Βελτιστοποίηση των διεργασιών ωσμωτικής αφυδάτωσης και εδώδιμης επικάλυψης για την ανάπτυξη καινοτόμων προϊόντων τροφίμων

Abstract

Berries are fruits of high nutritional value, rich in bioactive compounds and widely recognized for their significant health benefits. However, they are highly perishable, prone to rapid spoilage and microbial deterioration, which considerably limits their shelf life and contributes to substantial losses throughout the supply chain. This doctoral dissertation investigated modern preservation technologies, aiming to develop and evaluate innovative and sustainable strategies for reducing food waste and extending the shelf life of berries. The research focused on the optimization and application of osmotic dehydration and edible coatings, assessing their effectiveness in preserving the quality, nutritional value, and sensory characteristics of the fruits. In parallel, an environmental and preliminary economic assessment was conducted to evaluate the overall sustainability of these processing methods. Osmotic dehydration was applied to blueberries, raspberries, and strawberries using various osmotic solutions, such as sucrose, glycerol, and apple juice, under different processing conditions, including temperature, ratio, and time. The optimal processing conditions for each berry type were determined based on water loss and solid uptake, as well as by evaluating the preservation of quality and organoleptic characteristics of the final product. Processing at 40 °C and using apple juice with 42 °Brix were identified as the most effective, providing significant moisture reduction while maintaining the nutritional value of the berries. Simultaneously, the application of edible coatings from natural ingredients, such as chitosan and starch, as well as extracts from microalgae (Chlorella vulgaris), was examined for fresh berries to improve their shelf life. Coating with algal protein was found to be particularly effective in protecting berries from moisture loss, while contributing to the preservation of taste, freshness, and antioxidant capacity. Coated berries exhibited reduced microbial load and remained safe for consumption even after several days of storage.Furthermore, the coatings were enriched with rosmarinic acid, a bioactive compound with strong antioxidant properties. This combination provided the most effective protection, maintaining high levels of antioxidant capacity, taste, and nutritional characteristics of the fruits. Also, it significantly extended their shelf life. The incorporation of bioactive compounds further enhanced the nutritional value of berries and contributed to their protection from oxidative degradation. The optimal processing method for the berries was evaluated both environmentally and economically within the context of a comprehensive sustainability analysis. Although an increase in environmental footprint was observed, primarily due to the demands of osmotic dehydration, the overall efficiency of the method became apparent when its economic performance was considered. The extension of shelf life and the enhancement of product quality allowed the positioning of the berries in the market as functional foods, with the potential for higher pricing and significant profit margins. Therefore, investing in such processing techniques was deemed particularly advantageous both from a business perspective and in terms of reducing food losses across the entire supply chain.The overall economic analysis of the processed berries confirms that, despite the increased costs associated with techniques such as osmotic dehydration and edible coating, their commercial exploitation remains viable and attractive. Raspberries and blueberries demonstrate high profit margins, indicating strong investment potential, whereas strawberries require a more cautious strategy due to their lower economic margin. Process optimization, the selection of appropriate technologies, and targeted pricing strategies are crucial for the successful and competitive development of business ventures in the processed fruit sector. The findings of this research demonstrated that the techniques of osmotic dehydration and edible coatings are effective methods for the preservation of berries and the extension of their shelf life. These approaches significantly contribute to the reduction of food waste and the protection of nutritional value, while maintaining critical quality attributes such as taste, freshness, and antioxidant capacity. However, despite their benefits, particular attention is required in the case of osmotic dehydration, being associated with a higher environmental footprint and elevated processing costs. Overall, the research highlighted the importance of balancing technological efficiency with environmental sustainability, emphasizing the need for further optimization of these methods in line with the basic principles of sustainability and economic viability.

