Έξυπνη συσκευασία: Μελέτη και εφαρμογή χρονο-θερμοκρασιακών δεικτών (ΤΤΙ) στη ψυκτική αλυσίδα κατεψυγμένων θαλασσινών

Abstract

Η ψυκτική αλυσίδα των τροφίμων, όσο και η αλυσίδα κατεψυγμένων προϊόντων χαρακτηρίζεται από μεγάλες απώλειες ποιότητας λόγω σημαντικών αποκλίσεων από τις προδιαγραφές της θερμοκρασίας. Κατά συνέπεια τα τρόφιμα υψηλής θρεπτικής αξίας όπως τα θαλασσινά, είτε ψυγμένα είτε καταψυγμένα, μπορεί να υπόκεινται σε ποιοτική υποβάθμιση και μερικές φορές η διάρκεια ζωής τους να διαφέρει από την ημερομηνία λήξης τους. Το γεγονός αυτό καθιστά αναγκαία την εντατική παρακολούθηση και καταγραφή της αλυσίδας σε όλα τα στάδια. Σε αυτό το σημείο κρίνεται απαραίτητη η χρήση χρονο-θερμοκρασιακών δεικτών (ΤΤΙ) ώστε να διαπιστωθεί η ασφάλεια και η ποιότητα των τροφίμων. Οι χρονο-θερμοκρασιακοί ολοκληρωτές (Time Temperature Integrators) αποτελούν ένα ολοκληρωμένο σύστημα παρακολούθησης δίνοντας μια συνεχή απόκριση και παρουσιάζοντας σε μια μόνο μέτρηση το συνολικό χρονο-θερμοκρασιακό ιστορικό του τροφίμου. Πρόκειται για ένα έξυπνο σύστημα επισήμανσης των τροφίμων, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως «δυναμική» ημερομηνία λήξης.

Η αποτελεσματικότητα και η αξιοπιστία ενός ΤΤΙ ως δείκτη ποιότητας του τροφίμου εξαρτάται από τα κινητικά χαρακτηριστικά της απόκρισης του. Βασική απαίτηση είναι η εξάρτηση του ρυθμού απόκρισης από τη θερμοκρασία, να προσεγγίζει κατά το δυνατόν την εξάρτηση από τη θερμοκρασία των δράσεων ποιοτικής υποβάθμισης του τροφίμου. Προϋπόθεση, επομένως, της εφαρμογής ενός συστήματος ελέγχου της ψυκτικής αλυσίδας με βάση τους δείκτες ΤΤΙ είναι ο σωστός σχεδιασμός της απόκρισης τους, με βάση την ενδελεχή γνώση της κινητικής των δεικτών αλλοίωσης του τροφίμου και της εξάρτησης τους από τη θερμοκρασία. Σκοπό της συγκεκριμένης εργασίας αποτέλεσε η κινητική μελέτη της απόκρισης ενζυμικών και φωτοχημικών ΤΤΙ και η επιλογή κατάλληλων δεικτών για την παρακολούθηση της ποιότητας κατεψυγμένων φιλέτων γλαυκοκαρχαρία και θραψάλου κατά τη συντήρηση και διακίνησή τους σε πραγματικές συνθήκες. Συγκεκριμένα, κατά το πρώτο στάδιο της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη ενζυμικών και φωτοχημικών ΤΤΙ, τόσο σε θερμοκρασίες ψύξης (0, 2.5, 5, 10, 15οC) και κατάψυξης (-5, -8, -10, -12 και -15οC), ώστε να υπολογιστούν οι συναρτήσεις απόκρισης των διαφόρων μελετηθέντων δεικτών ΤΤΙ στις παραπάνω θερμοκρασίες. Σκοπός ήταν η εφαρμογή τους σε συστήματα τροφίμων για τη βελτίωση της διαχείριση της ψυκτικής αλυσίδας και της αλυσίδας κατάψυξης. 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 πορτοκαλί 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, ενώ οι φωτοχημικοί δείκτες ήταν τύπου On-Vu B1. Μετά την κινητική μελέτη των χρονο-θερμοκρασιακών δεικτών, έγινε ανάπτυξη των συνολικών μαθηματικών μοντέλων απόκρισης των ενζυμικών και φωτοχημικών ΤΤΙ. 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.

