Μελέτη απενεργοποίησης της αλλοιογόνου μικροχλωρίδας νωπών προϊόντων ιχθυοκαλλιέργειας με Ψυχρό Ατμοσφαιρικό Πλάσμα

Βασιλείου, Χριστόφορος; Vasileiou, Christoforos

dc.contributor.author	Βασιλείου, Χριστόφορος	el
dc.contributor.author	Vasileiou, Christoforos	en
dc.date.accessioned	2022-09-28T08:14:00Z
dc.date.available	2022-09-28T08:14:00Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55784
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23482
dc.rights	Default License
dc.subject	Ψυχρό ατμοσφαιρικό πλάσμα	el
dc.subject	Επεξεργασία τροφίμων	el
dc.subject	Μικροβιολογία τροφίμων	el
dc.subject	Επεξεργασία Ιχθυηρών	el
dc.subject	Προρρητική μικροβιολογία	el
dc.subject	Cold Atmospheric Pressure Plasma	en
dc.subject	Food processing	en
dc.subject	Food microbiology	en
dc.subject	Predictive microbiology	en
dc.subject	Fish processing	en
dc.title	Μελέτη απενεργοποίησης της αλλοιογόνου μικροχλωρίδας νωπών προϊόντων ιχθυοκαλλιέργειας με Ψυχρό Ατμοσφαιρικό Πλάσμα	el
dc.title	Study of inactivation of spoilage microflora of fresh fish products using Cold Atmospheric Pressure Plasma	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μηχανική Τροφίμων	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-02-18
heal.abstract	Τα ιχθυηρά είναι ιδιαίτερα ευαλλοίωτα τρόφιμα και η ποιότητά τους υποβαθμίζεται σε σύντομο χρόνο λόγω ταχείας μικροβιακής ανάπτυξης. Για την ανάγκη αύξησης του χρόνου ζωής των ιχθυηρών σε συνδυασμό με την ελάχιστη οργανοληπτική τους υποβάθμιση, εναλλακτικές μη θερμικές μέθοδοι επεξεργασίας έχουν αναπτυχθεί έναντι των συμβατικών και ερευνάται η αποτελεσματικότητά τους στα ιχθυηρά. Τέτοιες μέθοδοι είναι τα Παλμικά Ηλεκτρικά Πεδία, η Υπερυψηλή Πίεση, η επεξεργασία με ακτινοβολία και η επεξεργασία με Ψυχρό Ατμοσφαιρικό Πλάσμα. Το ψυχρό ατμοσφαιρικό πλάσμα είναι ένα ιονισμένο αέριο, συνήθως ευγενές αέριο, που παράγεται μέσω της εφαρμογής ηλεκτρικού πεδίου με παλμικό τρόπο και χαρακτηρίζεται από τη θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ των ουδέτερων σωματιδίων και των ηλεκτρονίων του αερίου. Συγκεκριμένα, τα ουδέτερα σωματίδια βρίσκονται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, ενώ τα ηλεκτρόνια σε πολύ υψηλή θερμοκρασία. Τα υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνια έχουν λίγο χρόνο να αλληλεπιδράσουν και να ανταλλάξουν ενέργεια με το περιβάλλον τους, οπότε η μέθοδος αποτελεί συμβατή επιλογή για χρήση σε θερμοευαίσθητες επιφάνειες και υλικά, όπως τα τρόφιμα. Η αντιμικροβιακή δράση της μεθόδου βασίζεται σε πολύπλοκους μηχανισμούς, συμπεριλαμβανομένων της ακτινοβόλησης του γεννητικού υλικού, της μεμβράνης και των ενδοκυτταρικών οργάνων των μικροοργανισμών και της χημικής αλληλεπίδρασης αυτών με φορτισμένα ιόντα και ενώσεις, και ρίζες οξυγόνου και αζώτου, προκαλώντας διαδικασίες απενεργοποίησης των μικροοργανισμών, όπως οξείδωση των μακρομορίων τους και κυτταρική διάρρηξη. Υπάρχουν διάφοροι τύποι εκπομπής ψυχρού ατμοσφαιρικού πλάσματος, όπως η εκκένωση μέσω διηλεκτρικού φράγματος, η εκκένωση τύπου κορώνας και η εκκένωση μέσω συσκευών jet. Οι συσκευές jet για εφαρμογή ψυχρού ατμοσφαιρικού πλάσματος χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω της ευκολίας στην χρήση τους. Στα ευαλλοίωτα τρόφιμα, όπως τα ιχθυηρά, χρειάζεται