Παραγωγή εδωδίμων μεμβρανών μέσω βιοτεχνολογικής αξιοποίησης τυρογάλακτος και μελέτη καταναλωτή σε εφαρμογές τροφίμων

Abstract

In the framework of sustainability, the reduction of environmental footprint, lower energy consumption and development of environmentally friendly products are crucial. The rationale of the present thesis is the development of edible films through bioprocesses and the study of consumer perception. Microorganisms are capable of producing metabolic compounds through utilization of agricultural by-products such as Single cell protein (SCP). SCP refers to dry cells of microorganisms which constitute an alternative protein source and can be derived from utilization of cheese whey. Cheese whey is the main by-product of the cheese industry, thus demanding treatment. Regarding the above, the development of SCP-based edible films through bioprocesses was examined. Initially, four strains of Kluyveromyces marxianus yeast (EXF-6231, 6232, 9072 and 5288), which has gained GRAS status, were examined for their ability to produce single-cell protein through the utilization of cheese whey. Yeast strain EXF-5288, was examined under increased lactose concentration of deproteinized cheese whey (DCW) and different temperatures (in oC: 20.0, 25.0, 30.0 and 35.0) in shake-flasks cultures, while strain’s growth was also examined in 3L upscale conditions (batch and fed-batch). Maximum biomass and SCP production (14.24±0.70 and 6.14±0.66 g/L, respectively) were observed in the cultivation of K. marxianus strain EXF-5288 in shake-flask cultures at T=20.0oC. Then dry cells were used for the development of SCP-based edible films with the addition of increased glycerol concentrations (30, 40 and 50% w/w of dry cells) as plasticizer. Physicochemical characterization was conducted in terms of color parameters, moisture content, solubility, swelling index, mechanical properties, water vapor permeability and wetting properties. Regarding physicochemical characterization, increased glycerol concentration significantly increased moisture content (MC %) and solubility (S %), but there was not a significant difference in other parameters. Regarding wettability, SCP-based films could be described as oleophilic surfaces since the degree of oil contact angle (OCA) ranged between 46.7o ±1.3 to 54.0o ±0.5. Although the physicochemical characterization of SCP-based edible films indicates that their application is feasible, consumer perception and acceptance of such alternative packaging requires investigation. First, focus groups were employed to assess and compare consumer attitudes to SCP-based edible films to polysaccharide-based edible films, highlighting concerns about their sensory and quality characteristics, food applications, cost, and labeling. Next, consumer perception of the use of microorganisms in the production of edible packaging was investigated in an online survey that included the assessment of 33 emotional reactions on a Check-All-That-Apply questionnaire. The questionnaire revealed positive responses towards edible films regardless of the use of microorganisms. Next, eye-tracking analysis compared yogurt pots covered with conventional internal film layer and SCP- based edible film as a case study. Results showed that consumers were negatively affected by the brown color of SCP-based edible film over the yogurt, however, eco-friendly related claims on packaging positively affected their acceptability. Finally, sensory analysis of attribute intensity and hedonic liking for appearance, texture, odor, and overall acceptability of plastic and edible food packaging (polysaccharide-based and SCP), was conducted indicating high score for texture of SCP-based edible films, and low score for odor which correlated with “spoiled/ expired” attribute. Inferentially, in this thesis the development of SCP-based edible films is examined as well as a holistic approach for the application of value-added products derived from bioprocesses and consumer's behavior towards them, is proposed.

