Κινητική μελέτη της απενεργοποίησης του Bacillus coagulans  με θέρμανση και παλμικά ηλεκτρικά πεδία και εφαρμογή σε  χυμό ροδάκινου και καρότου

Σταυρακάκης, Ιωάννης; Stavrakakis, Ioannis

dc.contributor.author	Σταυρακάκης, Ιωάννης	el
dc.contributor.author	Stavrakakis, Ioannis	en
dc.date.accessioned	2025-01-22T11:22:38Z
dc.date.available	2025-01-22T11:22:38Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/60916
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.28612
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	Κινητική μελέτη	el
dc.subject	Μικροοργανισμός	el
dc.subject	Ρυθμός απενεργοποίησης	el
dc.subject	Bacillus coagulans	en
dc.subject	Παλμικά Ηλεκτρικά Πεδία (ΠΗΠ)	el
dc.subject	Θερμική επεξεργασία	el
dc.subject	Pulsed Electric Fields (PEF)	en
dc.subject	BHI broth	en
dc.subject	pH	en
dc.title	Κινητική μελέτη της απενεργοποίησης του Bacillus coagulans με θέρμανση και παλμικά ηλεκτρικά πεδία και εφαρμογή σε χυμό ροδάκινου και καρότου	el
dc.title	Kinetic study of Bacillus coagulans cells inactivation by heat and pulsed electric fields in peach and carrot juice	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μηχανική Τροφίμων	el
heal.classification	Μικροβιολογία	el
heal.classification	Χημική Κινητική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-07-11
heal.abstract	Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η κινητική μελέτη της επίδρασης της θερμικής επεξεργασίας και της επεξεργασίας των Παλμικών Ηλεκτρικών Πεδίων στην απενεργοποίηση των βλαστικών κυττάρων του μικροοργανισμού Bacillus coagulans. Πραγματοποιήθηκε σύγκριση των δύο μεθόδων σε πρότυπα διαλύματα διαφορετικού pH, αλλά και η συνδυαστική τους δράση με εφαρμογή σε δύο τρόφιμα, στον πουρέ ροδάκινο και στον χυμό καρότο. Η ανάπτυξη του B. coagulans πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασία 45°C σε θρεπτικό υπόστρωμα BHI broth (Brain Heart Infusion), με στόχο την εύρεση του χρόνου στον οποίο ο μικροοργανισμός εισέρχεται στην φάση στασιμότητας και αποκτάει το μέγιστο δυνατό φορτίο (8,0 logCFU/g). Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκε εμβολιασμός του μικροοργανισμού σε πρότυπα διαλύματα με pH 4,5 – 6,5, για την εύρεση του βέλτιστου pH ανάπτυξης του. Η μελέτη της θερμικής απενεργοποίησης και της απενεργοποίησης με ΠΗΠ του μικροοργανισμού σε πρότυπα διαλύματα διαφόρων pH, όσο και των δύο τροφίμων πραγματοποιήθηκε σε ένα μεγάλο εύρος τιμών παραμέτρων της κάθε επεξεργασίας (θερμική, ΠΗΠ και συνδυαστική), με σκοπό την μελέτη της επίδραση των επεξεργασιών στην απενεργοποίηση του B. coagulans. Συγκεκριμένα, η θερμική διεργασία εφαρμόστηκε σε θερμοκρασίες 60 – 90 °C και χρόνους επεξεργασίας από 0 έως 20 λεπτά. Για τα ΠΗΠ εφαρμόστηκαν πεδία έντασης 11, 15 και 20 kV/cm και αριθμός παλμών 25 – 8000 με πλάτος παλμού 15 μs. Τέλος πραγματοποιήθηκε συνδυαστική χρήση των ΠΗΠ με προθέρμανση για θερμοκρασίες 50 και 60 °C. Η ανάπτυξη του μικροοργανισμού B. coagulans ολοκληρώθηκε μέσα σε 22 ώρες όπου απέκτησε το μέγιστο φορτίο του (8,0 logCFU/g). Τα εύρη pH που ο B. coagulans αναπτύσσεται κυμάνθηκε από 4,5 έως 6,5, με βέλτιστο pH ανάπτυξης μεταξύ 5-6. Οι δύο διεργασίες διαπιστώθηκε ότι είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικές στην απενεργοποίηση του μικροβιακού φορτίου του B. coagulans, ο οποίος βέβαια παρουσίασε μεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε ορισμένες συνθήκες επεξεργασίας. Πιο συγκεκριμένα, στην θερμική επεξεργασία παρουσιάστηκε πολύ γρήγορη απενεργοποίηση στις θερμοκρασίες των 80 και 90 °C σε όλα τα pH, ενώ στις πιο ήπιες θερμοκρασίες (60 και 70 °C) η απενεργοποίηση πραγματοποιήθηκε σε σημαντικά μικρότερο ρυθμό (έως και 10 φορές πιο αργά συγκρίνοντας τους 60 με τους 90°C) και ιδιαίτερα στο pH=5,5 που αποδείχθηκε ότι αποτελούσε το πιο ευνοϊκό περιβάλλον για την ανάπτυξη του B. coagulans. Αντίστοιχα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν και στην θερμική επεξεργασία των δύο τροφίμων, στα οποία όμως ο μικροοργανισμός έδειξε μεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε σύγκριση με τα πρότυπα διαλύματα ίδιου pH (πουρές ροδάκινο με πρότυπο διάλυμα pH=4,5 και χυμός καρότο με πρότυπο διάλυμα pH=6), καθώς ο ρυθμός απενεργοποίησης ήταν μικρότερος. Χαρακτηριστικά, στον πουρέ ροδάκινο ο ρυθμός απενεργοποίησης έφτανε μέχρι 2,49 min-1 στην πιο ακραία συνθήκη επεξεργασίας των 90°C, την ώρα που στην ίδια συνθήκη το πρότυπο διάλυμα με pH=4,5 έφτανε μέχρι την τιμή 5,13 min-1. Αντίστοιχα για τον χυμό καρότο η τιμή αυτή έφτανε μέχρι 1,40 min-1 στους 90°C και για το πρότυπο διάλυμα με pH=6,0 μέχρι 5,04 min-1. Όσον αφορά τα ΠΗΠ, η χρήση τους ήταν αποτελεσματική και παρατηρήθηκε πως όσο αυξάνονται η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και ο αριθμός των παλμών τόσο αυξανόταν και ο ρυθμός της μικροβιακής απενεργοποίησης. Στο pH=4,5 υπήρχε σημαντική επίδραση των ΠΗΠ, αφού η πλήρης απενεργοποίηση του μικροοργανισμού επιτεύχθηκε σε πολύ μικρούς χρόνους επεξεργασίας (έως 15 ms) σε όλες τις εντάσεις ηλεκτρικού πεδίου που μελετήθηκαν, ενώ τόσο στο πρότυπο διάλυμα με pH=6, όσο και στα δύο τρόφιμα, ο μικροοργανισμός έδειξε μεγαλύτερη ανθεκτικότητα. Αναλυτικά, στην πιο ακραία συνθήκη επεξεργασίας με ΠΗΠ, που ήταν η ένταση ηλεκτρικού πεδίου 20 kV/cm, ο ρυθμός απενεργοποίησης έφτανε μέχρι την τιμή 3,22 ms-1 για το πρότυπο διάλυμα με pH=4,5 , στο οποίο η απενεργοποίηση ήταν άμεση, ενώ αντίστοιχα για το πρότυπο διάλυμα με pH=6,0 , η τιμή αυτή δεν ξεπερνούσε τα 0,22 ms-1 και για τον πουρέ ροδάκινο τα 0,75 ms-1. Επιπλέον, μελετήθηκε η χρήση των ΠΗΠ με προθέρμανση τόσο στο πρότυπο διάλυμα με pH=6, όσο και στα δύο τρόφιμα για να δούμε αν η συνεργατική δράση των δύο μεθόδων θα έχει θετική επίδραση στην απενεργοποίηση του μικροοργανισμού. Έτσι, η προθέρμανση των δειγμάτων στους 60 °C και η επεξεργασία με ΠΗΠ αποδείχθηκε ότι δρουν συνεργιστικά στην απενεργοποίηση του μικροοργανισμού καθώς σε όλες τις περιπτώσεις ο B. coagulans έφτασε σε πλήρη απενεργοποίηση σε πολύ μικρότερους χρόνους επεξεργασίας ακόμα και στο χαμηλότερο πεδίο έντασης των 11kV/cm. Συγκεκριμένα, στο πρότυπο διάλυμα με pH=6,0, ο ρυθμός απενεργοποίησης πενταπλασιάστηκε, ενώ στα δύο τρόφιμα αυξήθηκε κατά δύο με τρεις φορές. Λαμβάνοντας υπόψη τα συνολικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι η μικροβιακή απενεργοποίηση μπορεί να πραγματοποιηθεί το ίδιο αποτελεσματικά τόσο με την θερμική επεξεργασία, όσο και με τα ΠΗΠ. Η δε συνδυαστική επεξεργασία των δύο μεθόδων αποδείχθηκε ότι ήταν η πιο αποτελεσματική, αφού η απενεργοποίηση πραγματοποιούταν σε μικρότερους χρόνους, το οποίο σημαίνει μικρότερη κατανάλωση της ενέργειας, αλλά και μικρότερη υποβάθμιση των ποιοτικών και οργανοληπτικών χαρακτηριστικών των τροφίμων. Συνολικά, κρίθηκε ότι τα ΠΗΠ μπορούν να αποτελέσουν έναν εναλλακτικό τρόπο παστερίωσης των τροφίμων, έχοντας πολλαπλά οφέλη τόσο στα ίδια τα τρόφιμα, όσο και στις βιομηχανίες, αλλά απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να μελετηθούν οι ακριβείς συνθήκες επεξεργασίας που χρειάζονται για να επιτευχθεί η απαραίτητη μικροβιακή απενεργοποίηση για τα τελικά προϊόντα.	el
heal.abstract	The objective of this thesis is the kinetic study of the inactivation of Bacillus coagulans vegetative cells, by thermal processing and Pulsed Electric Field (PEF) processing at various pH values. Additionally, a comparison of the two methods was carried out, along with their combined action applied to two foods, peach puree, and carrot juice. The growth of B. coagulans was conducted at a temperature of 45°C in a nutrient medium, BHI broth (Brain Heart Infusion), with the goal of determining the time at which the microorganism enters the stationary phase and reaches its maximum potential load (8 log CFU/g). Subsequently, the microorganism was inoculated into standard solutions with pH values ranging from 4.5 to 6.5 to determine the optimal pH for its growth. The study of thermal inactivation and inactivation with PEF of the microorganism in standard solutions at different pH levels, as well as both food products, was carried out over a wide range of processing parameters (thermal, PEF, and combined) to investigate the effects of these processes on the inactivation of B. coagulans. Specifically, the thermal process was applied at temperatures ranging from 60 to 90°C with processing times ranging from 0 to 20 minutes. For PEF, electric field intensities of 11, 15, and 20 kV/cm were applied, with pulse numbers ranging from 25 to 8000 and a pulse width of 15 