Προκατεργασία φυτικών ιστών και εμπλουτισμός με λειτουργικά συστατικά με χρήση ωσμωτικής αφυδάτωσης και παλμικών ηλεκτρικών πεδίων για τη βελτίωση των ποιοτικών και διατροφικών χαρακτηριστικών τους - Παρασκευοπούλου, Ελένη (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Τροφίμων, 2017)
Τα φρέσκα φρούτα και λαχανικά αποτελούν σημαντικό κομμάτι της διατροφής του ανθρώπου εξαιτίας της υψηλής διατροφικής τους αξίας. Ωστόσο, λόγω της ευαισθησίας που παρουσιάζουν είναι απαραίτητη η εύρεση κατάλληλης μεθόδου συντήρησης, προκειμένου να αυξηθεί η διάρκεια ζωής τους. Η σύγχρονη τάση για ηπιότερες μεθόδους επεξεργασίας για την παραγωγή τελικών προϊόντων υψηλής διατροφικής αξίας οδήγησε στην αναζήτηση εναλλακτικών μεθόδων συντήρησης. Στόχος της διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη της ωσμωτικής αφυδάτωσης σε δείγμα κολοκύθας και ο συνδυασμός της με την τεχνολογία των παλμικών ηλεκτρικών πεδίων και της ξήρανσης με αέρα για τη δημιουργία καινοτόμων αφυδατωμένων προϊόντων κολοκύθας μεσαίας και χαμηλής υγρασίας. Η εφαρμογή της ωσμωτικής αφυδάτωσης έχει ως στόχο την επέκταση της διατηρησιμότητας των φρέσκων προϊόντων αλλά και τη βελτίωση των οργανοληπτικών και λειτουργικών ιδιοτήτων του προϊόντος πριν την ξήρανση. Αρχικά, μελετήθηκε σε δείγματα φρέσκια κολοκύθας η επίδραση της ωσμωτικής επεξεργασίας στην τιμή της ενεργότητας νερού και στα φαινόμενα μεταφοράς νερού και στερεών. Η επιλογή ενός καινοτόμου πολυσυστατικού ωσμωτικού υλικού αποτέλεσε βασικό στόχο κατά τον πειραματικό σχεδιασμό και δόθηκε έμφαση στη μελέτη εναλλακτικών ωσμωτικών υλικών όπως είναι οι γαλακτο-ολιγοσακχαρίτες (GOS) και ο όξινος ορός στραγγιστού γιαουρτιού. Οι παράμετροι που μελετήθηκαν αφορούν τη θερμοκρασία (35-45-55oC), τον χρόνο επεξεργασίας (0-240 min), τη συγκέντρωση ωσμωτικού υλικού σε GOS (5-10-15%w/w) και το είδος του διαλύτη του ωσμωτικού μέσου (Όξινος ορός, Νερό). Από τα αποτελέσματα της μελέτης βρέθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες επεξεργασίας για την ωσμωτική αφυδάτωση τεμαχισμένης κολοκύθας [Ωσμωτικό διάλυμα: 40% γλυκερόλη, 32,5% όξινο ορό γιαουρτιού, 10% GOS, 10% τρεχαλόζη, 4,0% ασκορβικό οξύ, 2,0% χλωριούχο νάτριο και 1,5% χλωριούχο ασβέστιο, Χρόνος: 2 ώρες (2 h), Θερμοκρασία: 55oC, Αναλογία ωσμωτικού μέσο προς τρόφιμο: 5:1]. Σε αυτές τις συνθήκες, τα ωσμωαφυδατωμένα δείγματα κολοκύθας είχαν 59,96% υγρασία XW (αρχική XW:95,5%) και ενεργότητα νερού aw ίση με 0,87 (αρχική aw: 0,98). Η κινητική των φαινομένων μεταφοράς μάζας κατά την ωσμωτική αφυδάτωση περιγράφηκε με τον 2o νόμο του Fick, με βάση τον οποίο υπολογίστηκε ο συντελεστής διάχυσης για την απώλεια νερού και ο συντελεστής διάχυσης για την πρόσληψη στερεών 3,974±0,397*10-9 m2/s και 5,589±0,753*10-9 m2/s, αντίστοιχα. Με βάση την κινητική μελέτη της ωσμωτικής αφυδάτωσης η χρήση GOS στο ωσμωτικό μέσο επιφέρει αντίστοιχα αποτελέσματα με εκείνα της χρήσης φρουκτο-ολιγοσακχαριτών (FOS), που έχουν μελετηθεί ως λειτουργικά ωσμωτικά υλικά. Παράλληλα, παρατηρείται εμπλουτισμός του τροφίμου με GOS- μη αφομοιώσιμους υδατάνθρακες- που παρουσιάζουν σημαντική λειτουργική δράση ως πρεβιοτικά. Η χρήση όξινου ορού στο ωσμωτικό διάλυμα έναντι νερού ενισχύει τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας. Στο δεύτερο μέρος μελετήθηκε η διατηρησιμότητα των ωσμωαφυδατωμένων δειγμάτων κολοκύθας (στις βέλτιστες συνθήκες ωσμωτικής αφυδάτωσης) με χρήση όξινου ορού και νερού προκειμένου να διαπιστωθεί εάν η χρήση του όξινου ορού προκαλεί διαφοροποίηση στην ποιότητα και σταθερότητα