Αξιολόγηση σύγχρονων μεθόδων για την εκτίμηση της μικροβιολογικής αλλοίωσης και τον διαχωρισμό φρέσκων αποψυγμένων φιλέτων από μπούτι κοτόπουλου

Abstract

Η παγκόσμια παραγωγή κρέατος και ιδιαίτερα του κοτόπουλου αναμένεται να αυξηθεί παγκοσμίως για τα επόμενα 10 χρόνια. Μεγαλύτερη παραγωγή σημαίνει και μεγαλύτερη σπατάλη, εξαιτίας της γρήγορης αλλοίωσης, κάτι που θα πρέπει να σταματήσει να είναι αποδεκτό, αν υπολογιστεί και η επικείμενη αύξηση του πληθυσμού. Προσπάθειες προς αυτή την κατεύθυνση γίνονται τα τελευταία χρόνια, για την εύρεση και ανάπτυξη σύγχρονων, μη επεμβατικών και ταχείων μεθόδων για την εκτίμηση της αλλοίωσης και γενικότερα τη διάρκεια ζωής των νωπών και επεξεργασμένων κρεάτων. Δύο από αυτές τις μεθόδους είναι η πολυφασματική απεικόνιση και η φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό κατά Fourier. Αυτή η εργασία, έχει σαν βασικό στόχο την συσχέτιση των μικροβιολογικών αποτελεσμάτων, των πειραμάτων αλλοίωσης φιλέτου από μπούτι κοτόπουλου, με τα δεδομένα που προέκυψαν από αυτές τις μεθόδους. Τα δεδομένα που προέκυψαν, αξιοποιήθηκαν για την ανάπτυξη και κατασκευή γραμμικών μοντέλων που έχουν ως στόχο τον ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό του βαθμού αλλοίωσης του κοτόπουλου. Επιπλέον, η μέθοδος πολυφασματικής απεικόνισης και η υπέρυθρη φασματοσκοπία αξιολογήθηκαν για την ικανότητα των μοντέλων τους να διαχωρίσουν φρέσκα με κατεψυγμένα δείγματα κοτόπουλου, ανάγκη που προέκυψε από τα συχνά φαινόμενα απάτης τροφίμων. Για αυτό το σκοπό έλαβαν χώρα τέσσερα ανεξάρτητα πειράματα συντήρησης φιλέτων από μπούτι κοτόπουλο σε διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας και ατμόσφαιρας. Οι μικροοργανισμοί που προσδιορίστηκαν στα δείγματα από μπούτι κοτόπουλου ήταν, η ολική μεσόφιλη χλωρίδα (ΟΜΧ), τα βακτήρια του γένους Pseudomonas, της οικογένειας Enterobacteriaceae, το βακτήριο Brochothrix thermosphacta τα οξυγαλακτικά βακτήρια (LAB), οι μικροοργανισμοί που παράγουν H2S, ζύμες και μύκητες. Ειδικότερα, τα φιλέτα συντηρήθηκαν σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες, τους 0, 5 και 10⁰C σε διαφορετικό χρονικό διάστημα για την κάθε δειγματοληψία. Στα δύο ανεξάρτητα πειράματα αξιολογήθηκαν οι αερόβιες ατμοσφαιρικές συνθήκες συσκευασίας, ενώ στα άλλα δύο χρησιμοποιήθηκαν συσκευασίες υπό κενό. Σε τακτά χρονικά διαστήματα (24-48 ώρες) γίνονταν δειγματοληψία σε 4 δείγματα για κάθε θερμοκρασία και στην συνέχεια εφαρμόζονταν οι δύο φασματοσκοπικές μέθοδοι. Για την κατασκευή των μοντέλων συσχέτισης με τα μικροβιολογικά αποτελέσματα, ως δείγματα ανάπτυξης και επικύρωσης αξιοποιήθηκαν τα δείγματα των 0 και 10⁰C, ενώ για την πρόβλεψη αυτά που συντηρήθηκαν στους 5⁰C και για τις δύο συσκευασίες. Ο συνολικός αριθμός φιλέτων κοτόπουλο που αναλύθηκαν είναι 333 και για κάθε ένα δείγμα συλλέχθηκαν 36 φασματοσκοπικά δεδομένα (18 Μean και 18 SD) για το MSI και 1038 κυματαριθμοί για το FTIR. Οι μετασχηματισμοί SNV και Savitzky-Golay εφαρμόστηκαν για την βελτιστοποίηση των δεδομένων. Η κατασκευή του μοντέλου για την εκτίμηση της ΟΜΧ στο κοτόπουλο έγινε μέσω του αλγόριθμου της γραμμικής παλινδρόμησης με την μέθοδο