Delineamento experimental ótimo para a estimativa dos parâmetros do crescimento de Weissella viridescens em condições não-isotérmicas

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2016.A bactéria ácido-láctica Weissella viridescens tem sido indicada como um dos principais micro-organismos deteriorantes de produtos cárneos. O crescimento de micro-organismos sob condições isotérmicas ou não-isotérmicas pode ser descrito por modelos matemáticos, cujos parâmetros são estimados com base em dados experimentais de crescimento, com valores que dependem da abordagem utilizada na estimativa. Na Modelagem em Duas Etapas (MDE), o ajuste dos modelos primário e secundário é sequencial e tem como base experimentos em condições isotérmicas, sendo esta a abordagem mais reportada na literatura. No entanto, os parâmetros dos modelos podem ser estimados simultaneamente com a Modelagem em Uma Etapa (MUE), com experimentos em condições isotérmicas ou não-isotérmicas. Para reduzir o tempo experimental, a quantidade e o custo de dados experimentais, e a incerteza dos parâmetros (intervalos de confiança), os experimentos em condições não-isotérmicas podem ser otimizados com o Delineamento Experimental Ótimo (DEO). Para isso, matrizes que quantificam a sensibilidade das respostas dos modelos em relação às variações nos valores dos parâmetros são otimizadas. O objetivo desta tese de doutorado foi aplicar o DEO para estimar os parâmetros do crescimento de W. viridescens em meio de cultivo e em presunto, com menores tempos, quantidade de dados experimentais e redução da incerteza dos parâmetros, quando comparado às abordagens MDE e MUE. Os experimentos para a estimativa dos parâmetros foram realizados em meio de cultivo em seis condições isotérmicas (para a MDE e MUE em condições isotérmicas, MUEiso); em quatro condições não-isotérmicas não-ótimas (para a MUE em condições não-isotérmicas, MUEnao); e em quatro condições não-isotérmicas delineadas de forma ótima (para o DEO). Um experimento adicional delineado de forma ótima foi utilizado para a validação dos parâmetros. Os experimentos nas cinco condições não-isotérmicas ótimas foram realizados também em presunto (DEOpres) para a estimativa dos parâmetros e validação. O modelo primário de Baranyi e Roberts e o modelo secundário da Raiz Quadrada foram utilizados para descrever o crescimento microbiano. Índices estatísticos foram utilizados para avaliar a qualidade dos ajustes dos modelos aos dados e a capacidade preditiva dos modelos. Em meio de cultivo, os parâmetros estimados com a MDE, a MUEiso e o DEO foram próximos uns dos outros, sendo que as incertezas dos parâmetros foram menores com a MUEiso e similares com a MDE e DEO. Entretanto, houve umagrande redução na quantidade de dados e tempo experimental necessários para estimar os parâmetros, de 196 dados e 3.540 horas na MDE e MUEiso para 60 dados e 588 horas no DEO. Além disso, os modelos resultantes do DEO apresentaram as melhores predições. Os parâmetros estimados na MUEnao foram distintos dos demais, com maiores incertezas, e os ajustes dos modelos resultaram em índices estatísticos insatisfatórios. O DEO foi utilizado também com sucesso na estimativa dos parâmetros de crescimento de W. viridescens em presunto. Os parâmetros estimados em presunto com DEO apresentaram incerteza similar aos parâmetros estimados em meio de cultivo, e os índices estatísticos confirmaram o bom ajuste dos modelos aos dados experimentais. Os modelos com os parâmetros estimados com o DEOpres apresentaram predições satisfatórias do crescimento microbiano também em presunto. Portanto, os resultados desta tese apontam que o DEO pode ser utilizado com sucesso para estimar os parâmetros do crescimento microbiano em meio de cultivo e em presunto, resultando em modelos com boa capacidade preditiva. Além