Σχεδιασμός και εφαρμογή συστημάτων ελαιοπηκτών και υβριδικών πηκτών σε τρόφιμα
Authors: Ζαμπούνη Κωνσταντινιά 
Published: September 2023

Οι ελαιοπηκτές αποτελούν δομημένα συστήματα φυτικών ελαίων με τη χρήση πηκτωματοποιητών. Ο συνδυασμός ελαιοπηκτών και υδροπηκτών συνθέτει ένα νέο σύστημα, τις υβριδικές πηκτές, οι οποίες συνδυάζουν τις ιδιότητες και των δύο δομημένων φάσεων. Ωστόσο, οι υβριδικές πηκτές έχουν μελετηθεί ως τώρα κυρίως σε φαρμακευτικά και καλλυντικά σκευάσματα, ενώ οι έρευνες που αφορούν στον τομέα των τροφίμων είναι περιορισμένες. Επομένως, βασικό ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν ο σχεδιασμός και η μελέτη των ιδιοτήτων συστημάτων ελαιοπηκτών και υβριδικών πηκτών, και στη συνέχεια η ενσωμάτωση των υβριδικών πηκτών σε προϊόντα κρέατος ως πιθανά υποκατάστατα λίπους. Το πρώτο μέρος της έρευνας επικεντρώθηκε κυρίως στην ανεύρεση κατάλληλων και συμβατών εδώδιμων πηκτωματοποιητών για τη δημιουργία δομής σε φυτικά έλαια, αλλά και στην υδατική φάση, με σκοπό τη δημιουργία συστημάτων υβριδικών πηκτών. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν τα μονογλυκερίδια και οι φυτοστερόλες ως πηκτωματοποιητές, ενώ εξετάστηκαν τρία διαφορετικά έλαια (ελαιόλαδο, ηλιέλαιο και σησαμέλαιο). Στις σχηματιζόμενες ελαιοπηκτές μελετήθηκε η επίδραση του τύπου του ελαίου στη μικροδομή, στις μηχανικές και θερμικές ιδιότητες κατά τη συντήρηση των ελαιοπηκτών, ενώ επιπρόσθετα εξετάστηκε η τροποποίηση των κρυσταλλικών διαμορφώσεων των μονογλυκεριδίων σε διαφορετικές θερμοκρασίες συντήρησης. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως ο τύπος του ελαίου, η προσθήκη φυτοστερολών και ο χρόνος συντήρησης επηρέασαν τη μικροδομή και τις μηχανικές ιδιότητες των ελαιοπηκτών. Επιπρόσθετα, η θερμοκρασία συντήρησης των ελαιοπηκτών επηρέασε και τη ταχύτητα σχηματισμού των β-κρυστάλλων των μονογλυκεριδίων σε ελαιοπηκτές ελαιολάδου. Για τη δόμηση των υδροπηκτών αξιοποιήθηκαν ως πηκτωματοποιητές η ζελατίνη και η κ-καραγενάνη σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. Η μελέτη των ιδιοτήτων υφής των υδροπηκτών ανέδειξε πως η προσθήκη κ-καραγενάνης σε υδροπηκτές ζελατίνης συνέβαλε στον σχηματισμό υδροπηκτών με υψηλές τιμές σκληρότητας και αντοχής στη μάσηση. Τέλος, στην πρώτη ενότητα πραγματοποιήθηκε μια αρχική προσέγγιση προς τον σχηματισμό υβριδικών πηκτών αξιολογώντας την επίδραση της αναλογίας προσθήκης της ελαιοπηκτής ηλιελαίου προς υδροπηκτή ζελατίνης, της συγκέντρωσης της ζελατίνης στη φάση της υδροπηκτής, και του ρυθμού μηχανικής ανάδευσης στις ιδιότητες των υβριδικών πηκτών. Με βάση τα αποτελέσματα φαίνεται πως οι εξεταζόμενοι παράγοντες επηρέασαν τις μηχανικές ιδιότητες των υβριδικών πηκτών, με την εφαρμογή του ταχύ ρυθμού μηχανικής ανάδευσης να οδηγεί στη δημιουργία μικρότερου μεγέθους λιποσφαιρίων εντός της φάσης της υδροπηκτής των υβριδικών πηκτών. Στο δεύτερο μέρος της έρευνας πραγματοποιήθηκε η παρασκευή και αξιολόγηση των ιδιοτήτων νέων συστημάτων υβριδικών πηκτών που βασίζονται σε ελαιοπηκτές ελαιολάδου με μονογλυκερίδια και διαφορετικές υδροπηκτές ζελατίνης ή ζελατίνης και κ-καραγενάνης. Στις υβριδικές πηκτές αξιολογήθηκε η επίδραση της σύνθεσης της υδροπηκτής και της αναλογίας ελαιοπηκτής/υδροπηκτής στα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά και στη μικροδομή, καθώς στις μηχανικές και θερμικές ιδιότητες. Η