Ανίχνευση της αλλοίωσης σε φιλέτο κοτόπουλου με την χρήση της φασματοσκοπίας υπέρυθρου με μετασχηματισμό κατά Fourier (FT-IR)

Abstract

Τις τελευταίες δεκαετίες, ο τρόπος ζωής σχετικά με τα πρότυπα κατανάλωσης κρέατος έχει αλλάξει και οι καταναλωτές έχουν γίνει πιο απαιτητικοί, ιδίως όσον αφορά την υψηλότερη ποιότητα, τις αυξημένες λειτουργικές και διατροφικές ανάγκες, αλλά και την αυξημένη ευαισθητοποίηση μεταξύ υγείας και τροφίμων. Το κοτόπουλο και τα προϊόντα του ανήκουν αδιαμφισβήτητα στα τρόφιμα με την μεγαλύτερη κατανάλωση παγκοσμίως, καθώς αποτελούν τρόφιμα υψηλής θρεπτικής αξίας. Η ευαλλοίωτη φύση τους, όμως, καθιστά απαραίτητη την έρευνα και την κατανόηση της εξέλιξης της αλλοίωσης με στόχο τη βελτιστοποίηση των μεθόδων παραγωγής και συντήρησης, αλλά και την ανάπτυξη γρήγορων και αξιόπιστων μεθόδων, προκειμένου να προσδιοριστεί η ασφάλεια και η ποιότητα των προϊόντων, να παραταθεί ο χρόνος ζωής τους και να διατηρηθούν τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά προς όφελος των καταναλωτών. Βασικός στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η ανίχνευση της αλλοίωσης σε φιλέτο από μπούτι κοτόπουλου με την χρήση της φασματοσκοπίας υπέρυθρου με μετασχηματισμό κατά Fourier (FTIR) και η περαιτέρω συσχέτιση των μικροβιολογικών αποτελεσμάτων με τα φασματοσκοπικά δεδομένα για την ανάπτυξη μοντέλων πρόβλεψης της αλλοίωσης. Επίσης, από τα μικροβιολογικά δεδομένα προσδιορίστηκαν με την εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων οι κινητικές παράμετροι της μικροβιακής ανάπτυξης της μικροχλωρίδας στο κοτόπουλο και μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στον ειδικό ρυθμό ανάπτυξης των μικροοργανισμών. Για τον σκοπό αυτό, η διεξαγωγή του πειράματος αλλοίωσης πραγματοποιήθηκε σε διαφορετικές ισοθερμοκρασιακές συνθήκες και αφορούσε την μικροβιολογική ανάλυση για ΟΜΧ (ολική μεσόφιλη χλωρίδα), Pseudomonas spp., Enterobacteriaceae, Brochothrix thermosphacta, οξυγαλακτικά βακτήρια και ζύμες/ μύκητες. Δειγματοληψίες πραγματοποιούνταν σε τακτά χρονικά διαστήματα σε δύο δείγματα ανά θερμοκρασιακό προφίλ, διεξάγονταν μικροβιολογικές αναλύσεις, όπου για τις χαμηλές θερμοκρασίες διήρκησαν 17 ημέρες και για τις υψηλές θερμοκρασίες 7 ημέρες και εφαρμόζονταν η μέθοδος της φασματοσκοπίας υπερύθρου με μετασχηματισμό κατά Fourier (FTIR). Με βάση τα μικροβιολογικά αποτελέσματα και την ανάπτυξη πρωτογενών μοντέλων, φάνηκε ότι η θερμοκρασία και η ατμόσφαιρα επηρεάζουν σε σημαντικό βαθμό τη μικροβιολογική αλλοίωση στα δείγματα. Πιο συγκεκριμένα, στις υπό αερόβιες συνθήκες αποθήκευσης, ο κυρίαρχος αλλοιογόνος μικροοργανισμός στο κοτόπουλο ήταν τα βακτήρια του γένους Pseudomonas spp., των οποίων η φάση προσαρμογής ήταν αυξημένη στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Συνεπώς, η μελέτη επιβεβαίωσε την άποψη πως οι χαμηλές θερμοκρασίες επιβραδύνουν την αλλοίωση, καθώς η μείωση της θερμοκρασίας συντήρησης φάνηκε να μειώνει το μέγιστο