disso, os parâmetros podem ser estimados com menores tempos e quantidade de dados experimentais, e menores incertezas dos parâmetros quando comparado às abordagens MDE e MUE.Abstract : The acid-lactic bacteria Weissella viridescens has been indicated as one of the main spoilage microorganisms of meat products. The microbial growth under isothermal or non-isothermal conditions can be described by mathematical models, which parameters are estimated based on growth experimental data, with values that depend on the approach used in the estimation. In the Modeling in Two Step (MTS), the fitting of primary and secondary models is sequential, and has as base experiment under isothermal conditions, being the approach most reported in the literature. However, the parameters of the models can be estimated simultaneously with the Modeling in One Step (MOS) with experiments in isothermal or non-isothermal conditions. To reduce the experimental time, quantity and cost of experimental data, and the uncertainty of the parameters (confidence intervals), the experiments in non-isothermal conditions can be optimized with Optimal Experimental Design (OED). To do that, matrices which quantify the sensitivity of the model responses to the variations in the values of the parameters are optimized. The objective of this doctoral thesis was applying the OED to estimate the growth parameters of W. viridescens in culture medium and ham with lower time, quantity of experimental data and reduction of parameter uncertainty when compared to MTS and MOS approaches. The experiments for the parameter estimation were performed in culture medium in six isothermal conditions (for MTS and MOS in isothermal conditions, MOSiso), in four non-optimal non-isothermal conditions (for MOS in non-isothermal conditions, MOSnon), and in four optimal non-isothermal conditions (for OED). One additional experiment optimally designed was used for the validation of the parameters. The experiments in the five optimal non-isothermal conditions were also performed in ham (OEDham) for the estimation of the parameters and validation. The Baranyi and Roberts primary model and the Square Root secondary model were used to describe the microbial growth. Statistical indexes were used to assess the quality of the model fitting to the data and the predictive ability of the models. In culture medium, the parameters estimated with the MTS, the MOSiso and the OED were near each other, in which the uncertainty of the parameters were lower with the MOS and similar with the MTS and OED. However, there were a great reduction in the quantity of data and experimental time needed to estimate the parameters, from 196 data and 3,540 hours in MTS and MOSiso to 60 data and 588 hours in OED. Furthermore, the models resulting of OED presented the greatestpredictions. The parameters estimated in MOSnon were distinct from others, with greater uncertainty, and the model fitting resulted in unsatisfying statistical indexes. The OED was also used successfully in the estimation of the growth parameters of W. viridescens in ham. The parameters estimated in ham with OED presented similar uncertainty to the parameters estimated in culture medium, and the statistical indexes confirmed the good fitting of the models to the experimental data. The models with the parameters estimated with the OEDham presented satisfactory predictions of the microbial growth also in ham. Therefore, the results of this thesis point out that the OED can be successfully used to estimate the microbial growth parameters in culture medium and in ham, resulting in models with good predictive ability. Furthermore, the parameters can be estimated with lower time and quantity of experimental data, and lower uncertainty of parameters when compared to the MTS and MOS approaches

