Βελτιστοποίηση της διεργασίας της ωσμωτικής αφυδάτωσης για την παραγωγή αφυδατωμένων τροφίμων φυτικής προέλευσης με εφαρμογή της μεθοδολογίας RSM (Response Surface Methodology)

Παυλίδης, Βασίλειος - Άγγελος

Optimization of the osmotic dehydration process using RSM (Response Surface Methodology) for the production of dried foods of plant origin

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Παυλίδης, Βασίλειος - Άγγελος

Date

2021-07

Advisor

Giannakourou, Maria

Pavlidis_19020.pdf (4.768Mb)

Keywords

Βελτιστοποίηση διεργασίας ; Μεθοδολογία απόκρισης επιφάνειας ; Λευκό μανιτάρι ; Ωσμωτική αφυδάτωση

Abstract

Τα λευκά μανιτάρια (Agaricus bisporus) είναι τα πιο κοινά είδη βρώσιμων μανιταριών, τα οποία αντιπροσωπεύουν το 30% της παγκόσμιας κατανάλωσης μανιταριών. Τα μανιτάρια είναι μια καλή πηγή συμπλέγματος βιταμίνης Β, εργοστερολών και μετάλλων όπως το σελήνιο. Έχουν χαμηλή περιεκτικότητα σε λιπαρά, είναι πλούσια σε πρωτεΐνες υψηλής βιολογικής αξίας και θεωρούνται τροφές χωρίς χοληστερόλη. Ωστόσο, τα μανιτάρια είναι ιδιαίτερα ευπαθή, με περιορισμένη διάρκεια, περίπου 1-3 ημέρες υπό αποθήκευση σε συνθήκες περιβάλλοντος και 5-8 ημέρες σε συνθήκες ψύξης. Η γρήγορη αλλοίωσή τους προκαλείται κυρίως από την υψηλή περιεκτικότητα σε νερό, βιολογικές διαδικασίες, ενζυμική δραστηριότητα, χαμηλό pH και διάφορες μικροβιακές αλλοιώσεις. Η σύντομη διάρκεια ζωής των μανιταριών είναι ένα μειονέκτημα που περιορίζει την οικονομική και εμπορική τους αξία. Η ωσμωτική αφυδάτωση έχει προταθεί ως ένας αποτελεσματικός τρόπος για τη διατήρηση των μανιταριών και την παραγωγή τελικών προϊόντων ανώτερης ποιότητας. Η ωσμωτική αφυδάτωση είναι μια ήπια, μη θερμική επεξεργασία, που χρησιμοποιείται κυρίως ως στάδιο προεπεξεργασίας συμβατικών μεθόδων συντήρησης (όπως ξήρανση ή κατάψυξη), και περιλαμβάνει την εμβάπτιση ενός τροφίμου σε ένα υπερτονικό διάλυμα (υδατανθράκων, αλάτων και άλλων συστατικά). Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκε ως στατιστικό εργαλείο η μεθοδολογία απόκρισης επιφάνειας (Response Surface Methodology, RSM) για τη διερεύνηση της επίδρασης της συγκέντρωσης του επιλεγμένου ωσμωτικού παράγοντα, εδώ της γλυκερόλης (30-50%), της θερμοκρασίας (30-50 ℃) και της διάρκειας της ώσμωσης (20-180 λεπτά), για την εκτίμηση των βέλτιστων παραμέτρων της ωσμωτικής διαδικασίας για την επεξεργασία των μανιταριών. Τα πειράματα διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας τον πειραματικό σχεδιασμό Box Behnken με τρεις παράγοντες σε τρία επίπεδα, και οι δείκτες που μετρήθηκαν περιλαμβάνουν παραμέτρους που περιγράφουν τη μεταφορά μάζας, φυσικοχημικούς και άλλους επιλεγμένους δείκτες ποιότητας. Για κάθε απόκριση, αναπτύχθηκε ένα πολυώνυμο μοντέλο δεύτερης τάξης, και η κατάλληλη στατιστική ανάλυση έδειξε ότι όλοι οι παράγοντες διεργασίας επηρέασαν σημαντικά την απώλεια νερού, την πρόσληψη στερεών, την ενεργότητα νερού και τις αλλαγές χρώματος. Με βάση την προσέγγιση των συναρτήσεων αποδεκτότητας (Desirability Functions) και συγκεκριμένα προκαθορισμένακριτήρια-στόχους της διεργασίας, εκτιμήθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας και πραγματοποιήθηκαν επιτυχώς τα αντίστοιχα, ανεξάρτητα πειράματα επαλήθευσης.

Abstract

Button mushrooms (Agaricus bisporus) are the most common edible mushroom species, which account for 30% of the global mushroom consumption. Mushrooms are a good source of vitamin B complex, ergo-sterols and minerals such as selenium. Additionally, they are containing a wide range of therapeutic compounds such as triterpenoids, glycoproteins, natural antibiotics, enzymes, and enzyme inhibitors that strengthen the human health system. They are low in fat, rich in protein of high biological value and are considered as cholesterol-free foods. Nevertheless, mushrooms are sensitive to corporal and contagious damages because of the absence of a protective skin layer. Therefore, shelf-life of button mushrooms is limited, approximately 1–3 days under ambient storage and 5–8 days at chill conditions. The fast degradation is mainly caused by the high water content, biological procedures, enzyme activity, low pH and microbial spoilage; furthermore, mushroom flesh is influenced by the level of ripeness and any harm to the pile. Mushroom short shelf-life is a disadvantage that limits its economic and commercial value. Osmotic dehydration has been proposed as an efficient way to preserve mushrooms and produce final products of superior quality. Osmotic dehydration is a mild, non-thermal treatment, mainly used as a pre-processing step of conventional preservation methods (such as drying or freezing), that involves the immersion of a food material in a hypertonic solution (of carbohydrates, salts and other ingredients). In this study, Response Surface Methodology was used to investigate the effect of glycerol concentration (30-50%), temperature (30-50℃), and duration of osmosis (20-180 min), to obtain the optimal osmotic process parameters for mushroom treatment. Experiments were conducted using a Box Behnken Design with three factors at three levels, and the indices measured included mass transfer, physicochemical and selected quality indices. For each response, a second order polynomial model was developed, and appropriate statistical analysis showed that all process factors significantly affected water loss, solid gain, aw and color changes. Based on the desirability approach and particular pre-set criteria, optimum operating conditions were estimated, and the corresponding validation experiments were successfully performed.