συστηματική μελέτη της μικροχλωρίδας τους κατά την συντήρησή τους. Για να αλλοιωθεί ένα τρόφιμο πρέπει οι μικροοργανισμοί, που υπάρχουν σε αυτό, να πολλαπλασιαστούν πάνω από ένα αποδεκτό όριο. Η ανάπτυξη αυτή εξαρτάται τόσο από ενδογενείς παράγοντες, που έχουν να κάνουν με τη σύσταση του τροφίμου, όπως το pH, η ενεργότητα νερού και τα θρεπτικά του συστατικά, όσο και από εξωγενείς παράγοντες, όπως η θερμοκρασία, η πίεση και η περιεκτικότητα αερίων. Η ανάγκη για γρήγορες εκτιμήσεις της επίδρασης αυτών των παραγόντων στην ανάπτυξη των μικροοργανισμών ανέπτυξε την προρρητική μικροβιολογία. Αποτελεί μία προσέγγιση της σύγχρονης μικροβιολογίας και έναν αναπτυσσόμενο τομέα έρευνας που βασίζεται στην ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων που μπορούν να προβλέψουν τον τρόπο ανάπτυξης ή θανάτωσης των μικροοργανισμών κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η επίδραση του ψυχρού ατμοσφαιρικού πλάσματος τύπου jet για την απενεργοποίηση της μικροχλωρίδας του ευρωπαϊκού λαβρακίου (European sea bass) συναρτήσει του χρόνου επεξεργασίας, με στόχο τη μαθηματική της περιγραφή. Η συσκευή jet (kINPen®) που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία λειτουργεί με παροχή ευγενούς αερίου και συγκεκριμένα του αργού, συχνότητα 1 MHz και ηλεκτρική τάση 2-6 kV. Στο λαβράκι κύριοι αλλοιογόνοι μικροοργανισμοί είναι τα βακτήρια Pseudomonas spp., Brochothrix thermosphacta, τα γαλακτικά βακτήρια και τα παράγοντα Η2S βακτήρια. Η μαθηματική περιγραφή της απενεργοποίησης των μελετώμενων μικροοργανισμών πραγματοποιήθηκε μέσω των μοντέλων των Baranyi και Roberts, του Weibull, του Geeraerd, του διφασικού και του γραμμικού. Η μελέτη της απενεργοποίησης προσεγγίστηκε με δύο διαφορετικούς τρόπους. Η αρχική προσέγγιση ήταν η απευθείας εφαρμογή ψυχρού πλάσματος σε τρυβλία διαμέτρου 8,5 cm έπειτα από την επίστρωση των μικροοργανισμών πάνω σε θρεπτικά υλικά και η εκτίμηση της μείωσης του μικροβιακού φορτίου έγινε μέσω μέτρησης της διαμέτρου της σχηματιζόμενης κυκλικής επιφάνειας, στείρας από μικροοργανισμούς, στο σημείο κοντά στην εφαρμογή. Μετά το πέρας των 360 sec μέγιστου χρόνου επεξεργασίας, η μείωση στο μικροβιακό φορτίο που επιτεύχθηκε για τα βακτήρια Pseudomonas spp. ήταν 0,40 log(CFU/mL), για τα βακτήρια Brochothrix thermosphacta ήταν 0,27 log(CFU/mL), για τα γαλακτικά βακτήρια 0,81 log(CFU/mL) και για τα βακτήρια που παράγουν H2S ήταν 0,77 log(CFU/mL). Η δεύτερη προσέγγιση βασίστηκε στην τοποθέτηση απόληξης κωνικού σχήματος στην συσκευή jet για τη διάχυση των παραγόμενων δραστικών ειδών σε όλη την επιφάνεια των τρυβλίων διαμέτρου 3,5 cm. Στις δύο εφαρμογές που πραγματοποιήθηκαν για κάθε μικροοργανισμό, μετά το πέρας των 15 min ως μέγιστο χρόνο επεξεργασίας, η μείωση των βακτηρίων Pseudomonas spp. ήταν 4,09 log(CFU/mL) και 4,84 log(CFU/mL), των βακτηρίων Brochothrix thermosphacta ήταν 3,76 log(CFU/mL) και 5,29 log(CFU/mL), των γαλακτικών βακτηρίων ήταν 4,16 log(CFU/mL) και 5,56 log(CFU/mL) και βακτηρίων που παράγουν H2S ήταν 5,36 log(CFU/mL) και 5,62 log(CFU/mL). Για τα βακτήρια Pseudomonas spp., Brochothrix thermosphacta και τα παράγοντα Η2S βακτήρια καλύτερη προσαρμογή είχαν τα μοντέλα Weibull και το διφασικό. Στο μοντέλο του Weibull προσδιορίστηκε η παράμετρος δ (delta), που