Εφαρμογή ωσμό-κατάψυξης σε τοματάκι για την αύξηση της διατηρησιμότητας

Πίττας, Ελευθέριος; Pittas, Eleftherios

dc.contributor.author	Πίττας, Ελευθέριος	el
dc.contributor.author	Pittas, Eleftherios	en
dc.date.accessioned	2024-02-12T11:45:09Z
dc.date.available	2024-02-12T11:45:09Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58842
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26538
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	Ωσμωτική αφυδάτωση	el
dc.subject	Τομάτα	el
dc.subject	Κατάψυξη	el
dc.subject	RSM	en
dc.title	Εφαρμογή ωσμό-κατάψυξης σε τοματάκι για την αύξηση της διατηρησιμότητας	el
dc.title	Application of osmo-dehydrofreezing incherry tomatoes for self life improvement	en
heal.type	bachelorThesis	el
heal.classification	Τεχνολογία τροφίμων	el
heal.language	el	el
heal.access	free	el
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-09-29
heal.abstract	Τα φρέσκα φρούτα και λαχανικά αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της διατροφής του ανθρώπου λόγω της υψηλής τους θρεπτικής αξίας και του πλούσιου περιεχομένου τους σε βιταμίνες. Η αυξανόμενη ανάγκη των καταναλωτών για φρέσκα προϊόντα και η ευαισθησία των ίδιων των τροφίμων έχουν δημιουργήσει την ανάγκη για την αναζήτηση νέων μεθόδων συντήρησης, προκειμένου να αυξηθεί η διάρκεια ζωής τους. Ο στόχος είναι να διατηρηθεί η ποιότητα των προϊόντων, να αποφευχθεί η απώλεια θρεπτικών συστατικών, και να προληφθεί η ανάπτυξη μικροοργανισμών, αλλά και άλλες δράσεις υποβάθμισης που μπορούν να προκαλέσουν αλλοίωση των προϊόντων. Η κατάψυξη αποτελεί μία από τις σημαντικότερες μεθόδους συντήρησης τροφίμων, καθώς επιμηκύνει σημαντικά τη διατηρησιμότητά τους. Ωστόσο, σε ορισμένα τρόφιμα, όπως τα φρούτα και κάποια οπωροκηπευτικά, η κατάψυξη μπορεί να προκαλέσει αλλοιώσεις στα ποιοτικά και οργανοληπτικά τους χαρακτηριστικά. Προκειμένου να απο–––φευχθεί αυτή η ποιοτική υποβάθμιση και να ενισχυθεί η σταθερότητα, εφαρμόζεται η ωσμωτική αφυδάτωση του φρούτου ως μια προ-κατεργασία πριν από την κατάψυξη. Η ωσμωτική αφυδάτωση (osmotic dehydration, OD) ξεχωρίζει από τις διαθέσιμες μεθόδους απομάκρυνσης υγρασίας, λόγω της αποτελεσματικότητας της στη διατήρηση της ποιότητας των τροφίμων. Αποτελεί μία μη θερμική μέθοδο επεξεργασίας κατά την οποία το τρόφιμο εμβαπτίζεται σε υπερτονικό διάλυμα σακχάρων ή/και αλάτων, με αποτέλεσμα την απομάκρυνση υγρασίας από αυτό και την πρόσληψη στερεών από το διάλυμα. Αυτή η διαδικασία έχει ευρεία εφαρμογή στην βιομηχανία τροφίμων και συμβάλλει στην διατήρηση των προϊόντων για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα χωρίς να αλλοιώνει την ποιότητά τους. Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο τη μελέτη των φαινομένων μεταφοράς μάζας που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της ωσμωτικής αφυδάτωσης, καθώς και την ανάλυση των μεταβολών στα ποιοτικά χαρακτηριστικά των δειγμάτων τομάτας. Γίνεται επίσης επιλογή των κατάλληλων συνθηκών για την ωσμωτική αφυδάτωση πριν από την κατάψυξη του τροφίμου, με σκοπό να βελτιωθεί η σταθερότητα του και να διατηρηθεί η ποιότητά του κατά την αποθήκευση σε κατάψυξη. Τέλος, διερευνήθηκε η επίδραση της μη θερμικής διεργασίας στην ποιότητα και τη διατηρησιμότητα του τελικού κατεψυγμένου τροφίμου υπό διάφορες συνθήκες κατάψυξης. Στην πρώτη ενότητα της εργασίας, ολόκληρα τοματίνια της ποικιλίας ‘’Cherry’’ εμβαπτίζονται σε ζεστό νερό για 20 δευτερόλεπτα με σκοπό ταυτόχρονο ζεμάτισμα και την αποφλοίωση. Έπειτα υπόκεινται σε διαφορετικές συνθήκες ωσμωτικής αφυδάτωσης (με μεταβλητές παραμέτρους τη συγκέντρωση του διαλύματος, τη θερμοκρασία). Αρχικά εφαρμόστηκαν τρεις διαφορετικές συγκεντρώσεις διαλυμάτων σε γλυκερόλη (CGl: 50, 60 και 70% w/w), με σταθερές συγκεντρώσεις χλωριούχου νατρίου 3,5% w/w και χλωριούχου ασβεστίου 1,5% w/w σε κάθε διάλυμα και αναλογία βάρους διαλύματος προς το τρόφιμο 5:1. Η ωσμωτική αφυδάτωση πραγματοποιήθηκε σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες (25, 35 και 45oC) και διάρκεια από 15 έως 180 min. Τα μεγέθη που προσδιορίστηκαν πειραματικά είναι η απώλεια νερού (WL), η πρόσληψη στερεών (SG), η ενεργότητα νερού (aw) και οι βασικότεροι ποιοτικοί δείκτες του φρούτου (χρώμα, υφή, βιταμίνη C και λυκοπένιο). Η θερμοκρασία επιδρά στα φαινόμενα μεταφοράς μάζας, καθώς παρατηρήθηκε πως η αύξηση της θερμοκρασίας συνέβαλε σημαντικά στην αύξηση της απώλειας νερού όπως και στην πρόσληψη στερεών. Παρατηρείται επιπλέον ότι η αύξηση της θερμοκρασίας συμβάλει στη μείωση της ενεργότητας νερού, η οποία μειώνεται με αυξημένο ρυθμό καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται. Ακόμη υπολογίστηκαν οι δραστικοί συντελεστές διάχυσης για το νερό (Dew) και για τα στερεά (Des) με εφαρμογή του 2ου νόμου του Fick. Οι δραστικοί συντελεστές διάχυσης φάνηκε να εξαρτώνται από την θερμοκρασία. Ειδικότερα οι δραστικοί συντελεστές της διάχυσης νερού αυξάνονται όσο αυξάνεται η θερμοκρασία ώσμωσης. Παρατηρήθηκε επίσης πως μικροί χρόνοι ωσμωτικής αφυδάτωσης αρκούν προκειμένου να βελτιωθούν τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας και να μειωθεί η ενεργότητα νερού του προϊόντος σε ικανοποιητικό βαθμό. Ακόμη η ωσμωτική αφυδάτωση οδήγησε σε αύξηση της σκληρότητας των δειγμάτων τομάτας ενώ το χρώμα παρέμεινε στα επιθυμητά επίπεδα (τιμή δείκτη DE 6-9). Μετά το πέρας των πειραμάτων κινητικής της ώσμωσης χρησιμοποιήθηκε η Μεθοδολογία Απόκρισης Επιφανειών (RSM) και οι ανεξάρτητες παράμετροι της διεργασίας που μελετήθηκαν είναι η συγκέντρωση (Χ1), η θερμοκρασία (Χ2) και η χρονική διάρκεια της ωσμωτικής αφυδάτωσης (Χ3), χρησιμοποιώντας τον πειραματικό σχεδιασμό Box-Behnken με τρεις παράγοντες σε τρία επίπεδα. Οι δείκτες (αποκρίσεις) που μετρήθηκαν αφορούν τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας και επιλεγμένους ποιοτικούς δείκτες. Για κάθε απόκριση, αναπτύχθηκε ένα πολυώνυμο δεύτερης τάξης και από την στατιστική ανάλυση παρατηρήθηκε ότι οι παράμετροι της διεργασίας επηρέασαν σημαντικά την ενεργότητα νερού (αw), την μεταβολή του χρώματος (DE) και την απώλεια νερού (WL). Σκοπός ήταν να βελτιστοποιηθούν οι παράμετροι της διεργασίας OD που πληρούν τα προκαθορισμένα κριτήρια (ελαχιστοποίηση της ενεργότητα νερού, τιμή του δείκτη της μεταβολής χρώματος DE≤8 και τιμή απώλειας νερού WL≤5). Με βάση την προσέγγιση των συναρτήσεων αποδεκτότητας (Desirability Functions) εκτιμήθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες διεξαγωγής του πειράματος (περιεκτικότητα σε γλυκερόλη 61% w/w, θερμοκρασία 36οC και χρόνος 72 min). Στη συνέχεα έγινε πείραμα επαλήθευσης προκειμένου να διαπιστωθεί στις βέλτιστες συνθήκες, πόσο οι πειραματικές αποκρίσεις αποκλίνουν από τις προβλεπόμενες και παρατηρήθηκε πως τις επαληθεύουν σε ικανοποιητικό βαθμό. Στην δεύτερη ενότητα της εργασίας, εφαρμόστηκε ωσμωτική αφυδάτωση σε δείγματα τομάτας που παρήχθησαν από την Μεθοδολογία Απόκρισης Επιφανειών στις βέλτιστες συνθήκες. Στην συνέχεια, επεξεργασμένα δείγματα (ωσμο-αφυδατωμένα) και ανεπεξέργαστα (κωδικοποιημένα ως Control) τοποθετήθηκαν σε καταψύκτες σταθερής θερμοκρασίας (Τ: -5, -8, -14 και -23ο) ενώ παράλληλα πραγματοποιήθηκε και ένα πείραμα σε μεταβαλλόμενες συνθήκες κατά το οποίο πραγματοποιούνταν κυκλική μεταφορά των δειγμάτων τομάτας ανά τακτά χρονικά διάστημα (12 ώρες) σε θερμοκρασίες -5, -8 και -12οC. Τα δείγματα τομάτας εξετάστηκαν ως προς την απώλεια υγρών (drip loss), την μεταβολή του χρώματος (DE), την σκληρότητα (F), την περιεκτικότητα σε βιταμίνη C, την περιεκτικότητα σε λυκοπένιο και τα οργανοληπτικά τους χαρακτηριστικά. Ακόμη, μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στους ρυθμούς υποβάθμισης για τους ποιοτικούς δείκτες της βιταμίνης C, του λυκοπενίου και των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών με βάση την εξίσωση Arrhenius και αναπτύχθηκαν μοντέλα εκτίμησης διατηρησιμότητας των κατεψυγμένων δειγμάτων