Development and application of stochastic models for the spoilage of foods of animal origin

Abstract

Meat and poultry meat have been a cornerstone of the human diet for many years, primarily because of their high nutritional value. Unfortunately, this availability of nutrients renders these products highly perishable with a great susceptibility to degradation and spoilage. Unexpected spoilage of meat and poultry causes significant economic implications for these industries and has an adverse effect on consumer acceptance, contributing greatly to food wastage. Therefore, addressing this challenge is crucial not only for reducing economic losses and enhancing operational efficiency within the food industry but also for redirecting food to those in need, while reducing the environmental footprint associated with food waste. Food safety management at the international level has been moved towards a risk-based approach, with regulators and food business operators around the world adopting the risk analysis framework. While Quantitative Microbiological Risk Assessment (QMRA) has been extensively applied in the context of food safety, its application to food spoilage is limited. In the present thesis, the objective was to investigate effective strategies for controlling and preventing unexpected meat and poultry spoilage, through the application of predictive microbiology and the employment of QMRA for food spoilage. Despite the critical importance of QMRA application in food safety management, the principles and methodologies for food spoilage were not clearly defined. Therefore, as an initial step towards addressing this gap, this thesis focuses on delivering a comprehensive and detailed outline of the QMRA structure applied to food spoilage. This includes the description of the fundamental working principles of QMRA and the establishment of the methodological standards that are adjusted to spoilage microbiota and their interactions with food products. By establishing a robust framework for assessing the spoilage risk, this thesis aims to provide stakeholders with a valuable tool for identifying and mitigating spoilage risks in meat and poultry processing environments. The combination of predictive microbiology and QMRA in a unified framework, aims to contribute to the development of preventative strategies for enhancing the quality of meat and poultry products throughout the supply chain. Subsequently, these principles and methodologies are implemented to assess the spoilage risk of highly perishable food products of animal origin. The study primarily focuses on addressing spoilage caused by Pseudomonas spp. and Lactic acid bacteria (LAB), which have been recognized as primary spoilage agents in poultry and meat products. Simultaneous microbiological and sensory analyses were performed in poultry fillets and retail sliced cooked ham, to evaluate the relation between specific spoilage organisms’ (SSO) concentration and sensory rejection due to spoilage. The above relationship was combined with a stochastic modeling approach for SSO growth by taking into account both variability and uncertainty of factors affecting spoilage. Finally, a scenario analysis for each case was conducted to evaluate potential interventions to reduce the risk of spoilage. In conclusion, this research represents a significant advancement in understanding the role of QMRA in mitigating meat and poultry spoilage, while offering practical solutions to enhance food quality management practices within the industry.