Avaliação da capacidade preditiva de diferentes modelos matemáticos para o crescimento microbiano em condições não-isotérmicas

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de AlimentosUm dos principais fatores que afetam a estabilidade microbiana dos alimentos durante o armazenamento é a temperatura, cuja variação modifica a dinâmica do crescimento microbiano. O uso de modelos matemáticos que consideram variações da temperatura de armazenamento pode ser muito útil na predição da vida de prateleira de alimentos, sendo que na literatura há um grande número de modelos que podem ser usados para descrição do crescimento microbiano. Assim, o presente estudo avaliou a capacidade preditiva dos principais modelos primários e suas versões não-isotérmicas para o crescimento de Lactobacillus plantarum em meio MRS sob condições de temperatura variável. Dados experimentais do crescimento deste microrganismo em condições isotérmicas foram obtidos nas temperaturas de 4, 8, 12, 16, 20 e 30 °C, sendo usados para estabelecer os modelos primários e secundários. O crescimento de L. plantarum em condições não isotérmicas foi testado para três diferentes perfis (4 12 °C, 5 15 °C e 20 30 °C) com variação de temperatura a cada 12 horas. Os valores dos índices estatísticos RMSE, fatores bias e accuracy indicaram que todos os modelos avaliados fornecem predições seguras do crescimento deste microrganismo nas condições não-isotérmicas testadas (fatores bias maior que 1). A capacidade preditiva dos modelos em descrever o crescimento microbiano em condições não-isotérmicas depende muito do bom ajuste dos modelos primários e secundários. Em geral, não foi possível apontar um modelo com melhor capacidade preditiva para as condições não-isotérmicas testadas, embora o modelo Logístico modificado por Corradini e Peleg tenha apresentado melhores valores de RMSE, fatores bias e accuracy em relação aos outros modelos testados, enquanto o modelo de Huang apresentou predições mais distantes. Constatou-se também que a capacidade preditiva dos modelos é menor quando ocorrem variações bruscas de temperatura, especialmente para baixas temperaturas, pois os modelos não podem prever os complexos mecanismos de adaptação microbiana. Incorporar esses mecanismos nos modelos preditivos é um desafio a ser vencido.One of the main factors affecting the microbial stability of foods during storage is temperature, whose variation changes microbial growth dynamics. The use of mathematical models which take storage temperature variations into account can be very useful in predicting the shelf life of foods. Lactobacillus plantarum can be considered one of the main lactic acid bacteria and has received researcher's attention in studies on meat products. The current study assessed the predictive ability of the main primary models and their non-isothermic versions for Lactobacillus plantarum growth in MRS medium under variable temperature conditions. Experimental data on this microorganism's growth in isothermic conditions were obtained at 4, 8, 12, 16, 20, and 30 °C, which were used to establish the primary and secondary models. L. plantarum growth in non-isothermic conditions was tested for three different profiles (4-12 °C, 5-15 °C, and 20-30 °C) with the temperature varying every 12 hours. The RMSE, bias factor, and accuracy factor values indicate that all models assessed provide safe predictions of the growth of this microorganism at the non-isothermic conditions tested (bias factor greater than 1). The predictive capacity of the models for describing the microbial growth in non-isothermal conditions largely depends on the good fit of the primary and secondary models. Overall, it was not possible to point out a model with the best predictive ability for non-isothermic conditions, although the modified logistic model by Corradini and Peleg had the best RMSE, bias factor, and accuracy factor values compared to the other models assessed, while Huang's model had the worst values. It was also seen that the predictive ability of the mathematical models is lower when there are abrupt temperature variations, mainly in lower temperatures, since the models cannot predict the complex microbial adaptation mechanisms. Incorporating these mechanisms into the predictive models is a challenge yet to be overcome

Assessment of mass variation, lipid oxidation and sensorial acceptance of microwave cooked bovine meat marinated with salt, hydrocolloids, and antioxidants / Avaliação da variação de massa, oxidação lipídica e aceitação sensorial da carne bovina cozida em micro-ondas marinada com sal, hidrocoloides e antioxidantes

This work aimed to assess the mass variation (the relatives mass gain (MG), mass loss (ML), and total mass variation (TMV)), the lipid oxidation and the sensorial acceptance (triangular and ordering tests) of meat marinated with sodium chloride, hydrocolloids (modified starch, carrageenan, collagen, and soy protein isolate), and antioxidants (sodium erythorbate and astaxanthin), and microwave cooked. A central composite design was proposed to quantify the MG, ML, and TMV after the marination of the meat for 12 hours and then, cooking in microwave. Carrageenan presented lower ML (8.4%) and higher TMV (6.45%). The lipid oxidation of the control sample was similarly reduced with astaxanthin or sodium erythorbate. The panelists did not identify the sample with carrageenan in the triangular test. In the ordering preference test, there was no significant difference by a preferred sample. Thus, meat marinated with salt, carrageenan, and astaxanthin, and microwave cooked showed promising results

ESTIMATIVA DA VIDA ÚTIL E DOS PAR METROS DE CRESCIMENTO DE BACTÉRIAS ÁCIDO-LÁCTICAS EM FILÉS DE PEITO DE FRANGO RESFRIADOS EMBALADOS A VÁCUO E COM ATMOSFERA MODIFICADA

As bactérias ácido-lácticas (BAL) fazem parte da microflora natural e correspondem a principal população deteriorante de produtos cárneos embalados a vácuo e com atmosfera modificada (ATM), e seu crescimento é um dos fatores que define a vida útil do produto. O objetivo deste trabalho foi quantificar a vida útil e os parâmetros do crescimento (duração da fase lag e velocidade máxima específica de crescimento) de BAL em filés de peito de frango resfriados embalados a vácuo e com ATM (50 % de CO2 e 50 % de N2) em diferentes temperaturas (1, 4, 8, 12 e 20 °C). Os parâmetros foram estimados com os modelos de Gompertz modificado, Baranyi e Logístico, sendo que os modelos de Gompertz Modificado e Baranyi apresentaram ajustes com melhores índices estatísticos (R2, MSE, e fatores bias e exatidão), sendo o modelo de Baranyi ligeiramente superior. Os modelos secundários Exponencial e Logarítmico foram utilizados para descrever a dependência dos parâmetros de crescimento com a temperatura, pois obtiveram melhores índices estatísticos. Os filés de peito de frango armazenados com ATM tiveram vida útil mais longa em comparação com os filés embalados a vácuo. Os modelos matemáticos estabelecidos neste estudo podem ser utilizados para predizer o crescimento das BAL em embalagem a vácuo e com ATM no intervalo de temperatura entre 1 e 20 °C