τομάτας. Η υποβάθμιση της ποιότητας των κατεψυγμένων δειγμάτων τομάτας περιγράφηκε από αντιδράσεις κινητικής πρώτης τάξης στην περίπτωσης της απώλειας βιταμίνης C και λυκοπενίου, ενώ στην περίπτωση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών (συνολική εντύπωση) από αντιδράσεις κινητικής μηδενικής τάξης. Παρατηρήθηκε πως σε υψηλότερες θερμοκρασίες κατάψυξης (>-14οC) ο ρυθμός απώλειας της βιταμίνης C στα επεξεργασμένα δείγματα (ωσμο-κατεψυγμένα) είναι μεγαλύτερος από τον ρυθμό απώλειας των ανεπεξέργαστων δειγμάτων (Control) ενώ όσο μειώνεται η θερμοκρασία (<-14οC) συμβαίνει το αντίστροφο. Όσον αφορά τον ρυθμό μείωσης του λυκοπενίου, φαίνεται πως τα ωσμω-αφυδατωμένα έχουν παρόμοια συμπεριφορά με τα δείγματα control. Tα κριτήρια της βελτιστοποίηση της διεργασίας ήταν η ενεργότητα νερού (aw), η απώλεια νερού (WL) και η μεταβολή του χρώματος (DE), ενώ παράλληλα φαίνεται πως η ωσμωτική αφυδάτωση συνέβαλε θετικά και σε όλα τα ποιοτικά χαρακτηριστικά. Όσον αφορά στα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά, παρατηρήθηκε ότι τα ωσμο-κατεψυγμένα δείγματα τομάτας είχαν σημαντικά χαμηλότερους ρυθμούς υποβάθμισης σε όλο το εύρος θερμοκρασιών της κατάψυξης σε σύγκριση με τα δείγματα control. Με βάση τα κινητικά μοντέλα μεταβολής της ποιότητας που αναπτύχθηκαν, προσδιορίστηκε και η διατηρησιμότητα των κατεψυγμένων δειγμάτων τομάτας. Τα όρια απώλειας που τέθηκαν ήταν 70% για την βιταμίνη C και 50% για το λυκοπένιο, ενώ για τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά (συνολική εντύπωση) το όριο βαθμολογίας ήταν το 4/9. Με βάση αυτά τα κριτήρια η διάρκεια ζωής για τη θερμοκρασία αναφοράς -18οC υπολογίστηκε ως εξής: 230 ημέρες για τα ανεπεξέργαστα (Control) δείγματα και 444 για τα επεξεργασμένα (ωσμο-κατεψυγμένα) δείγματα (κριτήριο αποδοχής η απώλεια της βιταμίνης C), 810 ημέρες για τα δείγματα control και 712 ημέρες για τα ωσμο-κατεψυγμένα (κριτήριο αποδοχής απώλεια λυκοπενίου), 67 ημέρες για τα control και 208 ημέρες για τα ωσμο-κατεψυγμένα (κριτήριο αποδοχής η συνολική εντύπωση). Για τη δημιουργία κινητικών μοντέλων που να λαμβάνουν υπόψη τις πραγματικές θερμοκρασιακές συνθήκες στην αλυσίδα διανομής, προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση διακυμάνσεως της θερμοκρασίας που αποκλίνουν από τους -18°C, εφαρμόστηκε ένα μεταβαλλόμενο θερμοκρασιακό προφίλ κατά το οποίο πραγματοποιούνταν κυκλική μεταφορά των δειγμάτων ανά τακτά χρονικά διαστήματα (12h) σε θερμοκρασίες -5, -8 και -12οC (±0.5). Για την περιγραφή της συνολικής επίδρασης της μεταβολής της θερμοκρασίας στην υποβάθμιση της ποιότητας του δείγματος, εισάγεται η έννοια της δραστικής θερμοκρασίας (Teff). Η δραστική θερμοκρασία ορίζεται ως η σταθερή θερμοκρασία στην οποία δείγματα που αποθηκεύονται θα υποστούν την ίδια ποιοτική υποβάθμιση με αυτή που παρατηρείται στην αποθήκευσή τους σε μεταβαλλόμενες συνθήκες, κατά το ίδιο χρονικό διάστημα. Η δραστική θερμοκρασία βρέθηκε ίση με 7,3οC και παρατηρήθηκε ότι τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν για την απώλεια της βιταμίνης C, την απώλεια λυκοπενίου και των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών (συνολική εντύπωση) για σταθερή θερμοκρασία αποθήκευσης αποδείχτηκαν αξιόπιστα. Συμπερασματικά, παρατηρήθηκε πως η ωσμωτική αφυδάτωση είναι μία αποτελεσματική μέθοδος αφυδάτωσης που θα μπορούσε να προηγηθεί της κατάψυξης τροφίμων (όπως φρούτων) . Η OD είχε θετική επίδραση τόσο στη βελτίωση των ποιοτικών χαρακτηριστικών των δειγμάτων τομάτας όσο και στην επέκταση της διατηρησιμότητάς τους κατά την επακόλουθη συντήρηση των ιστών αυτών σε θερμοκρασίες υπό του μηδενός. Αυτή η μελέτη όχι μόνο συμβάλει στη διερεύνηση εναλλακτικών διεργασιών σχετικά με την διατήρηση των τοματών αλλά αναδεικνύει την ωσμωτική αφυδάτωση ως μία βιώσιμη μέθοδο για την επέκταση της διάρκειας ζωής των φρέσκων φρούτων και λαχανικών.	el
