Μελέτη βέλτιστης συσκευασίας για την επίτευξη μέγιστης διατηρησιμότητας ξηρών τροφίμων σε δυναμικές συνθήκες συντήρησης: σχεδιασμός και ανάπτυξη λογισμικού για τον υπολογισμό της διατηρησιμότητας

Αρβανίτη, Μαρία; Arvaniti, Maria

dc.contributor.author	Αρβανίτη, Μαρία	el
dc.contributor.author	Arvaniti, Maria	en
dc.date.accessioned	2024-01-23T12:26:55Z
dc.date.available	2024-01-23T12:26:55Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58637
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26333
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	Διατηρησιμότητα	el
dc.subject	Ξηρό Τρόφιμο	el
dc.subject	Σολομός	el
dc.subject	Υπολογιστικό Εργαλείο	el
dc.subject	Οξείδωση Λιπαρών	el
dc.subject	Isotherm Sorptions	el
dc.subject	shelf-life	el
dc.subject	Packaging	el
dc.title	Μελέτη βέλτιστης συσκευασίας για την επίτευξη μέγιστης διατηρησιμότητας ξηρών τροφίμων σε δυναμικές συνθήκες συντήρησης: σχεδιασμός και ανάπτυξη λογισμικού για τον υπολογισμό της διατηρησιμότητας	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Χημική Μηχανική	el
heal.classification	Μηχανική Τροφίμων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-07-04
heal.abstract	Τα τρόφιμα αποτελούν ιδιαίτερα περίπλοκα συστήματα, τα οποία με την πάροδο του χρόνου υποβαθμίζονται ποιοτικά και τελικά καθίστανται ακατάλληλα για κατανάλωση. Η διάρκεια ζωής τους είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων, οι οποίοι επιδρούν με ποικίλους τρόπους στο τελικό προϊόν, απαιτώντας πολύπλευρη ανάλυση για τον ακριβή της προσδιορισμό. Εφόσον σε εργαστηριακό επίπεδο, αυτή η διαδικασία απαιτεί σημαντικό χρόνο και κόστος, κρίνεται επιτακτική η ανάγκη ανάπτυξης ενός αυτοματοποιημένου εργαλείου πρόβλεψης της διατηρησιμότητας των τροφίμων. Τα ιχθυηρά, άκρως ωφέλιμα για την ανθρώπινη διατροφή, αποτελούν βασικό είδος παραγωγής των υδατοκαλλιεργειών, με τον σολομό του Ατλαντικού (Salmo Salar) να κυριαρχεί σε Ευρωπαϊκό επίπεδο, κατέχοντας το 67% της συνολικής παραγωγής. Ταυτόχρονα, κατατάσσεται δεύτερος στις καταναλωτικές προτιμήσεις των χωρών της Ε.Ε., αφού πέραν της περιεκτικότητάς του σε πρωτεΐνες, περιέχει σημαντικές ποσότητες ακόρεστων λιπαρών οξέων, με την ευεργετική δράση των ω-3 λιπαρών οξέων να έχει διαπιστωθεί σε πολλαπλές έρευνες. Η συστηματική, όμως, ιχθυοκαλλιέργεια, οδηγεί σε αυξημένες ποσότητες παραπροϊόντων, εφόσον έχει διαπιστωθεί ότι τουλάχιστον το 40% της αρχικής μάζας των ιχθυηρών απορρίπτεται κατά την φιλετοποίησή τους. Οι απορριπτόμενες αυτές ροές είναι εξίσου πλούσιες σε πολύτιμα συστατικά και η ανάγκη για αξιοποίησή τους καθίσταται καίριας σημασίας. Βασική αξιοποίηση των προαναφερόμενων παραπροϊόντων αποτελεί η παραγωγή ιχθυαλεύρων (fish meal), τα οποία χαρακτηρίζονται ως αφυδατωμένα (ξηρά) τρόφιμα και ιχθυελαίων. Ωστόσο, τα συγκεκριμένα παραπροϊόντα θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για την παραγωγή νέων καινοτόμων προϊόντων όπως αφυδατωμένες ψαρόσουπες