Στη συνέχεια, βάσει των αποτελεσμάτων της κινητικής μελέτης υποβάθμισης της ποιότητας των φιλέτων γλαυκοκαρχαρία και του θραψάλου, πραγματοποιήθηκε μελέτη για την επιλογή του κατάλληλου ΤΤΙ για την αντιστοίχισή του με το χρόνο ζωής των προαναφερόμενων τροφίμων. Με βάση τα συνολικά μαθηματικά μοντέλα που προέκυψαν για κάθε τύπο ΤΤΙ και λαμβάνοντας υπόψην τους χρόνους ζωής των κατεψυγμένων προϊόντων, οι καταλληλότεροι δείκτες που προσδιορίστηκαν για τα κατεψυγμενα φιλέτα γλαυκοκαρχαρία ήταν οι Μ-13U και Β1-0.3s, ενώ για το κατεψυγμένο θράψαλο οι M-10U και B1-0.4s.

Ο στόχος σε αυτό το σημείο της μελέτης ήταν ο έλεγχος της ορθότητας του αλγορίθμου εφαρμογής των ΤΤΙ και ο εντοπισμός των πιθανών σφαλμάτων, προκειμένου να αποτιμηθεί τελικά η δυνατότητα και η αξιοπιστία χρήσης τους ως εργαλεία πρόβλεψης της εναπομένουσας ζωής του τροφίμου σε οποιοδήποτε σημείο της ψυκτικής αλυσίδας.

Πραγματοποιήθηκαν πειράματα και για τα δύο είδη κατεψυγμένων τροφίμων σε δύο ισοθερμοκρασιακές συνθήκες (-5οC και -10οC) και σε μια θερμοκρασιακά μεταβαλλόμενη συνθήκη(-5οC (12h), -8 οC(12h), -10οC (12h)). Κατά τη διάρκεια των συγκέκριμένων πειραμάτων σε δείγματα γλαυκοκαρχαρία και θραψάλου πραγματοποιήθηκαν: Μέτρηση της απόκρισης των τοποθετημένων στα δείγματα ΤΤΙ σε προκαθορισμένες χρονικές στιγμές Προσδιορισμός της ολικής ποσότητας των πτητικών αζωτούχων ενώσεων (ΤVB-N) Προσδιορισμός της οξείδωσης των λιπών (ΤΒΑ) Οργανοληπτικός έλεγχος του δείγματος Στη συνέχεια, με χρήση των πειραματικών αποτελεσμάτων, έγινε προσπάθεια επαλήθευσης μαθηματικών μοντέλων που χρησιμοποιούν ως κρίσιμη παράμετρο ποιότητας τις ολικές πτητικές αζωτούχες ενώσεις του τροφίμου (TVB-N), είτε την οξείδωση των λιπαρών του τροφίμου (TBA), είτε τη συνολική οργανοληπτική εντύπωση του τροφίμου (sensory test).

Τελικό στόχο της συγκεκριμένης εργασίας αποτέλεσε η μετάφραση της ένδειξης του ΤΤΙ σε ποιότητα και σε εναπομένουσα ζωή του τροφίμου. Η αρχή της προσέγγισης αυτής είναι η σύγκριση της προβλεπόμενης, με βάση το ΤΤΙ, εναπομένουσας ζωής του τροφίμου, με την πραγματική εναπομένουσα διάρκεια ζωής σε οποιοδήποτε σημείο της αλυσίδας διακίνησης, όπως αυτή υπολογίζεται από το πραγματικό χρονοθερμοκρασιακό ιστορικό του τροφίμου και τα επαληθευμένα κινητικά μοντέλα της ποιοτικής παραμέτρου αναφοράς (στη συγκεκριμένη μελέτη επιλέχθηκε ο υπολογισμός της εναπομένουσας ζωής του τροφίμου βάσει του κινητικού μοντέλου μεταβολής της συνολικής οργανοληπτικής εντύπωσης με όριο αποδοχής τη βαθμολόγηση με 5).