αύξησης της αναλογίας προσθήκης της ελαιοπηκτής οδήγησε σε μείωση της σκληρότητας και αύξηση της συνεκτικότητας των υβριδικών πηκτών. Επιπρόσθετα, η προσθήκη κ-καραγενάνης στο σύστημα αύξησε τη σκληρότητα και μείωσε τη συνεκτικότητα των πηκτών. Ακόμη, η μικροσκοπία αποκάλυψε τον σχηματισμό ενός συστήματος υβριδικής πηκτής τύπου ελαιοπηκτής-σε-υδροπηκτή με μικρότερα λιποσφαίρια, όταν μόνο η ζελατίνη χρησιμοποιήθηκε ως πηκτωματοποιητής. Υβριδικές πηκτές με ζελατίνη και κ-καραγενάνη εμφάνισαν τη χαμηλότερη ικανότητα διόγκωσης, πιθανώς λόγω του σχηματισμού δεσμών υδρογόνου και ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ της ζελατίνης και κ-καραγενάνης. Επιπλέον, η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης αποκάλυψε μια αύξηση στην ενθαλπία τήξης των μονογλυκεριδίων με αύξηση της αναλογίας προσθήκης της ελαιοπηκτής στις υβριδικές πηκτές, ενώ η ενσωμάτωση κ-καραγενάνης βελτίωσε τη θερμική σταθερότητα του διφασικού συστήματος. Η φασματοσκοπία ΑΤR-FTIR επιβεβαίωσε την ύπαρξη συμπλόκου μεταξύ ζελατίνης και κ-καραγενάνης και πως ο μηχανισμός σχηματισμού των υβριδικών πηκτών βασίζεται σε φυσικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των δύο δομημένων φάσεων. Στην τρίτη πειραματική ενότητα μελετήθηκε η αλληλεπίδραση των μονογλυκεριδίων και των φυτοστερολών στο ελαιόλαδο και το έλαιο καρύδας προς τον σχηματισμό ελαιοπηκτών. Επιπλέον, παρασκευάστηκαν υβριδικές πηκτές με υδροπηκτή ζελατίνης σε διαφορετικές αναλογίες προσθήκης ελαιοπηκτής/υδροπηκτής. Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά και η μικροδομή αυτών των συστημάτων αξιολογήθηκαν. Η αναλογία ανάμειξης του ελαιόλαδου και του ελαίου καρύδας και οι προστιθέμενοι πηκτωματοποιητές επηρέασαν την τελική κρυσταλλική δομή και τις μηχανικές ιδιότητες των ελαιοπηκτών. Σύμφωνα με τα ευρήματα της μικροσκοπίας προέκυψε πως η προσθήκη ελαίου καρύδας στην ελαιώδη φάση και η παρουσία φυτοστερολών ενίσχυσαν τις ιδιότητες υφής των ελαιοπηκτών και υβριδικών πηκτών. Ελαιοπηκτές πολλαπλών συστατικών οδήγησαν στη δημιουργία υβριδικών πηκτών τύπου ελαιοπηκτής-σε-υδροπηκτή. Η μικροσκοπία και η φασματοσκοπία ΑΤR-FTIR αποκάλυψαν πως προσθήκη ελαίου καρύδας σε ελαιοπηκτές ελαιολάδου συνέβαλε στην παρεμπόδιση του σχηματισμού ενός διακριτού κρυσταλλικού δικτύου. Επίσης, η απουσία νέων κορυφών στις υβριδικές πηκτές επιβεβαίωσε και σε αυτή την ενότητα πως οι δύο δομημένες φάσεις των υβριδικών πηκτών αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κυρίως φυσικά, χωρίς τον σχηματισμό νέων χημικών δεσμών. Στο τέταρτο μέρος της διδακτορικής έρευνας κύριος στόχος ήταν η διερεύνηση της ικανότητας απελευθέρωσης του β-καροτενίου από συστήματα ελαιοπηκτών και υβριδικών πηκτών ηλιελαίου κατά την in vitro προσομοίωση της πέψης. Ακόμη, στις ελαιοπηκτές και υβριδικές πηκτές αξιολογήθηκε η επίδραση της προσθήκης β-καροτενίου στα φυσικά χαρακτηριστικά, στη μικροδομή και τις μηχανικές ιδιότητές τους. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της έρευνας, η προσθήκη β-καροτενίου τροποποίησε το χρώμα των ελαιοπηκτών και των υβριδικών πηκτών. Ακόμη, στην ελαιοπηκτή με β-καροτένιο δεν βρέθηκαν εμφανείς αλλαγές στις κρυσταλλικές διαμορφώσεις των μονογλυκεριδίων, αλλά παρατηρήθηκε εξασθένιση των μηχανικών τους ιδιοτήτων. Τέλος, η απελευθέρωση του β-καροτενίου κατά την in vitro προσομοίωση της πέψης ήταν μικρότερη για τα συστήματα των ελαιοπηκτών και των υβριδικών πηκτών συγκριτικά με το σκέτο ηλιέλαιο.