στιγμής. Η μείωση της περιεχόμενης υγρασίας οδηγεί σε μικροβιολογικά σταθερά προϊόντα με αυξημένη διατηρησιμότητα. Παρόλα αυτά, παρατηρούνται αντιδράσεις ποιοτικής υποβάθμισης, με κύρια την οξείδωση των λιπαρών, τα τελικά προϊόντα της οποίας, οδηγούν στον ταγγισμό του τροφίμου και στην εκδήλωση δυσάρεστων οσμών. Συμπληρωματικά, αυτά τα προϊόντα αλληλεπιδρούν με αμινοξέα και πρωτεΐνες σε αντιδράσεις μη ενζυμικής αμαύρωσης, με αποτέλεσμα να μεταβάλλεται το χρώμα του δείγματος αποκτώντας μια σκούρα καφέ απόχρωση. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός υπολογιστικού εργαλείου σε περιβάλλον Excel για την πρόβλεψη της διατηρησιμότητας τροφίμων καθορισμένων χαρακτηριστικών, συναρτήσει των συνθηκών αποθήκευσής τους και του υλικού συσκευασίας τους. Για την πειραματική του επαλήθευση σε μία ρεαλιστική εφαρμογή, μελετήθηκε σε εργαστηριακό επίπεδο η επίδραση αυτών των παραγόντων στις αντιδράσεις ποιοτικής υποβάθμισης αφυδατωμένης ψαρόσουπας, η οποία παρήχθη από παραπροϊόντα της φιλετοποίησης του σολομού. Αναλυτικότερα, εξετάστηκαν συνολικά 18 συνθήκες αποθήκευσης, με συνδυασμό της θερμοκρασίας αποθήκευσης (20, 35 και 50°C) και της σχετικής υγρασίας περιβάλλοντος (21, 43 και 50% R.H.), σε συσκευασμένα δείγματα ψαρόσκονης εντός συσκευασίας είτε από πολυγαλακτικό οξύ (PLA) είτε από συμβατικό πολυστρωματικό υλικό (PET 12/ PE/ EVOH/ PE 50). Έτσι, καθίσταται εφικτή η σύγκριση των πειραματικά μετρούμενων αποτελεσμάτων με αυτά που προβλέπονται από το εργαλείο προσομοίωσης. Δεδομένα εισόδου του εργαλείου Excel αποτέλεσαν τα βασικά χαρακτηριστικά του τροφίμου και της κινητικής των αντιδράσεων ποιοτικής υποβάθμισής του, δεδομένα των ισοθέρμων ρόφησής του (ζεύγη τιμών ενεργότητας νερού-υγρασίας), χαρακτηριστικά των υλικών συσκευασίας και οι συνθήκες αποθήκευσής του, τα οποία προσδιορίστηκαν πειραματικά. Πιο συγκεκριμένα, κατά το πειραματικό μέρος της εργασίας προσδιορίστηκε η χημική σύσταση της σκόνης (πρωτεΐνες, λιπαρά, υγρασία, τέφρα) και το προφίλ των λιπαρών της οξέων και υπολογίστηκε ότι τα 100 g δείγματος αποδίδουν ενέργεια ίση με 630.4±12.9 kcal. Επιπρόσθετα, η περιεκτικότητα της σκόνης σε λιπαρά ανήλθε στα 56.4±0.9 g/100g δείγματος, επιβεβαιώνοντας ότι ο σολομός είναι λιπαρό ιχθυηρό. Ακολούθως, προσδιορίστηκαν οι ισόθερμες ρόφησης του δείγματος σε θερμοκρασίες 20, 35 και 50°C, με δεδομένα σημεία ενεργότητας νερού τιμών 0.11-0.97, οι οποίες περιγράφηκαν μέσω των μαθηματικών μοντέλων ΒΕΤ και GAB, δίνοντας ικανοποιητικές προσαρμογές (R2>0.92). Με τις εξισώσεις που προέκυψαν υπολογίστηκαν οι τιμές των παραμέτρων των δύο μοντέλων σε κάθε θερμοκρασία και προσδιορίστηκε η θερμοκρασιακή τους εξάρτηση. Επιπλέον, προσδιορίστηκαν οι διαπερατότητες σε υγρασία (WVTR) του πολυγαλακτικού οξέος (PLA), καθώς και του πολυστρωματικού υλικού (PET 12/ PE/ EVOH/ PE 50) και προέκυψαν τιμές ίσες με 10.22 και 0.49 g·m-2·d-1 (20°C, 75% R.H.), αντίστοιχα, με το PLA να έχει περίπου 95% μεγαλύτερο ρυθμό μετάδοσης υγρασίας. Η ποιοτική υποβάθμιση της ψαρόσκονης στηρίχθηκε στα φαινόμενα οξείδωσης, με την μέτρηση των πρωτογενών (αριθμός υπεροξειδίων (PV) και συζυγή διένια (Κ232)) και των δευτερογενών (αριθμός π-ανισιδίνης (p-AV)) προϊόντων, καθώς και στην συνολική μεταβολή του συνολικού χρώματός της (ΔΕ). Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι οι δείκτες PV και ΔΕ ακολουθούν κινητική ψευδο-μηδενικής τάξης, με ικανοποιητικές προσαρμογές (R2>0.84). Επιπλέον, επιβεβαιώθηκαν οι φάσεις επώασης και διάδοσης των αντιδράσεων οξείδωσης. Αρχικά, μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στις αντιδράσεις οξείδωσης, εφόσον αυτές καθόρισαν την διατηρησιμότητα του τροφίμου μέσω του δείκτη PV, έχοντας ως ανώτατο όριο αποδοχής τα 20 meqO2/kgoil. Για την ψαρόσκονη εντός υλικού PLA σε περιβάλλοντα 21, 43 και 50% R.H., αύξηση της θερμοκρασίας από τους 20 στους 50°C οδήγησε σε μείωση της διατηρησιμότητας του δείγματος κατά 30, 50 και 108 ημέρες, αντίστοιχα. Οι σταθερές του ρυθμού μεταβολής του δείκτη PV βρέθηκαν ίσες με 0.2668, 0.1150 και 0.1200 meqO2/kgoil/d για 21, 43 και 50% R.H. στους 20°C και οι αντίστοιχες τιμές στους 50°C ήταν 0.4833, 0.1691 και 0.4282 meqO2/kgoil/d. Η εξάρτηση της οξειδωσης από την θερμοκρασία εκφράστηκε μαθηματικά μέσω της εξίσωσης Arrhenius και προέκυψαν τιμές ενέργειας ενεργοποίησης (Εa) από 10.0 έως 33.2 kJ/mol, για τις διαφορετικές τιμές σχετικής υγρασίας. Για το πολυστρωματικό υλικό σε περιβάλλον 21% R.H., υπολογίστηκαν οι σταθερές του ρυθμού οξείδωσης ίσες με 0.1852 meqO2/kgoil/d και 0.2524 meqO2/kgoil/d για θερμοκρασίες 20 και 35°C, αντίστοιχα, με τις υπόλοιπες συνθήκες να μην περιγράφονται από ενιαία κινητική, λόγω αργής εξισορρόπησης της ενεργότητας νερού του δείγματος με τη σχετική υγρασία του περιβάλλοντος. Επιπροσθέτως, η αύξηση της θερμοκρασίας οδήγησε σε επιτάχυνση της μεταβολής του συνολικού χρώματος (ΔΕ) του δείγματος. Για την σκόνη εντός PLA σε περιβάλλοντα 21, 43 και 50% R.H., άνοδος της θερμοκρασίας από τους 20 στους 50°C οδήγησε σε αύξηση των σταθερών του ρυθμού μεταβολής του συνολικού χρώματος από τιμές ίσες με 0.0380, 0.0296 και 0.0223 d-1 στους 20°C σε τιμές 0.2409, 0.2234 και 0.2290 d-1 στους 50°C, αντίστοιχα, με Εa ίσες με 30.8, 44.3 και 23.6 kJ/mol. Όμοια, για τη σκόνη εντός του πολυστρωματικού υλικού σε περιβάλλον 21% R.H. σημειώθηκε αύξηση της σταθεράς του ρυθμού μεταβολής του συνολικού χρώματος, η οποία βρέθηκε ίση με 0.0529 d-1 και 0.1579 d-1 στους 20°C και 50°C, αντίστοιχα, με Εa ίση με 28.6 kJ/mol. Αναφορικά με την επίδραση της ενεργότητας νερού του δείγματος (aw), βρέθηκε ότι η οξείδωση παρουσιάζει χαμηλότερους ρυθμούς για τιμή ίση με 0.43. Πιο συγκεκριμένα ισχύουν ταυτόχρονα kaw=0.21>kaw=0.43 και kaw=0.43<kaw=0.50, επιβεβαιώνοντας, έτσι, την ύπαρξη ελαχίστου σημείου μεταξύ τιμών aw 0.25-0.45. Επιπλέον για ενεργότητα νερού ίση με 0.21, παρουσιάζονται τα εντονότερα φαινόμενα οξείδωσης, όπου