των μερικών ελαχίστων τετραγώνων (PLS-R). Για τον ποιοτικό διαχωρισμό φρέσκων με κατεψυγμένα δείγματα κοτόπουλου oρίστηκαν δύο κλάσεις, κατεψυγμένα (κλάση 1), φρέσκα (κλάση 2) και έγινε χρήση του αλγορίθμου της διακριτικής ανάλυσης με τη μέθοδο μερικών ελαχίστων τετραγώνων (PLS-DA). Ως ανεξάρτητες μεταβλητές ορίστηκαν τα πολυφασματικά δεδομένα (36 για MSI, 1038 για FTIR) για τα δύο μοντέλα, ενώ ως εξαρτημένη ο πληθυσμός της ΟΜΧ για το μοντέλο PLS-R και οι δύο κλάσεις σε δυαδική μορφή για το μοντέλο PLS-DA. Στα μικροβιολογικά αποτελέσματα παρατηρήθηκε ότι κυρίως η θερμοκρασία, και δευτερευόντως η συσκευασία επηρέασαν σε σημαντικό βαθμό τη μικροβιολογική αλλοίωση στο μπούτι από κοτόπουλο. Για την αερόβια συσκευασία σαν αλλοιωγόνος μικροοργανισμός κυριάρχησαν τα βακτήρια του γένους Pseudomonas, ενώ για όλα τα είδη των μικροοργανισμών, προκύπτει αύξηση της μικροβιακής ανάπτυξης όσο αυξάνεται η θερμοκρασία και η χρονική διάρκεια της συντήρησης. Στις συνθήκες συσκευασίας υπό κενό, η αλλοίωση των δειγμάτων κοτόπουλου φάνηκε να προήλθε από τη συνεργιστική δράση των ψευδομονάδων, του βακτηρίου Bacillus thermosphacta και αυτών που παράγουν H2S, χωρίς να επικρατεί κάποιος ξεκάθαρα. Όσον αφορά τη θερμοκρασία εξάγεται το ίδιο συμπέρασμα με αυτό των αερόβιων συνθηκών. Να αναφερθεί ότι ο ρυθμός της αλλοίωσης για την ΟΜΧ ήταν σημαντικά μικρότερος για τις συνθήκες συσκευασίας υπό κενό. Τα μοντέλα PLS-R για την εκτίμηση της ΟΜΧ έδειξαν καλύτερη επίδοση με τα δεδομένα της πολυφασματικής απεικόνισης, παρά με αυτά της φασματοσκοπίας υπερύθρου. Πιο συγκεκριμένα, για την MSI κατά την πρόβλεψη, η τιμή του RMSE ισούται με 0.57 για τις δύο συνθήκες συσκευασίας, ενώ αυτή του R2 ισούται με 0.87 και 0.83 για τις αερόβιες και υπό κενό συνθήκες αντίστοιχα. Τα μήκη κύματος που επηρεάζουν την επίδοση του μοντέλου φαίνεται να σχετίζονται με την μυογλοβίνη, την οξυμυογλοβίνη και τη μεταμυογλοβίνη. Οι αντίστιχες τιμές για το μοντέλο με τα δεδομένα του FTIR μετρήθηκαν RMSE = 1.03, R 2 = 0.59 για τις αερόβιες και RMSE = 0.69, R 2 = 0.76 για τις αναερόβιες συνθήκες. Τα αντίστοιχα μήκη κύματος που επηρεάζουν το μοντέλο σε αυτή την περίπτωση μπορούν να συσχετιστούν με την πρωτεολυτική δράση της μικροχλωρίδας του κοτόπουλου. Τα μοντέλα PLS-DA κατάφεραν σε σημαντικό βαθμό τον διαχωρισμό των δύο κλάσεων και ειδικότερα αυτά με τα δεδομένα της πολυφασματικής απεικόνισης, αφού επέδειξαν συνολική ακρίβεια πρόβλεψης στο 87.50%. Στο μοντέλου διαχωρισμού με τα δεδομένα της υπέρυθρης φασματοσκοπίας η συνολική ακρίβεια πρόβλεψης ανήλθε στο 77.97%. Συμπερασματικά, παρατηρήθηκε ότι οι χαμηλές θερμοκρασίες συντήρησης, σε συνδυασμό με τις τροποποιημένες συνθήκες υπό κενό ελάττωσαν σημαντικά τον ρυθμό αλλοίωσης των δειγμάτων από μπούτι κοτόπουλο. Τα γραμμικά μοντέλα προσδιορισμού της ΟΜΧ και αυτά για τον ποιοτικό διαχωρισμό των δύο κλάσεων των δειγμάτων κατάφεραν να αποδόσουν σε αρκετά ικανοποιητικό επίπεδο. Η βελτίωση των μοντέλων θα μπορούσε να επιτευχθεί με την αύξηση των δειγμάτων, ενώ παράλληλα θα μπορούσε να διερευνηθεί η συσχέτιση των μικροβιολογικών δεδομένων με τα πολυφασματικά μέσα από μη-γραμμικά μοντέλα.

