Μελέτη της διάρκειας ζωής της βρεφικής σκόνης γάλακτος ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και της ενεργότητας νερού

Abstract

Οι βρεφικές σκόνες γάλακτος αποτελούν τα πρώτα βιομηχανοποιημένα σκευάσματα τα οποία θα καταναλώσει το βρέφος είτε παράλληλα είτε μετά από το θηλασμό. Οι ολοένα περισσότερες απαιτήσεις για την βελτιστοποίηση της θρεπτικής αξίας των βρεφικών σκόνων γάλακτος (καλύτερη προσομοίωση αυτών των προϊόντων με τα χαρακτηριστικά του μητρικού γάλακτος) καθιστούν τη μελέτη τους ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα. Όπως όλα τα αφυδατωμένα προϊόντα, έτσι και οι βρεφικές σκόνες γάλακτος είναι ευαίσθητες στη θερμοκρασία και την υγρασία του περιβάλλοντος που αποθηκεύονται με αποτέλεσμα την επιταχυνόμενη μείωση της διάρκειας ζωής τους, σε συνθήκες πέρα των σχεδιασμένων. Είναι συνεπώς απαραίτητη η γνώση της εξάρτησης της διατηρησιμότητας του προϊόντος, ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και της υγρασίας, ώστε να προσδιορίζεται με ακρίβεια η διάρκεια ζωής του. Η υποβάθμιση της ποιότητας που συμβαίνει με την πάροδο του χρόνου, λόγω βραδείων φυσικοχημικών μεταβολών, έχει άμεση επίδραση στα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά και τη θρεπτική αξία του προϊόντος. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η διατηρησιμότητα της βρεφικής σκόνης γάλακτος πρώτης βρεφικής ηλικίας, η οποία αποθηκεύτηκε υπό διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας. Χρησιμοποιήθηκε η μεθοδολογία Επιταχυνόμενων Δοκιμών Διατηρησιμότητας (ASLT: Accelerated Shelf Life Testing) και εκτιμήθηκε η διάρκεια ζωής (Shelf life) του υπό έρευνα προϊόντος. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν ενδεχομένως να δίνουν τη δυνατότητα εντοπισμού των κρίσιμων σημείων ελέγχου ποιότητας στην παραγωγική διαδικασία και τον ποσοτικό προσδιορισμό της επίδρασής τους σε αυτήν. Συνολικά εφαρμόστηκαν εννέα διαφορετικές συνθήκες αποθήκευσης συνδυάζοντας τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες (25 οC, 35 οC, 45 οC) και τρεις διαφορετικές σχετικές υγρασίες. Όταν τα τρία δείγματα ήρθαν σε ισορροπία με τη RH, οι τιμές ενεργότητας νερού που προέκυψαν ήταν 0.33, 0.43 και 0.68. Η επιλογή των συγκεκριμένων συνθηκών έγινε ώστε να συμπεριλαμβάνονται τόσο οι συνθήκες υπό τις οποίες αποθηκεύεται το προϊόν από τους καταναλωτές (25οC, aw=0.33), όσο και ακραίες συνθήκες όπως αυτή των 45οC και aw=0.68. Στο πρώτο μέρος της εργασίας προσδιορίστηκαν οι