ενδεικτικά για θερμοκρασίες 20, 35 και 50°C, η διατηρησιμότητα της σκόνης μειώνεται κατά 90, 92 και 70 ημέρες, αντίστοιχα, συγκριτικά με τα δείγματα ενεργότητας 0.43. Η μεταβολή του συνολικού χρώματος δεν παρουσίασε σημαντικές διαφοποιήσεις συναρτήσει της ενεργότητας νερού του δείγματος. Για την σκόνη εντός PLA αποθηκευμένη σε θερμοκρασίες 20, 35 και 50°C, η σταθερά του ρυθμού μεταβολής του συνολικού χρώματος ανήλθε σε τιμές ίσες με 0.030±0.0079 d-1, 0.10±0.010 d-1 και 0.23±0.0089 d-1, αντίστοιχα. Όσον αφορά στην επίδραση του υλικού συσκευασίας, η ψαρόσκονη εντός του πολυστρωματικού υλικού παρουσίασε βραδύτερα φαινόμενα οξείδωσης συγκριτικά με αυτή εντός του PLA. Ειδικότερα, σε περιβάλλον 21% R.H. και θερμοκρασίας 20 και 35°C, η διατηρησιμότητα της σκόνης εντός του πολυστρωματικού υλικού αυξήθηκε κατά 31 και 21 ημέρες, αντίστοιχα. Αυτό στηρίχθηκε στην χαμηλότερη διαπερατότητά του σε υδρατμούς (WVTR) σε σχέση με το PLA. Ομοίως, η μεταβολή του συνολικού χρώματος κρίθηκε εντονότερη για την σκόνη εντός του PLA, με τις σταθερές του ρυθμού μεταβολής του συνολικού χρώματος να παρουσιάζονται αυξημένες κατά 14, 34 και 60% σε σύγκριση με τις αντίστοιχες για το πολυστρωματικό υλικό σε περιβάλλον 21% R.H. και σε θερμοκρασίες 20, 35 και 50°C, αντίστοιχα. Ακολούθησε ο σχεδιασμός του υπολογιστικού εργαλείου Excel και ο έλεγχός του σε ρεαλιστικό πρόβλημα για την ψαρόσκονη εντός υλικού PLA, αποθηκευμένη σε θερμοκρασία 20°C και σχετική υγρασία περιβάλλοντος 21%. Η διατηρησιμότητα που προβλέφθηκε από το εργαλείο (67 d) ανταποκρίθηκε στην πειραματικά μετρούμενη τιμή (66 d) με απόκλιση μόλις 1.5%. Επιπλέον, αναπαραστήθηκαν γραφικά τα διαγράμματα της μεταβολής της aw και του δείκτη PV συναρτήσει του χρόνου αποθήκευσης, με τον χειριστή να έχει την πλήρη εικόνα της κατάστασης του δείγματος κατά την αποθήκευση. Συγκεντρωτικά, για την σκόνη αφυδατωμένης ψαρόσουπας αποδείχτηκε ότι παρουσιάζει αυξημένη διατηρησιμότητα σε περιβάλλον θερμοκρασίας 20°C και σχετικής υγρασίας 43% και συσκευασμένου εντός πολυστρωματικού υλικού συσκευασίας PET 12/ PE/ EVOH/ PE 50. Ταυτόχρονα, ο σχεδιασμός ενός εργαλείου πρόβλεψης της διατηρησιμότητας των τροφίμων, κρίθηκε επιτυχής, παρέχοντας αποτελέσματα που προσομοιάζουν ικανοποιητικά τις πειραματικές μετρήσεις. Παρόλα αυτά, η συγκεκριμένη μελέτη, σε εργαστηριακό επίπεδο, μπορεί να εμπλουτιστεί αφενός με επιπλέον συνθήκες αποθήκευσης, και αφετέρου με την μελέτη διαφορετικών πρώτων υλών, ενώ ταυτόχρονα το υπολογιστικό εργαλείο μπορεί να διευρυνθεί με την δοκιμή του σε μεταβαλλόμενες συνθήκες αποθήκευσης, την εισαγωγή δεδομένων εισόδου ως «βιβλιοθήκη» και την κατάλληλη προσαρμογή του, ώστε να αποτελέσει εργαλείο λήψης αποφάσεων	el
heal.advisorName	Γιαννακούρου, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Γιαννακούρου, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	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	148
heal.fullTextAvailability	false