ότι συνήθως η κινητική µελέτη δεν αναφέρεται στον συχνά στον πολύπλοκο πραγµατικό µηχανισµό των αντιδράσεων, οπότε κάποια µεταβολή στη σύσταση του συστήµατος µπορεί να επηρεάσει το ρυθµό αντίδρασης του δείκτη ποιότητας χωρίς αυτό να µπορεί να προβλεφθεί. Γι' αυτό, η αναγωγή των αποτελεσµάτων σε σύστηµα διαφορετικής σύστασης πρέπει να γίνεται µε ιδιαίτερη προσοχή. Γι' αυτό είναι σκόπιµο, σε ορισµένα συστήµατα τροφίµων να µελετάται σε βάθος ο αληθινός µηχανισµός ορισµένων, καθοριστικών για την ποιότητα του τροφίµου, αντιδράσεων ώστε να µπορούν να µελετηθούν αλλαγές στη συστασή του. Τέτοια διερεύνηση γίνεται συνήθως σε µοντέλα συστήµατων, για αντιδράσεις ιδιαίτερης διατροφικής και τοξικολογικής σηµασίας παρά σε πραγµατικά τρόφιµα. 2.3. ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Ένα κινητικό µοντέλο που περιγράφει την απώλεια της διάρκειας ζωής ενός προϊόντος είναι χαρακτηριστικό για κάθε τρόφιµο, αλλά επηρεάζεται άµεσα και από περιβαλλοντικούς παράγοντες (π.χ. θερµοκρασία, σχετική υγρασία, ενεργότητα νερού, πίεση και µερική πίεση περιβαλλόντων αερίων), οι οποίοι θα πρέπει να λαµβάνονται υπ'όψην κατά τον σχεδιασµό του. Κατά την προηγούµενη ανάλυση θεωρήθηκε ότι οι περιβαλλοντικοί παράγοντες Ε j παραµένουν σταθεροί. Στην πραγµατικότητα όµως µεταβάλλονται συνεχώς και επηρεάζουν τους ρυθµούς των αντιδράσεων που συµβαίνουν µέσα σε ένα σύστηµα. Γι' αυτό το λόγο πρέπει να γενικευτούν τα µοντέλα, έτσι ώστε να περιλαµβάνουν ως µεταβλητές και τους περιβαλλοντικούς παράγοντες που επιδρούν ισχυρά στο ρυθµό αντίδρασης. Η επίδραση των παραµέτρων αυτών µπορεί να ενσωµατωθεί στα παραπάνω µοντέλα αν η σταθερά ρυθµού αντίδρασης της συνάρτησης ποιότητας εκφραστεί σαν συνάρτηση των παραµέτρων αυτών: k=k (Εj) (12) 74

Από τις παραπάνω παραµέτρους, εκείνη η οποία ελέγχεται λιγότερο από τη συσκευασία, καθορίζεται αποκλειστικά από τις συνθήκες αποθήκευσης και έχει σηµαντική επίδραση στο k είναι η θερµοκρασία. Επίδραση της θερµοκρασίας Η αύξηση της θερµοκρασίας έχει σαν αποτέλεσµα την αύξηση στο ρυθµό των αντιδράσεων. Η επίδραση αυτή εξηγείται από την σχέση του Arrhenius : E A k= ka exp (13) RT E lnk= lnk A A R 1 (14) T όπου: k: η σταθερά του ρυθµού της αντιδράσεως, k A: συντελεστής Arrhenius ή σταθερά Arrhenius, Ε Α: ενέργεια ενεργοποιήσης σε cal/mol, R: η παγκόσµια σταθερά των αερίων (1,9872 cal/mol), Τ: απόλυτη θερµοκρασία σε Κ Μέθοδοι προσδιορισµού παραµέτρων Arrhenius: Από την σχέση (14), γνωρίζοντας τις τιµές των k σε διαφορετικές θερµοκρασίες (min 3, optimum 5 ή 6), µε απεικόνιση του lnk ως προς το 1/Τ θα πάρουµε ευθεία µε κλίση -ΕΑ/R (σχήµα 2.3). ln k 7 6 5 4 3 2 1 0 0.0032 0.0033 0.0034 0.0035 0.0036 0.0037 1/T ln k 7 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Te m pe rature ( C) Σχήµα 2.4 : (α) Τυπικό διάγραµµα Arrhenius