Ψυχρή παστερίωση υγρών τροφίμων με μικρο- και νανο- σωληνωτή κυτταρίνη
Authors: Γιαλλελή Αγγέλικα-Ιωάννα 
Published: August 2021

Η συντήρηση των τροφίμων και η αντιμετώπιση της μικροβιακής αλλοίωσης ανέκαθεν αποτελούσε κύριο ζήτημα για την βιομηχανία τροφίμων. Η αυξανόμενη ζήτηση του καταναλωτικού κοινού για λιγότερο επεξεργασμένα τρόφιμα με υψηλή διατροφική αξία και αυθεντικά οργανοληπτικά χαρακτηριστικά έχουν στρέψει το επιστημονικό ενδιαφέρον σε νέες μη-θερμικές μεθόδους συντήρησης. Σε αυτή την εργασία, παρουσιάζεται μια νέα μέθοδος παστερίωσης σε χαμηλές θερμοκρασίες (4°C) με τη χρήση ενός φυσικού υλικού, της μικρο/νανο-σωληνωτής κυτταρίνης (ΣΚ), με στόχο τη μικροβιολογική σταθερότητα των προϊόντων. Η σωληνωτή κυτταρίνη προέκυψε ύστερα από την απολιγνινοποίηση πριονιδιού πεύκου και χρησιμοποιήθηκε ως υλικό του φίλτρου της ψυχρής παστερίωσης. Υγρά τρόφιμα, και συγκεκριμένα ερυθρός και λευκός οίνος, μπύρα και χυμός μήλου επιμολύνθηκαν με αλλοιωγόνους για αυτά μικροοργανισμούς (S. cerevisiae, A. pasteurianus, L. brevis, L. plantarum). Ακολούθησε η διέλευση τους από το φίλτρο της ΣΚ στο συνεχές σύστημα της ψυχρής παστερίωσης και πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις του μικροβιολογικού φορτίου και των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών (χρώμα, συγκέντρωση πολυφαινολών, οργανικών οξέων και αρωματικών συστατικών) του υγρού τροφίμου. Επίσης, μελετήθηκε η κατανομή μικροβιακού φορτίου κατά μήκος του φίλτρου της σωληνωτής κυτταρίνης και η ανίχνευση επιμολύνσεων. Αξιολογήθηκε η επίδραση του γένους και της συγκέντρωσης του μικροοργανισμού καθώς και των διαστάσεων του φίλτρου στην λειτουργική σταθερότητα του συστήματος και την ποιότητα των τροφίμων. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε η μεταφορά της τεχνολογίας από την εργαστηριακή κλίμακα των 2 L σε αυξημένη κλίμακα (scale-up) χρησιμοποιώντας βιοαντιδραστήρες όγκου 10 L και 50 L, για την περίπτωση του λευκού οίνου. Σε όλες τις περιπτώσεις, κατά τη μείωση της απόδοσης του συστήματος κάτω από 90%, έλαβε χώρα αναγέννηση του φίλτρου με χρήση ζεστού νερού. Η αποτελεσματικότητα των φίλτρων κρίθηκε ικανοποιητική με την αύξηση των διαστάσεων του φίλτρου να βελτιώνει την απόδοση του συστήματος. Η μικροβιακή απομάκρυνση κυμάνθηκε στα 100-79% για τον μικροοργανισμό S. cerevisiae και 100-72% για τα βακτηριακά κύτταρα κατά την ψυχρή παστερίωση των υγρών τροφίμων που μελετήθηκαν. Στην περίπτωση επιμόλυνσης εμπορικής μπύρας με μίγμα μικροοργανισμών η απόδοση του συστήματος κυμάνθηκε μεταξύ 99,8-87%. Το σύστημα της ψυχρής παστερίωσης λειτούργησε ικανοποιητικά έως και 100 συνεχείς ημέρες στην περίπτωση του οίνου. Tα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των υγρών τροφίμων