Μελέτη της επίδρασης παλλόμενων ηλεκτρικών πεδίων και ωσμωτικής αφυδάτωσης στη βελτίωση της ποιότητας και διατηρησιμότητας κατεψυγμένου ακτινιδίου

Ζαχαρίου, Ισμήνη; Zachariou, Ismini

dc.contributor.author	Ζαχαρίου, Ισμήνη	el
dc.contributor.author	Zachariou, Ismini	en
dc.date.accessioned	2016-11-30T10:51:58Z
dc.date.available	2016-11-30T10:51:58Z
dc.date.issued	2016-11-30
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44050
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14041
dc.rights	Default License
dc.subject	Παλλόμενα ηλεκτρικά πεδία	el
dc.subject	Ωσμωτική αφυδάτωση	el
dc.subject	Κατάψυξη	el
dc.subject	Pulsed electric fields	en
dc.subject	Osmotic dehydration	en
dc.subject	Ακτινίδιο	el
dc.subject	Kiwifruit	el
dc.subject	Freezing	el
dc.title	Μελέτη της επίδρασης παλλόμενων ηλεκτρικών πεδίων και ωσμωτικής αφυδάτωσης στη βελτίωση της ποιότητας και διατηρησιμότητας κατεψυγμένου ακτινιδίου	el
dc.title	Study of the effect of pulsed electric fields and osmotic dehydration on the quality and shelf life of frozen kiwifruit	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μηχανική τροφίμων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-09-30
heal.abstract	Τα φρούτα αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της διατροφής του ανθρώπου λόγω της υψηλής θρεπτικής αξίας που τα χαρακτηρίζουν. Όμως λόγω της ευαισθησίας που παρουσιάζουν είναι απαραίτητη η εύρεση μεθόδων συντήρησής τους, προκειμένου να αυξηθεί η διάρκεια ζωής τους. Η κατάψυξη αποτελεί μια από τις σημαντικότερες μεθόδους συντήρησης τροφίμων καθώς επιμηκύνει σημαντικά τη διαρητησιμότητα των τροφίμων. Ωστόσο όταν πρόκειται για ευαίσθητα φυτικά προϊόντα, όπως είναι τα φρούτα, κατά την κατάψυξή τους παρατηρείται σημαντική μεταβολή των οργανοληπτικών τους χαρακτηριστικών όπως υφή και χρώμα. Για τον περιορισμό της ποιοτικής υποβάθμισης των φρούτων εφαρμόζονται δύο μη θερμικές διεργασίες, τα παλλόμενα ηλεκτρικά πεδία (PEF) και η ωσμωτική αφυδάτωση, ως προκατεργασίες της κατάψυξης προκειμένου να βελτιωθεί το τρόφιμο ως προς την ποιότητα και τη σταθερότητά του κατά τη διάρκεια της αποθήκευσής του στην κατάψυξη. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι (α) η μελέτη της επίδρασης των παλλόμενων ηλεκτρικών πεδίων PEF στα φαινόμενα μεταφοράς μάζας που λαμβάνουν χώρα κατά την ωσμωτική αφυδάτωση, καθώς και στα ποιοτικά χαρακτηριστικά του ωσμωτικά αφυδατωμένου τροφίμου, (β) επιλογή των κατάλληλων συνθηκών PEF και ωσμωτικής αφυδάτωσης πριν την κατάψυξη του τροφίμου, και τέλος (γ) η επίδραση των δύο μη θερμικών διεργασιών στην ποιότητα και τη διατηρησιμότητα του τελικού κατεψυγμένου τροφίμου. Στο πρώτο στάδιο της εργασίας, ολόκληρα και ξεφλουδισμένα ακτινίδια της ποικιλίας “Hayward” υπόκεινται σε διαφορετικές συνθήκες PEF (έντασης ηλεκτρικού ρεύματος Ε και αριθμού παλμών p). Αρχικά, εφαρμόστηκαν τρεις διαφορετικές εντάσεις ηλεκτρικού πεδίου PEF (Ε: 0,7, 1,1 και 1,8 kV/cm, 250 p), ενώ στη συνέχεια, με διατήρηση της έντασης σε μια σταθερή τιμή (Ε: 1,8 kV/cm) εφαρμόστηκαν τρεις διαφορετικοί αριθμοί παλμών (p: 250, 833 και 2250). Έπειτα, επεξεργασμένα και μη ακτινίδια τεμαχίστηκαν σε φέτες διαμέτρου 43,5±0,8 mm και πάχους 6.83±0.03 mm. Τα δείγματα αυτά υποβλήθηκαν σε ωσμωτική αφυδάτωση. Η σύσταση του ωσμωτικού διαλύματος ήταν 30% γλυκερόλη, 20% μαλτοδεξτρίνη, 10% τρεχαλόζη, 2% ασκορβικό οξύ, 1,5% ένυδρο χλωριούχο ασβέστιο, 1% χλωριούχο νάτριο, 0,2% κιτρικό οξύ (κατά βάρος), και η αναλογία βάρους διαλύματος προς το τρόφιμο 5:1. Η ωσμωτική αφυδάτωση πραγματοποιήθηκε σε τρεις θερμοκρασίες (25, 