της απεικόνιση του lnk συναρτήσει του 1/Τ και (β) γραφική απεικόνιση του lnk µε τη θερµοκρασία Με την εφαρµογή αριθµητικών µεθόδων προσαρµογής (στατιστική ανάλυση) προσδιορίζονται οι παράµετροι της σχέσης του Arrhenius µε ακρίβεια 95%. Αν όµως διαθέτουµε τρείς µόνο τιµές του k, το διάστηµα εµπιστοσύνης είναι συνήθως πολύ µεγάλο. Γι' αυτό, προκειµένου να ληφθούν αξιόπιστες εκτιµήσεις των ΕΑ και ka απαιτούνται δεδοµένα σε περισσότερες θερµοκρασίες. Μια εκτίµηση του βέλτιστου αριθµού πειραµάτων που δίνει αξιόπιστα αποτελέσµατα ήταν 5 ή 6 θερµοκρασίες. Όταν τα πειραµατικά σηµεία περιορίζονται σε τρείς µόνο θερµοκρασίες, τότε συµπεριλαµβάνοντας και τα άνω και κάτω όρια εµπιστοσύνης κάθε 75

σηµείου στην γραµµική προσαρµογή ή µε τη µέθοδο σηµείου προς σηµείο (point by point), µπορεί κανείς να υπολογίσει τις παραµέτρους της σχέσης του Arrhenius µε µικρότερα διαστήµατα εµπιστοσύνης. Εναλλακτικά, ο υπολογισµός του k χρησιµοποιώντας πολυβάθµια γραµµική προσαρµογή των συγκεντρώσεων A ως προς το χρόνο σε όλες τις εξεταζόµενες θερµοκρασίες, περιορίζει την ανάγκη υπολογισµού ξεχωριστά του Αο για καθε πείραµα, οπότε και αυξάνονται οι βαθµοί ελευθερίας, µε αποτέλεσµα να υπολογίζεται µε µεγαλύτερη ακρίβεια το k σε κάθε θερµοκρασία Εφόσον επίσης ακολουθείται από γραµµική προσαρµογή του lnk ως προς το 1/Τ, έχουµε τότε µια µέθοδο δύο σταδίων. Επίσης, είναι δυνατόν να γίνει και ανάλυση σε ένα στάδιο, χρησιµοποιώντας στατιστικές µεθόδους µη γραµµικής παλινδρόµησης στην εξίσωση που προκύπτει απο την αντικατάσταση της (13) στις συναρτήσεις ποιότητας του πίνακα 2.1. Για παράδειγµα για πρώτης τάξης συνάρτηση ποιότητας προκύπτει η ακόλουθη εξίσωση: A A exp[ k exp(- E A = RT )t] 0 A (15) Η παραπάνω εξίσωση έχει ως µεταβλητές τόσο το χρόνο όσο και τη θερµοκρασία και µε µη γραµµική προσαρµογή υπολογίζονται τα Α 0, k A, E A. Τα πειραµατικά δεδοµένα που χρησιµοποιούνται είναι συγκεντρώσεις των δεικτών ποιότητας ως προς το χρόνο, για όλες τις εξεταζόµενες θερµοκρασίες µε αποτέλεσµα να αυξάνονται οι βαθµοί ελευθερίας και να λαµβάνονται στενότερα διαστήµατα εµπιστοσύνης για τα υπολογιζόµενα µεγέθη. Τα µειονεκτήµατα αυτής της µεθόδου εκτός απο την πολυπλοκότητα της εφαρµογής της είναι ότι απαιτεί προηγούµενη γνώση της τάξης αντίδρασης και δεν επιτρέπει την εύκολη αναγνώριση των ακραίων τιµών που οφείλονται σε πειραµατικά σφάλµατα και θα έπρεπε να εξαιρεθούν. Ένας άλλος εναλλακτικός τρόπος έκφρασης της επίδρασης της θερµοκρασίας στη διατηρησιµότητα, πολύ συνήθης στην παλαιότερη βιβλιογραφία και στη βιοµηχανία είναι ο όρος Q 10. Το Q 10 ορίζεται ως ο λόγος της σταθεράς του ρυθµού αντίδρασης σε δυο θερµοκρασίες που διαφέρουν κατα 10 βαθµούς Κ ή C. Ακόµα το Q 10 εναλλακτικά ορίζεται και ως η µεταβολή στο χρόνο ζωής ενός προϊόντος, θ s, δηλ. ο χρόνος στον οποίο