Εκτίμηση της αλλοίωσης μαριναρισμένων προϊόντων από μπούτι κοτόπουλο με σύγχρονες μεθόδους ανάλυσης

Abstract

Η κατανάλωση και η σπατάλη του κρέατος τη τελευταία δεκαετία εμφανίζουν ραγδαία αύξηση, καθώς υπάρχει η ανάγκη για υψηλής ποιότητας κρέας όσο αυξάνεται και ο πληθυσμός. Η ζήτηση των προϊόντων από κρέας κοτόπουλου ολοένα και αυξάνεται εξαιτίας της υψηλής θρεπτικής τους αξίας και του χαμηλού κόστους τους. Ωστόσο, τα νωπά προϊόντα κοτόπουλου είναι από τη φύση τους ευαλλοίωτα (μικρό self-life) αναπτύσσοντας ανεπιθύμητα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά κατά την αλλοίωσή τους. Τα δεδομένα αυτά οδήγησαν στην ανάγκη εύρεσης εναλλακτικών ταχέων μεθόδων για την εκτίμηση της αλλοίωσης και της διάρκειας ζωής των νωπών προϊόντων κοτόπουλου. Δύο από τις μη επεμβατικές, ταχείες μεθόδους που χρησιμοποιούνται στο τομέα των τροφίμων είναι η πολυφασματική απεικόνιση και οι βιομιμητικοί σένσορες (ηλεκτρονική μύτη και ηλεκτρονική γλώσσα). Βασικός στόχος της παρούσας μελέτης ήταν η συσχέτιση των μικροβιολογικών αποτελεσμάτων από πειράματα αλλοίωσης σε σουβλάκι από μαριναρισμένο μπούτι κοτόπουλου, με τα δεδομένα που προέκυψαν από τη πολυφασματική απεικόνιση και από την εφαρμογή της ηλεκτρονικής μύτης (e-nose). Βάσει των δεδομένων αυτών κατασκευάστηκαν και αξιολογήθηκαν ποσοτικά και ποιοτικά μοντέλα εκμάθησης για την εκτίμηση του βαθμού αλλοίωσης του κρέατος από μαριναρισμένο μπούτι κοτόπουλου. Παράλληλα, από τα μικροβιολογικά αποτελέσματα προσδιορίστηκαν οι κινητικές παράμετροι της ανάπτυξης τη μικροχλωρίδας του μαριναρισμένου μπουτιού κοτόπουλου και μελετήθηκε η επίδραση που είχε η θερμοκρασία στον ειδικό ρυθμό ανάπτυξης των μικροοργανισμών. Έτσι διεξήχθησαν τρία ανεξάρτητα πειράματα συντήρησης των μαριναρισμένων προϊόντων από μπούτι κοτόπουλου υπο αερόβιες συνθήκες ατμόσφαιρας και διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας. Πιο αναλυτικά, στα δύο πειράματα το κοτόπουλο συντηρήθηκε σε ισόθερμες συνθήκες ( 0, 5, 10 οC ) ενώ στο τρίτο πείραμα συντηρήθηκαν σε ένα δυναμικό θερμοκρασιακό προφίλ (12 ώρες στους 0 oC, 8 ώρες στους 5 oC και 4 ώρες στους 10 oC) για συνολικό διάστημα 13ων ημερών. Η δειγματοληψία πραγματοποιούνταν ανά τακτά χρονικά διαστήματα (6- 24 ώρες) σε δύο δείγματα για κάθε ισοθερμοκρασιακό προφίλ και σε τρία για το δυναμικό, στα οποία διεξάγονταν μικροβιολογικές αναλύσεις και εφαρμοζόταν οι μέθοδοι της πολυφασματικής ανάλυσης και της e-nose. Για την ανάπτυξη των μοντέλων εκμάθησης (βάσει των αποτελεσμάτων της πολυφασματικής απεικόνισης), τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν ώς δεδομένα εκπαίδευσης ήταν τα μικροβιολογικά και τα πολυφασματικά των 0, 5, και 10 οC, ενώ τα δεδομένα για τον έλεγχο της πρόβλεψης των μοντέλων ήταν αυτά του δυναμικού θερμοκρασιακού προφίλ. Μετά από το μετασχηματισμό των δεδομένων με το μετασχηματισμό κανονικής τυπικής μεταβλητής (SNV), αυτά χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή μοντέλων εκτίμησης της ολικής μεσόφιλης χλωρίδας (ΟΜΧ), των Pseudomonas spp. και των οξυγαλακτικών βακτηρίων (LAB) στο κοτόπουλο, βάσει του αλγορίθμου της γραμμικής παλινδρόμησης με τη μέθοδο μερικών ελαχίστων τετραγώνων (Partial Least Squared- Regression, PLS-R). Ως ανεξάρτητες μεταβλητές ορίστηκαν τα δεδομένα τη πολυφασματικής απεικόνισης (n=36) και ως 2 εξαρτημένη ο πληθυσμός της ΟΜΧ, των Pseudomonas spp. και των LAB για κάθε μοντέλο. Για τη ποιοτική εκτίμηση της αλλοίωσης του μπουτιού κοτόπουλου εφαρμόστηκε η διακριτική ανάλυση με τη μέθοδο μερικών ελαχίστων τετραγώνων (Partial Least Squared- Discriminant Analysis, PLS-DA). Ορίστηκαν δύο κλάσεις αλλοίωσης βάσει της υπάρχουσας βιβλιογραφίας ως εξής: φρέσκο (κλάση 1) με ΟΜΧ μικρότερη από 7 log CFU/g και αλλοιωμένο (κλάση 2) με ΟΜΧ μεγαλύτερη από 7 log CFU/g. Οι ανεξάρτητες μεταβλητές ήταν πάλι τα πολυφασματικά δεδομένα (n=36) και οι εξαρτημένες ήταν οι δύο κλάσεις. Η παραπάνω διαδικασία έγινε και για την ανάπτυξη των μοντέλων εκμάθησης με τη χρήση των δεδομένων που αποκτήθηκαν από την e-nose, αλλά με κάποιες διαφορές. Πιο συγκεκριμένα, για τα δεδομένα της e-nose τα δεδομένα εκπαίδευσης ήταν τα μικροβιολογικά και οι αποκρίσεις των αισθητήρων της στους 0, 5, και 10 οC, για τη PLS-R και τη PLS-DΑ ως ανεξάρτητες μεταβλητές ορίστηκαν οι αποκρίσεις των αισθητήρων της e-nose (n=12), ενώ για τη PLS-R εξαρτημένη μεταβλητή ήταν ο πληθυσμός της ΟΜΧ και των Pseudomonas spp. Τα μοντέλα ποσοτικής εκτίμησης PLS-R από τα δεδομένα της πολυφασματικής απεικόνισης εμφάνισαν πολύ καλή επίδοση, αφού η πρόβλεψή τους για τη ΟΜΧ παρουσίασε τετραγωνική ρίζα του μέσου τετραγωνικού σφάλματος (Root Mean Squared Error, RMSEp) ίση με 0.779 log CFU/g και συντελεστή παλινδρόμησης (correlation coefficients, rp) ίσο με 0.878. Για τα Pseudomonas spp. οι τιμές RMSEp και rp εμφάνισαν 0.981 log CFU/g και 0.857 αντίστοιχα, ενώ για τα LAB η τιμή RMSEp ήταν ίση με 0.832 log CFU/g και η τιμή rp ίση με 0.791. Από τους συντελεστές παλινδρόμησης Β φάνηκε ότι τα μήκη κύματος που επηρεάζουν την επίδοση των μοντέλων ήταν αυτά που σχετίζονται με τη μυογλοβίνη και τα παραπροϊόντα οξείδωσής της. Τα μοντέλα πρόβλεψης της ΟΜΧ και των Pseudomonas spp., για τα δεδομένα της e-nose, εμφάνισαν για τη πρόβλεψη RMSEp ίσο με 3.626 και 2.105 log CFU/g αντίστοιχα, και συντελεστή συσχέτισης rp ίσο με -0.196 και 0.118 αντίστοιχα. Τα μοντέλα ποιοτικού προσδιορισμού PLS-DΑ από τα δεδομένα που αποκτήθηκαν από την e-nose ταξινόμησαν σε λιγότερο ικανοποιητικό βαθμό τα δείγματα στις δύο κλάσεις (φρέσκα, αλλοιωμένα) με συνολική ακρίβεια πρόβλεψης του μοντέλου ίση με 42.42 %, σε σχέση με τα μοντέλα PLS-DΑ που κατασκευάστηκαν με τα δεδομένα της πολυφασματικής απεικόνισης, τα οποία έδειξαν συνολική ακρίβεια πρόβλεψης ίση με 90.91 %. Συνοψίζοντας, φάνηκε ότι η θερμοκρασία έπαιξε σημαντικό ρόλο στο ρυθμό αλλοίωσης των δειγμάτων μαριναρισμένου μπουτιού κοτόπουλου κατά την αερόβια συντήρησή τους και ότι ο κυρίαρχος αλλοιογόνος μικροοργανισμός στη μικροχλωρίδα των δειγμάτων ήταν τα Pseudomonas spp. Τα γραμμικά ποσοτικά μοντέλα προσδιορισμού (της ΟΜΧ, των Pseudomonas spp. και των LAB) βάσει των πολυφασματικών δεδομένων, προέβλεψαν ικανοποιητικά το μικροβιακό πληθυσμό, ενώ τα αντίστοιχα μοντέλα πρόβλεψης από τα δεδομένα της e-nose απέτυχαν να προβλέψουν το πληθυσμό της ΟΜΧ και των Pseudomonas spp. Παράλληλα, τα μοντέλα ποιοτικής εκτίμησης της αλλοίωσης του μαριναρισμένου κοτόπουλου, που κατασκευάστηκαν με τη χρήση των δεδομένων της πολυφασματικής απεικόνισης, πέτυχαν καλύτερη ταξινόμηση των δειγμάτων στις δύο κλάσεις, συγκριτικά με τα ποιοτικά μοντέλα βάσει της e-nose.