αντιπροσωπεύει το χρόνο της πρώτης δεκαδικής μείωσης. Η παράμετρος αυτή πήρε την τιμή 1,49 για τα Pseudomonas spp., 0,81 για τα Brochothrix thermosphacta και 0,01 για τα παράγοντα H2S. Αναφορικά με το διφασικό μοντέλο, στην συνολική μείωση του μικροβιακού φορτίου κυρίως συνείσφερε η πρώτη φάση και ο μέγιστος ρυθμός μείωσης της φάσης αυτής ήταν 1,31 min-1, 11,31 min-1 και 5,23 min-1, για τα βακτήρια Pseudomonas spp., Brochothrix thermosphacta και τα παράγοντα H2S βακτήρια, αντίστοιχα. Για τα γαλακτικά βακτήρια καλύτερη προσαρμογή είχε το γραμμικό μοντέλο και ο μέγιστος ρυθμός μείωσης ήταν 0,295 min-1. Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση του ψυχρού ατμοσφαιρικού πλάσματος στην μείωση της αρχικής μικροχλωρίδας σε κομμάτια από φιλέτα λαβρακίου. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η μείωση των πληθυσμών της ολικής μικροβιακής χλωρίδας, των βακτηρίων Pseudomonas spp., του Brochothrix thermosphacta, των γαλακτικών βακτηρίων και των βακτηρίων που παράγουν H2S, των εντεροβακτηρίων και των ζυμών και μυκήτων, και αξιολογήθηκαν συνολικά εννιά διαφορετικές επεξεργασίες με παραμέτρους το χρόνο επεξεργασίας, την επιφάνεια εφαρμογής του δείγματος (σάρκα και δέρμα) και το μέσο μέσα στο οποίο επεξεργάστηκαν τα δείγματα (τρυβλία και πλαστικοί κυλινδρικοί περιέκτες). Κατά την εφαρμογή μέσα σε τρυβλία χρησιμοποιήθηκε η κωνική απόληξη. Τα αποτελέσματα σε όλους τους πληθυσμούς εμφάνισαν τάση μείωσης του αρχικού μικροβιακού τους φορτίου με αύξηση του χρόνου επεξεργασίας, εκτός των γαλακτικών βακτηρίων και των ζυμών και μυκήτων που εμφάνισαν ανθεκτικότητα στην επίδραση της μεθόδου. Επίσης, η επεξεργασία των δειγμάτων μέσα στους κυλινδρικούς περιέκτες εμφάνισε σημαντικότερη μείωση του φορτίου, ενώ η επιφάνεια εφαρμογής δεν έπαιξε σημαντικό ρόλο. Γενικότερα, οι επεξεργασίες εφαρμογής του ψυχρού πλάσματος διάρκειας 10 min και από τις δύο πλευρές των δειγμάτων, τόσο μέσα σε τρυβλία όσο και μέσα σε κυλινδρικούς περιέκτες, ήταν οι αποτελεσματικότερες. Με βάση τα παραπάνω αποτελέσματα επίδρασης του ψυχρού πλάσματος στο αρχικό μικροβιακό φορτίο, μελετήθηκε ο χρόνος διατηρησιμότητας σε φιλέτα λαβρακίου μέσω της εφαρμογής της μεθόδου σε κομμάτια από τα φιλέτα. Οι καμπύλες ανάπτυξης των μικροοργανισμών βασίστηκαν στην κινητική του μοντέλου των Baranyi και Roberts και ο χρόνος ζωής υπολογίστηκε με βάση τα κινητικά δεδομένα της ολικής μικροβιακής χλωρίδας. Μελετώντας την εφαρμογή σε δείγματα για διάρκεια 10 min από την πλευρά της σάρκας μέσα σε τρυβλία και αποθήκευση αυτών στους 10οC, ο χρόνος ζωής των επεξεργασμένων και των ανεπεξέργαστων δειγμάτων υπολογίστηκε στις 3 ημέρες. Επίσης, η επεξεργασία 5 min από την σάρκα και 5 min από το δέρμα του φιλέτου μέσα σε τρυβλία και αποθήκευση των φιλέτων στους 2,5οC είχε ως αποτέλεσμα επεξεργασμένα και ανεπεξέργαστα δείγματα να εμφανίσουν την ίδια διάρκεια ζωής, ίση με 5 ημέρες. Η αύξηση του χρόνου επεξεργασίας και συγκεκριμένα η εφαρμογή για χρόνο 10 min από την κάθε πλευρά των δειγμάτων μέσα σε τρυβλία και θερμοκρασία αποθήκευσης 2,5οC επέφερε μία ημέρα αύξηση του χρόνου ζωής των επεξεργασμένων έναντι των ανεπεξέργαστων, και συγκεκριμένα ήταν 6 και 5 ημέρες, αντίστοιχα. Τέλος, για χρόνο επεξεργασίας 10 min και από τις δύο πλευρές του φιλέτου μέσα