οι δείκτες ποιότητας Α και Β φτάνουν σε µη αποδεκτά όρια, όταν το τρόφιµο αποθηκεύεται σε θερµοκρασία κατα 10 βαθµούς υψηλότερη. Q 10 kt ( + 10) ϑ s ( T) = = kt ( ) ϑ ( T + 10) ηλαδή το Q 10 εισάγει την παρακάτω εξίσωση εξάρτησης της θερµοκρασίας: k(t) = k o e bt ή lnk = lnk o + bt (17) s δηλ. η γραφική απεικόνιση του lnk µε τη θερµοκρασία (σε αντίθεση µε το 1/Τ στην εξίσωση του Arrhenius) µας δίνει ευθεία (Σχ. 2.4(β)). Αντίστοιχα και η απεικόνιση του lnθ s µε τη θερµοκρασία. Αυτές οι γραφικές παραστάσεις ονοµάζονται διάγραµµα της διάρκειας ζωής (shelf-life plot). Το Q 10 και το b δίνονται συναρτήσει της ενέργειας ενεργοποίησης της αντίδρασης που καθορίζει την ποιοτική υποβάθµιση του τροφίµου από την παρακάτω σχέση : (16) 76

ln Q = b= 10 10 E A 10 R T( T+ 10) (18) Η εξάρτηση του Q 10 από τη θερµοκρασία γίνεται πιο έντονη όσο πιο µεγάλη είναι η ευαισθησία της αντίδρασης ως προς τη θερµοκρασία. Πίνακας 2.3 : Εξάρτηση του Q 10 από την θερµοκρασία και το Ε Α Ε Α kcal/mol Q 10 στους 5 C Q 10 στους 20 C Q 10 στους 40 C 10 1.87 1.76 1.64 20 3.51 3.10 2.70 30 6.58 5.47 4.45 Αποκλίσεις από τη συµπεριφορά κατά Arrhenius 1. Σε ορισµένες περιπτώσεις, την ποιότητα του τροφίµου την επηρεάζουν περισσότερες απο µία αντιδράσεις. Όταν αυτές οι αντιδράσεις (π.χ. µη ενζυµατικό µαύρισµα, αυτοξείδωση λιπαρών) έχουν διαφορετική θερµοκρασιακή συµπεριφορά (διαφορετική Ε Α ) επηρεάζουν την ολική ποιότητα ανάλογα µε το θερµοκρασιακό εύρος σε άλλο βαθµό, µε αποτέλεσµα η συνάρτηση της τελευταίας µε τη θερµοκρασία να αποκλίνει από τη σχέση Arrhenius. Για παράδειγµα, αν η ποιότητα του τροφίµου εξαρτάται απο δύο κυρίως αντιδράσεις τότε η γραφική απεικόνιση της µεταβολής της µε το 1/Τ θα έχει διαφορετική κλίση σε κάθε µια απο τις διαφορετικές θερµοκρασιακές περιοχές όπως φαίνεται και στο Σχήµα 2.5 Σχήµα 2.5 : Τυπική θερµοκρασιακή εξάρτηση της ποιότητας τροφίµου απο τη θερµοκρασία όταν αυτή επηρεάζεται απο δυο αντιδράσεις µε διαφορετική Ε Α. 2. Επίσης έχουµε αποκλίσεις από τη συµπεριφορά Arrhenius από µεταβολές στη φυσική κατάσταση του τροφίµου π.χ. στα κατεψυγµένα τρόφιµα στη περιοχή απόψυξης-κατάψυξης, αλλαγή στη κρυσταλλική δοµή των υδατανθράκων, ρευστοποίηση λιπαρών κ.λ.π., όπως φαίνεται και στο παρακάτω Σχήµα 2.6 77

Σχήµα 2.6 : Αποκλίσεις από τη συµπεριφορά κατά Arrhenius για κατεψυγµένα τρόφιµα. 3. Στις ενζυµατικές και µικροβιολογικές αντιδράσεις ο ρυθµός των αντιδράσεων παρουσιάζει θερµοκρασιακό µέγιστο κάτω και άνω του οποίου ακολουθείται συµπεριφορά Arrhenius. Αυτό παρουσιάζεται στο παρακάτω Σχήµα 2.7 Σχήµα 2.7 : Τυπική καµπύλη θεµοκρασιακής εξάρτησης του ρυθµού σε ενζυµικές και µικροβιολογικές αντιδράσεις. 78