ισόθερμες ρόφησης της βρεφικής σκόνης γάλακτος, προκειμένου να συσχετιστεί η περιεχόμενη υγρασία τους με την ενεργότητα νερού. Τα δεδομένα προσαρμόστηκαν στις εξισώσεις GΑΒ και ΒΕΤ, ενώ στη συνέχεια προσδιορίστηκαν οι σταθερές αυτών των εξισώσεων. Ενδεικτικά, οι παράμετροι της GAB στους 25οC ήταν mo = 7.91 gH2O/100g ξηρού βάρους, C=29.98 και Κ=0.67. Με τη βοήθεια των παραμέτρων των εξισώσεων GAB μπορεί να προσδιοριστεί με έμμεσο τρόπο η ενεργότητα του νερού των εξεταζόμενων τροφίμων και επομένως μπορεί να γίνει εκτίμηση της σταθερότητας του τροφίμου. Στο δεύτερο μέρος εξετάστηκαν οι κρίσιμες παράμετροι που εξετάστηκαν και οι οποίες μεταβάλλονται σημαντικά με τον χρόνο αποθήκευσης στα συγκεκριμένα προϊόντα όπως είναι η οξείδωση των λιπιδίων που έχει και άμεσο αντίκτυπο και στην οργανοληπτική αξιολόγηση των δειγμάτων και η αμαύρωση που παρατηρείται στο χρώμα εξαιτίας της αντίδρασης Maillard. Σε αντίθεση με άλλα τρόφιμα, στις βρεφικές σκόνες γάλακτος επιλέγονται από τη βιομηχανία έλαια και λιπαρά τα οποία είναι εξαιρετικά μικρής περιεκτικότητας σε πολυακόρεστα λιπαρά οξέα, ώστε να είναι ανθεκτικότερα στην οξείδωσή τους. Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τον αριθμό των υπεροξειδίων είναι το οξυγόνο και η θερμοκρασία, οι οποίοι ήταν και οι μεταβλητές των συνθηκών αποθήκευσης. Παρατηρήθηκε ότι η οξείδωση των λιπαρών στη σκόνη γάλακτος με το χρόνο αποθήκευσης μεταβαλλόταν εκθετικά. Οι ρυθμοί μεταβολής του αριθμού υπεροξειδίων (kPV, days-1) προσδιορίστηκαν σε κάθε συνθήκη αποθήκευσης. Σε θερμοκρασία 25οC και aw= 0.33 προσδιορίστηκε ρυθμός ίσος με 0.0053 days-1, ενώ στο χειρότερο σενάριο αποθήκευσης που μελετήθηκε (45οC και aw=0.68) ήταν 19 φορές μεγαλύτερος (kPV=0.1014 days-1). Η επίδραση της θερμοκρασίας αποθήκευσης στο kPV της βρεφικής σκόνης περιγράφηκε από την εξίσωση Αrrhenius, μέσω της οποίας υπολογίστηκε η τιμή της ενέργεια ενεργοποίησης Εa. Η δε επίδραση της ενεργότητας νερού στο μέγεθος αυτό περιγράφηκε από μια γραμμική εξίσωση σε ικανοποιητικό βαθμό. Ένα συνολικό μαθηματικό μοντέλο αναπτύχθηκε λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση της θερμοκρασίας και της ενεργότητας νερού στον ανωτέρω δείκτη αλλοίωσης του μελετώμενου προϊόντος. Μέσω της μαθηματικής μοντελοποίησης ήταν δυνατή η πρόρρηση της διατηρησιμότητας υπό διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας και ενεργότητας νερού. Από βιβλιογραφικές πηγές και έπειτα από οργανοληπτική αξιολόγηση των δειγμάτων, η