σε πλαστικούς κυλινδρικούς περιέκτες και αποθήκευση των δειγμάτων στους 2,5οC, oι χρόνοι ζωής ήταν 6 ημέρες για τα ανεπεξέργαστα και 7 ημέρες για τα επεξεργασμένα φιλέτα. Στα πειράματα αυτά, σε μεγαλύτερα μικροβιακά φορτία έφτασαν τα βακτήρια Pseudomonas spp., Brochothrix thermosphacta και τα παράγοντα Η2S βακτήρια. Τέλος, να σημειωθεί ότι παράλληλα με τη μελέτη ανάπτυξης της μικροχλωρίδας, μελετήθηκε και η μεταβολή του pH όλων των δειγμάτων, καθώς και η αρχική μεταβολή του χρώματος και της υφής των φιλέτων. Η μεταβολή στο pH και στην υφή ήταν αμελητέα, ενώ αναφορικά με το χρώμα των επεξεργασμένων φιλέτων μετά από χρόνο επεξεργασίας 10 min από την πλευρά της σάρκας μέσα σε τρυβλία, παρατηρήθηκε μικρή μείωση στις τιμές της φωτεινότητας L και της κυανότητας b. Συμπερασματικά, η επίδραση του ψυχρού ατμοσφαιρικού πλάσματος στους απομονωμένους μικροοργανισμούς με χρήση της απόληξης κωνικού σχήματος φάνηκε πιο αποτελεσματική, οδηγώντας σε σημαντική μείωση του μικροβιακού φορτίου των μελετώμενων μικροοργανισμών. Επίσης, η επεξεργασία των φιλέτων λαβρακίου με τη μέθοδο αυτή αύξησε το χρόνο διατηρησιμότητάς τους και ταυτόχρονα δεν επηρέασε σημαντικά το χρώμα και την υφή τους.	el
heal.abstract	Fishes and their products are quite perishable due to rapid microbial growth which leads to spoilage. Because of the need for fishes’ self-life extension and for minimum organoleptic degradation, alternative non thermal technologies for food preservation have been developed in order to replace the conventional ones, and their applicability to fish foodstuffs is under investigation. Among alternative non thermal technologies, the Pulsed Electric Fields, High Pressure, radiation and Cold Atmospheric Pressure Plasma technologies have been proposed. Cold Atmospheric Pressure Plasma (CAPP) is a partially ionized gas, usually noble gas, that is produced through pulsed electric field treatment and is characterized by the differentiation in temperature between heavy species and electrons. Specifically, heavy species are in ambient temperature, while electrons are in higher temperature. Electrons have little time to interact and exchange energy with the nearby environment and, so, the procedure is applicable to thermosensitive surfaces and materials, such as foods. Cold plasma’s microbial inactivation is accomplished via combined mechanisms, including irradiation of cell DNA, membrane and intracellular components and chemical interaction with charged particles and reactive O2-N2 species, which induce bacterial inactivation processes such as oxidation of macromolecules and membrane damage. There are many cold atmospheric pressure plasma types, such as dielectric barrier discharge plasma, corona discharge plasma and jet plasma. Jet plasma is widely used due to its operational convenience. Perishable foods, like fish products, require systematically study of their microbial growth during their storage. Microbial Load of such products has to be increased above an upper limit for food spoilage. The increase depends on a variety of endogenous factors, such as pH, water activity and nutritional ingredients, and exogenous factors, such as temperature, pressure and air composition. Because of the need for quick estimation