Tecnologie emergenti

per la sanificazione dei prodotti vegetali

ozono

e

gas plasma

ORDINE DEI TECNOLOGI ALIMENTARI EMILIA ROMAGNA E AGGREGATI

Dott.ssa Maria Chiara Venturini

OZONO E’ una molecola formata da tre atomi di

ossigeno

Si forma quando le molecole di ossigeno (O2) sono sottoposte ad una scarica elettrica ad alto voltaggio

http://www.mitsubishielectric.com/worksforme/it/06.html

Il prodotto della reazione è un gas blu dall’odore pungente e dal forte potere ossidante.

A temperatura ambiente l’ozono si decompone rapidamente, per questo, non può essere

accumulato e si genera direttamente negli impianti di trattamento, per mezzo di

apparecchiature denominate “generatori”

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• L’ozonizzazione è una tecnica di sanificazione utilizzata già da molti anni per potabilizzare l’acqua.

• Per la prima volta, nel 1907, a Nizza, l’ozono è stato utilizzato per il trattamento delle acque, e pochi anni più tardi, nel 1910, nell’acquedotto di San Pietroburgo.

• In Germania l’ozonizzazione è utilizzata dal 1972, mentre in Italia, nel 1996, Il Ministero della Sanità ha riconosciuto il trattamento dell’acqua e dell’aria con l’utilizzo dell’ozono come presidio naturale per la sterilizzazione.

• Dal 2001 la FDA (Food and Drug Administration) organismo della United States Department of Health and Human Services, ha classificato l’ozono come GRAS (generally recognized as safe), vale a dire sicuro per la salute umana, e ne ha liberalizzato l’impiego come agente antimicrobico nei processi produttivi degli alimenti.

L’inattivazione dei microrganismi ad opera dell’ozono è un processo complesso perché, la reazione di ossidazione che si determina, agisce su numerosi costituenti della cellula batterica. In particolare si ha l’alterazione della membrana con conseguente rottura e lisi cellulare. L’ozono agisce anche sui componenti intracellulari quali gli enzimi. L’ozono danneggia il materiale genetico delle cellule microbiche in quanto reagisce con gli acidi nucleici; in alcuni studi è stato riscontrato che è in grado di aprire il DNA circolare dei plasmidi e diminuirne la capacità di trascrizione. A-danni alla membrana cellulare di Salmonella entereditis B- spore di Bacillus subtilis danneggiate C e D – S.entereditis e B.subtilis rispettivamente prima e dopo il trattamento Microbiological Aspects of Ozone Applications in Food: A Review

• Il trattamento è più efficace quando il microrganismo bersaglio è in un acqua pura piuttosto che in un sistema complesso qual è un alimento, in questo caso l’azione sanitizzante varia in funzione delle sostanze organiche, degli additivi, dell’umidità e del pH

• L’effetto battericida è stato documentato per un ampio spettro di microrganismi, batteri gram-positivi e gram-negativi, nelle cellule vegetative come nelle spore.

Alimenti & Bevande – Speciale sanificazione – Aprile 2015

Alimenti & Bevande – Speciale sanificazione – Aprile 2015

Negli anni 80 è stata individuata l’azione inattivante dell’ozono sui virus.

In particolare i virus incapsulati, per esempio il virus dell’epatite A (HAV), sono più resistenti dei virus non incapsulati, come il poliovirus; occorrono infatti 0.38

mg/mL di ozono in acqua per la completa inattivazione dell’HAV mentre 0.13 mg/mL, per il virus della polio.

Alimenti & Bevande – Speciale sanificazione – Aprile 2015

Recentemente sono stati effettuati alcuni studi per la degradazione delle micotossine mediante l’uso dell’ozono gassoso.

E’ stato riscontrato un significativo decremento, circa il 30%, nella concentrazione totale di aflatossine (B1+B2+G1+G2) ed in particolare dell’ aflatossina B1 in seguito al trattamento di 21 mg/L di O3 per 96 ore.

L’ozono ha agito effettivamente come agente fungicida in grado di controllare la produzione di aflatossine delle specie A.flavus e A.parasiticus.

In generale si può affermare che i batteri gram positivi sono più resistenti dei gram negativi, e che l’azione dell’ozono è maggiore sulle cellule

batteriche vegetative rispetto alle spore

La sensibilità all’ozono da parte dei virus è comparabile a quella dei batteri, anche se si tratta di inattivazione e non di distruzione,

come nel caso dei batteri

L’inattivazione dei virus avviene rapidamente ma richiede una maggiore somministrazione di

ozono

In seguito all’insufflamento di ozono gassoso nel succo di frutta, nello sciroppo di fruttosio, e nella farina di frumento, alcuni ricercatori (K-G Kim, et al.2001) hanno verificato che la concetrazione di ozono idoneo alla decontaminazione dai patogeni bersaglio non danneggia la qualità sensoriale del prodotto finale.

Una bassa concentrazione (O3<1ppm) per un tempo di contatto di alcuni giorni inibisce la crescita dei microrganismi sulla superficie dei prodotti vegetali durante la refrigerazione. Per il controllo delle muffe è efficace anche in ambienti non refrigerati, come ad esempio i silos per le granaglie.

