Μελέτη της κινητικής απόκρισης Χρονοθερμοκρασιακών Δεικτών ΤΤΙ και εφαρμογή για τον έλεγχο ποιότητας ψυγμένων και κατεψυγμένων τροφίμων στη ψυκτική αλυσίδα

Abstract

Η σωστή διαχείριση της ψυκτικής αλυσίδας καθώς και της αλυσίδας κατάψυξης αποτελεί βασική προϋπόθεση για τη διασφάλιση της ποιότητας των τροφίμων. Ο κύριος παράγοντας υποβάθμισης της ποιότητας των τροφίμων είναι η θερμοκρασία, η οποία καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τους ρυθμούς των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε αυτά. Παρόλα αυτά, η αλυσίδα των τροφίμων εξακολουθεί να χαρακτηρίζεται από μεγάλες απώλειες ποιότητας λόγω σημαντικών αποκλίσεων από τις προδιαγραφές της θερμοκρασίας. Για αυτό το λόγο καθίσταται αναγκαία η ανάπτυξη ενός συστήματος παρακολούθησης του χρονο-θερμοκρασιακού ιστορικού 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 επικουρικά της ημερομηνίας ανάλωσης, ως «δυναμική» ημερομηνία λήξης. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η κινητική μελέτη ενζυμικών και φωτοχημικών δεικτών για τον έλεγχο της διαχείρισης αλυσίδας ψυγμένων και κατεψυγμένων προϊόντων. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε θερμοκρασίες ψύξης και κατάψυξης. Πιο συγκεκριμένα, στους 0, 2.5, 5, 10, 15οC και -5, -9, -12 και -15οC ώστε να υπολογιστούν οι συναρτήσεις απόκρισης των διαφόρων μελετηθέντων δεικτών ΤΤΙ στις παραπάνω θερμοκρασίες. Ταυτόχρονα, μελετήθηκαν παράγοντες αλλοίωσης κατά την αποθήκευση δειγμάτων νωπών χελιών συσκευασμένων σε τροποποιημένη ατμόσφαιρα (ΜΑΡ) και δειγμάτων κατεψυγμένου γλαυκοκαρχαρία (blue shark) στις ανωτέρω θερμοκρασίες. Τέλος πραγματοποιήθηκε μελέτη για την εύρεση του κατάλληλου δείκτη ΤΤΙ για την αντιστοίχηση του με το χρόνο ζωής των προαναφερόμενων τροφίμων. Κατά το πρώτο στάδιο της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη ενζυμικών και φωτοχημικών ΤΤΙ, με σκοπό την εφαρμογή τους σε συστήματα τροφίμων για τη σωστή 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 σχεδόν ανοιχτό γκρι. Οι ενζυμικοί δείκτες που μελετήθηκαν ήταν τύπου Μ, λειτουργώντας με ένζυμο την παγκρεατική λιπάση και υπόστρωμα μυριστικό μεθυλεστέρα, ενώ οι φωτοχημικοί δείκτες ήταν τύπου On-Vu B1 και F4. Μετά την κινητική μελέτη των χρονο-θερμοκρασιακών δεικτών, έγινε προσδιορισμός 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 του ρυθμού απόκρισης αυτών από τη θερμοκρασία και τον αρχικό χρόνο έκθεσης του ΤΤΙ στην υπεριώδη ακτινοβολία (tc), κατά την ενεργοποίησή τους. Κατά το δεύτερο στάδιο της πειραματικής διαδικασίας πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη των παραγόντων αλλοίωσης νωπών χελιών συσκευασμένων σε τροποποιημένη ατμόσφαιρα (ΜΑΡ) με αρχική σύσταση αερίων 1% O2 - 43% CO2 και κατεψυγμένου γλαυκοκαρχαρία. Συγκεκριμένα, για τα δύο τρόφιμα μελετήθηκε η μικροβιακή αλλοίωση, οι χημικές μεταβολές που λαμβάνουν χώρα, ενώ πραγματοποιήθηκε και οργανοληπτικός έλεγχος των δειγμάτων. Ως δείκτης αλλοίωσης για τα ψυγμένα χέλια ορίστηκε η ολική μικροβιακή χλωρίδα, ενώ ως δείκτης αλλοίωσης των κατεψυγμένων φιλέτων γλαυκοκαρχαρία, η ποσότητα των ολικών πτητικών αζωτούχων ενώσεων. Τέλος πραγματοποιήθηκε μελέτη για την εύρεση του κατάλληλου ΤΤΙ για την παρακολούθηση της ψυκτικής αλυσίδας στα νωπά χέλια, συσκευασμένα σε τροποποιημένη ατμόσφαιρα (ΜΑΡ), καθώς και της αλυσίδας κατάψυξης του κατεψυγμένου γλαυκοκαρχαρία. Με βάση τα συνολικά μαθηματικά μοντέλα που προέκυψαν για κάθε τύπο ΤΤΙ, οι καταλληλότεροι δείκτες που προσδιορίστηκαν για τα νωπά χέλια είναι οι Μ-38U , Β1-1s και F4-3,5s ενώ για τον κατεψυγμένο γλαυκοκαρχαρία οι M-80U και F4-1s.