of these factors’ effect in microbial growth, predictive microbiology has been developed. Predictive microbiology is a modern approach in food microbiology that is based on the development of mathematical models, that can estimate the microbial growth or inactivation rate under specific conditions. In this diploma thesis, the effect of jet type CAPP application on the survivability of fish spoilage microorganisms, specifically of European sea bass, versus treatment time has been investigated, and the parameters of several inactivation kinetic models of these microorganisms under CAPP conditions were estimated. The jet plasma device (kINPen®) used in the experiments operates with argo, as gas flow, 1 MHz frequency and 2-6 kV electric voltage. The main spoilage microorganisms of sea bass that were tested included Pseudomonas spp., Brochothrix thermosphacta, lactic acid bacteria and H2S producing bacteria, and the inactivation kinetics of these microorganisms were described by the Baranyi and Robert’s, Weibull, Geeraerd, biphasic and linear model. The study of inactivation was approached in two different methodologies. The first methodology was the direct plasma treatment on petri dishes (8,5 cm diameter) after inoculation of microorganisms and their homogeneously dispersion onto appropriate growth media. The calculation of the reduction of microbial load was achieved through the measurement of a circular area’s diameter, which formed due to microbial inactivation nearby the point where plasma was applied. After 360 sec treatment time, Pseudomonas spp. decreased by 0,40 log(CFU/mL), Brochothrix thermosphacta decreased by 0,27 log(CFU/mL), lactic acid bacteria decreased by 0,81 log(CFU/mL) and H2S producing bacteria decreased by 0,77 log(CFU/mL). The second approaching methodology was based on the positioning of a conical end in plasma jet device in order radical species to be diffused in the whole area of the petri dish (3,5 cm diameter). The experiments conducted twice for every type of microorganism and after 15 min treatment time, Pseudomonas spp. decreased by 4,09 and 4,84 log(CFU/mL), Brochothrix thermosphacta decreased by 3,76 and 5,29 log(CFU/mL), lactic acid bacteria decreased by 4,16 και 5,56 log(CFU/mL) and H2S producing bacteria decreased by 5,36 και 5,62 log(CFU/mL). Also, it was observed that either the Weibull or the Biphasic model most adequately described microbial inactivation, with the exception of lactic acid bacteria, where inactivation followed linear kinetics. The parameter delta (δ) of Weibull model, representing the time of first decimal reduction, was estimated equal to 1,49 for Pseudomonas spp., 0,81 for Brochothrix thermosphacta and 0,01 for H2S producing bacteria. Regarding Biphasic model, the first phase greatly contributes to overall reduction and the rate constant of this phase was estimated to 1,31 min-1, 11,31 min-1 και 5,23 min-1, respectively. The inactivation rate constant of lactic acid bacteria was estimated equal to 0,295 min-1 according to linear model. The evaluation of the effect of CAPP application on the survivability of fish spoilage microorganisms and the shelf life extension of fish fillets were also investigated. The initial microbial load