Effect of chitosan solutions and water, applied directly on frozen fish as an edible coating, on shelf-life extension

Abstract

Even though this fact might not be fully realized by the business owners and consumers, the wide use of water glazing in frozen fish industry (as a layer of ice over the frozen fish products) works just like an edible coating that protects the product during storage. Glazing aims at acting as a physical barrier to cold storage deterioration especially when the product is subjected to inadequate cold storage. Nevertheless, in addition to having a high procedural cost due to the necessary equipment, glazing has long been shrouded in controversy over the amount of water applied to the product. In extreme cases, up to 40 % glaze can be observed for some seafood products, seeking clearly more than just guaranteeing product quality. A paradigm change would be the use of alternatives to simple water that could improve the protection during storage and add functionalities to the protective coating. On top of that, the industry should be able to define the optimum amount of protective coating necessary to fulfill its original purpose. With this purpose the work was divided in five steps. Firstly it was necessary to identify the ability of a chitosan solution used directly on frozen salmon (in similar conditions as the ones used in the industry to glaze frozen fish) to achieve better results than simple water when, after thawing, samples were tested for freshness parameters (TVC, TVB-N, K-value, pH, TBA). At this first stage it was studied how different chitosan concentrations and coatings uptake could affect these parameters. Samples were stored at -5 ⁰C with the purpose of accelerating any negative effect promoted by cold storage conditions. Then, in a second step, the chitosan concentration that better performed on step 1 together with a three-times higher concentration (since none of the used in step 1 showed clear antimicrobial activity) were used and samples were stored during a sixmonths period at -22 ⁰C. The parameters to assess the deterioration were basically the same of the first step, but colour changes were also measured since this is, particularly in salmon, a very important factor in the quality perceived by consumers. After identifying that chitosan coatings perform better in coating loss, colour change and demonstrate antimicrobial activity, in step 3 it was meant to study the effect that the coating application conditions have on its thickness. With this step it was possible not only to identify what could be the thickness of the coating corresponding to the samples that performed better in step 2 but also to predict which conditions to use when a defined thickness is desired. This step validated that the same thickness of water glazing can be obtained by chitosan coatings with energy savings (salmon and coating temperature can be higher). The heat transfer phenomenon that is in the origin of the coating formation was also studied and salmon temperature profiles during dipping time were presented and analyzed. The introduction of the concept of Safe Dipping Time (SDT) was proposed, challenging the industry to reflect on the possible effects of temperature rise in frozen fish during dipping. Realizing that in the “real world” storage conditions are not always perfect and (especially during transport/retail) frozen products can face temperature fluctuations, the ability of chitosan coating to outperform water glazing under those conditions was evaluated (step 4). Product was stored during 70 days in a freezing chamber continuously fluctuating between -15 ⁰C and -5 ⁰C and freshness parameters (pH, Total Volatile Basic Nitrogen (TVB-N), Total Viable Count (TVC)), as well as coating loss and colour parameters were evaluated. Finally, step 5 was meant to verify if the use of chitosan coatings would be noticeable by consumers due to alterations of the salmon’s organoleptic characteristics, when stored at -18 ⁰C during a period of six months. A trained panel was used to evaluate chitosan coatings and water glazing against control samples after two, four and six months of storage. Overall, chitosan demonstrated to be an alternative to the use of simple water for the coating/glazing of frozen fish since: a) it presented a slower rate of coating loss, b) it reduced the microbial contamination of the product, c) it preserved the colour of the product and, d) at the moment of consumption, no differences were perceived by consumers between samples treated with water and chitosan solution.

