Εφαρμογή καινοτόμων μη θερμικών διεργασιών για την παραγωγή προϊόντων μακράς διατηρησιμότητας με βάση τα φυλλώδη λαχανικά

Μπαλαχτσής, Κωνσταντίνος; Balachtsis, Konstantinos

dc.contributor.author	Μπαλαχτσής, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Balachtsis, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2023-05-15T10:59:14Z
dc.date.available	2023-05-15T10:59:14Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57707
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.25404
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Ωσμωτική αφυδάτωση	el
dc.subject	Παλμικά ηλεκτρικά Πεδία	el
dc.subject	Αυξημένη διατηρησιμότητα	el
dc.subject	Φυλλώδη λαχανικά	el
dc.subject	Σπανάκι	el
dc.title	Εφαρμογή καινοτόμων μη θερμικών διεργασιών για την παραγωγή προϊόντων μακράς διατηρησιμότητας με βάση τα φυλλώδη λαχανικά	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Χημεία και Τεχνολογία Τροφίμων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-02-21
heal.abstract	Τα φρέσκα φρούτα και λαχανικά κατέχουν ξεχωριστή θέση στη διατροφή του ανθρώπου χάρη στα θρεπτικά τους χαρακτηριστικά. Η αναζήτηση προϊόντων λαχανικών και φρούτων έτοιμων προς κατανάλωση αποτελεί νέα τάση των καταναλωτών που συνεχώς αυξάνεται. Τέτοια προϊόντα αποτελούν οι φρέσκες σαλάτες, που περιέχουν πράσινα φυλλώδη λαχανικά όπως το σπανάκι, με κύριο χαρακτηριστικό τους τη φρεσκάδα και την υψηλή διατροφική αξία. Το σπανάκι (Spinacia oleracea) είναι ένα από τα πλέον καλλιεργούμενα λαχανικά παγκοσμίως με υψηλή διατροφική αξία και συγκεκριμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά όπως είναι το πράσινο χρώμα του, η γεύση του και η έντονη φρεσκάδα του. Η προσπάθεια εισαγωγής του σπανακιού σε προϊόντα έτοιμα προς κατανάλωση, είτε μόνο του είτε σε συνδυασμό με άλλα λαχανικά, παρουσιάζει ιδιαίτερη δυσκολία λόγω του υψηλού περιεχόμενου νερού, το οποίο καθιστά ιδανικές τις συνθήκες για την ανάπτυξη αλλοιογόνων και παθογόνων μικροοργανισμών που υποβαθμίζουν την ποιότητά του σπανακιού και μειώνουν το χρόνο ζωής. Υπάρχει πληθώρα τεχνικών αφυδάτωσης που εφαρμόζονται σε φρούτα και λαχανικά, ώστε να απομακρυνθεί η υγρασία και να παραχθούν σταθερά τελικά προϊόντα με εκτεταμένη διατηρησιμότητα. Το μειονέκτημα αυτών των τεχνικών είναι ότι δεν επικεντρώνονται στη διατήρηση της ποιότητας του τροφίμου, με αποτέλεσμα να υποβαθμίζονται σημαντικές ποιοτικές παράμετροι των τελικών προϊόντων. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχουν αναπτυχθεί νέες μη θερμικές μέθοδοι επεξεργασίας. Η ωσμωτική αφυδάτωση είναι μια τέτοια μέθοδος, που έχει προσφέρει σημαντικά αποτελέσματα, κατά την οποία χρησιμοποιείται ένα υπερτονικό διάλυμα σακχάρων ή αλάτων μέσα στο οποίο εμβαπτίζεται το τρόφιμο και με αυτόν το τρόπο επιτυγχάνεται απομάκρυνση της περιεχόμενης υγρασίας και πρόσληψη στερεών από το διάλυμα. Συγχρόνως, ενισχύονται τα ποιοτικά και διατροφικά χαρακτηριστικά