PREDIÇÃO DA VIDA ÚTIL DE FILÉS DE PEITO DE FRANGO RESFRIADOS EMBALADOS A VÁCUO E COM ATMOSFERA MODIFICADA EM CONDIÇÕES DE ARMAZENAMENTO NÃO ISOTÉRMICO

A temperatura é um fator ambiental que tem grande impactosobre o crescimento de micro-organismos deteriorantes emalimentos. Em condições reais de armazenamento, transportee comercialização de produtos cárneos podem ocorrer grandesvariações de temperatura, e com isso o estudo do crescimento debactérias ácido-lácticas (BAL) em condições de armazenamentonão isotérmico tem grande importância. O objetivo deste trabalhofoi propor e validar modelos matemáticos (Gompertz modifi cado eBaranyi) para condições não isotérmicas e predizer a vida útil defi lé de peito de frango resfriado a partir do crescimento de BAL emembalagens a vácuo e com atmosfera modifi cada (ATM, 50% CO2e 50 % N2). Os resultados apontaram que os modelos de Gompertzmodifi cado e Baranyi foram capazes de predizer o crescimento deBAL em fi lés de peito de frango embalados a vácuo e com ATM, oque foi verifi cado através dos índices estatísticos R2, MSE, fatoresbias e exatidão, sendo que o modelo de Gompertz modifi cadoapresentou as predições mais conservadoras (menores valores)sobre a duração da vida útil. A vida útil observada dos fi lés de peitode frango foi de aproximadamente 12 e 6 dias nas embalagens comATM e a vácuo, respectivamente, mostrando que a embalagemcom ATM levou ao aumento da vida útil do produto. Além disso, osmodelos matemáticos propostos e validados neste estudo podemser utilizados para predizer a infl uência de diferentes condições nãoisotérmicas sobre o crescimento de BAL em fi lés de peito de frango

Mortality and pulmonary complications in patients undergoing surgery with perioperative SARS-CoV-2 infection: an international cohort study

Background: The impact of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) on postoperative recovery needs to be understood to inform clinical decision making during and after the COVID-19 pandemic. This study reports 30-day mortality and pulmonary complication rates in patients with perioperative SARS-CoV-2 infection. Methods: This international, multicentre, cohort study at 235 hospitals in 24 countries included all patients undergoing surgery who had SARS-CoV-2 infection confirmed within 7 days before or 30 days after surgery. The primary outcome measure was 30-day postoperative mortality and was assessed in all enrolled patients. The main secondary outcome measure was pulmonary complications, defined as pneumonia, acute respiratory distress syndrome, or unexpected postoperative ventilation. Findings: This analysis includes 1128 patients who had surgery between Jan 1 and March 31, 2020, of whom 835 (74·0%) had emergency surgery and 280 (24·8%) had elective surgery. SARS-CoV-2 infection was confirmed preoperatively in 294 (26·1%) patients. 30-day mortality was 23·8% (268 of 1128). Pulmonary complications occurred in 577 (51·2%) of 1128 patients; 30-day mortality in these patients was 38·0% (219 of 577), accounting for 81·7% (219 of 268) of all deaths. In adjusted analyses, 30-day mortality was associated with male sex (odds ratio 1·75 [95% CI 1·28–2·40], p\textless0·0001), age 70 years or older versus younger than 70 years (2·30 [1·65–3·22], p\textless0·0001), American Society of Anesthesiologists grades 3–5 versus grades 1–2 (2·35 [1·57–3·53], p\textless0·0001), malignant versus benign or obstetric diagnosis (1·55 [1·01–2·39], p=0·046), emergency versus elective surgery (1·67 [1·06–2·63], p=0·026), and major versus minor surgery (1·52 [1·01–2·31], p=0·047). Interpretation: Postoperative pulmonary complications occur in half of patients with perioperative SARS-CoV-2 infection and are associated with high mortality. Thresholds for surgery during the COVID-19 pandemic should be higher than during normal practice, particularly in men aged 70 years and older. Consideration should be given for postponing non-urgent procedures and promoting non-operative treatment to delay or avoid the need for surgery. Funding: National Institute for Health Research (NIHR), Association of Coloproctology of Great Britain and Ireland, Bowel and Cancer Research, Bowel Disease Research Foundation, Association of Upper Gastrointestinal Surgeons, British Association of Surgical Oncology, British Gynaecological Cancer Society, European Society of Coloproctology, NIHR Academy, Sarcoma UK, Vascular Society for Great Britain and Ireland, and Yorkshire Cancer Research