ειδικό ρυθμό αύξησης και να αυξάνει την φάση προσαρμογής των μικροοργανισμών. Παράλληλα, με την ανάπτυξη δευτερογενών μοντέλων, προσδιορίστηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στη ρίζα του μέγιστου ειδικού ρυθμού ανάπτυξης, προκειμένου να προσδιοριστούν η ελάχιστη (Tmin) και η μέγιστη (Tmax) θερμοκρασία ανάπτυξης τόσο της Ολικής Μεσόφιλης Χλωρίδας, αλλά και των βακτηρίων του γένους Pseudomonas spp.. Συνοπτικά, με βάση τα αποτελέσματα κατά τα οποία η τιμή R2 πλησιάζει τη μονάδα, αλλά και με βάση τις χαμηλές τιμές του RMSE (<1), μπορεί να προσδιοριστεί η ευκολία και η καταλληλότητα της εφαρμογής των μαθηματικών μοντέλων για τον προσδιορισμό της επίδρασης της θερμοκρασίας στον ειδικό ρυθμό ανάπτυξης των αλλοιογόνων μικροοργανισμών. Στα πλαίσια του πειράματος και μετά το πέρας των μικροβιολογικών αναλύσεων πραγματοποιήθηκε ο οργανοληπτικός έλεγχος των δειγμάτων, όπου η αξιολόγηση τους στηρίζονταν στην οσμή και στην εμφάνιση. Από την επεξεργασία των δεδομένων του οργανοληπτικού ελέγχου φάνηκε ότι η αλλοίωση γινόταν αντιληπτή αρκετά γρήγορα στα δείγματα που είχαν συντηρηθεί σε υψηλές θερμοκρασίες και πιο συγκεκριμένα στα δείγματα στα οποία σύμφωνα με τα μικροβιολογικά αποτελέσματα ο πληθυσμός των κυρίαρχων Pseudomonas spp. ξεπερνούσε τους 5 log cfu/cm2, λόγω της έντονης δυσοσμίας, του αποχρωματισμού και της παραγωγής γλοιώδους επιφάνειας στα δείγματα. Για τη συσχέτιση των μικροβιολογικών αποτελεσμάτων με τα φασματοσκοπικά δεδομένα εφαρμόστηκε η χρήση της γραμμικής παλινδρόμησης με τη μέθοδο των μερικών ελαχίστων τετραγώνων (PLS-R), προκειμένου να επιτευχθεί η ανάπτυξη μοντέλου εκμάθησης για την ποσοτική εκτίμηση της ΟΜΧ και των βακτηρίων του γένους Pseudomonas spp.. Τα μοντέλα PLS-R εμφάνισαν καλή επίδοση, καθώς κατά τη πρόβλεψη η τιμή του RMSEp ήταν ίση με 0.9017 και 1.0341 για την ΟΜΧ και τα βακτήρια του γένους Pseudomonas spp. αντιστοίχως, ενώ οι αντίστοιχες τιμές του rp ήταν 0.8153 και 0.8232. Από τους συντελεστές παλινδρόμησης φάνηκε ότι τα μήκη κύματος που επηρεάζουν την επίδοση του μοντέλου, οφείλονται σε κυματαριθμούς που αποδίδονται σε C- N δονήσεις τάσης από αμίνες και από αμίδια I και II. Τέλος, πραγματοποιήθηκε η ανάλυση υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης (High Performance Liquid Chromatography, HPLC) για τον προσδιορισμό της γλυκόζης και των κυριότερων παραγόμενων οργανικών οξέων σε φιλέτο από μπούτι κοτόπουλο, καθώς και η κατηγοριοποίηση των δειγμάτων βάσει του βαθμού αλλοίωσης τους με την ανάλυση των Κύριων Συνιστωσών (Principal Component Analysis, PCA) και με τη Διακριτική ανάλυση (Discriminant Analysis, DA). Με βάση τα αποτελέσματα από την εφαρμογή της HPLC, παρατηρήθηκε ότι η συγκέντρωση της γλυκόζης μειωνόταν διαρκώς, καθώς καταναλώνονταν από τους αλλοιογόνους μικροοργανισμούς, ενώ τα κυριότερα παραγόμενα οξέα τα οποία σχετίζονταν με την αλλοίωση των δειγμάτων ήταν το οξικό, το ηλεκτρικό και το προπιονικό οξύ.