τιμή PV πάνω από το οποίο η βρεφική σκόνη γάλακτος κρίθηκε μη αποδεκτή προσδιορίστηκε ίση με 10 Meq/kg. Οι εκτιμώμενοι χρόνοι διατηρησιμότητας για τους 25οC ήταν 15.0, 4.7 και 1.2 μήνες για ενεργότητες 0.33, 0.43 και 0.68 αντίστοιχα, ενώ για τους 35οC ήταν 10.0, 3.1, 1.0 μήνες για αντίστοιχες ενεργότητες. Τέλος, για τους 45οC ο εκτιμώμενος χρόνος ήταν 4.5, 2.1, 0.9 μήνες για ενεργότητες 0.33, 0.43 και 0.68, αντίστοιχα. Αναφορικά με τη μελέτη της μεταβολής του χρώματος της σκόνης γάλακτος παρατηρήθηκε ότι με την ταυτόχρονη αύξηση της θερμοκρασίας και της ενεργότητας νερού ο ρυθμός αμαύρωσης των δειγμάτων αυξανόταν, με αποτέλεσμα το δείγμα να χάνει το χαρακτηριστικό λευκό χρώμα του. Στις εξεταζόμενες συνθήκες παρατηρήθηκε ότι τα πειραματικά σημεία προσαρμόζονται καλύτερα με φαινόμενη τάξη αντίδρασης n=0.4. Όπως στην περίπτωση της οξείδωσης των λιπαρών και για αυτό το δείκτη ποιότητας αναπτύχθηκε αντίστοιχη μαθηματική εξίσωση. Η τιμή του χρώματος που θεωρήθηκε μη αποδεκτή ήταν ΔΕ=9.8 (βάσει οπτικής αξιολόγησης). Έτσι, στους 25οC ο εκτιμώμενος χρόνος διατηρησιμότητας ήταν 17, 4 και 1 μήνας για ενεργότητες 0.33, 0.43 και 0.68 αντίστοιχα, στους 35οC ήταν 9, 3 και 1 μήνας για τις αντίστοιχες ενεργότητες και τέλος για τους 25οC ήταν 5 και 2 μήνες για 0.33 και 0.43, ενώ μόνο 25 μέρες για ενεργότητα 0.68. Κατ’ αντιστοιχία με τους παραπάνω εκτιμώμενους χρόνους κινήθηκαν και τα αποτελέσματα των οπτικών ελέγχων του προϊόντος, που αφορούσαν τη συνολική εικόνα του δείγματος και τη διαλυτότητα του στις ενδεδειγμένες συνθήκες προετοιμασίας του γάλακτος από τον κατασκευαστή. Η αποδοχή των δειγμάτων ως προς την αμαύρωση ήταν συγκριτικά μικρότερη από αυτήν της διαλυτότητας, για δείγματα ίδιας θερμοκρασίας και ενεργότητας. Τα δείγματα στις πιο έντονες συνθήκες αποθήκευσης (45οC, aw=0.68) ξεκίνησαν με πολύ χαμηλό βαθμό αποδοχής, γι’ αυτό και κρίθηκαν ως μη αποδεκτά σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας μπορεί να αποτελέσουν χρήσιμο εργαλείο για τη βελτιστοποίηση της διατηρησιμότητας και συντήρησης του προϊόντος, υποδεικνύοντας τις κατάλληλες συνθήκες αποθήκευσής του μετά το πρώτο άνοιγμα. Επιπλέον, μπορούν να οδηγήσουν σε τροποποιήσεις στην παραγωγική διαδικασία που θα έχουν ως στόχο την ελαχιστοποίηση του κόστους παραγωγής του προϊόντος (αύξηση περιεχόμενου νερού), διασφαλίζοντας τη διατήρηση της ποιότητάς τους μέχρι το τέλος της ημερομηνίας λήξης τους, ακόμα και σε συνθήκες που ξεφεύγουν από τις προβλεπόμενες.

