Περιγραφή της ποιότητας ιχθυηρών με τη χρήση μικροβιολογικών οργανοληπτικών μεθόδων και ταχειών τεχνολογιών

Abstract

Η αναζήτηση αποτελεσματικών μεθόδων συντήρησης των ψαριών καθώς και της μείωσης της ποσότητας ψαριών που απορρίπτονται λόγω της ταχείας αλλοίωσής τους, είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη βιομηχανία τροφίμων. Η θερμοκρασία συντήρησης και η ατμόσφαιρα συσκευασίας μπορούν να μεταβάλλουν σημαντικά τη διάρκεια ζωής των προϊόντων. Τα ψάρια, κατά την επεξεργασία, μεταφορά και αποθήκευσή τους συστήνεται να συντηρούνται σε συνθήκες ψύξης, στους 0-4°C. Επιπλέον, έχει αποδειχθεί ότι η συγκέντρωση του CO2 και του O2 στη συσκευασία επηρεάζουν σημαντικά τη μικροβιολογική και χημική αλλοίωση των ψαριών. Συνεπώς, η κατάλληλη σύσταση αερίων στη συσκευασία τροποποιημένων ατμοσφαιρών μπορεί να συμβάλλει σημαντικά στην αύξηση του χρόνου ζωής των φρέσκων ψαριών. Η παρακολούθηση της αλλοίωσης των ψαριών μπορεί να πραγματοποιηθεί με ποικίλες μεθόδους, όπως η απαρίθμηση του μικροβιακού πληθυσμού και η οργανοληπτική αξιολόγηση. Ωστόσο, η χρήση ταχειών, χαμηλού κόστους, μη επεμβατικών μεθόδων ή μεθόδων που απαιτούν μικρό δείγμα, όπως η φασματοσκοπία υπερύθρου και ορατού (FTIR και MSI), εξασφαλίζει αποτελεσματικούς και συνεχείς ελέγχους μεγάλης κλίμακας. Οι αισθητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με διάφορες στατιστικές μεθόδους (όπως η παλινδρόμηση μερικών ελαχίστων τετραγώνων, PLS-R) για την ανάπτυξη μοντέλων εκμάθησης και την πρόβλεψη της αλλοίωσης των ψαριών. Για το σκοπό αυτό, μελετήθηκαν φιλέτα τσιπούρας και λαβρακιού, συσκευασμένα σε αέρα και σε τροποποιημένη ατμόσφαιρα (MAP) (CO2: 31-34% και O2: 23-24%) τα οποία συντηρήθηκαν σε θερμοκρασία 0, 4, 8 και 12°C. Η δειγματοληψία πραγματοποιούνταν ανά τακτικά χρονικά διαστήματα σε δύο δείγματα κάθε φορά. Έγιναν μικροβιολογικές αναλύσεις για τον καθορισμό της ολικής μικροβιακής χλωρίδας (TVC), Pseudomonas spp., μκροοργανισμούς που παράγουν H2S (Shewanella spp.), Enterobacteriaceae, B. thermosphacta, γαλακτικά βακτήρια (LAB) και ζύμες. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε οργανοληπτικός έλεγχος, μέτρηση του pH και της συγκέντρωσης (%) των αερίων CO2 και Ο2. Επιπλέον εφαρμόστηκε φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier με την τεχνική της αποσβένουσας ολικής ανάκλασης (ATR-FTIR) καθώς και ανάλυση πολυφασματικών εικόνων (MSI) με το όργανο VideometerLab στην επιδερμίδα και στη σάρκα των φιλέτων. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε το πρωτογενές μοντέλο Baranyi & Roberts για τον υπολογισμό των κινητικών παραμέτρων ανάπτυξης των υπό μελέτη μικροοργανισμών. Τέλος, συσχετίστηκαν τα φασματικά δεδομένα με τα μικροβιολογικά αποτελέσματα, χρησιμοποιώντας την παλινδρόμηση μερικών ελαχίστων τετραγώνων (PLS-R), με τα πρώτα να αποτελούν τις εισερχόμενες και τα δεύτερα τις εξερχόμενες μεταβλητές των PLS-R μοντέλων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χαμηλή θερμοκρασία συντήρησης και η συσκευασία υπό MAP οδήγησαν σε μείωση του ρυθμού της μικροβιακής αλλοίωσης και αύξηση του χρόνου ζωής των δειγμάτων. Η οργανοληπτική απόρριψη των δειγμάτων σε αέρα καταγράφηκε στις 258, 126, 78, 66 ώρες και 215, 143, 82, 58 ώρες στους 0, 4, 8, 12°C, στη τσιπούρα και το λαβράκι αντίστοιχα. Αντίθετα, στις συσκευασίες MAP η οργανοληπτική απόρριψη καταγράφηκε στις 281, 257, 113, 71 ώρες και 377, 257, 113, 95 ώρες, στους 0, 4, 8, 12°C, στη τσιπούρα και το λαβράκι αντίστοιχα. Σε όλες τις περιπτώσεις, οι κυρίαρχοι μικροοργανισμοί ήταν τα Pseudomonas spp. και ακολουθούνταν από τα Shewanella spp. και τα Enterobacteriaceae. Παρατηρήθηκε σημαντική παρεμπόδιση της ανάπτυξης των Pseudomonas spp. στις συσκευασίες MAP, συγκριτικά με τις συσκευασίες σε αέρα (ρυθμοί ανάπτυξης 0.009-0.012 h-1 και 0.044-0.047 h-1 αντίστοιχα, στους 0°C). Επιπλέον, παρατηρήθηκε μικρή μείωση των ρυθμών ανάπτυξης των Shewanella spp. και Enterobacteriaceae στις συσκευασίες MAP συγκριτικά με τις συσκευασίες σε αέρα. Οι μικροοργανισμοί B. thermosphacta, τα γαλακτικά βακτήρια και οι ζύμες, βρίσκονταν σε χαμηλούς πληθυσμούς στα δείγματα και δεν μεταβλήθηκαν σημαντικά μεταξύ των δύο διαφορετικών συσκευασιών. Το pH δεν παρουσίασε σημαντική μεταβολή και κυμαίνονταν από 6 έως 7 κατά τη διάρκεια του χρόνου, σε όλες τις συνθήκες συντήρησης. Τα μοντέλα PLS-R που αναπτύχθηκαν για τη πρόβλεψη του μικροβιακού πληθυσμού στα δείγματα, χρησιμοποιώντας τα φασματικά δεδομένα που λήφθηκαν από το FTIR, είχαν καλή απόδοση στις περιπτώσεις των φασμάτων που λήφθηκαν από την επιδερμίδα των δειγμάτων που συσκευάστηκαν σε αέρα. Για την εκπαίδευση των μοντέλων αυτών, επιλέχθηκαν τα δεδομένα από τις θερμοκρασίες 0, 4 και 12°C, ενώ για την επικύρωση χρησιμοποιήθηκε η ενδιάμεση θερμοκρασία των 8°C. Οι δείκτες επίδοσης ήταν ικανοποιητικοί, με Rcv^2 = 0.74, Rp^2 = 0.70 για την τσιπούρα και Rcv^2 = 0.72, Rp^2 = 0.69 για το λαβράκι. Επιπλέον, ένα ακόμα μοντέλο αναπτύχθηκε στην περίπτωση της σάρκας των δειγμάτων τσιπούρας σε συσκευασία MAP. Για την εκπαίδευση του μοντέλου επιλέχθηκαν τα δεδομένα από το πρώτο δείγμα κάθε ανάλυσης και για την επικύρωση του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα του δεύτερου δείγματος. Οι δείκτες επίδοσης ήταν ικανοποιητικοί, με Rcv^2 = 0.66 και Rp^2 = 0.66. Η ανάπτυξη μοντέλων για την εκτίμηση της αλλοίωσης των ψαριών χρησιμοποιώντας τα δεδομένα MSI (VideometerLab) δεν ήταν αποτελεσματική για την επιδερμίδα των δειγμάτων, ενώ στην περίπτωση της σάρκας των δειγμάτων που συσκευάστηκαν σε MAP, τα μοντέλα που εφαρμόστηκαν είχαν καλύτερη επίδοση. Οι δείκτες επίδοσης ήταν ικανοποιητικοί, με Rcv^2 = 0.66, Rp^2 = 0.74 για την τσιπούρα και Rcv^2 = 0.80, Rp^2 = 0.64 για το λαβράκι.