Monitoring of storage temperature, the main shelf life determining post-processing parameter of foods, constitutes an essential prerequisite for effective shelf life management. The food chain is still characterized by great loss of quality due to significant deviations from the specifications of the temperature. For this reason it is necessary to develop a monitoring system of thermal-time history of food. Application of an optimized quality and safety assurance system for the distribution of chilled and frozen products requires continuous monitoring and control of storage conditions. Time-Temperature Integrators (TTI) are inexpensive, active “smart labels” that can show an easily measurable, time-temperature dependent change that reflects the temperature history of a food product to which it is attached. The objectives of this study were the determination of the response function of two types of UV activated photochemical (On-Vu B1 and F4) and one type of enzymatic (M-type) TTI labels, the development and validation of kinetic models for the quality indices deterioration of chilled and frozen fish products and the evaluation of the applicability of a TTI based system to improve product quality. The photochemical TTI labels, On-Vu B1 and F4 were exposed under UV radiation for 1-6 s and 3-15 s, respectively. As regards to the enzymatic TTI labels were studied 5 different concentration of the enzyme. All the integrators were stored at isothermal conditions from -15 to 15oC. Additionally, fresh eel samples packaged in modified atmosphere (MAP) and samples of frozen blue shark fillets were packed and stored at controlled isothermal conditions from 0 to 10ºC and -15 to -5ºC, respectively. Samples were taken at appropriate time intervals for efficient kinetic analysis of microbial spoilage. For monitoring the shelf life of chilled eels packaged in modified atmosphere selected quality indices such as aerobic and anaerobic plate count, oxidative rancidity (TBA), total volatile basic-nitrogen (TVB-N), pH, air composition( %O2, %CO2) and sensory evaluation were studied at appropriate time intervals. At the same time, for monitoring the shelf life of frozen blue-shark fillets selected quality indices such as colour, texture, oxidative rancidity (TBA), total volatile basic-nitrogen (TVB-N), aerobic plate count, pH, and sensory evaluation were studied at appropriate time intervals. The quality indices were kinetically modelled and the temperature dependence of the quality loss rates was expressed through the Arrhenius equation. The main deteriorative factor for the studied chilled products was the total viable count (TVC) and for the studied frozen products was the oxidation of the products measured by TVB-N. The effect of temperature on the rate constants (k) was expressed through the activation energy (Ea) for each product. For the selection of the appropriate photochemical and enzymatic TTI for monitoring the shelf lives of the studied chilled and frozen fish products, TTI labels response was kinetically studied. The appropriate photochemical and enzymatic TTI labels for any chilled or frozen fish product may be selected based on the developed mathematical models for the studied TTI labels. Applying the developed models, the required charging levels for the photochemical TTIs and the required substrate concentrations for the enzymatic TTI labels may be estimated to effectively monitor the shelf life of the studied chilled and frozen fish products. Μ-38U, Β1-1 s, F4-3,5 s and M-80U, F4-1 s TTI labels response times were well correlated with the shelf lives of fresh eel samples packaged in modified atmosphere and frozen blue-shark fillets, respectively.