Μελέτη φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών κελυφωτών φιστικιών με στόχο τη μείωση αφλατοξίνης

Abstract

Οι αφλατοξίνες είναι μυκοτοξίνες οι οποίες παράγονται από ορισμένα είδη μυκήτων της ομάδας Aspergillus section Flavi και μολύνουν διάφορα είδη τροφίμων, μεταξύ αυτών και τα κελυφωτά φιστίκια. Εμφανίζουν υψηλή τοξικότητα, καρκινογόνο και μεταλλαξιογόνο δράση στον άνθρωπο και τα ζώα. H αναζήτηση των κατάλληλων εργαλείων διαλογής των μολυσμένων με αφλατοξίνη φιστικιών αποτελεί το βασικό σκοπό της παρούσας εργασίας. Η βασική ιδέα στηρίζεται στο ότι τα αποτελέσματα της μόλυνσης και της παρουσίας της αφλατοξίνης, πιθανόν να αποτυπώνονται στο τρόφιμο μέσω μεταβολών στις φυσικές και χημικές τους ιδιότητες, με τέτοιο τρόπο και σε τέτοιο βαθμό, ώστε να γίνονται αντιληπτές. Προς αυτή την κατεύθυνση μελετήθηκαν συγκριτικά, τα φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά υγιών, μολυσμένων με αφλατοξίνη και ελαττωματικών καρπών, ώστε να προσδιοριστούν οι τυχόν διακριτές διαφορές και να διερευνηθεί η δυνατότητα χρήσης τους, ως «δείκτες» διαλογής. Στο πλαίσιο αυτό, μελετήθηκε το πτητικό προφίλ των κελυφωτών φιστικιών σε υγιή και μολυσμένα με αφλατοξίνη δείγματα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της HS-SPME και ανάλυση σε GC-FID και GC-MS. Η μέτρηση της συγκέντρωσης της αφλατοξίνης στα μολυσμένα δείγματα έγινε με HPLC. Αντίστοιχα, μελετήθηκαν τα χημικά χαρακτηριστικά (πρωτεΐνη, τέφρα, λίπος, λιπαρά οξέα, πτητικές ουσίες) σε υγιή, μολυσμένα με αφλατοξίνη και ελαττωματικά κελυφωτά φιστίκια βάσει των μεθόδων AOAC, ενώ η ανάλυση των λιπαρών υλών πραγματοποιήθηκε σε GC-FID. Η μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων εστιάστηκε στην κατασκευή της ισόθερμης καμπύλης υγρασίας ολόκληρου του καρπού με κέλυφος και στην αποτύπωση των τυπικών φυσικών χαρακτηριστικών των κελυφωτών φιστικιών της ποικιλίας «Αιγίνης» (σχήμα, μέγεθος, μάζα, όγκος, πυκνότητα, υγρασία, χρώμα, θερμική αγωγιμότητα, υφή) σε συνάρτηση με την υγρασία σε υγιείς και ελαττωματικούς καρπούς. Η επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων βασίστηκε στην πολυμεταβλητή στατιστική ανάλυση (Cluster Analysis, PCA, Discriminant Analysis), ώστε να αξιολογηθεί η δυνατότητα ταξινόμησης και διαχωρισμού των υγιών φιστικιών από τα μολυσμένα και ελαττωματικά, βάσει των διαφορών που προέκυψαν από τη μελέτη των χαρακτηριστικών τους. Οι επεξεργασίες πραγματοποιήθηκαν με το στατιστικό λογισμικό πακέτο STATGRAPHICS® Centurion XV.II. Από τη μελέτη του πτητικού προφίλ απομονώθηκαν και ταυτοποιήθηκαν 72 πτητικές ουσίες συνολικά. Οι ενώσεις οι οποίες σχετίζονταν κυρίως με τα μολυσμένα δείγματα ήταν οι C-8 αλκοόλες-κετόνες-αλδεΰδες, ορισμένα σεσκιτερπένα και οι ουσίες, 1-πεντανόλη, 1-επτανόλη, επτανάλη, 2-επτενάλη, 2-δεκενάλη, βενζαλδεΰδη και βενζακεταλδεΰδη. Όσον αφορά το χημικό προφίλ, δεν διαπιστώθηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των υγιών, των μολυσμένων και των ελαττωματικών φιστικιών, συγκρίνοντας κάθε ένα επιμέρους χημικό χαρακτηριστικό, με εξαίρεση την περιεκτικότητα σε ολικό λίπος, του οποίου η εκατοστιαία περιεκτικότητα ήταν ελαφρώς μειωμένη στα μολυσμένα με αφλατοξίνη δείγματα και σε μια κατηγορία ελαττωματικών φιστικιών. Επισημάνθηκε επίσης, μια τάση αύξησης της περιεκτικότητας σε ακόρεστα λιπαρά οξέα, τόσο στα μολυσμένα με αφλατοξίνη δείγματα, όσο και στα ελαττωματικά. Προσδιορίζοντας το εύρος της τιμής της κάθε φυσικής ιδιότητας στους κανονικούς καρπούς καθορίστηκαν τα κριτήρια αποδοχής για τη διαλογή διαφόρων κατηγοριών ελαττωματικών καρπών. Ωστόσο, εφαρμόζοντας πολυμεταβλητή στατιστική ανάλυση των δεδομένων, τα δείγματα των υγιών φιστικιών διαχωρίστηκαν σαφώς από τα μολυσμένα και ελαττωματικά φιστίκια χρησιμοποιώντας ως δείκτες μόλυνσης είτε τις παραπάνω πτητικές ενώσεις είτε το σύνολο των χημικών ιδιοτήτων που μετρήθηκαν, με το προφίλ των λιπαρών οξέων να αποτελεί την κύρια αιτία της υπάρχουσας παραλλακτικότητας. Τα δεδομένα αυτά δείχνουν ότι ο συνδυασμός της παρουσίας κάποιων πτητικών ενώσεων με το προφίλ των λιπαρών οξέων, θα μπορούσε να αποτελεί ένα ενδεχόμενο κριτήριο ή δείκτη διαχωρισμού των υγιών από τα μολυσμένα με αφλατοξίνη και δευτερευόντως από τα ελαττωματικά φιστίκια.