μs. Finally, a combined use of PEF with preheating at temperatures of 50 and 60°C was conducted. The growth of the microorganism B. coagulans was completed within 22 hours, during which it reached its maximum load of 8 log CFU/g. The pH range in which B. coagulans developed varied from 4.5 to 6.5, with an optimal growth pH between 5 and 6. Both processes were found to be highly effective in inactivating the microbial load of B. coagulans, although the microorganism exhibited greater resistance under certain processing conditions. Specifically, rapid inactivation occurred in the thermal processing at temperatures of 80 and 90°C at all pH levels, while at milder temperatures (60 and 70°C), inactivation occurred at a significantly slower rate (up to 10 times slower when comparing 60°C to 90°C). Particularly at pH=5.5, which was found to be the most favorable environment for the growth of B. coagulans, the inactivation rate was slower. Similar results were observed in the thermal processing of the two food products, where the microorganism showed greater resistance compared to standard solutions with the same pH (peach puree with a standard solution of pH=4.5 and carrot juice with a standard solution of pH=6). For example, in peach puree, the inactivation rate reached up to 2.49 min-1 under the extreme processing condition of 90°C, while in the same condition, the standard solution with pH=4.5 reached a rate of 5.13 min-1. Similarly, for carrot juice, the rate reached up to 1.40 min-1 at 90°C, while for the standard solution with pH=6.0, it reached 5.04 min-1. Regarding Pulsed Electric Fields (PEF), their use was effective, and it was observed that as the intensity of the electric field and the number of pulses increased, the rate of microbial inactivation also increased. At pH=4.5, there was a significant effect of PEF, with complete inactivation of the microorganism achieved in very short processing times (up to 15 ms) at all studied electric field intensities, whereas in pH=6.0 and in both food products, the microorganism showed greater resistance. In detail, under the most extreme processing condition with Pulsed Electric Fields (PEF), which had an electric field intensity of 20 kV/cm, the inactivation rate reached up to 3.22 ms-1 for the standard solution with pH=4.5, where the inactivation was immediate. Conversely, for the standard solution with pH=6.0, this value did not exceed 0.22 ms-1, and for peach puree, it reached 0.75 ms-1. Additionally, the use of PEF with preheating in both the standard solution with pH=6.0 and the two food products was studied to determine if the synergistic action of the two methods would have a positive effect on the inactivation of the microorganism. Preheating the samples to 60°C and applying PEF was found to act synergistically in the inactivation of the microorganism, as in all cases, B. coagulans reached complete inactivation in much shorter processing times, even at the lowest electric field intensity of 11 kV/cm. Specifically, in the standard solution with pH=6.0, the inactivation rate increased fivefold, while in the two food products, it increased two to threefold. Taking into consideration the overall results, it was found that microbial inactivation can be achieved equally effectively using both thermal processing and Pulsed Electric Fields (PEF). Furthermore, the combination of these two methods was proven to be the most effective, as it resulted in shorter processing times, meaning lower energy consumption and less degradation of the quality and sensory characteristics of the food products. Overall, it was concluded that PEF could serve as an alternative method for food pasteurization, offering multiple benefits for both the food products themselves and the industries. However, further research is needed to study the exact processing conditions required to achieve the necessary microbial inactivation that would make the food safe for consumption.	en
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Κατσαρός, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Κόκκορης, Γεώργιος	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	100 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false