heal.abstract	Fresh fruits and vegetables are an integral part of human nutrition due to their high nutritional value and rich content in vitamins. The increasing consumer demand for fresh products and the sensitivity of the foods have created a need to explore new preservation methods to extend their shelf life. The goal is to maintain product quality, nutrient loss, and inhibit the growth of microorganisms and other deteriorative actions that can lead to product degradation. Freezing is one of the most popular methods for food preservation, significantly extending the shelf life of food products. However, in some foods such as fruits and certain vegetables, freezing can cause severe alterations in their quality and sensory characteristics. To prevent such quality degradation and enhance stability, osmotic dehydration (OD) of plant tissues is applied as a pretreatment before freezing. Osmotic dehydration is distinct from other moisture removal methods because of its effectiveness in preserving food quality. It is a non-thermal processing method in which food is immersed in a hypertonic solution of sugars and/or salts. This process removes moisture from the food and allows for solute uptake into food matrix. Osmotic dehydration finds wide application in the food industry and contributes to prolonging the shelf life of products without compromising their quality. This thesis focuses on studying the mass transfer phenomena occurring during osmotic dehydration and analyzing the changes in the quality of tomato samples. The aim is to optimize process conditions for osmotic dehydration before freezing to improve product stability and maintain quality during subsequent freezing storage. After osmotic dehydration experiments, response surface methodology (RSM) was used to optimize the process parameters, considering factors such as concentration, temperature, and time, while measuring various responses related to mass transfer and product quality. The results show that temperature significantly affects mass transfer phenomena, with an increase in temperature leading to higher water loss and solid gain. Additionally, water activity decreases with temperature, and diffusion coefficients for water and solids are influenced by temperature. Shorter osmotic dehydration times were found to be sufficient to improve mass transfer and reduce water activity effectively. Furthermore, osmotic dehydration led to an increase in tomato hardness, while color remained within acceptable levels (color difference, DE, of 6-9). The optimization process aimed at minimizing water activity, maintaining acceptable color change, and minimizing water loss. Based on desirability functions, the optimal conditions for osmotic dehydration were determined as a glycerol concentration of 61% w/w, a temperature of 36°C, and a time of 72 minutes. In summary, osmotic dehydration is an effective pretreatment method before freezing for preserving the quality and enhancing the stability of frozen fruits. This method helps to extend the shelf life of frozen products without compromising their quality, making it a valuable technique in the food industry. In the subsequent phase, a validation experiment was carried out to assess the extent of variance between the experimental responses and the predicted outcomes under optimal conditions. The results indicated a satisfactory level of agreement between the observed and anticipated responses. In the second section of the study, osmotic dehydration was applied to tomato samples produced using the Response Surface Methodology under optimal conditions. Subsequently, processed samples (osmo-dehydrated) and untreated ones (coded as Control) were placed in constant temperature freezers (T: -5, -8, -14, and -23°C), while a dynamic experiment was also performed consisting of a cyclic transfer of tomato samples at regular time intervals (12 hours) at temperatures of -5, -8, and -12°C. The tomato samples were examined for drip loss, color change (DE), hardness (F), vitamin C content, lycopene content, and their sensory characteristics. Furthermore, the effect of temperature on the degradation rates for vitamin C, lycopene, and sensory characteristics was studied using the Arrhenius equation, and models for the shelf life of frozen tomato samples were developed. The quality degradation of frozen tomato samples was described by first-order kinetic reactions in the case of vitamin C and lycopene loss, while for sensory characteristics (overall impression), zero-order kinetic reactions were observed. It was observed that at higher freezing temperatures (> -14°C), the rate of vitamin C loss in processed samples (osmo-frozen) was greater than the loss rate of untreated samples (Control), while as the temperature decreased (< -14°C), the reverse trend was observed. As for the rate of lycopene reduction, osmo-dehydrated samples exhibited similar behavior to the control samples. The criteria for process optimization included water activity (aw), water loss (WL), and color change (DE), while it appears that osmotic dehydration positively contributed to all quality characteristics. Regarding sensory characteristics, osmo-frozen tomato samples had significantly lower degradation rates across the entire freezing temperature range compared to the control samples. Based on the kinetic models developed, the shelf life of frozen tomato samples was determined. The loss thresholds were set at 70% for vitamin C and 50% for lycopene, respectively while for sensory characteristics (overall impression), the acceptance criterion was a sensory score of 4/9. Based on these criteria, the shelf life for a reference temperature of -18°C was calculated as follows: 230 days for untreated (Control) samples and 444 days for processed (osmo-frozen) samples (acceptance criterion vitamin C loss), 810 days for control samples and 712 days for osmo-frozen samples (acceptance criterion lycopene loss), 67 days for control samples and 208 days for osmo-frozen samples (acceptance criterion overall impression). To create kinetic models that take into account the actual temperature conditions in the distribution chain, a variable temperature profile was applied, involving a cyclic transfer of samples at regular time intervals (12 hours) at temperatures of -5, -8, and -12°C (±0.5°C). To describe the overall effect of temperature variation on sample quality degradation, the concept of effective temperature (Teff) is introduced. The effective temperature is defined as the constant temperature at which samples stored will undergo the same qualitative degradation as observed during storage under variable conditions over the same time period. The effective temperature was found to be 7.3°C, and it was observed that the models developed for vitamin C loss, lycopene loss, and sensory characteristics (overall impression) for constant storage temperature proved to be reliable. In conclusion, it was observed that osmotic dehydration is an effective dehydration method that could precede the freezing of foods (such as fruits). Osmotic dehydration had a positive effect on both the improvement of the quality characteristics of tomato samples and the extension of their shelf life when subsequently stored at sub-zero temperatures. This study not only contributes to exploring alternative processes for preserving tomatoes but also highlights osmotic dehydration as a sustainable method for extending the shelf life of fresh fruits and vegetables.	en
heal.advisorName	Γιαννακούρου, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Δερμεσονλούογλου, Ευφημία	el
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνσταντίνα	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	el
heal.numberOfPages	131 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false