Στο τελευταίο μέρος της διδακτορικής έρευνας υβριδικές πηκτές με ελαιοπηκτή ελαιολάδου και υδροπηκτή κ-καραγενάνης ή κ-καραγενάνης και ζελατίνης (BG1 και BG2, αντίστοιχα) χαρακτηρίστηκαν σε σχέση με μικροδομή και τις παραμέτρους υφής, και χρησιμοποιήθηκαν ως υποκατάστατο του χοιρινού λίπους σε ημίξηρα αλλαντικά. Σχηματίστηκαν σταθερές υβριδικές πηκτές τύπου ελαιοπηκτής-σε-υδροπηκτή, και η υβριδική πηκτή BG2 εμφάνισε υψηλότερες τιμές σκληρότητας. Παρασκευάστηκαν τρεις διαφορετικές μεταχειρίσεις ο μάρτυρας (CF) με 20% χοιρινό λίπος και τα αλλαντικά B1F και B2F, στα οποία πραγματοποιήθηκε 50% υποκατάσταση του χοιρινού λίπους από τις υβριδικές πηκτές BG1 και BG2, αντίστοιχα. Αξιολογήθηκαν οι φυσικοχημικές κα μικροβιολογικές ιδιότητες, οι παράμετροι υφής, τα οργανοληπτικά και διατροφικά χαρακτηριστικά των αλλαντικών κατά τη διάρκεια της ζύμωσης και μετά από παστερίωση και αποθήκευση. Τα αλλαντικά με υποκατάσταση παρουσίασαν αυξημένη απώλεια βάρους, υγρασία και ενεργότητα του νερού. Η αξιολόγηση των χρωματικών παραμέτρων αποκάλυψε πως οι μεταχειρίσεις με υβριδικές πηκτές εμφάνισαν την ίδια τάση προς τον σχηματισμό χρώματος, ενώ δεν καταγράφηκαν διαφορές στις τιμές L* και a* των αλλαντικών. Η ολική μεσόφιλη χλωρίδα και οι πληθυσμοί των οξυγαλακτικών βακτηρίων δεν επηρεάστηκαν από την προσθήκη των υβριδικών πηκτών. Όσον αφορά τις παραμέτρους υφής, οι μεταχειρίσεις B2F εμφάνισαν παρόμοιες τιμές σκληρότητας και συνεκτικότητας με τον μάρτυρα. Τα ημίξηρα αλλαντικά που παρασκευάστηκαν με υβριδικές πηκτές εμφάνισαν μείωση της ενέργειας (20%), του λίπους (27%), της περιεκτικότητας σε κορεσμένα λιπαρά οξέα (30%) και χοληστερόλη (~6%). Ακόμη, τα αλλαντικά B2F έλαβαν παρόμοιες βαθμολογίες σε σχέση με τον μάρτυρα, και δεν εμφάνισαν ανεπιθύμητες οργανοληπτικές ιδιότητες. Συμπερασματικά, κατά την υλοποίηση της διδακτορικής έρευνας αναγνωρίστηκαν πηκτωματοποιητές οι οποίοι είναι ικανοί να οδηγούν στη δημιουργία μιας σταθερής δομής σε φυτικά έλαια, και ταυτόχρονα συμβατής με υδροπηκτές προς τον σχηματισμό εδώδιμων καινοτόμων συστημάτων υβριδικών πηκτών. Βέβαια, οι ερευνητικές δοκιμές κατέδειξαν τη σημαντικότητα της επίδρασης του είδους και της συγκέντρωσης των πηκτωματοποιητών για τη δόμηση της λιπιδικής και υδατικής φάσης, του είδους του ελαίου της φάσης της ελαιοπηκτής, της αναλογίας, του ρυθμού και της θερμοκρασίας ανάμειξης των δύο δομημένων φάσεων, στις τελικές επιθυμητές ιδιότητες των υβριδικών πηκτών. Τέλος, επιτεύχθηκε η επιτυχής ενσωμάτωση των υβριδικών πηκτών σε αλλαντικά με ορατά τεμαχίδια λίπους που συνδυάζουν την τεχνολογία της σύντομης ζύμωσης-αφυδάτωσης και της θερμικής επεξεργασίας, καθώς οι παραγόμενες υβριδικές πηκτές προσέγγισαν οπτικά και εμφάνισαν παρόμοιες ιδιότητες με το ζωικό λίπος, παραμένοντας σταθερές και ακέραιες μετά τη διεξαγωγή της παστερίωσης. Συνεπώς, τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας θέτουν τις βάσεις για τον σχεδιασμό και την παρασκευή συστημάτων εδώδιμων υβριδικών πηκτών και την αξιοποίηση αυτών στη βιομηχανία τροφίμων, κυρίως ως εναλλακτική λύση για την υποκατάσταση του ζωικού λίπους και την παραγωγή προϊόντων κρέατος με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε λιπαρά και βελτιωμένο διατροφικό προφίλ.