Τα μούρα αποτελούν φρούτα υψηλής διατροφικής αξίας, πλούσια σε βιοδραστικά συστατικά και γνωστά για τα σημαντικά οφέλη τους στην ανθρώπινη υγεία. Ωστόσο, χαρακτηρίζονται από έντονη ευαισθησία στη φθορά και τη μικροβιακή αλλοίωση, γεγονός που περιορίζει σημαντικά τη διάρκεια ζωής τους και αυξάνει τις απώλειες σε όλη την εφοδιαστική αλυσίδα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερεύνησε σύγχρονες τεχνολογίες συντήρησης, με στόχο την ανάπτυξη και αξιολόγηση καινοτόμων και βιώσιμων στρατηγικών για τη μείωση της σπατάλης τροφίμων και την επιμήκυνση της διάρκειας ζωής των μούρων. Η έρευνα εστίασε στη βελτιστοποίηση και εφαρμογή της ωσμωτικής αφυδάτωσης και των εδώδιμων επικαλύψεων, εξετάζοντας την αποτελεσματικότητά τους στην προστασία της ποιότητας, της θρεπτικής αξίας και των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών των φρούτων. Παράλληλα, περιλάμβανε περιβαλλοντική και προκαταρκτική οικονομική ανάλυση, προκειμένου να αξιολογηθεί η συνολική βιωσιμότητα των επεξεργασιών αυτών. Η ωσμωτική αφυδάτωση εφαρμόστηκε σε μύρτιλα, σμέουρα και φράουλες, με τη χρήση διαφόρων ωσμωτικών διαλυμάτων, όπως σακχαρόζη, γλυκερόλη και χυμός μήλου, υπό διαφορετικές συνθήκες επεξεργασίας, όπως θερμοκρασία, αναλογία διαλύτη:τροφίμου και χρόνος. Οι βέλτιστες συνθήκες επεξεργασίας για κάθε τύπο μούρου προσδιορίστηκαν βάσει της απώλειας νερού και της πρόσληψης στερεών, καθώς και με κριτήριο τη διατήρηση της ποιότητας και των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών του τελικού προϊόντος. Η επεξεργασία σε θερμοκρασία 40 °C και η χρήση χυμού μήλου με 42 °Brix αναδείχθηκαν ως οι πιο αποτελεσματικές, προσφέροντας σημαντική μείωση της υγρασίας και ταυτόχρονη διατήρηση της θρεπτικής αξίας των μούρων. Παράλληλα, εξετάστηκε η εφαρμογή εδώδιμων επικαλύψεων από φυσικά συστατικά, όπως η χιτοζάνη και το άμυλο, καθώς και εκχυλίσματα μικροάλγους (Chlorella vulgaris), οι οποίες εφαρμόστηκαν σε φρέσκα μούρα με στόχο τη βελτίωση της διάρκειας ζωής τους. Η επικάλυψη με πρωτεΐνη από άλγη αποδείχθηκε η πλέον αποτελεσματική μέθοδος προστασίας των μούρων, καθώς μείωσε σημαντικά την απώλεια υγρασίας, διατηρώντας παράλληλα τη γεύση, τη φρεσκάδα και την αντιοξειδωτική τους ικανότητα. Τα ευρήματα αυτά αναδεικνύουν την πρωτεΐνη από άλγη ως τη βέλτιστη επιλογή για τη φυσική συντήρηση ευπαθών φρούτων, σε σύγκριση με άλλες επικαλύψεις. Τα επικαλυμμένα μούρα εμφάνισαν μειωμένο μικροβιακό φορτίο και διατηρήθηκαν ασφαλή για κατανάλωση ακόμη και μετά από αρκετές ημέρες αποθήκευσης. Επιπλέον, εφαρμόστηκε εμπλουτισμός των επικαλύψεων με ροσμαρινικό οξύ, βιοδραστικό συστατικό με υψηλή αντιοξειδωτική δράση. Ο