Κινητική της ωσμωτικής επεξεργασίας μοσχαρίσιου κρέατος και επίδραση στην ασφάλεια και την ποιότητά του

Abstract

Osmotic dehydration is a mild process used in several foods, aiming to remove water from the food matrix. The objective of the present PhD thesis was to study the osmotic processing of beef meat and the impact of process parameters on the mass transfer phenomena and on the quality characteristics and shelf-life of meat. The first part of this research focused on the assessment of binary (salt and water) and ternary (maltodextrin, salt and water) osmotic solutions, as well as the effect of process parameters (osmotic solution concentration, temperature, time, agitation) on mass transfer phenomena. The results showed that the use of ternary osmotic solutions led to similar water loss compared to binary solutions, while solids gain, and especially salt uptake, was reduced. The use of maltodextrin solutions can produce the desirable mass transfer phenomena (higher water loss and lower solids gain and salt uptake) during osmotic processing. Various mathematical models (diffusion, Peleg, Azuara and Hawkes and Flink) were used in order to describe the mass transfer phenomena, demonstrating a good fit to experimental data. The diffusion and the Peleg models exhibited a better fit, with the latter producing slightly better results. Moving to the second part of the study, meat shrinkage during osmotic processing was evaluated. A mathematical model was developed in order to predict meat volume changes as a function of water loss and osmotic solution concentration. The proposed model allows for the calculation of meat volume reduction during processing without requiring further measurements. Furthermore, the experimental data were used for a more accurate prediction of diffusion coefficients. As the results demonstrated, the moisture diffusion coefficients were overestimated when the sample dimensions were assumed to be constant. In the third part of the study, the addition of liquid smoke to the osmotic solution and its effect on mass transfer phenomena, on the quality, the sensory characteristics and on the shelf life of meat was evaluated. The addition of liquid smoke did not, in most cases, affect the mass transfer phenomena, but it had a significant impact on product quality and sensory characteristics. Osmotic dehydration delayed microbial growth during refrigerated storage of meat, increasing the shelf life by at least two days. The addition of liquid smoke to the osmotic solution further increased the shelf life of the treated samples with respect to microbial growth, while it inhibited lipid oxidation, providing oxidative stability throughout the storage period, even in the case of osmotic processing with sodium chloride solutions. Finally, an attempt to investigate the changes in the structure of muscle cells at low temperatures, directly affecting mass transfer phenomena, took place. The results of the present study have led to the clarification of some important questions about the osmotic processing of meat, providing a more comprehensive picture of the process.