Το κρέας και τα πουλερικά κατέχουν σημαντική θέση στη διατροφή του ανθρώπου εδώ και πολλά χρόνια, κυρίως λόγω της υψηλής διατροφικής τους αξίας. Ωστόσο είναι εξαιρετικά ευπαθή τρόφιμα και αλλοιώνονται σε σύντομο χρονικό διάστημα. Η εμφανής αλλοίωση του κρέατος και των πουλερικών επιφέρει σημαντικές οικονομικές επιπτώσεις στις βιομηχανίες και έχει αρνητικό αντίκτυπο στην αποδοχή των καταναλωτών, συμβάλλοντας σημαντικά στη σπατάλη τροφίμων. Ως εκ τούτου, ο καλύτερος έλεγχος της αλλοίωσης των τροφίμων αποτελεί μεγάλη πρόκληση για τη μείωση των οικονομικών απωλειών, την ενίσχυση της αποτελεσματικής λειτουργίας της βιομηχανίας τροφίμων, την ανακατεύθυνση των τροφίμων σε όσους τα έχουν ανάγκη και τον μετριασμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που συνδέονται με τη σπατάλη τροφίμων. Σε διεθνές επίπεδο, η διαχείριση της ασφάλειας των τροφίμων έχει μετατοπιστεί προς μια προσέγγιση που βασίζεται στην επικινδυνότητα, με τις ρυθμιστικές αρχές να υιοθετούν το πλαίσιο αυτό και την ποσοτική εκτίμηση μικροβιολογικού κινδύνου ως βάση για τη λήψη αποφάσεων. Ωστόσο, παρόλο που η προσέγγιση αυτή έχει χρησιμοποιηθεί σε μεγάλο βαθμό στο πλαίσιο της ασφάλειας των τροφίμων, η εφαρμογή της στη διαχείριση της ποιότητας των τροφίμων παραμένει περιορισμένη, χωρίς να έχουν καθοριστεί με σαφήνεια οι αρχές και η μεθοδολογία για την εφαρμογή της. Ο στόχος, λοιπόν, της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση αποτελεσματικών προσεγγίσεων για τον καλύτερο έλεγχο και πρόληψη της αλλοίωσης του κρέατος και των πουλερικών, χρησιμοποιώντας εργαλεία της ποσοτικής μικροβιολογίας και της εφαρμογής της ανάλυσης επικινδυνότητας για την αλλοίωση. Ως πρώτο βήμα, περιγράφηκε λεπτομερώς το πλαίσιο για την εφαρμογή της ανάλυσης επικινδυνότητας στην αλλοίωση των τροφίμων, παρουσιάζοντας τις αρχές και τη μεθοδολογία για τη διαχείριση της ποιότητας των τροφίμων με βάση την επικινδυνότητα. Με τη δημιουργία ενός αξιόπιστου πλαισίου για την αξιολόγηση του κινδύνου αλλοίωσης, η παρούσα διατριβή αποσκοπεί στο να προσφέρει στους ενδιαφερόμενους φορείς ένα εργαλείο για τον έλεγχο των κινδύνων αλλοίωσης σε περιβάλλοντα επεξεργασίας κρέατος και πουλερικών. Ο συνδυασμός της ποσοτικής μικροβιολογίας και της ανάλυσης επικινδυνότητας, έχει ως στόχο να συμβάλει στην ανάπτυξη στρατηγικών για τη βελτίωση της ποιότητας των προϊόντων κρέατος και πουλερικών σε όλη την αλυσίδα εφοδιασμού. Η παραπάνω μεθοδολογία εφαρμόστηκε έπειτα για την αξιολόγηση του κινδύνου αλλοίωσης ευπαθών τροφίμων ζωικής προέλευσης. Η μελέτη επικεντρώθηκε στις ψευδομονάδες και στα γαλακτικά βακτήρια, τα οποία έχουν χαρακτηριστεί ως βασικοί παράγοντες που σχετίζονται με την αλλοίωση των πουλερικών και των προϊόντων κρέατος. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν ταυτόχρονα μικροβιολογικές αναλύσεις και οργανοληπτική αξιολόγηση σε φιλέτα στήθους κοτόπουλου και φέτες ζαμπόν που κόβονται στη λιανική, για την περιγραφή της σχέσης μεταξύ της συγκέντρωσης των ειδικών αλλοιογόνων μικροοργανισμών και της οργανοληπτικής απόρριψης των προϊόντων. Η παραπάνω σχέση συνδυάστηκε με μια στοχαστική προσέγγιση για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών αλλοίωσης, λαμβάνοντας υπόψιν τόσο τη μεταβλητότητα όσο και την αβεβαιότητα των παραγόντων που επηρεάζουν την αλλοίωση. Τέλος, τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν χρησιμοποιήθηκαν περαιτέρω για τη διερεύνηση διάφορων σεναρίων με στόχο την αξιολόγηση πιθανών παρεμβάσεων για τον καλύτερο έλεγχο της αλλοίωσης. Συμπερασματικά, η βιομηχανία κρέατος και πουλερικών μπορεί να εφαρμόσει την παραπάνω προσέγγιση ως μια βάση για την υποστήριξη των αποφάσεων που σχετίζονται με τη διαχείριση της ποιότητας των τροφίμων, επιτυγχάνοντας καλύτερο έλεγχο του φαινομένου της αλλοίωσης.