Mesmo que esse facto possa não ser reconhecido pelos empresários e consumidores, a ampla utilização da vidragem na indústria de pescado congelado (como uma camada de gelo que envolve o pescado congelado) funciona como um revestimento edível que protege o produto durante o armazenamento. A vidragem visa atuar como uma barreira física para proteção da qualidade do pescado congelado durante o armazenamento a frio, especialmente quando o produto é submetido a temperaturas inadequadas. No entanto, além de ter um custo elevado, devido ao processo e equipamento necessário, o uso de vidragem tem sido envolvido em controvérsia devido à quantidade de água aplicada. Em casos extremos, é observado que esta pode representar 40% do peso do produto final, procurando vantagens para além de melhorias na qualidade do produto. Para mudar este paradigma seria necessário procurar alternativas para o revestimento de água que permitissem melhorar a proteção e adicionar funcionalidades ao revestimento. Para além disso, a indústria deveria ser capaz de definir a quantidade de revestimento necessária para cumprir o seu propósito original. Para este efeito, o trabalho foi dividido em cinco etapas. Primeiro foi necessário identificar a capacidade de uma solução de quitosano, aplicada diretamente no salmão congelado (em condições similares às utilizadas na indústria), em alcançar melhores resultados do que a água, quando, após descongelação, são avaliados parâmetros de frescura (TVC, ABVT, valor-K, pH, TBA) e do desempenho do revestimento. Nesta primeira fase, foi estudado como diferentes concentrações de quitosano e quantidade de revestimento aplicado podem afetar os resultados. As amostras foram armazenadas a -5 ⁰C para acelerar efeitos negativos que possam surgir pela conservação em frio. Em seguida, numa segunda etapa, utilizou-se a concentração de quitosano que registou melhor desempenho na etapa 1 e outra 3 vezes mais elevada (uma vez que nenhuma das utilizadas na etapa 1 mostrou uma clara actividade antimicrobiana) durante 6 meses e em condições de temperatura de conservação semelhantes às utilizadas na indústria (-22 ⁰C). Os parâmetros de avaliação da deterioração foram basicamente os mesmos da primeira etapa, mas foi também avaliada a mudança de cor uma vez que, particularmente no salmão, é um factor muito importante para a qualidade percebida pelos consumidores. Depois de identificar que os revestimentos de quitosano tiveram um melhor desempenho na perda de revestimento, na alteração de cor e que demonstram atividade antimicrobiana, na etapa 3 foi estudado o efeito que as condições de aplicação de revestimento têm na espessura de revestimento. Com este passo foi possível não só identificar qual poderia ser a espessura de revestimento correspondente às amostras com melhor desempenho na etapa 2, mas também, prever as condições a usar para obter uma determinada espessura. Este passo validou que a mesma espessura de vidragem poderá ser obtida por revestimentos de quitosano com poupança de energia (utilizando temperatura de salmão e de revestimento mais elevadas). O fenómeno de transferência de calor que está na origem da formação de revestimento foi também estudado e definidos os perfis de temperatura no interior do salmão durante o tempo de imersão. A introdução do conceito de Tempo Seguro de Imersão foi proposta com o objetivo de desafiar a indústria a refletir sobre o efeito do aumento de temperatura no peixe congelado enquanto este está imerso para aplicação da vidragem. Reconhecendo que no mundo real nem sempre as condições de conservação dos produtos congelados são as ideais e que (em particular durante o transporte e distribuição) o produto sofre oscilações de temperaturas, foi avaliado se a vidragem com quitosano teria um melhor desempenho que a água simples nessas condições (etapa 4). O produto foi armazenado durante 70 dias numa arca congeladora que oscilava continuamente entre -15 ⁰C e -5 ⁰C procedendo-se à avaliação da perda de cor e vidragem bem como dos parâmetros TVC, ABVT e pH. Finalmente, na etapa 5, verificou-se se o uso de revestimentos de quitosano seria percetível pelo consumidor devido a alterações nas características organolépticas do salmão, quando armazenado à temperatura de -18 ⁰C durante um período de seis meses. Um painel treinado foi usado para avaliar revestimentos de quitosano e a de água simples quando comparados com amostras controlo, após dois, quatro e seis meses. Em geral, o quitosano demonstrou ser uma alternativa ao uso de água no revestimento de peixe congelado, uma vez que: a) apresenta uma menor taxa de perda de revestimentos, b) reduz a contaminação microbiana do produto, c) preserva a cor do produto e d) no momento do consumo, não é percebido de forma diferente pelos consumidores.