Development and application of predictive models for the growth of thermophilic spore - forming bacteria in foods

Abstract

Τα θερμόφιλα σπορογόνα βακτήρια αποτελούν ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα ποιότητας σε θερμικά επεξεργασμένα τρόφιμα που διακινούνται και αποθηκεύονται εκτός ψυγείου ειδικά σε χώρες με θερμό κλίμα. Το βασικό αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη και αξιολόγηση μαθηματικών μοντέλων πρόβλεψης της συμπεριφοράς θερμόφιλων σπορογόνων μικροοργανισμών και η εφαρμογή τους για την εκτίμηση του χρόνου αλλοίωσης των θερμικά επεξεργασμένων τροφίμων που διακινούνται και αποθηκεύονται εκτός ψυγείου. Το πρώτο μέρος της έρευνας επικεντρώθηκε στη μαθηματική περιγραφή της επίδρασης της θερμοκρασίας στην ανάπτυξη του Geobacillus stearothermophilus και την πρόβλεψη της αλλοίωσης του συμπυκνωμένου-αποστειρωμένου γάλακτος. Λαμβάνοντας υπόψη τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της αλυσίδας εφοδιασμού του προϊόντος, το μοντέλο αξιολογήθηκε περαιτέρω σε δυναμικές συνθήκες θερμοκρασίας. Το μοντέλο περιγράφει ικανοποιητικά την ανάπτυξη του G.stearothermophilus και δίνει ρεαλιστικές προβλέψεις για την αλλοίωση του συμπυκνωμένου-αποστειρωμένου γάλακτος. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής αναπτύχθηκε ένα μοντέλο πρόβλεψης της πιθανότητας ανάπτυξης του Alicyclobacillus acidoterrestris ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και του pΗ. Αποδείχθηκε η ικανοποιητική προσαρμογή του πολυωνυμικού μοντέλου λογιστικής παλινδρόμησης στα δυαδικά δεδομένα. Ακολούθως, πραγματοποιήθηκε ποσοτική περιγραφή της συνδυαστικής επίδρασης της θερμοκρασίας και του pH στο ρυθμό ανάπτυξής του χρησιμοποιώντας το θεμελιώδες μοντέλο θερμοκρασίας και pH, αντίστοιχα. Τα μοντέλα στη συνέχεια αξιολογήθηκαν έναντι των δεδομένων ανάπτυξης του μικροοργανισμού που ελήφθησαν σε παστεριωμένα ποτά φρούτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν πολύ καλές επιδόσεις των μοντέλων στα ποτά φρούτων σε στατικές και δυναμικές θερμοκρασιακές συνθήκες συντήρησης. Μετά τις παραπάνω μελέτες που διεξήχθησαν σε επίπεδο πληθυσμού, η έρευνα επεκτάθηκε σε επίπεδο μεμονωμένων σπορίων του G.stearothermophilus προκειμένου να αξιολογηθεί η απόκριση της ανάπτυξης πιο ρεαλιστικών επιπέδων αρχικής επιμόλυνσης και να ληφθεί υπόψη η μεταβλητότητα στην ατομική συμπεριφορά των σπορίων. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική μεταβλητότητα του χρόνου υστέρησης (λ) μεταξύ των μεμονωμένων σπορίων σε όλες τις εξεταζόμενες θερμοκρασίες. Για την ερμηνεία των παρατηρήσεων, αναπτύχθηκε ένα στοχαστικό μοντέλο ανάπτυξης για μεμονωμένα σπόρια του G.stearothermophilus, λαμβάνοντας υπόψη τη μεταβλητότητα του λ. Οι προσομοιώσεις ανάπτυξης για διαφορετικά αρχικά επίπεδα επιμόλυνσης έδειξαν ότι για χαμηλό Ν0 ο αριθμός των κυττάρων στον πληθυσμό ανά πάσα χρονική στιγμή παρουσιάζει πολύ μεγάλη μεταβλητότητα, ενώ όσο αυξάνεται σε επίπεδα που υπερβαίνουν τα 100 σπόρια μειώνεται σημαντικά η παραπάνω μεταβλητότητα και το λ του πληθυσμού. Οι στοχαστικές προσεγγίσεις που προτείνονται σε σχέση με την ετερογένεια της ατομικής συμπεριφοράς των σπορίων μπορούν να υποστηρίξουν τη λήψη αποφάσεων με βάση το "αποδεκτό επίπεδο επικινδυνότητας". Στο τελευταίο μέρος της διατριβής χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο πρόβλεψης για την επίδραση της θερμοκρασίας στην ανάπτυξη του G.stearothermophilus, προκειμένου να εκτιμηθεί η επικινδυνότητα αλλοίωσης του συμπυκνωμένου-αποστειρωμένου γάλακτος στις αγορές της Μεσογείου. Τα ποσοτικά αυτά στοιχεία μπορούν να βοηθήσουν τη βιομηχανία τροφίμων να αξιολογήσει τη μικροβιολογική σταθερότητα του προϊόντος στην αλυσίδα εφοδιασμού με μειωμένο κόστος και να αξιολογήσει εάν και υπό ποιες συνθήκες θα εξάγει ένα προϊόν σε μία χώρα ελαχιστοποιώντας τα προβλήματα αλλοίωσης. Τα ποσοτικά εργαλεία που αναπτύχθηκαν μπορούν να αποτελέσουν τη βάση για τη μελέτη των επιπτώσεων της υπερθέρμανσης του πλανήτη στην ποιότητα των τροφίμων που διακινούνται και αποθηκεύονται εκτός ψυγείου και να βοηθήσουν τη βιομηχανία τροφίμων στον αποτελεσματικό σχεδιασμό συστημάτων διασφάλισης της ποιότητας και διαχείρισης της εφοδιαστικής αλυσίδας.