Κινητική μελέτη έξυπνης συσκευασίας με εφαρμογή ενζυμικών και φωτοχημικών χρονο-θερμοκρασιακών ολοκληρωτών ΤΤΙ για τον έλεγχο της ψυκτικής αλυσίδας βόειου κιμά - Πολεμαρχάκη, Μαρία (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Τροφίμων, 2016)
Η σωστή διαχείριση της ψυκτικής αλυσίδας αποτελεί βασική προϋπόθεση για τη διασφάλιση της ποιότητας των τροφίμων. Ωστόσο, η ψυκτική αλυσίδα των τροφίμων χαρακτηρίζεται από μεγάλες απώλειες ποιότητας, κυρίως λόγω σημαντικών αποκλίσεων από τις προδιαγραφές της θερμοκρασίας. Με τη θερμοκρασία να αποτελεί τον κυριότερο παράγοντα που καθορίζει το ρυθμό υποβάθμισης ενός τροφίμου, ένα αποτελεσματικό σύστημα διασφάλισης της ποιότητας και της ασφάλειας, όπως αυτό ορίζεται από τις αρχές της Ορθής Βιομηχανικής Πρακτικής και Ορθής Υγιεινής Πρακτικής, καθιστά ως κεντρικό στόχο την καταγραφή και τον έλεγχο της κρίσιμης αυτής παραμέτρου σε όλη την αλυσίδα. Πρακτική λύση θα αποτελούσαν οι Χρονο- θερμοκρασιακοί Δείκτες ή Ολοκληρωτές TTI (Time Temperature Indicators or Indegrators), οι οποίοι είναι ένα πρωτοποριακό σύστημα επισήμανσης των τροφίμων. Έχουν τη μορφή μιας «ζωντανής», χαμηλού κόστους αυτοκόλλητης ετικέτας ή αποτελούν μέρος της ίδιας της συσκευασίας του τροφίμου (έξυπνη συσκευασία). Παρακολουθούν το χρονο-θερμοκρασιακό ιστορικό των τροφίμων, σε όλη τη διάρκεια της πορείας τους από το σημείο παραγωγής, τις ενδιάμεσες φάσεις διανομής μέχρι τον τελικό καταναλωτή και μπορούν να χρησιμοποιηθούν επικουρικά της ημερομηνίας ανάλωσης, ως «δυναμική» ημερομηνία λήξης. Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας ήταν η κινητική μελέτη της απόκρισης ενζυμικών και φωτοχημικών ΤΤΙ και η επιλογή των κατάλληλων δεικτών για την παρακολούθηση της ποιότητας προϊόντων φρέσκου βόειου κιμά με σκοπό την εφαρμογή τους στη διαχείριση της ψυκτικής αλυσίδας. Συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος της παρούσας διπλωματικής εργασίας, πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη διαφόρων ενζυμικών και φωτοχημικών ΤΤΙ σε θερμοκρασίες ψύξης (0, 5, 10, 15 οC) και κατάψυξης (-5, -8, -9, -10, -12, -15 οC) και προσδιορίστηκαν οι συναρτήσεις απόκρισης και τα κινητικά χαρακτηριστικά των δεικτών αυτών. Η λειτουργία των ενζυμικών δεικτών στηρίζεται σε μια αντίδραση ενζύμου-υποστρώματος, σταθερή με την πάροδο του χρόνου σε μια σταθερή θερμοκρασία. Η αντίδραση αυτή παρατηρείται οπτικά ως αλλαγή χρώματος, από πράσινο χρώμα κατά την ενεργοποίηση του, με σταδιακή αλλαγή σε κίτρινο και τελικά κόκκινο χρώμα κατά τη λήξη του ΤΤΙ. Οι φωτοχημικοί δείκτες που μελετήθηκαν ενεργοποιούνται ύστερα από έκθεσή τους στην υπεριώδη ακτινοβολία για συγκεκριμένο χρόνο και αποκτούν έντονο μπλε χρώμα, το οποίο σταδιακά φθίνει με χρονο-θερμοκρασιακά εξαρτώμενο ρυθμό έως ότου γίνει ανοιχτό γκρι. Οι ενζυμικοί δείκτες που μελετήθηκαν ήταν τύπου Μ (ένζυμο: παγκρεατική λιπάση, υπόστρωμα: μυριστικό μεθυλεστέρα), ενώ οι φωτοχημικοί δείκτες ήταν τύπου On-Vu B1, B1_Snowflake και BL. Μετά την κινητική μελέτη των χρονο-θερμοκρασιακών δεικτών, έγινε ανάπτυξη των συνολικών μαθηματικών μοντέλων απόκρισης των ενζυμικών και φωτοχημικών ΤΤΙ και ακολούθως