παρουσίασαν μείωση την πρώτη ημέρα λειτουργίας του συστήματος και ύστερα από κάθε αναγέννηση του φίλτρου αλλά στη συνέχεια οι τιμές τους επανήλθαν κοντά στα αρχικά επίπεδα. Η απλότητα της μεθόδου καθώς και το χαμηλό κόστος της σωληνωτής κυτταρίνης ως υλικό του φίλτρου, καθιστούν την προτεινόμενη μέθοδο ψυχρής παστερίωσης ως σημαντική εναλλακτική πρόταση στις ήδη υπάρχουσες πολύπλοκες και δαπανηρές τεχνολογίες συντήρησης τροφίμων.Στη συνέχεια της διατριβής, μελετήθηκε η απανθράκωση διάφορων κυτταρινούχων υλικών (πριονίδι, σωληνωτή κυτταρίνη, σύνθετο βιοπολυμερές σωληνωτής κυτταρίνης/πηκτής αμύλου) υπό ροή αζώτου με στόχο την αύξηση της ειδικής τους επιφάνειας. Αξιολογήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας και της διάρκειας απανθράκωσης στα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των υλικών. Η μελέτη των υλικών έγινε με αναλύσεις προσρόφησης-εκρόφησης αζώτου (ΒΕΤ), θερμοσταθμική ανάλυση (TGA) και παρατήρηση σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις φασματοσκοπίας υπερύθρου-μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) και περίθλασης ακτίνων-Χ (XRD) για την ποιοτική ανάλυση των απανθρακωμένων υλικών. Η απανθράκωση των υλικών στους 350°C για 12 h επέφερε τη μεγαλύτερη αύξηση της ειδικής επιφάνειας έως και 20 φορές σε σχέση με τα μη κατεργασμένα υλικά. Η φασματοσκοπία υπερύθρου και η φασματοσκοπία περίθλασης ακτινών-Χ έδειξαν τη μεταβολή της δομής και της σύστασης των απανθρακωμένων υλικών τα οποία αποτελούνται σε μεγάλο ποσοστό από κρυσταλλικό ανθρακικό ασβέστιο και ποικίλες άμορφες οργανικές ενώσεις. Ο βαθμός κρυσταλλικότητας των υλικών ύστερα από την απανθράκωση τους κυμάνθηκε από 73,9 έως 36,5%.Στο τελευταίο μέρος της διατριβής, αναπτύχθηκε σύστημα συνεχούς αλκοολικής ζύμωσης γλεύκους σε χαμηλές θερμοκρασίες (20-5°C) με τη χρήση βιοκαταλύτη σωληνωτής κυτταρίνης/πηκτής αμύλου σε εργαστηριακή κλίμακα και σε βιοαντιδραστήρα 10 L. Τα συστήματα λειτούργησαν ικανοποιητικά έως και 35 συνεχείς ημέρες και ο οίνος που παρήχθη παρουσίασε αποδεκτά οργανοληπτικά χαρακτηριστικά και χαμηλές τιμές αζύμωτου σακχάρου.Συνεπώς, η νανο- και μικρο σωληνωτή κυτταρίνη μπορεί να αποτελέσει βάση για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών παραγωγής και επεξεργασίας τροφίμων. Η σωληνωτή κυτταρίνη συνιστά ένα κυτταρινούχο υλικό χαμηλού κόστους, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί επιτυχώς ως φίλτρο με εφαρμογές στην ψυχρή παστερίωση υγρών τροφίμων καθώς και ως συστατικό βιοκαταλύτη κατάλληλου για συνεχή οινοποίηση σε χαμηλές θερμοκρασίες. Τέλος, η απανθράκωση της σωληνωτής κυτταρίνης υπό ροή αζώτου οδηγεί στην παραγωγή νέων απανθρακωμένων υλικών με αυξημένη ειδική επιφάνεια και εύρος εφαρμογών σε διάφορες βιοδιεργασίες.