Infant milk manufactured formulations are consumed by infants along with or after the termination of breastfeeding. The industries aim in optimizing the nutritional value of infant milk powder while simultaneously simulating these products with the breast milk as much as possible. Like all dehydrated products, infant milk powders are sensitive to temperature and humidity of the environment, in which they are stored, resulting in accelerated decrease of their shelf life, in circumstances beyond the anticipated ones. It is therefore necessary to know the effect of temperature and humidity on their shelf life. The quality degradation that occurs over storage time due to slow physicochemical changes has a direct effect on the organoleptic characteristics and nutritional value of the product. In the present study, the shelf life of infant milk powder, stored under different conditions of temperature and relative humidity was studied. The shelf life of the product was determined using the Accelerated Shelf Life Testing (A.S.L.T.) methodology. The results may enable the identification of the critical control points, in the production process, and quantify their impact on the product quality. A total of nine different storage conditions were applied, by combining three different temperatures (25 oC, 35 oC, 45 oC) and three different relative humidities. At the time when the three samples were in equilibrium with the relative humidities, the water activity values obtained were 0.33, 0.43 and 0.68. The specific conditions were selected in order to include both the conditions under which the product is stored by consumers (25oC, aw = 0.33), as well as extreme storage conditions of 45oC and aw = 0.68. In the first part of the study, the sorption isotherms of infant milk powder were determined. The Brunauer–Emmett–Teller (BET) and the Guggenheim–Anderson–de Boer (GAB) models were fitted to the experimental data to describe the correlation between aw and moisture content for the infant milk powder. The parameters of each model were estimated. The parameters of GAB at 25oC were mo = 7.91 gH2O/100g dry weight, C = 29.98 and K = 0.67. Using these equations one can calculate the aw value of the milk powder when moisture content is known and vice versa. Thus, the water activity of the tested foods may be determined, indirectly, using the parameters of the GAB equations, allowing for food stability first indication. In the second part of this study, selected quality indices such as lipid oxidation, which has a direct impact on the sensory/organoleptic evaluation of the samples and color alteration (non-enzymatic browning, Maillard) were used for the estimation of infant milk powder shelf-life. It was observed that peroxide value increased following an exponential curve for the infant milk powder. Based on these results, the lipid oxidation rate constants (kPV, days-1) were estimated at each storage condition. At 25oC and aw=0.33 the rate was equal to 0.0053, while at 45oC and aw=0.68 (worst case scenario) the rate was 19 times higher (kPV = 0.1014 days-1). The effect of storage temperature on kPV was mathematically described by the Arrhenius equation with activation energy values Ea estimated at each water activity studied. In addition, the kPV values were found to be linearly dependent with water activity. Taking into account the effect of temperature and water activity on the lipid oxidation of the studied product, a multiparameter equation was developed to predict its shelf-life at any combination of temperature and water activity conditions. Based on the results found in literature and the received results from our study (sensory evaluation of the samples), the PV value, above which the infant milk powder was considered non-acceptable and its consumption is not recommended, was determined equal to 10 mequivO2/kg fat. The shelf-life of this product at 25oC were estimated as 15.0, 4.7 and 1.2 months for samples of water activity 0.33, 0.43 and 0.68 respectively, while at 35oC were 10.0, 3.1, 1.0 months and at 45oC were 4.5, 2.1, 0.9 months for respective water activities. Regarding the color, it was observed that with the simultaneous increase of the temperature and water activity, the rate of browning of the samples was increased, resulting in characteristic white color loss. All the obtained data were mathematically described, using an apparent reaction order of n = 0.4. As in the case of the lipid oxidation, a mathematical model for color alteration as a function of water activity and storage temperature was also developed. The color value that was considered as non-acceptable was DE=9.8 (based on visual evaluation). Thus, at 25° C, the estimated shelf life was 17, 4 and 1 month for water activity values of 0.33, 0.43 and 0.68, respectively, at 35 ° C was 9, 3 and 1 month for the respective water activity value and finally at 45 ° C were 5 and 2 months for aw 0.33 and 0.43, while only 25 days for aw 0.68. Reduced water activity of samples was found to positively affect the rates of quality deterioration for all samples, resulting in significantly longer shelf-lives and high quality final products. Similar results were obtained after visual evaluation of these products, based on their total appearance and solubility (samples were prepared based on the manufacturer’ s instructions). The quality deterioration of the infant milk powder due to non-enzymatic browning was more noticeable compared to the solubility after storage at the same conditions. The results of this work can be used as tool for the optimal design of the shelf-life of that kind of products, indicating proper storage conditions after first opening. In addition, they may lead to modifications in the production process, which will be designed to minimize the production cost (increased water content), ensuring the quality of the product by the end of their expiration date, even in conditions that are beyond the anticipated ones.