Ανάπτυξη δεικτών αξιολόγησης και ελέγχου της διεργασίας υπερυψηλής υδροστατικής πίεσης στα τρόφιμα

Abstract

The objective of the thesis was to develop effective tools in order to use them in the evaluation and optimization of thermal processes and high hydrostatic pressure processes of foods. The work was focused in using candidate enzymes for the development of Time Temperature Integrators (TTIs) and Pressure-Temperature-Time Integrators. The use of β-xylanases was investigated for the development of TTIs for sterilization thermal processes. The use of β-xylanases, tyrosinase and lipase was investigated for the development of enzymatic PTTIs. The use of β-xylanases (Thermomyces lanuginosus), tyrosinase (Agaricus bisporus) and lipase (Rhizopus oryzae) was investigated for the development of enzymatic PTTIs. The combined effect of High Hydrostatic Pressure (HHP) and temperature was studied for the selected enzymes. HHP processing was combined with temperature of 50-70 °C, 25-55 °C and 40-60 °C for β-xylanases, tyrosinase and lipase, respectively. HHP processing had a drastic effect on enzyme activity resulting in enzyme inactivation. Enzyme inactivation was adequately described by first order inactivation kinetics and the inactivation rate constant was estimated for all processing conditions tested. The effect of temperature and pressure was expressed by the activation energy and activation volume values. The experiments were conducted at isobaric conditions. Adiabatic heating resulted in non isothermal conditions and the recorded temperature varied with treatment time. Temperature gradients were mathematically incorporated into the kinetic models using the effective temperature and equivalent treatment time concept. The kinetic data were used for the development of kinetic mathematical models for the studied enzymes. Mathematical models having as variables time, pressure and temperature allows the calculation of remaining enzyme activity at any combination of processing conditions within the studied domain. The potential of the proposed enzyme based PTTIs to estimate the F-value of HHP processes of foods was case studied in simulated processes. An approach based on the estimation of process effective conditions from the PTTI response can be used in order to evaluate process impact on the target attribute.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη κατάλληλων εργαλείων για τον έλεγχο και την αξιολόγηση των θερμικών διεργασιών και των διεργασιών Υπερυψηλής Υδροστατικής Πίεσης (ΥΥΠ) τροφίμων. Η έρευνα επικεντρώθηκε στη χρήση ενζύμων για την ανάπτυξη χρονοθερμοκρασιακών ολοκληρωτών (Time Temperature Integrator-TTI) και ολοκληρωτών πίεσης-θερμοκρασίας-χρόνου (Pressure Temperature Time Integrator-PTTI). Τα ένζυμα τα οποία μελετήθηκαν για τη χρήση τους ως ΤΤΙs ήταν οι β-ξυλανάσες. Για την ανάπτυξη ενζυμικών PTTI μελετήθηκαν οι β-ξυλανάσες, η τυροσινάση και η λιπάση. Για την ανάπτυξη ενζυμικών ολοκληρωτών PTTI μελετήθηκαν τρεις διαφορετικές κατηγορίες ενζύμων, οι Thermomyces lanuginosus β-ξυλανάσες, η τυροσινάση μανιταριού (Agaricus bisporus) και η Rhizopus oryzae λιπάση. Πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη της επίδρασης της ΥΥΠ σε συνδυασμό με θέρμανση στην ενεργότητα των υπό μελέτη ενζύμων. Τα πειράματα διεξάχθηκαν σε μονάδα ΥΥΠ εργαστηριακής κλίμακας σε εύρος πιέσεων από 100 έως 700 MPa. Συγκεκριμένα, η ΥΥΠ των β-ξυλανασών, της τυροσινάσης και της λιπάσης συνδυάστηκαν με θερμοκρασίες από 50 έως 70 °C, από 25 έως 55 °C και από 40 έως 60 °C, αντίστοιχα. Η εφαρμογή της ΥΥΠ οδήγησε στην απενεργοποίηση των υπό μελέτη ενζύμων χωρίς να παρατηρηθεί το φαινόμενο της ενεργοποίησης σε κανένα ένζυμο στο μελετηθέν εύρος πιέσεων και θερμοκρασιών. Η κινητική 1ης τάξης βρέθηκε ότι περιγράφει ικανοποιητικά την απενεργοποίηση των ενζύμων σε διεργασίες ΥΥΠ. Η ενζυμική απενεργοποίηση από τη συνδυαστική δράση πίεσης και θερμοκρασίας εκφράστηκε από τη σταθερά του ρυθμού απενεργοποίησης ( ). Η εξάρτηση της σταθεράς του ρυθμού απενεργοποίησης από την πίεση και τη θερμοκρασία εκφράστηκε από τον όγκο και την ενέργεια ενεργοποίησης ( και ), αντίστοιχα. Κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων ΥΥΠ επιτεύχθηκαν ισοβαρείς συνθήκες, χωρίς όμως να εξασφαλιστούν και ισοθερμοκρασιακές συνθήκες.