Fish conservation and food waste reduction due to spoilage are very important for food industry. Shelf-life of fish products can be affected both by storage temperature and atmosphere packaging. Recommended preservation temperature for fish during handling, transport and storage is 0-4°C. Moreover, microbiological and chemical spoilage of fish is affected by the concentration of CO2 and O2 at the atmosphere package. Therefore, proper gas concentration at modified atmosphere packaging (MAP) contributes to shelf-life extension of fresh fish. Freshness of fish can be established by various indicators, including microbial enumeration methods and sensory evaluation. However, in order to ensure constant, large-scale and effective monitoring, rapid, low cost, non-invasive methods, or methods requiring a small sample have to be employed (infrared and visible spectroscopy). The use of sensors, in tandem with various statistical techniques (partial least square regression, PLS-R) could provide machine learning models for prediction of fish spoilage. Sea bream and European sea bass fillets were studied, in air and under modified atmosphere packaging conditions (MAP) (CO2: 31-34% and O2: 23-24%), stored at different conditions (0, 4, 8 and 12°C). At regular time intervals during storage, duplicate samples were analysed. Fillets were subjected to microbiological analysis for the determination of the total viable counts (TVC), Enterobacteriaceae species, Pseudomonas spp., H2S-producing bacteria (Shewanella spp.), Brochothrix thermosphacta, lactic acid bacteria (LAB) and yeasts. At the same time, organoleptic control, pH measurement, CO2 and O2 concentration (%) measurement were performed. Moreover, Attenuated total reflection - Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) and Multispectral image analysis (MSI) with VideometerLab instrument, were applied at both sides of fillets. The primary model of Baranyi & Roberts was fitted to the derived microbiological data and the growth kinetic parameters for the aforementioned microbial groups were estimated. Correlation between spectral/ imaging data and total viable counts was established using the partial least squares regression (PLS-R), with the former constituting the input and the latter the output variables in the PLS-R models. Extended shelf-life of samples was detected due to MAP and low storage temperature. Shelf-life of fish in air packaging, according to sensory evaluation, was 258, 126, 78, 66 hours and 215, 143, 82, 58 hours at 0, 4, 8, 12°C, for sea bream and sea bass respectively. However, under MAP conditions, shelf-life of fish was augmented at 281, 257, 113, 71 hours and 377, 257, 113, 95, at 0, 4, 8, 12°C, for sea bream and sea bass respectively. The predominant microflora consisted mainly of Pseudomonas spp., followed by Shewanella spp. and Enterobacteriaceae. Prevention of Pseudomonas spp. growth was observed under MAP conditions, compared to air packaging conditions (growth rate of 0.009-0.012 h-1 and 0.044-0.047 h-1 respectively, at 0°C). Moreover, the growth of Shewanella spp. and Enterobacteriaceae was slightly decreased under MAP conditions compared to air packaging conditions. Microbiological population of B. thermosphacta, LAB and yeasts was low, and did not quite change under MAP packaging. No considerable differences in the pH values of fish were observed among the different storage conditions during time, ranging from 6 to 7. PLS-R models developed to predict the microbial population using the spectral data obtained from the FTIR, performed well for fish skin samples in air and for fish flesh samples under MAP conditions. In the case of fish skin samples in air, data set derived from storage at 0, 4, 12 oC was used for model calibration, while data set from storage at 8°C was used for model prediction. Performance indicators were satisfactory (Rcv^2 = 0.74, Rp^2 = 0.70 for sea bass and Rcv^2 = 0.72, Rp^2 = 0.69 for sea bream). In the case of fish flesh samples under MAP conditions, data set derived from the first sample of each analysis was used for model calibration, while data set from the second sample was used for model prediction. Performance indicators were satisfactory for sea bream (Rcv^2 = 0.66 and Rp^2 = 0.66). On the contrary, models developed using MSI (VideometerLab) data of skin samples did not perform well, while models based on MSI data of flesh samples under MAP conditions had a better performance. In this case, performance indicators were Rcv^2 = 0.66, Rp^2 = 0.74 for sea bass and Rcv^2 = 0.80, Rp^2 = 0.64 for sea bream.