Κινητική μελέτη απόκρισης ενζυμικών και μικροβιακών χρονοθερμοκρασιακών ολοκληρωτών ΤΤΙ και της διατηρησιμότηττας προϊόντων καπνιστής πέστροφας με εφαρμογή στη διαχείριση της ψυκτικής αλυσίδας - Ευαγγελοπούλου, Άννα-Μαρία (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Τροφίμων, 2017)
Η ψυκτική αλυσίδα των τροφίμων χαρακτηρίζεται από μεγάλες απώλειες ποιότητας λόγω σημαντικών αποκλίσεων από τις προδιαγραφές της θερμοκρασίας. Με τη θερμοκρασία να αποτελεί τη σημαντικότερη παράμετρο που επιδρά στο ρυθμό της ποιοτικής αλλοίωσης των τροφίμων, η σωστή διαχείριση της ψυκτικής αλυσίδας κρίνεται αναγκαία για τη διασφάλιση της ποιότητας ευαλλοίωτων προϊόντων, όπως οι ιχθύες, που πρέπει να διακινηθούν και να συντηρηθούν υπό ψύξη (δηλαδή ιδανικά στους 0οC έως 4οC). Ωστόσο, η αλληλουχία των θερμοκρασιακών συνθηκών στις οποίες εκτίθεται ένα τρόφιμο κατά τη διακίνησή του είναι δύσκολο να καταγραφούν, να παρακολουθηθούν και να ποσοτικοποιηθούν. Τη λύση στο πρόβλημα αυτό έρχονται να δώσουν οι Χρονοθερμοκρασιακοί Δείκτες ή Ολοκληρωτές (ΤΤΙ: Time Temperature Indicators or Integrators). Οι ΤΤΙ έχουν τη μορφή μίας χαμηλού κόστους αυτοκόλλητης ετικέτας πάνω στη συσκευασία του τροφίμου, η οποία με μια εύκολα μετρήσιμη οπτική απόκριση (π.χ. μεταβολή χρώματος) εξαρτώμενη από το χρόνο και τη θερμοκρασία, δείχνει το χρονοθερμοκρασιακό ιστορικό και την ποιοτική κατάσταση του τροφίμου που συνοδεύει. Πρόκειται για ένα έξυπνο σύστημα επισήμανσης των τροφίμων που μπορεί να χρησιμοποιηθεί επικουρικά της αμετάβλητης αναγραφόμενης ημερομηνίας ανάλωσης, ως μια «ζωντανή» ημερομηνία λήξης, που παρέχει τη δυνατότητα ελέγχου ενδεχόμενης θερμοκρασιακής κακομεταχείρισης του προϊόντος και κατ'επέκταση εντοπισμού και βελτίωσης των προβληματικών σημείων της ψυκτικής αλυσίδας. Σκοπό της συγκεκριμένης εργασίας αποτέλεσε η κινητική μελέτη της απόκρισης ενζυμικών και μικροβιακών τύπων ΤΤΙ, η μέλετη της διατηρησιμότητας συσκευασμένων υπό κενό καπνιστών φιλέτων πέστροφας και η επιλογή και αντιστοίχιση κατάλληλου χρονοθερμοκρασιακού ολοκληρωτή για τη βελτίωση της διαχείρισης της ποιότητας του τροφίμου στην ψυκτική αλυσίδα. Στο πρώτο μέρος της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη διαφόρων ενζυμικών και μικροβιακών ΤΤΙ σε θερμοκρασίες ψύξης (0-15oC) από όπου προσδιορίστηκαν οι συναρτήσεις απόκρισης και τα κινητικά τους χαρακτηριστικά, και ακολούθως ελέγχθηκε η αξιοπιστία τους σε συνθήκες που προσομοιάζουν τις θερμοκρασιακές διακυμάνσεις της ψυκτικής αλυσίδας. Η λειτουργία των ενζυμικών ΤΤΙ στηρίζεται σε μια ελεγχόμενη ενζυμική υδρόλυση υποστρώματος λιπιδίων. Στους ενζυμικούς δείκτες τύπου LP που μελετήθηκαν, το ένζυμο παγκρεατική λιπάση αντιδρούσε με υπόστρωμα τριλαουρίνης-τριπαλμιτίνης. Tα προϊόντα της αντίδρασης μείωναν το pH του διαλύματος στο δείκτη και η μείωση αυτή παρατηρούταν οπτικά ως αλλαγή χρώματος. Το αρχικό πράσινο χρώμα κατά την ενεργοποίηση του ΤΤΙ άλλαζε σταδιακά σε κίτρινο/πορτοκαλί και τελικά σε κόκκινο χρώμα κατά τη λήξη του ΤΤΙ. Το μικροβιακό ΤΤΙ στηρίζει την αρχή λειτουργίας του στην ανάπτυξη και τη μεταβολική δραστηριότητα ενός στελέχους του γαλακτικού βακτηρίου Lactobacillus sakei σε υπόστρωμα γλυκόζης. Η παραγωγή γαλακτικού οξέος από τον μικροοργανισμό προκαλούσε πτώση του pH και κατά συνέπεια μια εμφανή χρωματική μεταβολή ενός χημικού δείκτη, που επίσης περιλαμβανόταν στο σύστημα, από τον αρχικό ιώδη στον τελικό κίτρινο