Επίδραση της ενεργότητας του νερού (a w ) Η περιεχόµενη υγρασία και η ενεργότητα του νερού στα τρόφιµα είναι οι αµέσως πιο σηµαντικοί περιβαλλοντικοί παράγοντες µετά τη θερµοκρασία που επιδρούν στο ρυθµό των αντιδράσεων που καθορίζουν την ποιοτική υποβάθµιση του τροφίµου. Η ενεργότητα του νερού είναι ένα µέτρο της διαθεσιµότητας του νερού στα διάφορα τρόφιµα. ηλαδή περιγράφει το πόσο ισχυρά συγκρατείται µέσα στο τρόφιµο και σε ποιό ποσοστό είναι διαθέσιµο να συµπεριφερθεί ως διαλύτης ή να λάβει µέρος σε χηµικές δράσεις. Ως κρίσιµα όρια του aw λαµβάνονται εκείνα πάνω απο τα οποία παρατηρούνται ανεπιθύµητες µεταβολές στα τρόφιµα σε σχέση µε την ασφάλεια και τη ποιότητα τους. Ο έλεγχος του aw αποτελεί βασικό παράγοντα για τη διατήρηση των ξηρών και µέσης υγρασίας τροφίµων (IMF). Από άποψη ασφάλειας ενδιαφερόµαστε για την ανάπτυξη µικροοργανισµών. Η ικανότητα ανάπτυξής τους σε συγκεκριµένο περιβάλλον εξαρτάται απο το συνδυασµό αλληλεπιδράσεων πλήθους παραγόντων όπως: aw, ph, θερµοκρασία, κ.λ.π. Για δεδοµένες τιµές των άλλων παραγόντων, µπορούµε να καθορίσουµε ελάχιστη aw για την ανάπτυξη συγκεκριµένων µικροοργανισµών. Το κρίσιµο όριο παθογένεσης στα τρόφιµα ορίζεται σε ενεργότητα aw 0.84-0.85 (το πιο ανθεκτικό παθογόνο βακτήριο είναι το Staphylococcus aureus ). Η υφή και η ποιότητα του τροφίµου επηρεάζεται σηµαντικά απο την περιεκτικότητα σε υγρασία και aw. Τα ξηρά τρόφιµα όπως τσίπς, ποπ-κόρν, κράκερς και κορν φλείκς χάνουν τη τραγανότητά τους όταν αυξάνεται η περιεχόµενη υγρασία τους συνήθως σε διάστηµα aw απο 0.35 έως 0.5. Τρόφιµα µέσης υγρασίας όπως αποξηραµένα φρούτα, ζωοτροφές, προϊόντα αρτοποιίας και ζαχαροπλαστικής, χάνοντας υγρασία σε διάστηµα aw µεταξύ 0.5-0.7, γίνονται πολύ σκληρά. Ένα άλλο σηµαντικό πρόβληµα εµφανίζεται στα τρόφιµα που περιέχουν άµορφα ζάκχαρα όταν η aw αυξάνει πάνω απο 0.35 µε 0.4, οπότε τα άµορφα ζάχαρα ανακρυσταλλώνονται απελευθερώνοντας νερό µε επιπτώσεις στη ποιότητα και την υφή του τροφίµου. Εκτός απο τα συγκεκριµένα κρίσιµα όρια του aw, η ενεργότητα του νερού επιδρά και και στις χηµικές δράσεις. Η επίδραση αυτή παίζει καθοριστικό ρόλο στη διατηρησιµότητα των ξηρών και µέσης υγρασίας τροφίµων. Γενικά, η ιδιότητα του νερού να συµπεριφέρεται ως διαλύτης και να παίρνει µέρος σε διάφορα χηµικά φαινόµενα, αυξάνεται αυξανοµένης της τιµής της aw. H επίδραση αυτή οφειλεται στο γεγονός οτι το νερό που αντιστοιχεί στη περιοχή του µονοµοριακού στρώµατος είναι ισχυρά δεσµευµένο και δεν είναι ικανό να λάβει µέρος σε δράσεις που υποβαθµίζουν το τρόφιµο ή ο ρυθµός των δράσεων αυτών είναι τόσο µικρός ώστε να θεωρείται αµελητέα η επιδραση του νερού στη σταθερότητα του τροφίµου. Ακριβώς πάνω απο το µονοµοριακό στρώµα νερού ΒΕΤ αρχίζει η διάλυση των αντιδρώντων µε αποτέλεσµα την κίνηση τους που συνοδεύεται απο µικρή επιτάχυνση του ρυθµόυ πολλών αντιδράσεων. Αυξανοµένης της τιµής aw πάνω απο την τιµή που αντιστοιχεί στο µονοµοριακό στρώµα νερού