Meat consumption and food loss and waste in the last decade have been rapidly increase, as the need for high quality meat rises. The demand for chicken products has been increasing due to their high nutritional value and low cost. However, fresh chicken products are by nature vulnerable (small self-life), producing undesirable organoleptic characteristics during their deterioration. For this purpose, rapid alternative methods have been investigated for the assessment of spoilage and the determination of shelf-life on raw chicken products. Two promising, non-invasive and rapid methods applied in the food sector are Multispectral imaging (MSI) and biomimetic sensors (electronic nose and electronic tongue). The main objective of the present study was to correlate the microbiological results from storage experiments with marinated chicken souvlaki to the obtained MSI and e-nose data. Quantitative and qualitative predictive models were developed and evaluated for their efficacy to assess microbial spoilage of marinated chicken leg meat. In parallel, the kinetic parameters of microflora’s growth on marinated chicken souvlaki were determined, while the effect of the temperature on the specific growth rate of the microorganisms was investigated. In this context, three independent storage experiments were performed on marinated chicken souvlaki products under aerobic conditions and different temperature conditions. More specifically, two independent storage experiments were undertaken in marinated chicken souvlaki at three isothermal conditions (0, 5, 10 οC). An independent storage experiment was performed at a dynamic temperature profile (12 hours at 0 oC, 8 hours at 5 oC and 4 hours at 10 oC) up to 13 days. At pre-determined intervals, duplicate of samples stored at isothermal conditions and triplicate of samples stored at the dynamic temperature profile were analyzed microbiologically while in parallel MSI and e-nose analyses were implemented. For the development of the predictive models (based on the results of multispectral imaging), the data defined as training samples were the microbiological results and the respective spectral data from 0, 5, and 10 οC. For model evaluation, results from the dynamic temperature profile experiment were utilized. Standard Normal Variate transformation (SNV) was applied to spectral and volatile data and afterwards Partial Least Squares- Regression (PLS-R) models were developed for the estimation of Total Viable Counts (TVC), Pseudomonas spp. and Lactic acid bacteria (LAB) in marinated chicken souvlaki Multispectral imaging data were defined as independent variables (n = 36) and as dependent were the population of TVC, Pseudomonas spp. and LAB for each model. Partial Least Squares- discriminant analysis (PLS-DA) was performed for the assessment of quality at marinated chicken souvlaki. Two quality classes were defined, based on the existing literature as follows: fresh (class 1) with TVC less than 7 logCFU/g and spoiled (class 2) with TVC greater than 7 logCFU/g. For e-nose data, the training samples were the microbiological ones and the corresponding signal responses (n = 12) per sensor at 0, 5, and 10 οC, for PLS-R and PLS-DA 4 PLS-R models predicted TVC via MSI analysis showed acceptable performance, as RMSEp and rp values were calculated at 0.779 log CFU/g and 0.878 respectively. For Pseudomonas spp. model, RMSEp was estimated 0.981 log CFU/g and rp was 0.857, while RMSEp and rp for LAB model demonstrated values of 0.832 log CFU/g and 0.791. The regression coefficients B illustrated that the wavelengths influencing models’ performance were the ones associated with myoglobin and its oxidation by-products. On the contrary, TVC and Pseudomonas spp. prediction using e-nose data showed an RMSEp value equal to 3.626 log CFU/g and 2.105 log CFU/g respectively, whereas correlation coefficient rp was calculated at -0.196 and 0.118 respectively. PLS-DA model via e-nose analysis, classified accurately samples in the two classes (fresh or spoiled) with an overall accuracy during prediction -being 42.42%, compared to PLS-DA from MSI analysis, which showed an overall prediction accuracy of 90.91%. In conclusion, temperature had a great impact on marinated chicken souvlaki spoilage during aerobic storage, and especially on Pseudomonas spp. counts which were the predominant spoilage microorganism. PLS-R models based on the multispectral data, predicted the microbial populations satisfactorily, while the corresponding predictive models from e-nose measurements failed to predict accurately TVC and Pseudomonas spp. population. In contrast, PLS-DA models via MSI data achieved more accurate classification of samples in the correct class compared to PLS-DA model using e-nose signal response.