Alimenti & Bevande – Speciale sanificazione – Aprile 2015

Nel settore ortofrutticolo l’ozono trova applicazione : • nell’abbattimento di etilene nelle celle, rallentando la

maturazione dei prodotti ed in particolare di quelli climaterici, e contemporaneamente per il controllo dello sviluppo di muffe e batteri nelle celle, sui bins e sul prodotto

• Nella sanificazione delle acque di calibratura (per evitare la proliferazione di microrganismi ed alghe nelle vasche e per evitare contaminazioni tra i vari prodotti) e delle acque di lavaggio dei prodotti di IV gamma

• nell’abbattimento di residui di farmaci e micotossine

(patulina, DON, ocratossina ecc.) su frutta, ortaggi e cereali (mais, frumento)

I VANTAGGI: • l’assenza di residui sulle superfici con cui entra a contatto

per la rapida decomposizione della struttura che ritorna velocemente allo stato di ossigeno molecolare;

• la possibilità di utilizzare acqua sanificata nei processi evitando di portare contaminazioni nei prodotti lavorati o di contaminare nuovamentele superfici durante le fasi di risciacquo e nei processi di detersione e sanificazione (CIP, acque di processo ecc.);

• la riduzione dell’uso di prodotti chimici per la disinfezione con conseguente riduzione dell’impatto ambientale e dell’impatto sugli impianti di depurazione;

• la riduzione dei consumi di acqua potabile necessari per i risciacqui dei disinfettanti tradizionali;

• la possibilità di sanificare gli ambienti con ozono gassoso, arrivando quindi anche nei punti difficilmente raggiungibili con disinfettanti liquidi o schiume

L’ozono, anche a bassa concentrazione (0.1mg/L), può causare irritazioni alle vie respiratorie ed agli occhi. L’esposizione di un’ora alla concentrazione di 15 mg/L è tossica per l’uomo e 95 mg/L sono letali. Secondo le normative in vigore un individuo non deve essere esposto ad una concentrazione di ozono superiore a 0,1 ppm in volume (0,2 mg / m3), e ad un massimo di 0,2 ppm in volume (0,4 mg /m3), per un tempo di esposizione di 10 min (USA – CFR 1997) e 0,3 ppm per 15 minuti per un massimo di due volte al giorno (UE). Le dotazioni personali per gli addetti ed i sistemi di sicurezza degli impianti e degli ambienti (rilevatori di O3 ad alta sensibilità dotati di allarme acustico) sono fondamentali per l’utilizzo delle tecniche di ozonizzazione nei processi produttivi dell’industria alimentare. Occorre quindi considerare attentamente tutte le misure precauzionali necessarie per garantire la sicurezza degli ambienti e degli addetti alle lavorazioni.

BIBLIOGRAFIA: Microbiological Aspects of Ozone Applications in Food: A Review

M.A. Khadre, A.E. Yousef, e J.G. Kim Journal of Food Science Vol. 66, N. 9 (1242-1252) 2001 Institute of Food Technologists Efficacy of ozone as a fungicidal and detoxifying agent of aflatoxins in peanuts Ernandes Rodrigues de Alencar, et al. Journal of the Science of Food and Agriculture n.92 (899–905) 2012 Wiley Online Library Use of ozone in the food industry

Zeynep B. Guzel-Seydim Swiss Society of Food Science and Technology vol. 37 (453–460) 2004 Elsevier Speciale sanificazione – Ozono, proprietà e virtù – Maria Chiara Venturini – Alimenti & Bevande anno XVII – 3 – Aprile 2015 Speciale sanificazione – Ozonizzazione, una tecnica “green” – Cristian Caboni – Alimenti & Bevande anno XVII – 3 – Aprile 2015

GAS PLASMA

• I trattamenti convenzionali per il controllo della flora microbica non sono sempre idonei per tutti gli alimenti, per questo la ricerca applicata sperimenta nuove tecniche di stabilizzazione, efficaci a temperature subletali per i microrganismi bersaglio.

• Tra queste tecniche, il gas plasma a bassa temperatura, ha suscitato negli ultimi anni l’interesse dei ricercatori di tecnologie alimentari per la capacità di inattivazione dei batteri, delle spore, dei funghi e del biofilm.

Il plasma può essere considerato il quarto stadio della materia, si può generare inducendo elettricamente una scarica in un gas, o in una miscela di gas, ottenendo un gas ionizzato. Questo produce una quantità di specie atomiche (fotoni, elettroni, ioni, radicali liberi, atomi eccitati ed atomi non eccitati) che inducono o catalizzano reazioni chimiche sulla superficie di ciò che è sottoposto al trattamento.

