Ψυχρή παστερίωση υγρών τροφίμων με μικρο- και νανο- σωληνωτή κυτταρίνη

Abstract

Food preservation and spoilage has always been an issue of major concern for food industry. The consumers increasing demand for minimally processed food with high nutritional value and original organoleptic characteristics has focused the scientific interest on non thermal preservation methods.In this study, a novel pasteurization method at low temperatures (4°C) is proposed. A natural material, micro/nano-tubular cellulose (TC) is involved in this pasteurization technique for microbial stabilization of the treated foods. Tubular cellulose is obtained after pine sawdust delignification and it was used as a filter material for the cold pasteurization system. Various liquid foods and in specific red and white wine, beer as well as apple juice were deliberately contaminated with microorganisms (S. cerevisiae, A. pasteurianus, L. brevis, L. plantarum) that usually cause spoilage to them. Each liquid food was pumped through the filter of the cold pasteurization system and the microbial load as well as the organoleptic characteristics (concentration of organic acids, polyphenols and volatiles) were monitored through the process.In addition, the microbial population distribution on the TC filter was studied. The effect of the microbial genus and concentration as well as the filter dimensions on the operational stability of the system and on food quality was assessed. Furthermore, the proposed technology was transferred from the laboratory scale at 2 L to scale-up systems using bioreactors of 10 L and 50 L. In all cases when the system yield was reduced below 90% the filter was regenerated using hot water.The efficiency of the filters was proved to be satisfactory and the increase of its size resulted in improvement of the system yield. The microbial removal percentage ranged between 100-79% for S. cerevisiae and 100-82% for bacterial cells during cold pasteurization of the studied liquid foods. In the case of contamination of beer with a mixture of microbial cells, the system yield laid within 99.8-87%. The cold pasteurization system was effective for up to 100 consecutive days in the case of wine. The organoleptic characteristics of the liquid foods presented a decrease in the first operation day and after each filter regeneration but as the process continued almost initial values were achieved. The simplicity of the proposed process, and the low cost and abundance of the TC material can provide an alternative to existing expensive technologies for food preservation.At the next part of the thesis, the carbonization under nitrogen flow of various cellulosic materials (sawdust, TC, TC/starch gel composite) were studied, targeting to increased specific surface area. The effect of temperature and treatment duration on the material characteristics was monitored. The carbonized materials were studied through nitrogen adsorption-desorption experiments (BET), thermogravimetric analysis (TGA) and scanning electron microscopy (SEM). Additionally, infrared spectroscopy (FT-IR) and X-ray diffractometry (XRD) were used for qualitative analysis of the carbonized materials.The carbonization at 350°C for 12 h was proved to be the most effective for the increase of the specific surface area up to 20-fold compared to the untreated samples. FTIR and XRD analyses showed structure and composition alterations of the carbonized materials which consisted mainly of calcium carbonate and various amorphous organic compounds. The crystallinity index of the carbonized materials laid within the range of 73.9 to 36.5 %. In the final part of the present thesis, a continuous wine making system at low temperatures (20-5°C) using a biocatalyst of TC/starch gel composite was developed. The system operated efficiently for up to 35 consecutive days at laboratory and large scale (10 L). The produced wines presented acceptable organoleptic characteristics and low residual sugar values.In conclusion, nano- and micro- tubular cellulose can sustain the development of new technologies for food production and processing. Tubular cellulose comprises a low-cost, cellulosic material which can be successfully used as a filter in cold pasteurization of liquid foods as well as a biocatalyst carrier for continuous wine making at low temperatures. Finally, the pyrolysis of tubular cellulose under nitrogen flow leads to the production of new carbonized materials with increased specific surface area and various applications in bioprocesses.

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.