In the last decades, dietary patterns regarding meat consumption patterns have changed and consumers have become more demanding, especially in terms of quality, as well as, functional and nutritional properties, but also there is increased awareness for the link between food and health. Chicken and its products arguably belong to the most frequently consumed food globally, due to their high nutritional value. However, these products are prone to spoilage. Therefore, it is imperative to study and better understand the evolution of spoilage, with implications in the optimization of production and maintenance methods. Additionally, the development of fast and reliable methods is required to determine the safety and quality of products, to extend their life span and to maintain their organoleptic characteristics for the benefit of the consumers. The main purpose of the present study was the detection of spoilage in chicken thigh using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and the correlation of microbiological results with spectroscopic data for the development of predictive models of spoilage growth. Furthermore, based on the microbiological data, the use of mathematical models, the growth kinetic parameters of the spoilage microorganisms and the effect of storage temperature on microbial growth rate were assessed. For this purpose, the spoilage experiment was conducted in various temperatures and included microbiological analysis of Total viable plate count (TVC), Pseudomonas spp., Brochothrix thermosphacta, Lactic acid bacteria (LAB), Enterobacteriaceae and yeast/ fungi. Sampling was performed in regular time points in two replicates per temperature which lasted 17 days and 7 days for the low and high temperatures respectively followed by microbiological analysis using FTIR. The microbiological data and the development of primary models showed that the temperature and the environmental conditions significantly affect the degree of microbiological spoilage in the samples. Specifically, in hypo-aerobic storage conditions, the dominant spoilage bacteria in the chicken belonged to the Pseudomonas spp. species, which showed increased adaptation phase in very low temperatures. Therefore, these results confirmed the notion that low temperatures delay spoilage, given that the decrease in storage temperature resulted in a decrease of the maximum growth rate and an increase of the adaptation phase of the bacteria. Additionally, with the development of secondary models, the effect of temperature in the square root of maximum growth rate was computed in order to estimate the minimum (Tmin) and maximum (Tmax) growth temperatures of the Total viable plate count (TVC) as well as of the Pseudomonas spp. bacteria. In summary, based on the results with the value of R2 approaching the unit, and the low values of RMSE (<1), it is possible to evaluate the ease of implementation and suitability of the application of mathematical models for the assessment of the effect of temperature in the growth rate of spoilage bacteria. As part of the study and further to the microbiological analysis, organoleptic assessment of the samples was conducted based on smell and appearance. Analysis of the organoleptic data showed that spoilage was evident relatively faster in the samples stored at high temperatures and particularly those in which the number of the dominant Pseudomonas spp. exceeded 5 log cfu/cm2 based on strong unpleasant smell, discolouring and the slime formation on the surface of the samples. For the association of the microbiological results with the spectroscopic data, linear regression was used and particularly the method of Partial Least Squares (PLS-R), in order to develop a learning model for the quantitative estimation of the Total viable plate count (TVC) and the load of Pseudomonas spp. bacteria. The PLS-R models performed well, as the RMSEp values were 0.9017 and 1.0341 for the total viable plate count (TVC) and the Pseudomonas spp. bacteria respectively, while the respective rp values were 0.8153 and 0.8232. The regression coefficients showed that the wavelengths that affect the performance of the model are attributed to frequencies characteristic of C-N stretch from amines and amides I and II. Lastly, High Performance Liquid Chromatography (HPLC) was performed for the quantification of glucose and major produced organic acids in thigh chicken filet as well as sample classification based on the degree of spoilage using Principal Component Analysis (PCA) and Discriminant Analysis (DA). Based on the HPLC results, it was found that glucose concentration was continuously reduced, as it was consumed by the spoilage bacteria, while the main produced organic acids associated with sample spoilage were acetic, succinic and propionic acid.