Global meat production, especially chicken, is expected to increase worldwide over the next 10 years. Higher production also means more waste, due to rapid spoilage, which should cease to be acceptable, given the impending increase in population. Efforts in this direction have been made in recent years, to find and develop new, non-invasive and rapid methods for the assessment of spoilage and in general the shelf life of fresh and processed meats. Two of these methods are multispectral imaging and Fourier transform infrared spectroscopy. The main purpose of this work is to correlate the microbiological results of the chicken thigh fillet experiments with the data obtained from these methods. The resulting data were used for the development and construction of linear models aimed at quantitative determination of the degree of spoilage in chicken. In addition, multispectral imaging and infrared spectroscopy were evaluated for their model’s ability to distinguish fresh and frozen chicken samples, a need arising from the frequent occurrence of food fraud. For this purpose, four independent experiments were performed for the preservation of chicken thigh fillets in different conditions of temperature and atmosphere. The microorganisms identified in the chicken thigh samples were Total Viable Counts (TVC), bacteria of the genus Pseudomonas, of the family Enterobacteriaceae, the bacterium Brochothrix thermosphacta, lactic acid bacteria (LAB), H2S-producing microorganisms, yeasts and fungi. In particular, the fillets were stored at three different temperatures, at 0, 5 and 10 ° C, at different times for each sampling. In the two independent experiments the aerobic packaging conditions were evaluated, while in the other two, vacuum packaging was used. Sampling was performed at regular intervals (24-48 hours) in 4 samples for each temperature and then the two spectroscopic methods were applied. For the construction of the models of correlation with the microbiological results, the samples of 0 and 10⁰C were used as samples of development and validation, while for the prediction those, that were maintained at 5⁰C for both packages. The total number of chicken fillets analyzed is 333 and for each sample 36 spectroscopic data (18 Mean and 18 SD) were collected for MSI and 1038 wave data for FTIR. The SNV and Savitzky-Golay transformations were implemented to optimize the data. The construction of the model for estimating TVC in chicken was done through the linear regression algorithm with the method of least squares (PLS-R). For the qualitative discrimination of fresh and frozen chicken samples, two classes were defined, frozen (class 1), fresh (class 2) and was used the discrete analysis algorithm for the partial least squares method (PLS-DA). The multispectral data (36 for MSI, 1038 for FTIR) for the two models were defined as independent variables, while the TVC population for the PLS-R model and the two binary classes for the PLS-DA model were defined as dependent. In the microbiological results it was observed that mainly the temperature, and secondarily the packaging, significantly influenced the microbiological spoilage in the chicken thigh. Bacteria of the genus Pseudomonas predominated for the aerobic packaging as a spoilage microorganism, while for all species of microorganisms, there is an increase in microbial growth as the temperature and the duration of preservation increase. Under vacuum packaging conditions, the spoilage of the chicken samples appeared to have resulted from the synergistic action of the pseudomonas, the bacterium Bacillus thermosphacta and those producing H2S, without any clear predominance. In terms of temperature, the same conclusion is drawn as with aerobic conditions. It should be noted that the rate of spoilage for TVC was significantly lower for vacuum packaging conditions. PLS-R models for the evaluation of TVC showed better performance with multispectral imaging data than with those of infrared spectroscopy. More specifically, for MSI in the forecast, the value of RMSE is equal to 0.57 for the two packaging conditions, while that of R2 is equal to 0.87 and 0.83 for aerobic and vacuum conditions respectively. The wavelengths that affect model performance appear to be related to myoglobin, oxymyoglobin, and metamyoglobin. Corresponding values for the model with FTIR data were measured RMSE = 1.03, R2 = 0.59 for aerobic and RMSE = 0.69, R2 = 0.76 for anaerobic conditions. The corresponding wavelengths affecting the model in this case can be correlated with the proteolytic action of the chicken microflora. The PLS-DA models achieved a significant degree of discrimination between the two classes and in particular, those with multispectral imaging data, as they showed an overall prediction accuracy of 87.50%. In the separation model with the data of infrared spectroscopy the total prediction accuracy amounted to 77.97%. In conclusion, it was observed that the low preservation temperatures, in combination with the modified conditions under vacuum, significantly reduced the rate of spoilage of the chicken thigh samples. The linear models of TVC and those for the qualitative discrimination of the two classes of samples managed to perform at a significant level. The improvement of the models could be achieved by increasing the samples, while at the same time the correlation of the microbiological data with the multispectral data by non-linear models could be investigated.