Modelling the growth of lactic acid bacteria at different temperatures

ABSTRACT Mathematical models are widely used to predict the shelf life of foods. Lactic acid bacteria (LAB), particularly Lactobacillus plantarum, Weissella viridescens and Lactobacillus sakei, are the main spoilage bacteria of refrigerated, vacuum-packed meat products, stored in modified atmosphere, and their growth determines the shelf life length of these products. The objective of this study was to model the growth of L. plantarum, W. viridescens and L. sakei under different isothermal cultivation conditions and establish secondary models to describe the effect of temperature on the growth parameters of these bacteria. The LAB growth was evaluated in culture medium at temperatures of 4, 8, 12, 16, 20 and 30 ºC. The fit of Baranyi and Roberts (BAR) and Gompertz (GO) primary models to the growth curves of LAB was compared by statistical indices, in which the BAR model showed slightly better fits to the experimental data. The BAR growth parameters were used to establish the secondary models, µmax and Nmax were established for the three LAB. The power model described the influence of temperature on the parameter λ for L. plantarum, and other bacteria showed no lag phase. The growth of LAB was strongly influenced by storage temperature and the obtained models allow predicting the growth of these bacteria within the temperature range from 4 to 30 ºC

Modeling Growth Kinetic Parameters Of Salmonella Enteritidis Se86 On Homemade Mayonnaise Under Isothermal And Nonisothermal Conditions.

During the last decade, a specific strain of Salmonella Enteritidis (named SE86) has been identified as the major etiological agent responsible for salmonellosis in the State of Rio Grande do Sul, Southern Brazil, and the main food vehicle was homemade mayonnaise (HM). This study aimed to model the growth prediction of SE86 on HM under isothermal and nonisothermal conditions. SE86 was inoculated on HM and stored at 7, 10, 15, 20, 25, 30, and 37°C. Growth curves were built by fitting data to the Baranyi's DMFit, generating r(2) values greater than 0.98 for primary models. Secondary model was fitted with Ratkowsky equation, generating r(2) and root mean square error values of 0.99 and 0.016, respectively. Also, the growth of SE86 under nonisothermal conditions simulating abuse temperature during preparation, storage, and serving of HM was studied. Experimental data showed that SE86 did not grow on HM at 7°C for 30 days. At 10°C, no growth was observed until approximately 18 h, and the infective dose (assumed as 10(6) CFU/g) was reached after 8.1 days. However, the same numbers of SE86 were attained after 6 hours at 37°C. Experimental data demonstrated shorter lag times than those generated by ComBase Predictive Models, suggesting that SE86 is very well adapted for growing on HM. SE86 stored under nonisothermal conditions increased population to reach about 10(6) CFU/g after approximately 30 hours of storage. In conclusion, the developed model can be used to predict the growth of SE86 on HM under various temperatures, and considering this pathogen, HM can be produced if safe eggs are used and HM is stored below 7°C

Modeling the Growth of Byssochlamys fulva on Solidified Apple Juice at Different Temperatures

The aim of this study was to establish primary and secondary models to describe the growth kinetics of Byssochlamys fulva on solidified apple juice at different temperatures. B. fulva was inoculated on solidified apple juice at 10, 15, 20, 25 and 30 °C. Linear-with-breakpoint, Baranyi and Roberts, and Huang primary models (without upper asymptote) were fitted to the data, and they showed good ability to describe the growth kinetics. B. fulva showed longer adaptation time on apple juice than on culture medium, but growth rates were similar as reported in the literature. The dependence of µmax and λ parameters on temperature was described with Square Root and Arrhenius-Davey secondary models, respectively. These models were important to establish process/storage conditions and apple juice shelf life