Η απόκριση των κατάλληλων ΤΤΙ εξέφρασε το χρονο-θερμοκρασιακό ιστορικό των μελετούμενων προϊόντων και συσχετίστηκε ικανοποιητικά με τη ποιοτική κατάσταση και την εναπομένουσα διάρκεια ζωής του τροφίμου που συνοδεύουν.

Συνεπώς, οι δείκτες ΤΤΙ μπορούν να αποτελέσουν έναν πρακτικό τρόπο παρακολουθήσης του ιστορικού χρόνου-θερμοκρασίας ενός προϊόντος, οδηγώντας στη βελτίωση της διαχείρισης των προϊόντων στη ψυκτική αλυσίδα.

The nutrient-rich foods such as seafood, either chilled or frozen, may be subject to quality deterioration and sometimes their lifetime may vary from their date of expiry. This necessitates more intensive monitoring of the food chain at all stages. At this point it is considered necessary to use time-temperature indicators (TTI) to determine the safety and quality of food. The Time Temperature Indicators are an integrated monitoring system, allowing a continuous response and presenting in a single measurement the total time-temperature history of the food product. The purpose of this work was the kinetic study of the response of enzymatic and photochemical TTI and the selection of appropriate indicators for monitoring the quality of frozen blue shark fillets and squid during their preservation and circulation in real-life conditions. Specifically, during the first stage of this work, a kinetic study of enzymatic and photochemical TTI was performed, both at freezing and frozen temperatures in order to calculate the response function of the various studied TTI markers at the above temperatures. The aim was their application in food systems in order to improve the management of the cold and frozen chain. After the kinetic study of time-temperature indicators, the mathematical models of response of enzymatic and photochemical TTI were developed. The mathematical model of the enzymatic TTI describes the dependence of the TTI response from the temperature, time and enzyme concentration of the TTI, and the mathematical model of the photochemical TTI describes the dependence of their response from time, storage temperature and the initial exposure time to ultraviolet radiation TTI, during their activation. Then, based on the results of the kinetic study of deterioration of blue shark fillets and squid, a study was carried out on choosing the appropriate TTI that matches the lifetime of the studied sea food. Based on the mathematical models obtained for each type of TTI and taking into consideration the lifetimes of the frozen products, the most appropriate indicators identified for the frozen fillets of blue sharks were chosen. The goal of the study at this point was to check the validity of the algorithm and to identify any possible errors, in order to finally assess the feasibility and reliability of their use as tools for predicting the remaining life of the food at any point in the cold chain. Experiments were performed to both types of frozen food at two abuse sub frozen temperatures and at variable conditions. During the specific experiments on samples of blue shark and squid, we were able to measure the response time of TTI on the samples at specified times, to determine the total amount of volatile nitrogen compounds (TVB-N), to determine the fat oxidation (TBA) and to do sensory control tests to the samples. Then, using the experimental results, an attempt was made to verify the mathematical models that use as critical quality parameter the total volatile nitrogen compounds in food (TVB-N), or oxidation of fatty food (TBA), or the overall sensory impression of food (sensory test). The ultimate aim of this work was the “translation” of the TTI indication in quality and remaining life of the food. The principle of this approach is to compare the predicted remaining shelf life of the food based on the TTI, to the actual remaining life at any time, as calculated from the actual time-temperature food history and verified kinetic models. The response of the appropriate TTI expressed the time-temperature history of the studied products and correlated well with the qualitative condition and remaining life of the food supplied with. Therefore, the TTI markers can be a practical way of tracking the time-temperature history of a product, resulting in better management of the cold chain products.