έχουµε την εκθετική αύξηση του ρυθµού πολλών αντιδράσεων που επιδρούν στη διατηρησιµότητα των τροφίµων. Εµπειρικά στην περιοχή τιµών aw ( 0,2-0,9 ) έχουµε σε πολλές αντιδράσεις διπλασιασµό του ρυθµού αντίδρασης για κάθε αύξηση της ενεργότητας κατά 0,1. Οι περισσότερες αντιδράσεις παρουσιάζουν ελάχιστους ρυθµούς ακριβώς στο όριο του µονοµοριακού στρώµατος, ενώ ειδικά η οξείδωση των λιπαρών παρουσιάζει ελάχιστο ρυθµό 79

στη περιοχή του µονοµοριακού στρώµατος και αυξανόµενους ρυθµούς τόσο πρίν όσο και µετά απο αυτό. Έχουν διατυπωθεί διάφορες προσεγγίσεις εξήγησης της επίδρασης της ενεργότητας νερού aw στη διατηρησιµότητα των τροφίµων. Η περιεχόµενη υγρασία και η ενεργότητα του νερού µπορούν να επιδράσουν στις κινητικές παραµέτρους των συναρτήσεων ποιότητας (ka, EA), στις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων σωµάτων και σε µερικές περιπτώσεις ακόµα και στη φαινόµενη τάξη αντίδρασης, m. Ο προεκθετικός παράγοντας ή σταθερά Arrhenius ka ταυτίζεται µε τη πιθανότητα ή τη συχνότητα των ενεργών συγκρούσεων που οδηγούν στη διάσπαση των ενεγροποιηµένων µοριών σε µια αντίδραση. Αυτό σηµαίνει οτι το ka είναι αντιστόφως ανάλογο της πυκνότητας της υδατικής φάσης. Αν µειωµένης της ενεργότητας νερού αυξάνεται η πυκνότητα, καθώς το νερό δεσµευέται ισχυρότερα, θα αναµένονταν το ka αλλά και η συνολική σταθερά του ρυθµού αντίδρασης να µειώνεται. Μεταβολή όµως της ενεργότητας νερού ίσως να επηρεάζει και την ενέργεια ενεργοποίησης EA, εφόσον αυτή αποτελεί συνάρτηση των θερµοδυναµικών σταθερών κάθε αντίδρασης. Επίδραση άλλων παραγόντων Για να εκφραστεί η επίδραση των διαφόρων παραγόντων σε µια απλή µαθηµατική σχέση, η αρχή της συνάρτησης ποιότητας µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε µια πιο γενική προσέγγιση. Αν υποθέσουµε ότι η ποιότητα ενός τροφίµου εξαρτάται από i διαφορετικούς παράγοντες Α i, τότε: Q ( A ) i i = k t (19) i Η σταθερά του ρυθµού k i για κάθε ένα παράγοντα ποιότητας είναι συνάρτηση διαφόρων παραγόντων: k = f ( Ta,, ph, P, P...) i i w O CO 2 2 (20) οι τιµές των οποίων είναι µε τη σειρά τους εξαρτώµενες από το χρόνο. Η σταθερά ρυθµού είναι εποµένως επίσης µια συνάρτηση του χρόνου, ki = ki(). t Στην περίπτωση αυτή, η τιµή της συνάρτησης ποιότητας σε µια δεδοµένη χρονική στιγµή δίνεται από την έκφραση: Q( i Ai) = kidt 0 t (21) 80

Αν η ελάχιστη αποδεκτή τιµή για την παράµετρο ποιότητας Α i είναι γνωστή (Α m ), τότε το αναλωθέν (Φ ci ) και το υπολειπόµενο (Φ ri ) ποσοστό διατηρησιµότητας σε χρόνο t, ορίζονται ως εξής: Q ( A ) Q ( A ) = ( ) ( ) i i i 0 Φ c i Qi Am Qi A0 Qi( Am) Qi( Ai) και Φ r = i Q ( A ) Q ( A ) i m i 0 (23) (24) Η εναποµένουσα διάρκεια ζωής του τροφίµου σε µια θερµοκρασία Τ υπολογίζεται από την έκφραση: ϑ r r i = min[ Φ / k ] (25) i 2.4. ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΑΡΧΩΝ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΑΛΛΟΙΩΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΚΑΙ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΤΗΣ ΙΑΤΗΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Μέθοδος επιταχυνόµενου ελέγχου διατηρησιµότητας (ΜΕΕ ) (A.S.L.T.: Accelerated shelf life testing). Η διατηρησιµότητα και η διάρκεια ζωής ενός προϊόντος εξαρτάται, όπως αναπτύχθηκε παραπάνω, από ένα πλήθος παραγόντων όπως είναι η σύστασή του, η επεξεργασία του, η συσκευασία και εξωγενείς παράγοντες, µε σηµαντικότερο τη θερµοκρασία. Με βάση τις αρχές της κινητικής, όπως περιγράφτηκαν παραπάνω, µπορεί να προβλεφτεί η διάρκεια ζωής ενός προϊόντος χωρίς τον άµεσο πειραµατικό προσδιορισµό της, µε τη µέθοδο επιταχυνόµενου ελέγχου της διατηρησιµότητας (ΜΕΕ ). Η µέθοδος επιταχυνόµενου ελέγχου της διατηρησιµότητας (ΜΕΕ ) χρησιµοποιεί εκτιµήσεις της διάρκειας ζωης του τροφίµου σε πειράµατα που γίνονται σε υψηλές θερµοκρασίες και στη συνέχεια τα αποτελέσµατα προεκβάλονται σε συνήθεις συνθήκες αποθήκευσης µε τη χρήση της σχέσης του Arrhenius. Η χρήση αυτής της µεθόδου επιτυγχάνει σύντµηση του χρόνου των δοκιµών και είναι ιδαίτερα χρήσιµη για προϊόντα µακράς διατηρησιµότητας (µήνες ή έτη). Τα βασικά βήµατα που ακολουθούνται στη ΜΕΕ είναι τα παρακάτω : 81

1. Προσδιορισµός των παραµέτρων που προσδιορίζουν την ποιότητα και την ασφαλή απο µικροβιολογικής άποψης κατανάλωση του προϊόντος. 2. Προσδιορισµό των αντιδράσεων που επιδρούν άµεσα στη ποιότητα του τροφίµου και άρα στο χρόνο ζωής του, ο οποίος γίνεται µετά από εκτενή µελέτη των συστατικών του τροφίµου, της επεξεργασίας του και των συνθηκών αποθήκευσής του. Είναι απαραίτητη η αναδροµή σε βιβλιογραφικά δεδοµένα. 3. Επιλογή του υλικού συσκευασίας. Τα κατεψυγµένα και κoνσερβοποιηµένα τρόφιµα µπορούν να συσκευάζονται κατ'ευθείαν στη τελική τους συσκευασία. Τα ξηρά τρόφιµα πρέπει να αποθηκεύονται σε αεροστεγή γυάλινα δοχεία ή σε µη διαπερατά φάκελλα στις επιθυµητές συνθήκες υγρασίας και aw. 4. Επιλέγονται οι θερµοκρασίες του πειράµατος (τουλάχιστον δύο). Οι πιο συνήθεις επιλογές είναι οι εξής, όπως φαίνεται στον πιο κάτω Πίνακα 2.6. Πίνακας 2.6 Τύπος Προϊόντος Θερµοκρασίες πειράµατος ( o C) είγµα αναφοράς ( o C) Κονσερβοποιηµένο 25, 30, 35, 40 4 Ξηρό, αφυδατωµένο 25, 30, 35, 40, 45-18 Ψυγείου 5, 10, 15, 20 0 Κατεψυγµένο -5, -10, -15 < -40 5. Γνωρίζοντας τον επιθυµητό χρόνο ζωής του προϊόντος στις ακραίες συνθήκες θεµοκρασίας και βασιζόµενοι σε βιβλιογραφικά στοιχεία για το Q 10 υπολογίζουµε τον απαραίτητο χρόνο παραµονής του προϊόντος σε κάθε µια απο τις επιλεγόµενες θερµοκρασίες. Αν δεν υπάρχουν πληροφορίες για το Q 10 απαιτούνται περισσότερες απο δύο θερµοκρασίες. 