του ωσμωαφυδατωμένου φυτικού ιστού κατά την αποθήκευση. Κατά τη μελέτη διατηρησιμότητας προσδιορίστηκαν οι μικροβιακές αλλοιώσεις και οι ποιοτικές και οργανοληπτικές μεταβολές της φρεσκοκομμένης κολοκύθας και των ωσμωαφυδατωμένων προϊόντων σε ισοθερμοκρασιακές συνθήκες (ψύξης Τ=5 οC, 10 οC, 15 οC καθώς και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, Τ=25οC). Η επεξεργασία με ωσμωτική αφυδάτωση, τόσο με όξινο ορό όσο και με νερό, είχε ως αποτέλεσμα την επιμήκυνση του χρόνου ζωής των δειγμάτων κολοκύθας κατά τουλάχιστον 80 ημέρες κατά τις οποίες δεν παρατηρήθηκε σημαντική ποιοτική υποβάθμιση του ωσμωαφυδατωμένου προϊόντος (σε όλες τις θερμοκρασίες αποθήκευσης). Από τα παραπάνω συμπεραίνεται ότι η ωσμωτική αφυδάτωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέθοδος ελάχιστης επεξεργασίας με σκοπό τη δημιουργία προϊόντων κολοκύθας ενδιάμεσης υγρασίας με ικανοποιητικό χρόνο ζωής. Η χρήση του όξινου ορού, ενός σημαντικού παραπροϊόντος της βιομηχανίας στραγγιστού γιαουρτιού, ως μέσο ώσμωσης φρούτων και λαχανικών μπορεί να βοηθήσει στην αξιοποίηση και αντιμετώπιση του προβλήματος της διαχείρισης του. Στο τρίτο μέρος μελετήθηκε ο συνδυασμός της ωσμωτικής αφυδάτωσης με ξήρανση με αέρα, με σκοπό τη δημιουργία καινοτόμων προϊόντων κολοκύθας χαμηλής υγρασίας. Με σκοπό την ενίσχυση των φαινομένων μεταφοράς μάζας μελετήθηκε η χρήση παλμικών ηλεκτρικών πεδίων προ της ωσμωτικής αφυδάτωσης. Η προκατεργασία με παλμικά ηλεκτρικά πεδία με ένταση 2kV/cm και 1500 παλμούς (συνθήκες που επιφέρουν 100% διάρρηξη των κυττάρων, Zp=1), έχει ως αποτέλεσμα το προϊόν της ώσμωσης στις βέλτιστες συνθήκες να έχει τελική τιμή υγρασίας (XW) 54,71% και ενεργότητα νερού (aw) 0,84. Ο συντελεστής διάχυσης νερού κατά την ξήρανση (55oC) υπολογίστηκε με βάση του 2o νόμο του Fick, από όπου και παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση των φαινομένων μεταφοράς μάζας όταν έχει προηγηθεί ωσμωτική αφυδάτωση με την τιμή του συντελεστή διάχυσης να είναι 1,693±0,974*10-9 m2/s, αυξημένος κατά 47% σε σχέση με τον συντελεστή διάχυσης για τη ξήρανση χωρίς προκατεργασία. Σαν αποτέλεσμα, για μείωση της αρχικής υγρασίας του τροφίμου κατά 80% με ξήρανση σε θερμοκρασία 55oC, η προκατεργασία με ωσμωτική αφυδάτωση είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του συνολικού χρόνου επεξεργασίας κατά 20%, ενώ ο συνδυασμός προκατεργασίας με παλμικά ηλεκτρικά πεδία και ωσμωτικής αφυδάτωσης είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του χρόνου επεξεργασίας κατά 27%. Ο συνδυασμός των μεθόδων (παλμικά ηλεκτρικά πεδία και ωσμωτική αφυδάτωση) οδήγησε σε τελικό αφυδατωμένο προϊόν με ανώτερη ποιότητα (καλύτερο χρώμα, καλύτερη υφή και μεγαλύτερη οργανοληπτική αποδοχή) σε σύγκριση με τα αντίστοιχα αφυδατωμένα προϊόντα που προεπεξεργάστηκαν μόνο με παλμικά ηλεκτρικά πεδία και αυτά που δεν είχαν υποστεί προηγούμενη επεξεργασία. Τελικά, η ωσμωτική αφυδάτωση φρέσκιας τεμαχισμένης κολοκύθας έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική επιμήκυνση του χρόνου ζωής του προϊόντος. Παράλληλα, το ωσμωαφυδατωμένο προϊόν παρουσιάζει σημαντικά βελτιωμένα διατροφικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά. Η χρήση παλμικών ηλεκτρικών πεδίων προ της ώσμωσης επιτρέπει την μείωση του χρόνου επεξεργασίας. Ο συνδυασμός της προκατεργασίας με παλμικά ηλεκτρικά πεδία και της ωσμωτικής αφυδάτωσης προ της συμβατικής ξήρανσης με αέρα, προκαλεί σημαντική μείωση του απαραίτητου χρόνου ξήρανσης και προστατεύει το τρόφιμο από ποιοτική υποβάθμιση κατά την ξήρανση.