του επεξεργαζόμενου τροφίμου. Μέθοδοι ενίσχυσης των φαινομένων μεταφοράς μάζας χρησιμοποιούνται συχνά, ώστε να ενισχύσουν τις διεργασίες αφυδάτωσης. Μια νέα και καινοτόμα μέθοδος ενίσχυσης των φαινομένων μεταφοράς του νερού είναι τα παλμικά ηλεκτρικά πεδία. Πολλές μελέτες έχουν γίνει για τη συνδυαστική της δράση με την ωσμωτική αφυδάτωση και με άλλες διεργασίες αφυδάτωσης σε φρούτα και λαχανικά, οι οποίες έχουν καταλήξει ότι συγχρόνως με την ενίσχυση της απομάκρυνσης της υγρασίας επιτυγχάνεται η διατήρηση θρεπτικών συστατικών και η βελτίωση ποιοτικών και οργανοληπτικών χαρακτηριστικών. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της ωσμωτικής αφυδάτωσης σπανακιού σε συνδυασμό με τα παλμικά ηλεκτρικά πεδία για την παραγωγή προϊόντων σπανακιού με αυξημένη διατηρησιμότητα. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν οι παράμετροι (συγκέντρωση ωσμωτικού διαλύματος, χρόνος επεξεργασίας) της διεργασίας της ωσμωτικής αφυδάτωσης και οι μεταβολές που προκαλεί στην υφή, το χρώμα και τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των δειγμάτων σπανακιού. Επίσης, αναζητήθηκαν οι κατάλληλες συνθήκες επεξεργασίας με παλμικά ηλεκτρικά πεδία καθώς και ο συνδυασμός των δυο μεθόδων. Τελικώς προσδιορίστηκε η διατηρησιμότητα σε διαφορετικές θερμοκρασίες αποθήκευσης σε ανεπεξέργαστα, ωσμοαφυδατωμένα και ωσμοαφυδατωμένα με προκατεργασία με ΠΗΠ δείγματα σπανακιού στις κατάλληλες συνθήκες που βρέθηκαν από τα αρχικά πειράματα. Στο πρώτο μέρος της εργασίας έγινε μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης του ωσμωτικού διαλύματος στην ωσμωτική αφυδάτωση σπανακιού. Μελετήθηκε συνδυασμός συνθηκών ωσμωτικής αφυδάτωσης (περιεκτικότητα σε γλυκερόλη 50-60%, χρόνοι επεξεργασίας 0-120 min) ως προς την απώλεια υγρασίας, την πρόσληψη στερεών, την ενεργότητα νερού και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά (αντικειμενικό χρώμα, δύναμη διάτρησης). Ως πιο κατάλληλες συνθήκες επεξεργασίας βρέθηκαν η περιεκτικότητα 60% σε γλυκερόλη και ο χρόνος επεξεργασίας 60 min, για τις οποίες επιτεύχθηκε ενεργότητα νερού 0.90 (ανεπεξέργαστο δείγμα 0.97), και δείκτες απώλειας νερού και πρόσληψης στερών 3.4 gνερού/g αρχικού ξηρού βάρους και 0.8 gστερεού/g αρχικού ξηρού βάρους αντίστοιχα. Στις συνθήκες επεξεργασίας αυτές παρατηρήθηκε διατήρηση της πράσινης απόχρωσης των δειγμάτων με παράλληλη μείωση της φωτεινότητας (L) κατά 10% σε σχέση με το ανεπεξέργαστο δείγμα. Η ΩΑ δεν επέφερε σημαντική μεταβολή της δύναμης διάτρησης σε καμία από τις συνθήκες που εξετάστηκαν. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίδραση εύρους συνθηκών επεξεργασίας ΠΗΠ (0.6-2.2 kV/cm, 0-200 παλμοί, 0-50 kJ/kg ειδική ενέργεια) στα ποιοτικά χαρακτηριστικά φύλλων σπανακιού (αντικειμενικό χρώμα, δύναμη διάτρησης, οργανοληπτικά χαρακτηριστικά) με στόχο να οριοθετηθεί το εύρος της έντασης των συνθηκών επεξεργασίας που δεν προκαλεί σημαντική ποιοτική υποβάθμιση. Παρατηρήθηκε ότι το χρώμα των δειγμάτων δεν παρουσίασε ιδιαίτερες διαφορές με την αύξηση της έντασης των συνθηκών επεξεργασίας. Ωστόσο, για υψηλές τιμές ειδικής ενέργειας (>5 kJ/kg) προέκυψε ότι απαιτείται κατά 30-50% μεγαλύτερη δύναμη διάτρησης των φύλλων σπανακιού σε σχέση με την αρχική δύναμη. Οι οργανοληπτικοί δείκτες της σπαργής και της συνολικές αρέσκειας παρουσίασαν χαμηλές βαθμολογίες για ειδική ενέργεια που ξεπερνούσε τα 5 kJ/kg, επιβεβαιώνοντας τις αντικειμενικές μετρήσεις. Η τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου των 0.6 kV/cm θεωρήθηκε ως καταλληλότερη, αφού δεν επέφερε σημαντικές μεταβολές της. Με στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης των ΠΗΠ στα φαινόμενα μεταφοράς μάζας κατά την ΩΑ, μελετήθηκε η επεξεργασία ΠΗΠ (0.6 kV/cm, 0-200 παλμοί, 0-4 kJ/kg) σε δείγματα σπανακιού πριν από την ΩΑ σε διαλύματα περιεκτικότητας σε γλυκερόλη 50% και 60%. Η επίδραση των κατεργασιών μελετήθηκε ως προς την απώλεια νερού, την πρόσληψη στερεών, την ενεργότητα νερού και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά (αντικειμενικό χρώμα, δύναμη διάτρησης). Ο χρόνος επεξεργασίας 60 min και η εφαρμογή 20 παλμών κρίθηκαν ως καταλληλότερες συνθήκες επεξεργασίας. Σε αυτές τις συνθήκες η ενεργότητα του νερού μετρήθηκε ίση με 0.9 (σε σχέση με το ανεπεξέργαστο δείγμα με ενεργότητα νερού 0.97) και η απώλεια υγρασίας και πρόσληψης στερεών παρουσίασαν υψηλές τιμές, 2.88 gνερού/gαρχικού ξηρού βάρους και 1.22 gστερεού/g αρχικού ξηρού βάρους αντίστοιχα. Ο χαμηλός αριθμός παλμών (20) δεν παρουσίασε αρνητική επίδραση στις ποιοτικές παραμέτρους της υφής και του χρώματος και συγχρόνως παρατηρήθηκε αυξημένη πρόσληψη στερεών, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την ενίσχυση του ιστού του σπανακιού με διαλυμένα συστατικά του ωσμωτικού διαλύματος. Από τη μαθηματική περιγραφή των πειραματικών δεδομένων για τη μεταφορά νερού και στερεών μέσω του 2ου νόμου του Fick για τη διάχυση προέκυψε ότι η επεξεργασία με ΠΗΠ οδήγησε σε σημαντική αύξηση του συντελεστή διάχυσης του νερού (από 4.2310-15 m2/s (ανεπεξέργαστο δείγμα) έως 9.1610-15 m2/s (200 παλμοί)) και των στερεών (από 9.9410-15 m2/s (ανεπεξέργαστο δείγμα) έως 15.0310-15 m2/s (200 παλμοί)). Για τον προσδιορισμό της διατηρησιμότητας των ανεπεξέργαστων, των ωσμοαφυδατωμένων και των ωσμοαφυδατωμένων με προεπεξεργασία με ΠΗΠ δειγμάτων σπανακιού μελετήθηκε η μικροβιακή ανάπτυξη, η μεταβολή του pH, της δύναμης διάτρησης και του αντικειμενικού χρώματος, η περιεκτικότητα σε βιταμίνη C και σε χλωροφύλλες, καθώς και πραγματοποιήθηκε οργανοληπτική αξιολόγηση των δειγμάτων. Κατά τις μικροβιολογικές αναλύσεις του ολικού μικροβιακού φορτίου, των ψευδομονάδων, των ζυμών και μυκήτων και των εντεροβακτηρίων παρατηρήθηκε ότι η ωσμωτική αφυδάτωση και η προεπεξεργασία με ΠΗΠ καθώς και η εφαρμογή χαμηλών θερμοκρασιών αποθήκευσης επιβράδυναν τη μικροβιακή