Ανάπτυξη εδώδιμων βιοπολυμερών τροποποιημένης δομής και αξιολόγηση των ποιοτικών τους παραμέτρων

Λιόντος, Αλέξιος Ελευθέριος

Development of edible biopolymers of modified structure, and evaluation of their quality parameters

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Λιόντος, Αλέξιος Ελευθέριος

Date

2021

Advisor

Ζόγκζας, Νικόλαος

Διπλωματική εργασία (3.995Mb)

Δήλωση Συγγραφέα.pdf (200.6Kb)

Keywords

Άμυλο ; Υδροκολλοειδή ; Πρωτεΐνες ; Δομή τροφίμων ; Ρεολογία ; Θερμικές ιδιότητες

Abstract

Η υφή των τροφίμων είναι ένα βασικό αισθητηριακό χαρακτηριστικό που όχι μόνο εκτιμάται καλά από τους καταναλωτές αλλά χρησιμοποιείται επίσης από τους καταναλωτές ως δείκτης ποιότητας ενός τροφίμου. Η μελέτη της υφής των τροφίμων έχει γίνει ένας πολύ ενεργός επιστημονικός τομέας της επιστήμης και της τεχνολογίας των τροφίμων και έχει λάβει αυξανόμενη προσοχή από τους επιστήμονες της επιστήμης τροφίμων και των σχετικών κλάδων. Τις τελευταίες δεκαετίες, έχουν σημειωθεί σημαντικές πρόοδοι στη θεμελιώδη κατανόηση των ιδιοτήτων της υφής και των πρακτικών εφαρμογών αυτής της γνώσης στην ανάπτυξη υγιεινών και νόστιμων προϊόντων διατροφής. Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνήθηκε η επίδραση διαφόρων ειδών διάτμησης στις ρεολογικές και θερμικές ιδιότητες εδώδιμων βιοπολυμερών. Η μελέτη στοχεύει στην ανάπτυξη εδώδιμων βιοπολυμερών τροποποιημένης δομής, στα οποία θα προσδιορισθούν η βέλτιστη αναλογία των συστατικών (άμυλο-πρωτεΐνη-υδροκολλοειδές), καθώς και το βέλτιστο είδος διάτμησης. Για το σκοπό αυτό, στο πρώτο μέρος της έρευνας προσδιορίστηκε η βέλτιστη σύσταση της πηκτής μέσω της παρασκευής σημαντικού αριθμού πηκτών με βασικό συστατικό το φυσικό άμυλο καλαμποκιού, πατάτας και σίτου, σε συνδυασμό με πρωτεΐνη αρακά και περαιτέρω προσθήκη αραβικού κόμμεως, κόμμεως ξανθάνης και κ-καραγενάνης σε διάφορες αναλογίες και συνδυασμούς. Στο δεύτερο μέρος, και αφού επιλέχθηκε το άμυλο πατάτας (20 και 25%) και η κ-καραγενάνη (1%), αξιολογήθηκε η επίδραση διαφορετικών ειδών διάτμησης (απλή διάτμηση, διάτμηση μέσω υπερήχων, υψηλή διάτμηση) με περαιτέρω προσθήκη των φυτικών πρωτεϊνών ρυζιού, κολοκύθας, αρακά και φάβας (5%). Μέσω της παραπάνω έρευνας, η παρούσα διπλωματική εργασία αποσκοπεί: a) Στη δημιουργία εδώδιμων βιοπολυμερών, b) Στην αξιολόγηση των θερμικών και ρεολογικών ιδιοτήτων τους, μέσω της οποίας θα προκύψει μία σταθερή πηκτή για χρήση ως βιομελάνι σε 3D εκτύπωση, και c) Στην αξιολόγηση της επίδρασης των διαφόρων ειδών διάτμησης και των υπερήχων στη σταθερότητα των βιοπολυμερών, σε μία προσπάθεια τροποποίησης της δομής τους μέσω εισαγωγής φυσαλίδων αέρα εντός της μάζας τους. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραμάτων, όλα τα δείγματα που εξετάσθηκαν είχαν ψευδοπλαστική συμπεριφορά (διατμητική λέπτυνση, shear thinning). Η συμπεριφορά αυτή επιβεβαιώθηκε πειραματικά και από τον εκθέτη ρεολογικής συμπεριφοράς (n) ο οποίος ήταν μικρότερος της μονάδας για όλα τα δείγματα. Για τον προσδιορισμό και οριοθέτηση της γραμμικής ιξωδοελαστικής περιοχής (LVR), πραγματοποιήθηκαν δοκιμές μεταβαλλόμενης παραμόρφωσης, με τη τιμή της παραμόρφωσης (strain,γ) να ορίζεται στο 0,3%. Ακολούθησαν μετρήσεις των ιξωδοελαστικών παράμερων G΄, G΄΄ και tanδ, υπό σταθερή παραμόρφωση (strain, γ = 0,3 %), για μια περιοχή συχνοτήτων με εύρος 0-100 Hz. Από τις σαρώσεις συχνοτήτων διαπιστώθηκε πως ο συντελεστής αποθήκευσης G΄ ήταν μεγαλύτερος από τον συντελεστή απώλειας G΄΄ ενισχύοντας έτσι την διαπίστωση ότι όλα τα δείγματα παρουσίαζαν μεγαλύτερη συμπεριφορά ρευστού (πραγματικές πηκτές, true gels), και ειδικότερα αυτά με το μεγαλύτερο ιξώδες. Επιπροσθέτως, έγιναν μετρήσεις του ιξώδους συναρτήσει του μεταβαλλόμενου ρυθμού διάτμησης γ (1-100 s-1), για το προσδιορισμό της ρεολογικής συμπεριφοράς των παρακευασθέντων πηκτών. Παράλληλα, διερευνήθηκαν οι θερμικές ιδιότητες των πηκτών με Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC), και συγκεκριμένα προσδιορίσθηκαν οι θερμικές μεταπτώσεις της ζελατινοποίησης του αμύλου, για τη μελέτη των αλληλεπιδράσεων των βιοπολυμερών.

