Έξυπνη συσκευασία για τη διαχείριση της ψυκτικής αλυσίδας ιχθυηρών: Κινητική μελέτη απόκρισης Χρονοθερμοκρασιακών Ολοκληρωτών (ΤΤΙ) και συσχέτιση με την ποιότητα και την παραγωγή ισταμίνης σε κέφαλο και τόνο - Παπαμιχαήλ, Ειρήνη (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Τροφίμων, 2017)
Η σωστή διαχείριση της ψυκτικής αλυσίδας είναι καθοριστική για την ποιότητα και ασφάλεια των ιχθυηρών σε όλα τα στάδια, από την παραγωγή μέχρι την κατανάλωση. Η θερμοκρασία είναι ο παράγοντας αυτός που επηρεάζει περισσότερο τις διάφορες αντιδράσεις αλλοίωσης που λαμβάνουν χώρα στο τρόφιμο και ο έλεγχός της σε όλα τα στάδια διακίνησης του προϊόντος είναι πολύ σημαντικός, ειδικά για τα πιο ευαλλοίωτα τρόφιμα όπως είναι τα ιχθυηρά. Μία πρακτική λύση που προτείνεται είναι η χρήση Χρονοθερμοκρασιακών Δεικτών ή Ολοκληρωτών ΤΤΙ (Time Temperature Indicators or Integrators). Ένας δείκτης ΤΤΙ αποτελεί μια χαμηλού κόστους διάταξη, συνήθως υπό την μορφή ετικέτας, η οποία μπορεί με μια εύκολα μετρήσιμη αλλαγή εξαρτώμενη από το χρόνο και τη θερμοκρασία, να δείξει το θερμοκρασιακό ιστορικό του τροφίμου στο οποίο είναι προσαρμοσμένη μέσω μιας ορατής, συνήθως χρωματικής απόκρισης. Τα ΤΤΙ εντάσσονται στην έξυπνη συσκευασία και η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται σε φυσικοχημικές, χημικές, μικροβιολογικές ή ενζυμικές δράσεις. Σκοπό της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτέλεσε η κινητική μελέτη της απόκρισης διαφορετικών ενζυμικών ΤΤΙ σε διάφορες θερμοκρασίες (0-25οC) και η εύρεση και συσχέτιση του κατάλληλου ΤΤΙ με προϊόντα ιχθύων (κέφαλου και τόνου) για τον έλεγχο της ποιότητας και της ασφάλειάς τους στην ψυκτική αλυσίδα. Επιπρόσθετα μελετήθηκε η παραγωγή ισταμίνης σε κέφαλο κι έγινε αντιστοίχιση αυτής με κατάλληλο ενζυμικό δείκτη. Σε πρώτο στάδιο έγινε μελέτη ενζυμικών ΤΤΙ που βασίζονται στην αντίδραση ενζύμου-υποστρώματος. Η αντίδραση αυτή πραγματοποιείται σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασία με σταθερό ρυθμό και προκαλεί μεταβολή του pH η οποία μεταφράζεται οπτικά με μια χρωματική αλλαγή (από πράσινο σε κίτρινο και στη συνέχεια σε κόκκινο χρώμα). Μελετήθηκαν δείκτες που με ένζυμο μικροβιακή λιπάση από Rhizopus oryzae και υπόστρωμα μυριστικό μεθυλεστέρα (χαρακτηρίζονται ως τύπου Μ) σε θερμοκρασίες 0, 2.5, 5, 10, 15οC και δείκτες με την ίδια λιπάση και υπόστρωμα μίγμα τριλαουρίνης-τριπαλμιτίνης (χαρακτηρίζονται ως τύπου LP) σε θερμοκρασίες 0, 2.5, 5, 10, 15, 20, 25οC. Στη συνέχεια προσδιορίστηκαν τα κινητικά χαρακτηριστικά τους. Οι περιεκτικότητες σε ένζυμο των δεικτών που μελετήθηκαν ήταν για τα τύπου Μ 5, 10, 15, 20, 25, 50, 75 και 100 Units και για τα τύπου LP ΤΤΙ 100, 150, 300 και 500 Units. Για καθένα από τους δύο τύπους δεικτών πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη συνολικού μαθηματικού μοντέλου