ανάπτυξη. Από μαθηματική περιγραφή των πειραματικών δεδομένων για τη μικροβιακή ανάπτυξη μέσω του μοντέλου Baranyi, υπολογίστηκαν οι ρυθμοί ανάπτυξης του μικροβιακού πληθυσμού. Για το ολικό μικροβιακό φορτίο, το οποίο αποτελεί και καθοριστικό μικροβιολογικό παράγοντα για τη διατηρησιμότητα των δειγμάτων σπανακιού, βρέθηκε ότι η ΩΑ και η προκατεργασία με ΠΗΠ επέφεραν σημαντική επιβράδυνση της μικροβιακής ανάπτυξης. Ειδικότερα, για τη θερμοκρασία αποθήκευσης 4oC, ο ρυθμός ανάπτυξης μειώθηκε από 0.236 d-1 για τα ανεπεξέργαστα δείγματα σε 0.091 d-1 για τα ωσμοαφυδατωμένα δείγματα, ενώ για τα επεξεργασμένα δείγματα σπανακιού με ΩΑ και προκατεργασία με ΠΗΠ δεν υπήρξε μικροβιακή ανάπτυξη. Η εξάρτηση των ρυθμών ανάπτυξης της ολικής μικροβιακής χλωρίδας από τη θερμοκρασία αποθήκευσης εκφράστηκε μέσω της εξίσωσης Arrhenius. Η ενέργεια ενεργοποίησης της ανάπτυξης της μικροβιακής χλωρίδας υπολογίστηκε ίση με 50.89 kJ/mol για τα ανεπεξέργαστα δείγματα και 33.36 kJ/mol για τα επεξεργασμένα με ΩΑ δείγματα σπανακιού αντίστοιχα. Όσον αφορά τη μεταβολή του pH, η τάση που ακολούθησε ήρθε σε συμφωνία με τα αποτελέσματα της μικροβιολογικής ανάλυσης, δηλαδή η εφαρμογή της ωσμωτικής αφυδάτωσης και των ΠΗΠ μείωσαν το ρυθμό αύξησης του pH κατά τη διάρκεια αποθήκευσης των δειγμάτων σπανακιού. Η δύναμη διάτρησης φάνηκε ότι δεν μεταβάλλεται σε σχέση με το χρόνο αποθήκευσης για καμία επεξεργασία. Η ωσμωτική αφυδάτωση και η προεπεξεργασία με ΠΗΠ είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση κατά 5-10 μονάδων των δεικτών L και C του χρώματος, ενώ ο δείκτης h δεν μεταβλήθηκε με το πέρασμα του χρόνου. Τα ωσμοαφυδατωμένα και τα ωσμοαφυδατωμένα με προκατεργασία με ΠΗΠ δείγματα σπανακιού παρουσίασαν μεγαλύτερη διατήρηση της συγκέντρωσης βιταμίνης C σε σχέση με τα ανεπεξέργαστα δείγματα. Συγκεκριμένα, στη θερμοκρασία των 10oC, η συγκέντρωση μειώθηκε κατά 80% μετά από 8 ημέρες αποθήκευσης στα ανεπεξέργαστα δείγματα, ενώ στα ωσμοαφυδατωμένα δείγματα η συγκέντρωση μειώθηκε κατά 50% μετά από 16 ημέρες και στα δείγματα με προκατεργασία με ΠΗΠ παρατηρήθηκε μείωση κατά 35% μετά από 24 ημέρες αποθήκευσης. Στον οργανοληπτικό έλεγχο αξιολογήθηκαν η σπαργή του σπανακιού, η ένταση των δυσάρεστων οσμών, η γεύση και η συνολική αρέσκεια των δειγμάτων. Η υποβάθμιση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών παρουσίασε γραμμική τάση, έτσι τα δεδομένα προσαρμόστηκαν σε γραμμικές εξισώσεις από τις οποίες προέκυψαν οι ρυθμοί μεταβολής των χαρακτηριστικών. Η ΩΑ συνέβαλε στην επιβράδυνση της μείωσης της συνολικής οργανοληπτικής αρέσκειας στα ωσμοαφυδατωμένα δείγματα σπανακιού, το οποίο επιβεβαιώνεται από τον υπολογισμό του ρυθμού μείωσης των ωσμοαφυδατωμένων δειγμάτων σπανακιού σε θερμοκρασία 4oC (-0.091 d-1) που είναι σημαντικά μικρότερος από το ρυθμό μείωσης των ανεπεξέργαστων δειγμάτων (-0.343 d-1). Μέσω της εξίσωσης Arrhenius, υπολογίστηκαν και οι ενέργειες