Εφαρμογή καινοτόμων μη θερμικών διεργασιών για την παραγωγή προϊόντων πατάτας με ανώτερα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά και διάρκεια ζωής

Καραφάνταλου, Ελευθερία; Karafantalou, Eleftheria

dc.contributor.author	Καραφάνταλου, Ελευθερία	el
dc.contributor.author	Karafantalou, Eleftheria	en
dc.date.accessioned	2024-01-08T12:49:14Z
dc.date.available	2024-01-08T12:49:14Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58535
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26231
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Παλμικά Ηλεκτρικά Πεδία	el
dc.subject	Υπερυψηλή πίεση	el
dc.subject	Πολυφαινολική οξειδάση	el
dc.subject	Ενζυμικό μαύρισμα	el
dc.title	Εφαρμογή καινοτόμων μη θερμικών διεργασιών για την παραγωγή προϊόντων πατάτας με ανώτερα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά και διάρκεια ζωής	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Τεχνολογία Τροφίμων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-07-04
heal.abstract	Οι πατάτες αποτελούν βασικό στοιχείο της διατροφής, καθώς εκτός από την ευελιξία στις μαγειρικές παρασκευές, η υψηλή διατροφική τους αξία τις καθιστά ιδανικές για τη διατήρηση μίας ισορροπημένης διατροφής. Ωστόσο, ενώ η αναζήτηση για φρέσκα και έτοιμα προς κατανάλωση φρούτα και λαχανικά, ολοένα και αυξάνεται, λόγω των θρεπτικών συστατικών και της εύκολης χρήσης τους, οι φρεσκοκομμένες πατάτες έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής. Αυτό οφείλεται στην ευαισθησία που παρουσιάζουν οι πατάτες στο ενζυμικό μαύρισμα κατά την επεξεργασία τους. Το ένζυμο που είναι κυρίως υπεύθυνο για αυτή τη χρωματική αλλοίωση είναι η πολυφαινολική οξειδάση (PPO), η οποία συναντάται σε πολλούς φυτικούς ιστούς. Για την ανάσχεση του ενζυμικού μαυρίσματος σε πατάτες, έχουν αναπτυχθεί τεχνολογίες οι οποίες είναι μεν αποτελεσματικές στην ενζυμική απενεργοποίηση, όμως είτε υποβαθμίζουν την ποιότητα τους εκθέτοντας τα προϊόντα σε υψηλές θερμοκρασίες, είτε έχουν υψηλό κόστος. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της ωσμωτικής αφυδάτωσης φρεσκοκομμένης πατάτας σε συνδυασμό με την υπερυψηλή πίεση (ΥΠ) ή με τα παλμικά ηλεκτρικά πεδία (ΠΗΠ), για την παραγωγή προϊόντων πατάτας με ανώτερα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά και αυξημένη διάρκεια ζωής. Η ωσμωτική αφυδάτωση είναι μία μέθοδος η οποία προκαλεί τη μεταβολή της σύστασης των τροφίμων, επιτρέποντας τον εμπλουτισμό αυτών με παράγοντες ανάσχεσης της δράσης της PPO, χωρίς ποιοτική υποβάθμιση. Τα παλμικά ηλεκτρικά πεδία και η υπερυψηλή πίεση είναι τεχνολογίες που αυξάνουν τη διαπερατότητα της κυτταρικής μεμβράνης φυτικών ιστών. Οι