Η ωσμωτική αφυδάτωση αποτελεί μία ήπια επεξεργασία που εφαρμόζεται σε διάφορα τρόφιμα στοχεύοντας στην απομάκρυνση νερού από το εσωτερικό του τροφίμου. Το βασικό αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη της ωσμωτικής επεξεργασίας μοσχαρίσιου κρέατος και της επίδρασης των παραμέτρων της διεργασίας στην κινητική της μεταφοράς μάζας, καθώς και στα ποιοτικά χαρακτηριστικά και τη διάρκεια ζωής του παραγόμενου προϊόντος. Το πρώτο μέρος της έρευνας επικεντρώθηκε στην αξιολόγηση της επίδρασης διμερών (άλας και νερό) και τριμερών (μαλτοδεξτρίνη, άλας και νερό) ωσμωτικών διαλυμάτων, καθώς και των συνθηκών επεξεργασίας (συγκέντρωση ωσμωτικού διαλύματος, θερμοκρασία, χρόνος, εφαρμογή ανάδευσης) στα φαινόμενα μεταφοράς μάζας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χρήση τριμερών διαλυμάτων οδήγησε σε παρόμοια απώλεια υγρασίας σε σύγκριση με τη χρήση των διμερών, με ταυτόχρονη μείωση της πρόσληψης στερεών και συγκεκριμένα χλωριούχου νατρίου. Ως εκ τούτου, συμπεραίνεται ότι η χρήση μαλτοδεξτρίνης ως ωσμωτικό μέσο μπορεί να επιφέρει τα επιθυμητά φαινόμενα μεταφοράς μάζας (αυξημένη απώλεια υγρασίας και μειωμένη πρόσληψη στερεών και χλωριούχου νατρίου). Ακολούθησε περιγραφή της κινητικής, χρησιμοποιώντας διάφορα μαθηματικά μοντέλα (μοντέλο διάχυσης, Peleg, Azuara και Hawkes and Flink) τα οποία παρουσίασαν ικανοποιητική προσαρμογή στα πειραματικά δεδομένα. Η καλύτερη προσαρμογή παρατηρήθηκε από το μοντέλο της διάχυσης και το μοντέλο του Peleg, με το δεύτερο να δίνει ελαφρώς καλύτερα αποτελέσματα. Στο δεύτερο μέρος της έρευνας μελετήθηκε και ποσοτικοποιήθηκε η συρρίκνωση του κρέατος κατά την ωσμωτική επεξεργασία. Αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο πρόβλεψης της μείωσης του όγκου του κρέατος ως συνάρτηση της απώλειας υγρασίας και της συγκέντρωσης του ωσμωτικού διαλύματος. Με το προτεινόμενο μοντέλο μπορεί να υπολογιστεί το ποσοστό της συρρίκνωσης κατά την επεξεργασία χωρίς να απαιτείται ξεχωριστή αξιολόγηση και μέτρηση της ίδιας της παραμέτρου. Επιπροσθέτως, τα δεδομένα της συρρίκνωσης χρησιμοποιήθηκαν για την ορθότερη πρόβλεψη των συντελεστών διάχυσης, καθώς όπως έδειξαν τα αποτελέσματα οι τιμές των συντελεστών διάχυσης της υγρασίας υπερεκτιμούνται όταν οι διαστάσεις των δειγμάτων θεωρούνται αμετάβλητες. Το τρίτο μέρος της έρευνας επικεντρώθηκε στη μελέτη της προσθήκης υγρού καπνού στο ωσμωτικό διάλυμα και η επίδρασή του στα φαινόμενα μεταφοράς μάζας, στα ποιοτικά και οργανοληπτικά χαρακτηριστικά του προϊόντος και στη μετέπειτα διάρκεια ζωής του. Η προσθήκη υγρού καπνού δεν επηρέασε, στις περισσότερες περιπτώσεις, τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας, ωστόσο είχε σημαντική επίδραση στα ποιοτικά και οργανοληπτικά χαρακτηριστικά του παραγόμενου προϊόντος. Η διεργασία της ωσμωτικής επεξεργασίας καθυστέρησε την μικροβιακή ανάπτυξη κατά τη συντήρηση των δειγμάτων σε θερμοκρασίες ψύξης, αυξάνοντας τη διάρκεια ζωής του κρέατος κατά τουλάχιστον δύο ημέρες. Η προσθήκη υγρού καπνού στο ωσμωτικό διάλυμα αύξησε ελαφρώς περισσότερο τη διάρκεια ζωής του επεξεργασμένου κρέατος αναφορικά με τη μικροβιακή ανάπτυξη, ενώ είχε ως αποτέλεσμα την αναστολή της οξείδωσης, παρέχοντας οξειδωτική σταθερότητα καθ’ όλη τη διάρκεια της συντήρησής του, ακόμη και στην περίπτωση ωσμωτικής επεξεργασίας με διαλύματα χλωριούχου νατρίου. Τέλος, στη παρούσα έρευνα πραγματοποιήθηκε προσπάθεια διερεύνησης των μεταβολών που υφίσταται η δομή των μυϊκών κυττάρων σε χαμηλές θερμοκρασίες επηρεάζοντας άμεσα το συνολικό φαινόμενο της ώσμωσης. Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας οδήγησαν στην αποσαφήνιση ορισμένων σημαντικών ερωτημάτων σχετικά με την ωσμωτική επεξεργασία του κρέατος, παρέχοντας μία συνολική εικόνα της επεξεργασίας.