Aflatoxins are the most prominent group of mycotoxins that derive from several species of fungi of the Aspergillus section Flavi group and contaminate several agricultural commodities, among them the pistachio nuts. They are considered as highly toxic compounds with carcinogenic and mutagenic effect in humans and animals. The aim of the present thesis was to find suitable sorting tools for the separation of aflatoxin contaminated pistachio nuts. The principal concept was based upon the fact that contamination process and aflatoxin production affect the physical and the chemical characteristics of the substrate and alter its profile in a way that the resulting deviations can be detected. For this purpose, the physical and chemical properties of healthy, aflatoxin contaminated and off-standard pistachios were evaluated, in order to determine any distinguishable properties which would be a useful tool for the identification and rejection of aflatoxin contaminated and off-standard pistachios after harvest. The volatile profile of healthy and aflatoxin contaminated was described by the HS-SPME method and determined by GC-FID and GC-MS, whereas aflatoxin was quantified by HPLC. Accordingly, some chemical characteristics such as protein, ash, fat content and fatty acids profile were determined in healthy, aflatoxin contaminated and off-standard pistachios. Protein, ash and fat contents were measured according to the standard AOAC methods and fatty acids were measured using GC analysis. The evaluation of the physical properties was initially focused on obtaining the adsorption isotherm of whole shelled nut according to the official gravimetric method. Next, some geometrical (size, shape), gravimetrical (mass, volume, density), thermal (thermal conductivity), optical (color) and texture (puncture test) properties were studied, as a function of moisture content of the nut. Finally, the values for some the above mentioned properties were quantified for the local variety of pistachios «Aegina» and for several types of off-standard pistachios. Multivariate statistical analysis, such as cluster analysis, principal component and discriminant analysis were performed to identify the groups of pistachio samples with similar volatile and chemical profile and see whether it is possible to separate the healthy samples from the contaminated and off-standard samples. STATGRAPHICS® Centurion XV.II software was used to carry out all analyses. Seventy two volatile compounds were identified almost equally distributed among the above studied groups of the volatile profile. All eight carbon (C-8) alcohols, ketones and aldehydes, sesquiterpenes, as well as the chemical compounds 1-pentanol, 1-heptanol and the aldehydes heptanal, 2-heptenal, 2-decenal, benzaldehyde and benzeneacetaldehyde were mainly isolated from contaminated samples suggesting that they were related to the presence of the causative fungi. No statistically significant differences among healthy, aflatoxin contaminated and off-standard pistachio kernels in protein and ash content as well as in fatty acid composition were found. On the contrary, the fat content of both off-standard and aflatoxin contaminated pistachios was lower than that of healthy pistachios. Additionally, a differentiation in the saturation level of the fatty acids was observed among groups, with the contaminated and off-standard samples showing a trend towards increasing unsaturation. The standard values for the above mentioned properties were established for the local variety of pistachios «Aegina» and the sorting criteria based on size, shape, weight and color that can be used to separate several types of off-standard pistachios were quantified. When the multivariate statistical approach was applied combining either the characteristic volatile patterns or the chemical profile of each group, a clear separation of the healthy samples was achieved. The statistical results also showed that the fatty acid composition was the main cause of variability among chemical properties. This evidence, as well as the key volatiles that were detected, provide potential tools for distinguishing aflatoxin contaminated samples.