εξάρτησης από τη θερμοκρασία, το χρόνο και τη συγκέντρωση περιεχόμενου ενζύμου. Η ενέργεια ενεργοποίησης υπολογίστηκε για τους δείκτες τύπου LP ίση με 141,9 kJ/mol και για τους τύπου Μ ίση με 86,8 kJ/mol. Η αξιοπιστία των δεικτών επιβεβαιώθηκε μέσω πειραμάτων σε θερμοκρασιακά εναλλασσόμενες συνθήκες. Σε επόμενο στάδιο, πραγματοποιήθηκε μελέτη διατηρησιμότητας σε κέφαλο (Mugil cephalus) και τόνο (Τhunnus alalunga) με σκοπό την επιλογή κατάλληλων ΤΤΙ για την παρακολούθηση της ποιότητας και ασφάλειάς τους σε ισοθερμοκρασιακές (0-15oC) και δυναμικές συνθήκες. Η μελέτη συμπεριλάμβανε τον προσδιορισμό της ανάπτυξης αλλοιογόνων μικροοργανισμών, της μεταβολής του pH καθώς και οργανοληπτική αξιολόγηση. Αναπτύχθηκαν μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν ικανοποιητικά την ανάπτυξη της ολικής μικροβιακής χλωρίδας, των ψευδομονάδων και των εντεροβακτηρίων με ενέργειες ενεργοποίησης για τον κέφαλο 107,8 kJ/mol, 101,6kJ/mol και 95,9kJ/mol αντίστοιχα, ενώ για τον τόνο 31,6kJ/mol, 42,3kJ/mol και 32,0 kJ/mol, αντίστοιχα. Οι χρόνοι ζωής για τον κέφαλο υπολογίστηκαν σε 14,7 ημέρες στους 0οC, σε 9,6 στους 2,5οC, στους 5οC σε 6,3, στους 10οC σε 2,8 ενώ στους 15οC σε 1,2 ημέρες. Αντίστοιχα για τον τόνο στους 0οC η διάρκεια ζωής του ιχθύος ήταν 7,6 ημέρες, 5,4 ημέρες στους 5οC και 3,9 ημέρες στους 10οC. Ακολούθως, πραγματοποιήθηκε μαθηματική προτυποποίηση της ανάπτυξης του μικροοργανισμού Morganella morganii σε κέφαλο και του σχηματισμού ισταμίνης από τον εν λόγω μικροοργανισμό. Η ενέργεια ενεργοποίησης για την ανάπτυξη του Morganella morganii βρέθηκε ίση με 154,3 kJ/mol ενώ για την παραγωγή ισταμίνης η ενέργεια ενεργοποίησης του ρυθμού ανάπτυξης υπολογίστηκε ίση με 79,3 kJ/mol ενώ της λανθάνουσας φάσης της ίση με 90,0 kJ/mol. Ταυτόχρονα πραγματοποιήθηκε πείραμα σε εναλλασσόμενες χρονοθερμοκρασιακές συνθήκες για τα δύο μοντέλα και κρίθηκαν και τα δύο αξιόπιστα. Στο τελικό στάδιο της διπλωματικής εργασίας, έγινε συσχετισμός της κινητικής απόκρισης των ενζυμικών δεικτών με το χρόνο ζωής των δειγμάτων κεφάλου, το χρόνο ζωής των δειγμάτων τόνου καθώς και με τον απαιτούμενο χρόνο για την παραγωγή ισταμίνης σε περιεκτικότητες 50, 100 και 200 ppm, βάσει της μελέτης παραγωγής ισταμίνης σε κέφαλο ως αποτέλεσμα της ανάπτυξης Μorganella morganii. Προκειμένου να γίνει επιτυχής επιλογή ΤΤΙ για τον συσχετισμό έγινε σύγκριση μεταξύ των ενεργειών ενεργοποίησης των ρυθμών μικροβιακής ανάπτυξης και των ρυθμών απόκρισης ΤΤΙ. Με βάση τα συνολικά μαθηματικά μοντέλα που προέκυψαν για τα ενζυμικά ΤΤΙ ο δείκτης που κρίθηκε ως ο καταλληλότερος για την παρακολούθηση της ποιότητας του κέφαλου στην ψυκτική αλυσίδα ήταν ο LP 300U, του τόνου ο Μ 75U και τα ΤΤΙ που παρακολουθούν ικανοποιητικά την παραγωγή ισταμίνης ήταν τα Μ 11U, M 7U και M 4U για συγκεντρώσεις ισταμίνης 50, 100 και 200ppm αντίστοιχα.