χρωματισμό. Μετά την κινητική μελέτη των χρονο-θερμοκρασιακών δεικτών, προσδιορίστηκαν τα συνολικά μαθηματικά μοντέλα απόκρισης των ενζυμικών και μικροβιακών ΤΤΙ. Το μαθηματικό μοντέλο των ενζυμικών ΤΤΙ περιγράφει την εξάρτηση της απόκρισής τους από τη θερμοκρασία συντήρησης, το χρόνο και τη συγκέντρωση του ενζύμου στο ΤΤΙ, ενώ το μαθηματικό μοντέλο των μικροβιακών ΤΤΙ περιγράφει την εξάρτηση της απόκρισης αυτών από το χρόνο, τη θερμοκρασία και το αρχικό επίπεδο εμβολίου του Lactobacillus sakei στο σύστημα του ΤΤΙ. Με βάση τα συνολικά μαθηματικά μοντέλα, η ενέργεια ενεργοποίησης ΕΑ εκτιμήθηκε για τα ενζυμικά ΤΤΙ τύπου LP σε 131.4 kJ/mol ενώ για τα μικροβιακά ΤΤΙ σε 105.5 kJ/mol. Στο δεύτερο μέρος της διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη των παραμέτρων ποιοτικής υποβάθμισης των καπνιστών φιλέτων ιριδίζουσας πέστροφας (Oncorhynchus mykiss) συσκευασμένων υπό κενό, τόσο σε ισοθερμοκρασιακές (0, 5 και 10oC) όσο και σε εναλλασσόμενες συνθήκες ψύξης. Στόχος ήταν η ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων πρόβλεψης της ποιοτικής τους υποβάθμισης, προκειμένου να αξιολογηθεί η εφαρμοσιμότητα των μοντέλων στην ψυκτική αλυσίδα. Ταυτόχρονα, για τον έλεγχο της αξιοπιστίας του ενζυμικού δείκτη τύπου LP για την παρακολούθηση της ψυκτικής αλυσίδας των καπνιστών φιλέτων πέστροφας πραγματοποιήθηκε επικόλληση ενζυμικών δεικτών διαφορετικών συγκεντρώσεων στη συσκευασία του τροφίμου. Ανά τακτά χρονικά διαστήματα διεξάγονταν μικροβιακή ανάλυση των δειγμάτων, προσδιορισμός pH, μέτρηση χρώματος, ανάλυση υφής, οργανοληπτική αξιολόγησή τους και μέτρηση τους χρώματος των επικολλημένων δεικτών. Ως δείκτες της ποιοτικής αλλοίωσης των καπνιστών φιλέτων πέστροφας συσκευασμένων υπό κενό, ορίστηκαν η ανάπτυξη των γαλακτικών βακτηρίων (αλλοιογόνος μικροοργανισμός) και η υποβάθμιση της συνολικής οργανοληπτικής εντύπωσης. Για τους δύο αυτούς δείκτες ποιότητας εφαρμόστηκε το μοντέλο Arrhenius από όπου προσδιορίστηκαν τα κινητικά τους χαρακτηριστικά. Η ενέργεια ενεργοποίησης ΕΑ για την ανάπτυξη των γαλακτικών βακτηρίων βρέθηκε ίση με 91 kJ/mol ενώ για την υποβάθμιση της συνολικής οργανοληπτικής εντύπωσης βρέθηκε ίση με 105.5 kJ/mol. Στο τρίτο και τελευταίο μέρος της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκε μελέτη για την εύρεση του κατάλληλου ενζυμικού και μικροβιακού ΤΤΙ που θα παρακολουθεί και θα καταγράφει την κατάσταση ποιότητας των καπνιστών συσκευασμένων υπό κενό φιλέτων πέστροφας κατά τη διακίνησή τους στην ψυκτική αλυσίδα. Απαραίτητη προϋπόθεση για να γίνει η συσχέτιση της απόκρισης των ΤΤΙ με την ποιοτική αλλοίωση των καπνιστών φιλέτων πέστροφας (με βάση τη συνολική οργανοληπτική εντύπωση) είναι οι ενέργειες ενεργοποίησής τους και οι χρόνοι ζωής τους να έχουν παραπλήσιες τιμές. Ικανοποιώντας την απαίτηση για παραπλήσιες τιμές EA, οι χρόνοι ζωής των δύο τύπων ΤΤΙ υπολογίστηκαν βάσει των αναπτυγμένων συνολικών μαθηματικών μοντέλων και συσχετίστηκαν με τους αντίστοιχους χρόνους ζωής του υπό εξέταση τροφίμου. Οι μικροβιακοί δείκτες κρίθηκαν ακατάλληλοι, διότι είχαν πολύ μικρότερη διάρκεια ζωής από τα καπνιστά φιλέτα. Καταλληλότερος ενζυμικός δείκτης για τα καπνιστά συσκευασμένα υπό κενό φιλέτα πέστροφας ήταν ο LP_17U, όπως επαληθεύτηκε και από τα πειράματα σε μεταβαλλόμενες θερμοκρασιακές συνθήκες ψύξης με ΤΤΙ κατά τη διάρκεια των οποίων ήταν κολλημένα πάνω στις συσκευασίες των καπνιστών προϊόντων.