reduction of selected populations (Total Microbial Counts - TVC, Pseudomonas spp., Brochothrix thermosphacta, lactic acid bacteria, H2S producing bacteria, Enterobacteriaceae and yeasts and molds) was studied versus a variety of parameters, including processing time, area of application (flesh and skin) and product container (petri dishes and plastic tubes). The conical end in plasma devise was used in the CAPP experiments where the samples were placed in petri dishes. All microbial populations exhibited a similar trend of reduction while increasing processing time, with the exception of lactic acid bacteria and yeasts and molds, which were found more resistant to CAPP application. Additionally, the application of CAPP in samples placed into plastic tubes found more effective compared to petri dishes, while the area of application (skin or flesh) exhibited no effect on the survivability of the tested microorganisms. In general, the most efficient treatment was the 10-min processing of both flesh and skin of fish fillets placed into plastic tubes. Based on the above effect of CAPP on the initial microbial load, the shelf life extension of fish fillets due to CAPP treatment was studied. The growth of specific spoilage microflora of the fish fillets was described by the Baranyi and Robert model, and the shelf life was estimated based on the TVC growth. For this purpose, four experiments were conducted. The shelf life of CAPP treated and control samples was found equal to 3 days after 10 min treatment on samples’ flesh inside petri dished followed by storage at 10oC. The 5-min treatment of each side of the fish samples followed by storage at 2.5oC led to shelf life extension for both CAPP treated and control samples to 5 days. An increase in treatment time to 10 min on each side followed by storage of fish fillets at 2.5oC led to a further shelf life extension of the CAPP treated fillets to 6 days, while control samples exhibited a shelf life of 5 days. Regarding samples placed into plastic tubes, CAPP treatment led to an additional shelf life extension of one more day, exhibiting a shelf life equal to 6 days for control fillets and 7 days for 10-min CAPP treated fillets. Moreover, no significant differences regarding either pH value or fillets’ texture was observed after CAPP treatment, while a slight decrease of brightness and parameter b of color was observed in CAPP treated samples after a 10-min processing on both sides of the fillet. In conclusion, the effect of CAPP application on the isolated fish microorganisms was more efficient when positioning a conical end in plasma jet devise, as in this case a significant reduction of the microbial load of Pseudomonas spp., Brochothrix thermosphacta, lactic acid bacteria and H2S producing bacteria was observed. Finally, regarding the effect of CAPP application on sea bass fillets, their shelf life was extended, while no significant changes were observed for their physicochemical parameters (pH and texture).	en
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Τσιρώνη, Θεοφανία	el
heal.committeeMemberName	Δέτση, Αναστασία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	156 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false