Cold Plasma Reduction of Salmonella and Escherichia coli O157:H7 on Almonds Using Ambient Pressure Gases - Brendan A. Niemira - Vol. 77, Nr. 3, 2012 Journal of Food Science

Per il gas plasma a bassa temperatura , come per molte altre tecniche di decontaminazione, il principale obiettivo è la membrana citoplasmatica; il bombardamento della parete cellulare con particelle cariche può indurre la rottura dei legami chimici e conseguenti lesioni localizzate, che la cellula non è in grado di riparare velocemente. In seguito al danneggiamento della membrana, la permeabilità è incrementata e di conseguenza le specie reattive ( i radicali liberi e le molecole nello stato eccitato) che si diffondono nella cellula possono reagire con macromolecole (i lipidi di membrana, le proteine e gli acidi nucleici) e danneggiare severamente la cellula microbica. Anche la tensione elettrostatica, generata dagli elettroni presenti nel plasma e dagli ioni che si accumulano sulla superfice della cellula, può causare la distruzione della membrana; si ottiene così un effetto molto simile alla perforazione causata dai campi elettrici pulsati.

Diverse potenziali applicazioni sono state studiate recentemente nell’ambito delle tecnologie alimentari riguardanti la disinfezione della superficie di vari alimenti quali uova, pollame, germogli e vegetali freschi pronti al consumo.

Questa tecnica è stata applicata con succeso anche per i materiali di confezionamento .

Microrganismo

bersaglio

Parametri di processo substrato Risultati conseguiti Riferimenti

bibliografici

Escherichia coli

Saccharomicyces

cerevisiae

Plasma freddo generato da

scariche in corrente alternata

(12kV-16kV)

Mango

melone

S.cerevisiae è risultato più resistente.

Una migliore inattivazione si ottiene

incrementando il voltaggio

Perni S, et al. (2008)

Escherichia coli

O157:H7

Salmonella spp.

Listeria

monocytogenes

Plasma generato a pressione

atmosferica con scariche a

corrente continua (9kV e

6-kHz)

Mela,

melone e

lattuga

L’inattivazione è stata rilevata in tutti i

substrati.

Critzer F, et al.(2007)

Escherichia coli Scariche con barriera

dielettrica

mandorla Riduzione >5log Deng X,et al. (2009)

Escherichia coli K12 Plasma generato a pressione

atmosferica. Il gas sottoposto

al campo elettrico è l’Elio

Filtro a

membrana

Maggiore è lo strato di cellule presenti e

minore è l’effetto del plasma.

L’inattivazione dipende anche dalla fase

di crescita delle cellule (latenza,

esponenziale, stazionaria, morte)

Yu H, Perni S, et al.

(2006)

La tecnica del gas plasma può essere una valida alternativa alle tradizionali procedure di lavaggio per i prodotti

ortofrutticoli freschi, pronti al consumo, poiché l’azione antimicrobica è comparabile ai trattamenti consolidati.

LA PECULIARITÀ DI QUESTA TECNICA È LA POTENZIALITÀ DI

SVOLGERE UN’AZIONE SINERGICA DI CONTROLLO MICROBICO E DI MANTENIMENTO DEGLI ASPETTI

ORGANOLETTICI ATTRAVERSO L’INATTIVAZIONE DEGLI ENZIMI CHE PROVOCANO LE MODIFICAZIONI CROMATICHE.

I risultati ottenuti da alcuni ricercatori nel trattamento con

plasma freddo nelle mele affettate, hanno sottolineato che, in generale, lo stress fisiologico sembra incrementare la durezza

dei tessuti vegetali e quindi, la frutta non necessiterebbe di agenti anti-rammolimento, quali i sali di calcio.

Una sperimentazione particolarmente interessante è quella effettuata per la decontaminazione di fragole confezionate. In questo caso il plasma freddo è stato generato all’interno della confezione sigillata contente la frutta fresca.

Alimenti & Bevande – Anno XVII – 5 – Giugno 2015

La composizione del gas presente nella confezione non modifica il tasso di respirazione e non induce fenomeni di stress con conseguenti modificazioni del colore, in cui i campioni sottoposti al gas plasma (trattati) non presentano variazioni significative dei parametri cromatrici rispetto alle fragole non trattate. I risultati di questa sperimentazione indicano le potenziali applicazioni della tecnologia del plasma freddo per la decontaminazione di alimenti confezionati.

Bibliografia: N.N. Misra, et al.” In-package atmospheric pressure cold plasma treatment of strawberries” Journal of Food Engineering 125 (2014) 131–138 Luigi Ragni, et al. “Non-thermal atmospheric gas plasma device for surface decontamination of shell eggs” Journal of Food Engineering 100 (2010) 125–132 Silvia Tappi, et al.” Atmospheric gas plasma treatment of fresh-cut apples” Innovative Food Science and Emerging Technologies 21 (2014) 114–122 Daniela Bermúdez-Aguirre, et al. “Effect of atmospheric pressure cold plasma (APCP) on the inactivation of Escherichia coli in fresh produce” Food Control 34 (2013) 149-157 N. N. Misra, et al., “Nonthermal Plasma Inactivation of Food-Borne Pathogens” Food Engineering Review (2011) 3:159–170 M. Moreau, et al., “Non-thermal plasma technologies: New tools for bio- decontamination” Biotechnology Advances 26 (2008) 610–617 M.Chiara Venturini “Sanificazione, le virtù del gas plasma” Alimenti & Bevande – Anno XVII – 5 – Giugno 2015

Grazie per l’attenzione

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