35 και 45οC) και χρόνους από 10 έως 240 min. Τα μεγέθη που εξετάστηκαν είναι η απώλεια νερού (WL), η πρόσληψη στερεών (SG), η ενεργότητα νερού (aw) και οι βασικότεροι ποιοτικοί δείκτες του φρούτου (χρώμα, υφή, βιταμίνη C). Παρατηρήθηκε ότι η εφαρμογή του PEF ως προκατεργασία της ωσμωτικής αφυδάτωσης συνέβαλε σημαντικά στην αύξηση της απώλειας νερού, κάτι το οποίο οφείλεται στη διάρρηξη της κυτταρικής μεμβράνης που προκάλεσε, ωστόσο δεν παρατηρήθηκε παρόμοια αύξηση και στην πρόσληψη στερεών. Ακόμη υπολογίστηκαν οι δραστικοί συντελεστές διάχυσης για το νερό (Dew) και για τα στερεά (Des) με εφαρμογή του 2ου νόμου του Fick. Οι δραστικοί συντελεστές διάχυσης φάνηκε να εξαρτώνται από τη θερμοκρασία της ωσμωτικής αφυδάτωσης και τις συνθήκες PEF καθώς οι τιμές των Dew και Des αυξάνονταν με τη θερμοκρασία της ωσμωτικής αφυδάτωσης, την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και τους εφαρμοζόμενους παλμούς. Η επίδραση της θερμοκρασίας, της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και των παλμών PEF στους δραστικούς συντελεστές διάχυσης του νερού μοντελοποιήθηκαν μαθηματικά. Η επίδραση της θερμοκρασίας της ωσμωτικής αφυδάτωσης στο συντελεστή Dew εκφράστηκε μέσω μαθηματικού μοντέλου τύπου Arrhenius lnDew= (lnDew,ref)-(Ea/R)(1/T- 1/T_ref ). Η επίδραση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου εκφράστηκε μέσω μοντέλου εκθετικής αύξησης Dew= CE exp (kew E). Όσον αφορά την επίδραση των εφαρμοζόμενων παλμών στη μεταβολή του συντελεστή Dew αυτή εκφράστηκε από την εξίσωση Dew=C1 p^2+C2 p+C3. Παρατηρήθηκε ότι όταν τα δείγματα έχουν προεπεξεργαστεί με PEF, μικροί χρόνοι ωσμωτικής αφυδάτωσης αρκούν προκειμένου να βελτιωθούν τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας και να μειωθεί η ενεργότητα νερού του προϊόντος σε ικανοποιητικό βαθμό. Ακόμη, η εφαρμογή του PEF σε συνδυασμό με την ωσμωτική αφυδάτωση οδήγησε σε βελτιωμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά των δειγμάτων ακτινιδίου καθώς αυξήθηκε η σκληρότητα και η περιεκτικότητα σε βιταμίνη C ενώ το χρώμα παρέμεινε στα επιθυμητά επίπεδα. Στο δεύτερο στάδιο της διπλωματικής εργασίας, εφαρμόστηκε PEF σε δείγματα ακτινιδίου (Ε 1,8 kV/cm και 250 p) και ωσμωτική αφυδάτωση σε θερμοκρασία 35οC για χρόνους 30 και 60 min. Στη συνέχεια, επεξεργασμένα και ανεπεξέργαστα δείγματα τοποθετήθηκαν σε καταψύκτες σταθερής θερμοκρασίας (Τ: -5, -10, -15οC) ενώ παράλληλα πραγματοποιήθηκε και ένα πείραμα σε μεταβαλλόμενες συνθήκες όπου η θερμοκρασία δεν παρέμενε σταθερή αλλά κυμαινόταν από -8 έως -18οC. Τα δείγματα που αποθηκεύτηκαν στην κατάψυξη ήταν ανεπεξέργαστα, ωσμω-αφυδατωμένα για 60 min, ζεματισμένα για 30 s στους 80οC, δείγματα που είχαν υποστεί PEF και δείγματα που είχαν υποστεί τόσο PEF όσο και ωσμωτική αφυδάτωση για 30 και 60 min. Τα δείγματα ακτινιδίου εξετάστηκαν ως προς την απώλεια υγρών, τη μεταβολή του χρώματος, την περιεκτικότητα σε βιταμίνη C και τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά τους. Ακόμη, μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στους ρυθμούς υποβάθμισης των παραπάνω ποιοτικών δεικτών με βάση την εξίσωση Arrhenius και αναπτύχθηκαν μοντέλα εκτίμησης της διατηρησιμότητας του κατεψυγμένου ακτινιδίου. Η υποβάθμιση της ποιότητας των κατεψυγμένων δειγμάτων ακτινιδίου περιγράφηκε από αντιδράσεις κινητικής πρώτης τάξης στην περίπτωση της μεταβολής του χρώματος και της απώλειας βιταμίνης C, ενώ στην περίπτωση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών (χρώμα και συνολική εντύπωση) από αντιδράσεις κινητικής μηδενικής τάξης. Τα δείγματα