Abstract

Food texture is a key sensory feature not only well appreciated by consumers but also used by consumers as a quality indicator of a food product. The study of food texture has become a very active scientific area of the food science and technology and has received growing attention from the scientists of this field. In the past few decades, some significant progresses have been made in the fundamental understanding of the textural properties and practical applications of such knowledge in the development of healthy and tasty food products. In the present dissertation the effect of different types of shear on the rheological and thermal properties of edible biopolymers was investigated. The study aims to develop edible biopolymers of modified structure, in which the optimal ratio of components (starch-protein-hydrocolloid) will be determined, as well as the optimal shear type. For this purpose, in the first part of the research, the optimal composition of the gel was determined through the preparation of a significant number of gels with the main ingredient the natural starch of corn, potato and wheat, in combination with pea protein and further addition of arabic gum, xanthan gum and k-carrageenan (in various proportions and combinations). In the second part, after selecting the optimum composition (potato starch (20 and 25%) and k-carrageenan (1%), the effect of various types of shear (simple shear, ultrasonic and intense shear) was evaluated by further addition of vegetable proteins from rice, pumpkin, pea and faba (5%). Through the above research, the present dissertation aims to: a) In the creation of edible biopolymers, b) In the evaluation of their thermal and rheological properties, through which a stable gel will be obtained for use as food-ink in 3D printing, and c) In the evaluation of the effect of different types of shear and ultrasound on the stability of biopolymers, in an attempt to modify their structure by inserting air bubbles into their mass. According to the results of the experiments, all the samples examined revealed pseudoplastic behavior (shear thinning). This behavior was also confirmed experimentally by the rheological behavior index (n) which was less than unity for all samples. For the determination and delimitation of the linear viscoelastic region (LVR), Amplitude sweep tests were performed, with the strain, (γ) being set at 0.3%. This was followed by measurements of the viscoelastic parameters G΄, G΄΄ and tanδ, under constant deformation (strain, γ = 0.3%), for a frequency range of 0-100 Hz. Frequency sweeps showed that the G΄ storage factor was higher than the G΄΄ loss factor, thus reinforcing the finding that all samples showed higher fluid behavior (true gels), and especially those with the highest viscosity. In addition, viscosity measurements were performed as a function of the variable shear rate γ (1-100 s-1), to determine the rheological behavior of the prepared gels. At the same time, the thermal properties of gels were investigated using Differential Scanning Calorimetry (DSC), and in particular the thermal transitions of starch gelatinization were determined, to study the interactions of biopolymers.