6. Αποφασίζεται το είδος και η συχνότητα των ελέγχων που θα χρησιµοποιηθούν για κάθε θερµοκρασία. Χρησιµοποιώντας δεδοµένα σε µεγαλύτερη θερµοκρασία µπορεί να υπολογίσει κανείς την ελάχιστη συχνότητα των ελέγχων (µετρήσεων) σε κάθε θερµοκρασία σύµφωνα µε τη παρακάτω σχέση: f = f Q T10 / 2 1 10 (26) όπου: f 1 : ο χρόνος µεταξύ των ελέγχων (π.χ. µέρες ή εβδοµάδες) στη µέγιστη θερµοκρασία Τ 1, f 2 : ο χρόνος µεταξύ σηµείων σε χαµηλότερη θερµοκρασία Τ 2 και Τ: η διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ του Τ 1 και Τ 2 σε βαθµούς Κελσίου. Για παράδειγµα εάν ένα κονσερβοποιηµένο προϊόν διατηρείται στους 45 C και ελέγχεται ανά εβδοµάδα, τότε στους 40 C ( Τ=5) µε Q 10 =3, το προϊόν θα πρέπει να ελέγχεται τουλάχιστον 82

κάθε 1.73 εβδοµάδες. Είναι βέβαια προτιµότερο να γίνονται συχνότερα οι έλεγχοι ειδικά αν δεν είναι µε ακρίβεια γνωστό το Q 10. Mεγάλα χρονικά διαστήµατα µεταξύ των πειραµατικών σηµείων µπορεί να έχουν ως αποτέλεσµα τον µη ακριβή προσδιορισµό της διάρκειας ζωής. Πρέπει να λαµβάνονται τουλάχιστον έξι πειραµατικά σηµεία σε κάθε θερµοκρασία, ώστε να µειωθούν στο ελάχιστο τα σφάλµατα. ιαφορετικά µειώνεται πολύ ο βαθµός βεβαιότητας της διάρκειας ζωής t s. 7. Tα δεδοµένα τοποθετούνται σε διάγραµµα ώστε να µπορεί να προσδιοριστεί η τάξη του αντιδρώντος συστήµατος και να εκτιµηθεί αν πρέπει να αυξηθεί ή να µειωθεί ο αριθµός των ελέγχων. Συνίσταται να αποφεύγεται αυτό που συχνά παρατηρείται, να εξετάζονται δηλαδή τα δεδοµένα, αφού έχει τελειώσει η πειραµατική διαδικασία, οπότε διαπιστώνεται ότι έπρεπε να έχουν γίνει νωρίτερα αλλαγές στον προγραµµατισµό του πειράµατος. 8. Για τα πειραµατικά δεδοµένα κάθε θερµοκρασίας προσδιορίζεται η τάξη και το k του συστήµατος, κατασκευάζεται το διάγραµµα Arrhenius, και εκτιµάται η διάρκεια ζωής του προϊόντος στις πραγµατικές συνθήκες αποθήκευσης. Πολλές φορές συνηθίζεται σε ερευνητικά εργαστήρια να τοποθετείται το προϊόν και στην πραγµατική θερµοκρασία ώστε να διαπιστωθεί η ακρίβεια των υπολογισµών. Βέβαια αυτό δεν συνηθίζεται στη βιοµηχανία, γιατί είναι τόσο χρονικά όσο και οικονοµικά ασύµφορο. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Taoukis, P. and Labuza, T. P. Summary: Integrative Concepts (Shelf-life testing and modelling). In: "FOOD CHEMISTRY", 3rd Edition, O. Fennema (editor), Marcel Dekker, New York, Chapter 17, pp.1013-1042, 1996. Taoukis, P.S., Labuza, T. P. and Saguy, I. Kinetics of Food Deterioration and Shelf-Life prediction. In: "THE HANDBOOK OF FOOD ENGINEERING PRACTICE", K.J. Valentas, E. Rotstein, R. P. Singh (ed.), CRC Press, Chapter 10, p.361-403, 1997. Taoukis PS, Giannakourou MC. Temperature and food stability: analysis and control. In: Understanding and measuring the shelf-life of food, R. Steele (ed), Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, England and CRC Press LLC, Boca Raton FL, USA, Ch. 3, p. 42-68, 2004. 83