που είχαν υποστεί μόνο ωσμωτική αφυδάτωση είτε σε συνδυασμό με PEF παρουσίασαν χαμηλούς ρυθμούς μεταβολής του χρώματος και απώλειας βιταμίνης C, συνεπώς η αφυδάτωση σταθεροποίησε σημαντικά το προϊόν ως προς αυτούς τους δύο δείκτες. Αντίθετα, στα ανεπεξέργαστα δείγματα, τα ζεματισμένα και σε αυτά που είχαν υποστεί μόνο PEF η μεταβολή του χρώματος και η μείωση της συγκέντρωσης της βιταμίνης ήταν έντονα. Όσον αφορά την υποβάθμιση των δειγμάτων ως προς τα οργανοληπτικά τους χαρακτηριστικά, παρατηρήθηκε ότι τα δείγματα που είχαν υποστεί μόνο PEF και PEF σε συνδυασμό με ωσμωτική αφυδάτωση για 60 min παρουσίασαν μεγαλύτερους ρυθμούς αλλοίωσης του χρώματος, καθώς άρχισαν πολύ γρήγορα να χάνουν το πράσινο χρώμα τους, αλλά και υποβάθμισης της συνολικής εικόνας σε σχέση με τα ανεπεξέργαστα και τα ζεματισμένα δείγματα. Την καλύτερη συμπεριφορά, ως προς τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά, παρουσίασαν τα ωσμω-αφυδατωμένα δείγματα και αυτά που είχαν υποβληθεί σε PEF και ωσμωτική αφυδάτωση για 30 min. Με βάση τα κινητικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν, προσδιορίστηκε και η διατηρησιμότητα των κατεψυγμένων δειγμάτων. Η διάρκεια ζωής για τη θερμοκρασία αναφοράς -18°C υπολογίστηκε ως εξής: 172 ημέρες για τα ανεπεξέργαστα δείγματα (κριτήριο αποδοχής η μεταβολή του χρώματος), 79 ημέρες για τα δείγματα που είχαν υποστεί PEF (κριτήριο αποδοχής η μεταβολή του χρώματος), 211 ημέρες για τα δείγματα που είχαν υποστεί PEF και ωσμωτική αφυδάτωση (χρόνος ωσμωτικής αφυδάτωσης 60 min) (κριτήριο αποδοχής η συνολική εντύπωση κατά τον οργανοληπτικό έλεγχο), 288 ημέρες για τα δείγματα που είχαν υποστεί PEF και ωσμωτική αφυδάτωση (χρόνος ωσμωτικής αφυδάτωσης 30 min) (κριτήριο αποδοχής η μεταβολή του χρώματος), και 378 ημέρες για τα δείγματα που είχαν υποστεί ωσμωτική αφυδάτωση (χρόνος ωσμωτικής αφυδάτωσης 60 min) (κριτήριο αποδοχής η συνολική εντύπωση). Προκειμένου να κατασκευαστούν κινητικά μοντέλα τα οποία θα ανταποκρίνονται σε πραγματικές θερμοκρασιακές συνθήκες της αλυσίδας διανομής, όπου πιθανότατα παρατηρούνται διακυμάνσεις της θερμοκρασίας που ξεπερνούν τους -18οC, εφαρμόστηκε ένα μεταβαλλόμενο χρονοθερμοκρασιακό προφίλ. Για να παρουσιαστεί η συνολική επίδραση της μεταβολής της θερμοκρασίας στην υποβάθμιση της ποιότητας του δείγματος, εισάγεται η έννοια της δραστικής θερμοκρασίας ,Teff, η οποία ορίζεται ως η σταθερή θερμοκρασία , όπου αν αποθηκευτούν τα δείγματα θα παρουσιάσουν την ίδια ποιοτική υποβάθμιση με αυτήν που παρουσιάζουν και κατά την αποθήκευση τους σε μεταβαλλόμενες συνθήκες στο ίδιο χρονικό διάστημα. Η δραστική θερμοκρασία βρέθηκε ίση με -13,3οC. Τα μαθηματικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν ως προς τη μεταβολή του χρώματος, την απώλεια βιταμίνης C και τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά για σταθερή θερμοκρασία αποθήκευσης αποδείχτηκαν αξιόπιστα. Συνολικά, παρατηρήθηκε ότι τα παλλόμενα ηλεκτρικά πεδία είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία στον τομέα της κατάψυξης των τροφίμων. Ο συνδυασμός τους με την ωσμωτική αφυδάτωση, ως προκατεργασία της κατάψυξης των ακτινιδίων, αποδείχτηκε ότι είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικός για την παραγωγή ενός προϊόντος με μεγάλη διάρκεια ζωής, το οποίο μπορεί να καταναλωθεί ως έχει, καθώς διατηρεί σε μεγάλο βαθμό τα χαρακτηριστικά του φρέσκου φρούτου.	el