συνδυασμός αυτός προσέφερε την αποτελεσματικότερη προστασία, διατηρώντας σε υψηλά επίπεδα την αντιοξειδωτική ικανότητα, τη γεύση και τα θρεπτικά χαρακτηριστικά των φρούτων. Παράλληλα, επιμηκύνθηκε σημαντικά η διάρκεια ζωής τους. Η ενσωμάτωση των βιοδραστικών συστατικών ενίσχυσε περαιτέρω τη διατροφική αξία των μούρων και συνέβαλε στην προστασία τους από οξειδωτικές αλλοιώσεις. Η βέλτιστη μέθοδος επεξεργασίας των μούρων, δηλαδή ο συνδυασμός ωσμωτικής αφυδάτωσης με εδώδιμη επικάλυψη και προσθήκη βιοδραστικών συστατικών, αξιολογήθηκε τόσο περιβαλλοντικά όσο και οικονομικά, στο πλαίσιο μιας ολοκληρωμένης ανάλυσης βιωσιμότητας. Παρότι παρατηρήθηκε αύξηση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος, κυρίως λόγω των απαιτήσεων της ωσμωτικής αφυδάτωσης, η συνολική αποδοτικότητα της μεθόδου αναδείχθηκε όταν συνεκτιμήθηκε η οικονομική της απόδοση. Η παράταση της διάρκειας ζωής και η ενίσχυση της ποιότητας των τελικών προϊόντων επέτρεψαν την τοποθέτησή τους στην αγορά ως λειτουργικά τρόφιμα, με δυνατότητα πώλησης σε υψηλότερες τιμές και σημαντικό περιθώριο κέρδους. Συνεπώς, η επένδυση σε τέτοιες τεχνικές επεξεργασίας θεωρήθηκε ιδιαίτερα συμφέρουσα τόσο από πλευράς επιχειρηματικής αξιοποίησης όσο και από την άποψη της μείωσης απωλειών τροφίμων στο σύνολο της εφοδιαστικής αλυσίδας. Η συνολική οικονομική ανάλυση των επεξεργασμένων μούρων επιβεβαίωσε ότι, παρά το αυξημένο κόστος που συνεπάγεται η χρήση τεχνικών όπως η ωσμωτική αφυδάτωση και η εδώδιμη επικάλυψη, η εμπορική τους αξιοποίηση είναι βιώσιμη και ελκυστική. Τα σμέουρα και τα μύρτιλα παρουσίασαν υψηλά περιθώρια κέρδους, αποδεικνύοντας ισχυρή επενδυτική δυναμική, ενώ οι φράουλες απαιτούν πιο προσεκτική στρατηγική λόγω του χαμηλότερου οικονομικού περιθωρίου. Εν κατακλείδι, τα αποτελέσματα της έρευνας κατέδειξαν ότι οι τεχνικές της ωσμωτικής αφυδάτωσης και των εδώδιμων επικαλύψεων αποτελούν αποτελεσματικές μεθόδους για τη συντήρηση των μούρων και την παράταση της διάρκειας ζωής τους. Συμβάλλουν ουσιαστικά στη μείωση της σπατάλης τροφίμων και στην προστασία της θρεπτικής τους αξίας, διατηρώντας παράλληλα κρίσιμα ποιοτικά χαρακτηριστικά, όπως η γεύση, η φρεσκάδα και η αντιοξειδωτική ικανότητα. Ωστόσο, παρά τα οφέλη τους, ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται στην περίπτωση της ωσμωτικής αφυδάτωσης, καθώς παρουσιάζει αυξημένο περιβαλλοντικό αποτύπωμα και υψηλό κόστος. Συνολικά, η έρευνα ανέδειξε τη σημασία της ισορροπίας μεταξύ τεχνολογικής αποδοτικότητας και περιβαλλοντικής βιωσιμότητας, επισημαίνοντας την ανάγκη για περαιτέρω βελτιστοποίηση των μεθόδων με γνώμονα την αειφορία και την οικονομική βιωσιμότητα.