ενεργοποίησης για τους ρυθμούς αλλοίωσης, οι οποίες μετρήθηκαν ως 77.45 kJ/mol για τη μείωση της συνολικής αρέσκειας των ανεπεξέργαστων δειγμάτων και 88.66 kJ/mol για τα ωσμοαφυδατωμένα δείγματα σπανακιού. Από την μαθηματική περιγραφή των πειραματικών δεδομένων προσδιορίστηκε η εξάρτηση της διατηρησιμότητας των ανεπεξέργαστων και ωσμοαφυδατωμένων δειγμάτων σπανακιού από τη θερμοκρασία αποθήκευσης, με βάση την κινητική ανάπτυξης της ολικής μικροβιακής χλωρίδας και της συνολικής οργανοληπτικής εντύπωσης. Ως όριο για την πρώτη θεωρήθηκε η τιμή των 8 log(CFU)/g, και για την δεύτερη η τιμή 5. Στα ανεπεξέργαστα δείγματα βρέθηκε ότι καθοριστικός παράγοντας για τη διατηρησιμότητα ήταν το ολικό μικροβιακό φορτίο μέχρι τη θερμοκρασία των 19οC, ενώ για μεγαλύτερες θερμοκρασίες η συνολική αρέσκεια καθόρισε τη διατηρησιμότητα. Στα ωσμοαφυδατωμένα δείγματα, η διατηρησιμότητα καθορίστηκε από την ολική μικροβιακή χλωρίδα μέχρι τη θερμοκρασία αποθήκευσης των 18oC. Η διατηρησιμότητα ήταν 6, 4, 3 και 2 ημέρες για τα ανεπεξέργαστα δείγματα σε θερμοκρασίες 4oC, 8oC, 12oC και 20oC, ενώ για τα ωσμοαφυδατωμένα δείγματα σπανακιού ήταν 13, 10, 8 και 4 ημέρες για θερμοκρασίες 4oC, 8oC, 12oC και 20oC, αντίστοιχα. Μέσω των αποτελεσμάτων της μελέτης προέκυψε το συμπέρασμα ότι η διεργασία της ωσμωτικής αφυδάτωσης είχε θετική επίδραση τόσο στη διατήρηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών των δειγμάτων σπανακιού όσο και στην επέκταση της διατηρησιμότητάς τους. Η ΩΑ μείωσε σημαντικά το ρυθμό ανάπτυξης του ολικού μικροβιακού φορτίου σε σχέση με τα ανεπεξέργαστα δείγματα. Επιπλέον, η συνδυαστική δράση της ΩΑ με τα παλμικά ηλεκτρικά πεδία ενίσχυσε τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας και είχε ως αποτέλεσμα την αναστολή της μικροβιακής ανάπτυξης. Η ένταξη του σπανακιού σε προϊόντα σταθερά με αυξημένη διατηρησιμότητα δεν ήταν προηγουμένως εφικτή λόγω του υψηλού μικροβιακού φορτίου του και κατ’επέκταση της χαμηλής διατηρησιμότητάς του, ωστόσο με την επίδραση της ΩΑ ενισχύεται αυτή η προοπτική. Επίσης, σε επόμενο στάδιο δύναται να μελετηθεί η επαναχρησιμοποίηση του ωσμωτικού διαλύματος μετά το τέλος της επεξεργασίας τόσο για την ωσμωτική ικανότητα του διαλύματος, το οποίο έχει αραιωθεί, όσο και για τη μικροβιακή του επιμόλυνση από το επεξεργασμένο σπανάκι. Τέλος, περαιτέρω έρευνας χρήζει η αναλογία τροφίμου προς ωσμωτικό διάλυμα, ώστε να διαπιστωθεί αν μικρότερες αναλογίες έχουν το ίδιο αποτέλεσμα στο σπανάκι, κάτι το οποίο θα αποτελούσε σημαντικό βήμα για την εφαρμογή της διεργασίας με μεγαλύτερη κλίμακα.	el
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.advisorName	Δημόπουλος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Γιαννακούρου, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Δέτση, Αναστασία	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	112 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false