heal.abstract	Fruits are an invaluable part of human nutrition due to their high nutritional value. However, owing to the sensitivity they present, finding new methods of preservation is crucial in order to increase their shelf life. Freezing is one of the most important methods of food preservation, since it drastically prolongs food preservability. Still, when it comes to sensitive food products, such as fruits, changes are observed in their organoleptic attributes during deep freezing, like colour and texture alterations. In order to limit the quality degradation of fruits, two non -thermal methods are applied, Pulsed Electric Fields (PEF) and osmotic dehydration, as pretreatment to freezing, in order to improve the quality and stability of the food for the duration of its frozen storage. The objective of this diploma thesis was to study the effect of PEF on the transfer phenomena taking place during the osmotic dehydration. After selecting the appropriate conditions, the effect of these two non-thermal processes on quality and stability of frozen kiwi fruits was examined. In the first part of the study, whole and peeled kiwi fruits of the “Hayward” variety are subjected to several conditions of PEF. Initially, three different PEF electric field intensities were applied (0.7, 1.1 and 1.8 kV/cm) at 250 pulses and then, by maintaining the intensity to a constant value (1.8 kV/cm) 250, 833 and 2250 pulses were applied. Afterwards, processed and unprocessed kiwi fruits were cut in slices of 43.5 ± 0.8 mm diameter and 6.83±0.03 mm thickness. These samples were subjected to osmotic dehydration. The composition of the osmotic solution was 30% glycerol, 20% maltodextrin, 10% tre halose, 2% ascorbic acid, 1.5% calcium chloride (aq), 1.0% sodium chloride, 0.2% citric acid (w/w); the ratio of the solution’s weight to food was selected to be 5:1. The osmotic dehydration was conducted at three temperatures (T, 25, 35, 45 OC) and times (t, 10-240 min). The examined parameters were water loss (WL), solid gain (SG), water activity (aw) and important quality parameters of kiwi fruit (colour, texture, vitamin C). It has been observed that the application of PEF as a pretreatment to osmotic dehydration has contributed to increased water loss, as a result of the break-down of the cellular membrane, yet no such increase was observed regarding solid gain. In addition, the diffusion coefficients for water (Dew) and solids (Des) were calculated by applying Fick’s second law. The effective diffusion coefficients Dew and Des depend on the temperature of the osmotic dehydration and PEF conditions. Dew and Des values increase with temperature increase, increase of the electric field intensity and the applied pulses. The effect of temperature, PEF field intensity and pulses on the effective diffusion coefficient for water Dew was mathematically modelled. For the temperature effect on Dew, an Arrhenius-type equation was used as reported in literature (()). For the effect of the applied electric field intensity on Dew, an exponential increase was observed, and expressed as). Finally, PEF pulses effect on Dew was given with the following equation. It was observed that kiwi fruit samples pretreated with PEF required less osmotic dehydration time in order to improve mass transfer phenomena and decrease the product’s water activity to a satisfactory degree. Additionally, the application of PEF as a pretreatment to osmotic dehydration led to improved quality characteristics; hardness and vitamin C content of pretreated kiwi fruits were increased while the colour remained within desirable levels. In the second part, PEF (1.8 kV/cm and 250 pulses) and osmotic dehydration (35 οC-30 and 60 min) was applied to kiwi fruit samples Afterwards, pretreated and non-treated samples were stored at isothermal (-5, -10, -15 οC) and non-isothermal conditions (repeated cycles of 3 days at -18°C, 2,5 days at-8°C and 3 days at -15°C). The samples were: non- treated, osmotically dehydrated for 60 min, blanched for 30s at 80 οC, samples pretreated with PEF, and samples pretreated with PEF and osmotic dehydration for 30 and 60 min. Quality of frozen samples was evaluated by means of drip loss, colour, texture, vitamin C content and the sensory characteristics. Furthermore, the effect of temperature on the quality loss rates of the above measured quality indices was studied (Arrhenius equation), the shelf life was estimated. The degradation of the frozen kiwi fruit samples’ quality was described by colour change and vitamin C loss using first order kinetics, and sensory quality loss (colour and over all impression) using zero order kinetics. The osmotically dehydrated kiwifruit samples (PEF pretraeted or not) showed lower colour change and vitamin C loss rates showing that OD stabilized the final frozen product with regards to these two factors. The samples that were not treated, the blanched ones and those who had been pretraeted with PEF were characterized by significant colour change and vitamin C loss. As far as the sensory quality was concerned, it was observed that the samples pretreated with PEF and PEF combined with osmotic dehydration for 60 min showed higher color change and overall appearance scoring rates compared to the non-treated and blanched. The osmo-dehydrated samples and those subjected to both PEF and osmotic dehydration for 30 minpresented the most desirable and accepted sensory characteristics during frozen storage. According to the kinetic models developed, the shelf life of the frozen kiwifruit samples was determined. The shelf life of the non- treated samples varied between 19 to 172 days depending on the storage temperature (from -5 to -18°C). PEF processed and blanched samples showed shelf life between 13 and 79 days, and 21 and 158 days, respectively; the osmodehydrated samples 55 to 378days, and PEF pretreated and osmotically dehydrated for 30 and 60 min 34 to 288 days and 25 to 211, respectively. In order to validate the applicability of the kinetic models to realistic temperature conditions of the supply chain, possibly including temperature fluctuations at temperatures above -18°C, a time-temperature scenario was applied. To demonstrate the egrated effect of the temperature variability on product quality, the term of the effective temperature Teff is introduced. Teff, which is defined as the constant temperature that results in the same quality value as the variable temperature distribution over the same time period, was calculated as -13.3οC. The mathematical models developed for colour deterioration, vitamin C loss and sensory evaluation by the isothermal experiment were validated. To sum up, it was observed that the pulsed electric fields is a promissing technology in the field of frozen food. The electric field in combination with the osmotic dehydration as a pretreatment method exhibited remarkable results in increasing the preservability of the frozen kiwifruits without destroying the nutrients.	en
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Ωραιοπούλου, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Τροφίμων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	122 σ.
heal.fullTextAvailability	true