Στo πλαίσιo της βιωσιμότητας κρίνεται απαραίτητη η μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος, η κατανάλωση λιγότερης ενέργειας και η ανάπτυξη προϊόντων φιλικών προς το περιβάλλον. Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη εδώδιμων μεμβρανών βιοτεχνολογικής προέλευσης και η μελέτη καταναλωτή στο τελικό προϊόν. Ειδικότερα, είναι γνωστό πως οι μικροοργανισμοί είναι ικανοί να παράγουν προϊόντα προστιθέμενης αξίας με ταυτόχρονη αξιοποίηση παραπροϊόντων ή και αποβλήτων του αγροτοβιομηχανικού τομέα. Σε αυτά τα προϊόντα, συμπεριλαμβάνεται και η μονοκυτταρική πρωτεΐνη (Single cell protein- SCP), η οποία αποτελεί μια εναλλακτική πηγή πρωτεΐνης και αναφέρεται σε ξηρά κύτταρα μικροοργανισμών, ενώ μπορεί να παραχθεί μέσω βιοδιεργασιών από πληθώρα υποστρωμάτων, όπως το τυρόγαλο. Το τυρόγαλο αποτελεί το κύριο παραπροϊόν της παραγωγής τυριού, συνεπώς η διαχείριση του κρίνεται απαραίτητη. Απόρροια των παραπάνω ήταν η χρήση μονοκυτταρικής πρωτεΐνης βιοτεχνολογικής προέλευσης ως βιοπολυμερές για την ανάπτυξη εδώδιμων μεμβρανών. Αρχικά, εξετάστηκαν τέσσερα στελέχη του ζυμομύκητα Kluyveromuces marxianus (ΕΧF-6231, 6232, 9072 και 5288), ο οποίος έχει χαρακτηριστεί ως GRAS μικροοργανισμός, ως προς την ικανότητα τους να παράγουν μονοκυτταρική πρωτεΐνη μέσω της αξιοποίησης πρωτογενούς τυρογάλακτος. Έπειτα η ικανότητα μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από το στέλεχος EXF-5288, το οποίο παρουσίασε την καλύτερη απόδοση, εξετάστηκε κάτω από διαφορετικές θερμοκρασίες (20.0, 25.0, 30.0 και 35.0οC) και σε αυξημένες συγκεντρώσεις λακτόζης τυρογάλακτος (35.0- 100.0 g/L) σε κωνικές φιάλες, ενώ η ανάπτυξη του μελετήθηκε και σε ζυμώσεις μεγάλης κλίμακας 3L (βιοαντιδραστήρας μονής τροφοδοτούμενης παρτίδας και βιοαντιδραστήρας ημισυνεχούς τροφοδοτούμενης παρτίδας). Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η μέγιστη παραγωγή βιομάζας και μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (14.24±0.70 and 6.14±0.66 g/L, αντίστοιχα) σημειώθηκε κατά την ανάπτυξη του στελέχους στους 20.0οC. Έπειτα, τα πλούσια σε μονοκυτταρική πρωτεΐνη ξηρά κύτταρα χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη εδώδιμων μεμβρανών με διαφορετικές συγκεντρώσεις γλυκερόλης ως πλαστικοποιητή (30, 40 και 50% w/w επί ξηρής ουσίας). Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των εδώδιμων μεμβρανών εξετάστηκαν ως προς τις παραμέτρους χρώματος, υγρασίας, διαλυτότητας, δείκτη διόγκωσης, μηχανικών ιδιοτήτων, διαπερατότητας φραγμού υδρατμών και διαβροχής επιφάνειας. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η αυξημένη συγκέντρωση γλυκερόλης αύξησε σημαντικά την περιεκτικότητα σε υγρασία (MC %) και τη διαλυτότητα (S %), αλλά δεν υπήρξε σημαντική διαφορά σε άλλες παραμέτρους. Όσον αφορά τη διαβροχή, οι εδώδιμες μεμβράνες βιοτεχνολογικής προέλευσης θα μπορούσαν να χαρακτηριστούν ως ελαιόφιλες, καθώς ο βαθμός γωνίας επαφής λαδιού (OCA) κυμαινόταν μεταξύ 46.7o ±1.3 έως 54.0o ±0.5. Αν και ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των εδώδιμων μεμβρανών βιοτεχνολογικής προέλευσης υποδεικνύει πως η εφαρμογή τους είναι εφικτή, η αντίληψη του καταναλωτή και η αποδοχή τέτοιων εναλλακτικών συσκευασιών απαιτεί διερεύνηση. Στην παρούσα διατριβή, η μελέτη καταναλωτή προσεγγίστηκε αρχικά μέσω ομάδων εστίασης με σκοπό την αξιολόγηση της στάσης των καταναλωτών απέναντι σε εδώδιμες μεμβράνες (προερχόμενες από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ή από πολυσακχαρίτη) επισημαίνοντας ανησυχίες σχετικά με τα οργανοληπτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά, ενώ προέκυψαν προτάσεις σχετικά με την πιθανή εφαρμογή σε τρόφιμα, το κόστος και την ετικέτα. Στη συνέχεια, η αντίληψη των καταναλωτών για τη χρήση μικροοργανισμών στην παραγωγή εδώδιμων συσκευασιών διερευνήθηκε σε μια διαδικτυακή έρευνα που περιλάμβανε την αξιολόγηση 33 συναισθηματικών αντιδράσεων σε ένα ερωτηματολόγιο Check-All-That-Apply. Οι εδώδιμες συσκευασίες σχετίστηκαν με θετικά συναισθήματα ανεξάρτητα από τη χρήση μικροοργανισμών. Στη συνέχεια, η εφαρμογή εδώδιμων μεμβρανών σε δείγματα γιαουρτιού ως αντικατάσταση της εσωτερικής μεμβράνης εξετάστηκε ως μελέτη περίπτωσης μέσω ανάλυσης εστίασης ματιού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι καταναλωτές επηρεάστηκαν αρνητικά από το καφέ χρώμα της μεμβράνης, ενώ οι φιλικοί προς το περιβάλλον ισχυρισμοί σχετικά με τη συσκευασία επηρέασαν θετικά την αποδοχή τους. Τέλος, πραγματοποιήθηκε αισθητηριακή ανάλυση της έντασης των χαρακτηριστικών και της αρέσκειας για εμφάνιση, υφή, οσμή και συνολική αποδοχή πλαστικών και εδώδιμων συσκευασιών τροφίμων (με βάση πολυσακχαρίτες και SCP), υποδεικνύοντας υψηλή βαθμολογία για την υφή των εδώδιμων μεμβρανών από SCP και χαμηλή βαθμολογία για την οσμή που συσχετίζεται με το χαρακτηριστικό «χαλασμένο/ληγμένο». Συμπερασματικά, με την παρούσα διατριβή παρουσιάζεται για πρώτη φορά η ανάπτυξη εδώδιμων μεμβρανών από μονοκυτταρική πρωτεΐνη και παράλληλα μια ολιστική πρόταση για την εφαρμογή των προϊόντων προστιθέμενης αξίας που προκύπτουν μέσω βιοδιεργασιών καθώς και της συμπεριφοράς του καταναλωτή απέναντι σε αυτά.