τεχνολογίες αυτές, συνδυάζονται συχνά με την ωσμωτική αφυδάτωση, καθώς ενισχύουν τη πρόσληψη στερεών και την απώλεια υγρασίας ενώ ταυτόχρονα καθιστούν δυνατή τη διατήρηση θρεπτικών συστατικών και την αδρανοποίηση μικροοργανισμών. Ύστερα από βιβλιογραφική ανασκόπηση των μεθόδων περιορισμού του ενζυμικού μαυρίσματος, στην παρούσα εργασία εξετάστηκε η επίδραση της θερμικής επεξεργασίας, της υπερυψηλής πίεσης και της προσθήκης παρεμποδιστών στην απενεργοποίηση σε εκχύλισμα PPO πατάτας. Η θερμική επεξεργασία (60, 70 και 80°C, 0-20 min) του ενζυμικού εκχυλίσματος είχε ως αποτέλεσμα την απενεργοποίηση του ενζύμου (ρυθμοί απενεργοποίησης (k) 0.061, 0.441 και 0.901 min-1, αντίστοιχα). Η εξάρτηση των ρυθμών απενεργοποίησης από τη θερμοκρασία εκφράστηκε μέσω της εξίσωσης Arrhenius, από την οποία υπολογίστηκε η ενέργεια ενεργοποίησης ίση με 132.1 kJ/mol. Η υπερυψηλή πίεση εφαρμόστηκε σε πίεση 600 MPa για 0-20 min σε θερμοκρασία 20°C και η μέγιστη απενεργοποίηση του ενζύμου που επιτεύχθηκε ήταν 41% (χρόνος 5 min). Σχετικά με τη χημική παρεμπόδιση της PPO, στο ενζυμικό εκχύλισμα προστέθηκαν μεταδιθειώδες νάτριο, 4-εξυλορεσορκινόλη και ασκορβικό οξύ σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. Τόσο το ασκορβικό οξύ, όσο και το μεταδιθειώδες νάτριο απενεργοποίησαν πλήρως τη PPO, για συγκέντρωση μεγαλύτερη από 0.5% w/w και 0.75% w/w αντίστοιχα, ενώ η 4-εξυλορεσορκινόλη δεν κατάφερε να την απενεργοποιήσει. Για την ενζυμική παρεμπόδιση της PPO, μελετήθηκε η επίδραση του πρωτεολυτικού ενζύμου παπαΐνης, σε συγκεντρώσεις 0.1% w/w και 0.01% w/w (θερμοκρασία 45°C). Η μέγιστη παρεμπόδιση της PPO που επιτεύχθηκε ήταν 38% για το διάλυμα παπαΐνης 0.01% w/w με χρόνο επώασης 10 min και 71% για το διάλυμα παπαΐνης με 0.1% w/w με χρόνο επώασης 30 min. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας μελετήθηκε η παρεμπόδιση της PPO σε τεμαχισμένα δείγματα πατάτας με τις μεθόδους που αναφέρθηκαν προηγουμένως ως οι βέλτιστες (θερμική επεξεργασία 60-80°C, υπερυψηλή πίεση 600 MPa για 5 min, εμβάπτιση σε διάλυμα 0.5% w/w ασκορβικού οξέος, 0.5% w/w μεταδιθειώδους νατρίου και 0.025% w/w 4-εξυλορεσορκινόλης συγκέντρωσης για 10 min). Ωστόσο, και στις τρεις περιπτώσεις, τα δείγματα τεμαχισμένης πατάτας παρουσίασαν σκούρο χρωματισμό κατά μήκος του ιστού τους μετά από μία ημέρα αποθήκευσης σε θερμοκρασία 4°C. Ακολούθησε μελέτη της ωσμωτικής αφυδάτωσης, ως μέθοδος ενσωμάτωσης των PPO παρεμποδιστών στον ιστό της πατάτας. Εξετάστηκε η επίδραση της σύστασης και συγκέντρωσης του ωσμωτικού διαλύματος (40-60% γλυκερόλη, 3.5-10% χλωριούχο νάτριο, 0-1.5 χλωριούχο ασβέστιο) στα ποιοτικά χαρακτηριστικά της τεμαχισμένης πατάτας (χρώμα, υφή: σκληρότητα, ενεργότητα νερού) καθώς και τους δείκτες της ωσμωτικής αφυδάτωσης (απώλεια υγρασίας, WL και πρόσληψη στερεών, SG) (T=35°C, t=0-180 min). Οι συνθήκες επεξεργασίας που επιλέχθηκαν ήταν 40% γλυκερόλη και 10% χλωριούχο νάτριο, χρόνος επεξεργασίας 120 min, για τις οποίες ο δείκτης αμαύρωσης BI μειώθηκε κατά 19% σε σχέση με τα ανεπεξέργαστα δείγματα μετά από 6 ημέρες αποθήκευσης στους 4°C και δεν σημειώθηκε σημαντική μεταβολή της σκληρότητας τους. Ακόμη, επιτεύχθηκε ενεργότητα νερού του προϊόντος 0.831 (0.985 του ανεπεξέργαστου), SG και WL 1.75 gστερεού/g αρχικού ξηρού βάρους και 3.91 gνερού/g αρχικού ξηρού βάρους αντίστοιχα. Σε αυτές τις συνθήκες, η προσθήκη των παρεμποδιστών στα δείγματα πατάτας πραγματοποιήθηκε: (α) με εμβάπτιση σε διάλυμα 0.025% w/w παπαΐνης, θερμοκρασίας 45 °C για 30 min, πριν την ωσμωτική επεξεργασία και (β) με προσθήκη 0.25% w/w ασκορβικού οξέος στο ωσμωτικό διάλυμα. Ωστόσο, ο δείκτης BI δεν μειώθηκε σημαντικά με την προσθήκη των δύο παρεμποδιστών, με τιμές 15.60, 14.41 και 14.39 για τα ανεπεξέργαστα, ωσμω-αφυδατωμένα με ασκορβικό οξύ και ωσμω-αφυδατωμένα με παπαΐνη δείγματα αντίστοιχα. Στη συνέχεια, σε δείγματα τεμαχισμένης πατάτας εφαρμόστηκαν παλμικά ηλεκτρικά πεδία (ΠΗΠ) (Ένταση 0.5-2 kV/cm, Παλμοί 0-1000) με στόχο τον προσδιορισμό των συνθηκών για τις οποίες επιτυγχάνεται ικανοποιητική κυτταρική διάρρηξη των δειγμάτων έτσι ώστε να ενισχυθούν τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας κατά τη διεργασία της ώσμωσης, χωρίς υποβάθμιση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών των τεμαχισμένων πατατών. Μέσω του προσδιορισμού του δείκτη κυτταρικής διάρρηξης, Z, παρατηρήθηκε ότι η υψηλότερη ένταση ηλεκτρικού πεδίου και ο μεγαλύτερος αριθμός παλμών μειώνουν σημαντικά τη σκληρότητα του ιστού. Ενδεικτικά, η σκληρότητα των δειγμάτων ήταν ίση με 5.8, 4,8 και 3.5 N, για ένταση ηλεκτρικού πεδίου 0.5 kV/cm και 150 παλμούς, 1 kV/cm και 120 παλμούς και 2 kV/cm και 100 παλμούς αντίστοιχα (σκληρότητα 7.1 N του ανεπεξέργαστου δείγματος). Η ένταση ηλεκτρικού πεδίου 0.5 kV/cm κρίθηκε ως καταλληλότερη, καθώς η κυτταρική διάρρηξη δεν επέφερε σημαντική μεταβολή της σκληρότητας των δειγμάτων πατάτας. Η επίδραση των ΠΗΠ στα φαινόμενα μεταφοράς μάζας κατά την ωσμωτική αφυδάτωση, μελετήθηκε με εφαρμογή 0.5 kV/cm και 200-1000 παλμών σε τεμαχισμένα δείγματα πατάτας πριν την ωσμωτική κατεργασία (40% γλυκερόλη και 10% χλωριούχο νάτριο). Ως βέλτιστες συνθήκες επεξεργασίας θεωρήθηκαν ο χρόνος επεξεργασίας 120 min και η εφαρμογή 200 παλμών. Τα ΠΗΠ αύξησαν την πρόσληψη στερεών σε όλους τους αριθμούς παλμών που εξετάστηκαν, επιβεβαιώνοντας την ενίσχυση των φαινομένων μεταφοράς μάζας μεταξύ του τροφίμου και του ωσμωτικού διαλύματος. Με την εφαρμογή 200 παλμών, επιτεύχθηκε τιμή ενεργότητας νερού ίση με 0.832 (0.985 ενεργότητα νερού ανεπεξέργαστης πατάτας), ενώ παράλληλα δεν σημειώθηκε αρνητική επίδραση στις ποιοτικές παραμέτρους της υφής και του χρώματος, σε σχέση με τα ανεπεξέργαστα δείγματα. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη της συνεργιστικής δράσης ΠΗΠ και ωσμωτικής αφυδάτωσης παρουσία παρεμποδιστή (0.25% w/w ασκορβικό οξύ ή 0.025% w/w παπαΐνη) στο χρώμα των τελικών προϊόντων. Ως κατάλληλος χρόνος επεξεργασίας ορίστηκαν τα 120 min ωσμωτικής αφυδάτωσης, όπου η προ-επεξεργασία με ΠΗΠ αύξησε την πρόσληψη στερεών κατά 1.0 gστερεού/gαρχικού ξηρού βάρους, στην περίπτωση των δειγμάτων με παπαΐνη και κατά 0.2 gστερεού/gαρχικού ξηρού βάρους στην ώσμωση παρουσία ασκορβικού οξέος. Στην περίπτωση των ωσμω-αφυδατωμένων δειγμάτων πατάτας παρουσία ασκορβικού οξέος, η προ-επεξεργασία ΠΗΠ επέφερε μείωση του δείκτη αμαύρωσης BI κατά 28.5% για την 6η ημέρα αποθήκευσης των δειγμάτων στους 4°C. Η προσθήκη παπαΐνης δεν είχε αντίστοιχη επίδραση στη μεταβολή του χρώματος, με τον δείκτη αμαύρωσης BI των επεξεργασμένων με ΠΗΠ δειγμάτων να λαμβάνει ίδια τιμή με τα ωσμω-αφυδατωμένα παρουσία παπαΐνης χωρίς προ-επεξεργασία. Στο επόμενο μέρος της εργασίας, εξετάστηκε η επίδραση της ΥΠ, σε δείγματα φρεσκοκομμένης πατάτας, με τιμή πίεσης 600 MPa, βάσει των αποτελεσμάτων της μελέτης του ενζυμικού εκχυλίσματος. Εφόσον η ΥΠ δεν ανέστειλε τη δράση της PPO σε δείγματα τεμαχισμένης πατάτας, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η μελέτη της ΥΠ εστιάστηκε στην επίδραση της στα φαινόμενα μεταφοράς μάζας κατά την ωσμωτική αφυδάτωση των πατατών. Παρατηρήθηκε ότι για όλες τις τιμές πίεσης που εφαρμόστηκαν (100, 200, 400 και 600 MPa σε θερμοκρασία 20°C για 5 min), τα δείγματα προσέλαβαν μεγαλύτερη ποσότητα στερεών και απέβαλλαν μεγαλύτερη ποσότητα υγρασίας σε σχέση με τα ανεπεξέργαστα με ΥΠ δείγματα. Ως καταλληλότερες συνθήκες επιλέχθηκαν ο χρόνος ωσμωτικής επεξεργασίας 120 min και πίεση 400 MPa, για τις οποίες η ενεργότητα νερού των δειγμάτων έλαβε τη μικρότερη τιμή μεταξύ των δειγμάτων που υποβλήθηκαν στις άλλες τιμές πίεσης, ίση με 0.8364. Οι ποιοτικές παράμετροι της σκληρότητας και του χρώματος παρέμειναν αμετάβλητες, ενώ η πρόσληψη στερεών αυξήθηκε κατά 0,89 g στερεών/g ξηρού βάρους σε σχέση με τα μη-επεξεργασμένα με ΥΠ δείγματα. Η αυξημένη πρόσληψη στερεών ενισχύει το φυτικό ιστό με διαλυμένα συστατικά του ωσμωτικού διαλύματος, επομένως εξετάστηκε η επίδραση προσθήκης παρεμποδιστή (0.25% w/w ασκορβικό οξύ ή 0.025% w/w παπαΐνη) στη διεργασία. Καταλληλότερος χρόνος ωσμωτικής επεξεργασίας κρίθηκαν τα 120 min, για τον οποίο η ενεργότητα νερού των δειγμάτων ήταν ίση με 0.901 και ο δείκτης αμαύρωσης BI την 6η ημέρα αποθήκευσης των δειγμάτων στους 4°C μειώθηκε με την εφαρμογή ΥΠ κατά 12% στην περίπτωση του ασκορβικού οξέος και κατά 14% στην περίπτωση της παπαΐνης. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας, μελετήθηκε η διάρκεια ζωής των μη-επεξεργασμένων, των ωσμω-αφυδατωμένων και των ωσμω-αφυδατωμένων με ΠΗΠ ή ΥΠ δειγμάτων πατάτας, σε σχέση με τη μεταβολή του χρώματος και τη μικροβιακή ανάπτυξη σε θερμοκρασία αποθήκευσης 4°C. Καταλληλότερη μέθοδος ανάσχεσης του ενζυμικού μαυρίσματος κρίθηκε ο συνδυασμός της ΥΠ ή των ΠΗΠ με την ωσμωτική αφυδάτωση παρουσία παρεμποδιστή (ασκορβικό οξύ ή παπαΐνη) και χρόνο επεξεργασίας 120 min. Οι ανεπεξέργαστες πατάτες μετά τις 2 ημέρες αποθήκευσης ανέπτυξαν σκούρα στίγματα (δείκτης αμαύρωσης BI ίσος με 19.09), τα οποία γίνονταν πιο έντονα με τη πάροδο του χρόνου. Όσον αφορά τις ωσμω-αφυδατωμένες πατάτες είτε με ασκορβικό οξύ, είτε με παπαΐνη και προ-επεξεργασία ΥΠ, διατήρησαν ανοιχτό χρώμα έως και την 6η ημέρα αποθήκευσης τους, με δείκτη αμαύρωσης BI ίσο με 12.81 (33% μικρότερος από των ανεπεξέργαστων) και 13.51 (26% μικρότερος από των ανεπεξέργαστων) αντίστοιχα. Η προ-επεξεργασία ΠΗΠ είχε αντίστοιχη επίδραση στη μεταβολή του χρώματος κατά την ωσμωτική αφυδάτωση δειγμάτων πατάτας με ασκορβικό οξύ, καθώς το ανοιχτό χρώμα διατηρήθηκε έως και 6 ημέρες, με δείκτη αμαύρωσης 11.27 (41% μικρότερος από των ανεπεξέργαστων). Κατά τις μικροβιολογικές αναλύσεις των δειγμάτων, παρατηρήθηκε ότι τα επεξεργασμένα δείγματα τόσο με ωσμωτική αφυδάτωση, όσο και με συνδυασμό αυτής με ΠΗΠ ή ΥΠ, δεν ανέπτυξαν μικροβιακό φορτίο (ολική μεσόφιλη χλωρίδα, ζύμες/μύκητες) στο διάστημα 6 ημερών αποθήκευσης στους 4°C. Η μικροβιακή ανάλυση των ανεπεξέργαστων δειγμάτων πατάτας κατέγραψε ανάπτυξη ολικής μικροβιακής χλωρίδας και ζυμομυκήτων μετά τις 2 ημέρες αποθήκευσης με ρυθμό ανάπτυξης 0.569 d-1 και 0.390 d-1 αντίστοιχα (μοντέλο Baranyi). Συνολικά, από τα αποτελέσματα της μελέτης προέκυψε ότι η ωσμωτική αφυδάτωση σε συνδυασμό με τις δύο μη-θερμικές προ-επεξεργασίες, ΠΗΠ και ΥΠ, δίνει τη δυνατότητα παραγωγής φρεσκοκομμένων προϊόντων πατάτας με σημαντικά αυξημένη διάρκεια ζωής, διατηρώντας τα επιθυμητά οργανοληπτικά χαρακτηριστικά.	el
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Δερμεσονλούογλου, Ευφημία	el
heal.committeeMemberName	Μπέλτσιος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος	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	145 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false