μελετήθηκε η αξιοπιστία τους. Το μαθηματικό μοντέλο των ενζυμικών ΤΤΙ περιγράφει την εξάρτηση της απόκρισης των ΤΤΙ από τη θερμοκρασία, το χρόνο και τη συγκέντρωση του ενζύμου του ΤΤΙ, ενώ το μαθηματικό μοντέλο των φωτοχημικών ΤΤΙ περιγράφει την εξάρτηση της απόκρισης αυτών από το χρόνο και τη θερμοκρασία αποθήκευσης καθώς και από τον αρχικό χρόνο έκθεσης του ΤΤΙ στην υπεριώδη ακτινοβολία (tc), κατά την ενεργοποίησή τους. Η ενέργεια ενεργοποίησης EA υπολογίστηκε 102kJ/mol για τα ενζυμικά ΤΤΙ, και για τους διάφορους τύπους φωτοχημικών ΤΤΙ κυμαίνεται από 147.8kJ/mol έως 158.7kJ/mol. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκε μελέτη της μικροβιολογικής ανάπτυξης σε προϊόντα φρέσκου βόειου κιμά, συσκευασμένα υπό τροποποιημένη ατμόσφαιρα ΜΑΡ (80%O2, 8%CO2, 12%N2), με απώτερο σκοπό την επιλογή κατάλληλων δεικτών για την παρακολούθηση της ποιότητας του τροφίμου αυτού στην ψυκτική αλυσίδα. Στο κομμάτι αυτό, πραγματοποιήθηκαν 2 σειρές πειραμάτων, στις οποίες μελετήθηκαν η μικροβιακή αλλοίωση, η μεταβολή του pH, του χρώματος και της αέριας σύστασης, ενώ πραγματοποιήθηκε και οργανοληπτική αξιολόγηση. Στην πρώτη σειρά πειραμάτων έγινε μελέτη της διατηρησιμότητας προϊόντων φρέσκου βόειου κιμά, δύο διαφορετικών προελεύσεων (Γαλλίας και Βελγίου) συσκευασμένου υπό συνθήκες ΜΑΡ. Με επεξεργασία των αποτελεσμάτων αναπτύχθηκε και επαληθεύτηκε μαθηματικό μοντέλο πρόβλεψης της ανάπτυξης γαλακτικών βακτηρίων (κύριος αλλοιογόνος μικροοργανισμός) σε νωπό βόειο κιμά Βελγίου, δηλαδή μοντέλο πρόβλεψης της υποβάθμισης της ποιότητάς του. Η ενέργεια ενεργοποίησης ΕΑ υπολογίστηκε 104.1kJ/mol για θερμοκρασία αναφοράς 4 οC. Στη δεύτερη σειρά πειραμάτων πραγματοποιήθηκε μελέτη της επίδρασης της αναλογίας μάζας βόειου κιμά και της υπερκείμενης αέριας φάσης (headspace) της συσκευασίας στη διατηρησιμότητα προϊόντων φρέσκου βόειου κιμά. Παρατηρήθηκε ότι η αναλογία μάζας βόειου κιμά και υπερκείμενης αέριας φάσης δεν επιδρά σημαντικά στην ποιότητα του τροφίμου. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μελέτη για την εύρεση του κατάλληλου ΤΤΙ για την παρακολούθηση της ψυκτικής αλυσίδας προϊόντων φρέσκου βόειου κιμά. Αρχικά, προκειμένου να γίνει συσχέτιση των χρονο-θερμοκρασιακών δεικτών και του τροφίμου, συγκρίνονται οι ενέργειες ενεργοποίησής τους και οι χρόνοι ζωής τους, καθώς απαραίτητη προϋπόθεση είναι να έχουν παραπλήσιες τιμές. Έτσι, οι δείκτες που επιλέχθηκαν, επισυνάφθηκαν πάνω στη συσκευασία του τροφίμου και μελετήθηκαν ήταν ο ενζυμικός δείκτης Μ_37U και ο φωτοχημικός δείκτης B1-0.4s UV. Αφού πραγματοποιήθηκε συσχέτιση των πραγματικών εναπομείναντων χρόνων ζωής του φρέσκου βόειου κιμά (SLR (EXEPRIMENTAL)) με τους θεωρητικούς εναπομείναντες χρόνους ζωής σύμφωνα με την ένδειξη του ΤΤΙ (SLR (TTI)), επαληθεύτηκε ότι οι επιλεγμένοι δείκτες μπορούν να εφαρμοστούν με αξιοπιστία για την παρακολούθηση της ποιότητας φρέσκου βόειου κιμά στην ψυκτική αλυσίδα. Ταυτόχρονα, αξιολογήθηκε και επιβεβαιώθηκε η χρήση επιλεγμένων ΤΤΙ για το συγκεκριμένο τρόφιμο μέσα από προσομοίωση, χρησιμοποιώντας χρονο-θερμοκρασιακά δεδομένα από την πραγματική ψυκτική αλυσίδα φρέσκου βόειου κιμά.