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Artículo técnico

Plasmas no térmicos a presión atmosférica en aplicación poscosecha para el saneamiento de frutas y hortalizas

Uta Schnabel, Mathias

Andrasch, Jörg

Stachowiak, Thomas Weihe, Jörg Ehlbeck y Oliver Schlüter uta.schnabel@inp-greifswald.de

2017

Artículo técnico

Poscosecha

Plasmas no térmicos a presión

AUTORES

atmosférica en aplicación poscosecha para el saneamiento de frutas y hortalizas

Índice Título

Leibniz

Institute

for

Plasma

Science and Technology

Página

1. Motivación

2. Tecnologías tradicionales

3. Métodos alternativos de higienización

4. Plasmas no térmicos

▪

Uta Schnabel

a presión atmosférica

▪

Mathias Andrasch

5. Ejemplos de la ciencia

▪

Jörg Stachowiak

6. Conclusión

▪

Thomas Weihe

Cuadro 1 - Breve descripción

▪

Jörg Ehlbeck

de los diferentes tipos de plasma frío

Cuadro 2 - Características técnicas y parámetros que influyen para describir

el tratamiento de plasma Bibliografía

Cítanos

Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy ▪

Oliver Schlüter

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1. Motivación Los productos frescos y mínimamente procesados tienen una vida útil limitada de varios días, lo que sólo permite una distribución local en el caso de los últimos. La vida útil limitada y las pérdidas asociadas de productos frescos tienen varias causas, pero dependen particularmente de la contaminación microbiana en todas las etapas de la cadena de valor. La contaminación microbiana también puede causar enfermedades transmitidas por los alimentos, que ocurren anualmente y en todo el mundo. Frutas y verduras frescas, como por ejemplo hojas verdes, patatas, tomates, brotes y bayas, pueden verse afectadas. La Administración de Alimentos y Fármacos de los Estados Unidos (FDA, por sus siglas en inglés) los enumeró a todas bajo los diez alimentos más riesgosos en su Informe 2009 sobre Center for Science in the Public Interest (CSPI). Las hortalizas de hoja están en la parte superior de la lista. En Estados Unidos, la incidencia de brotes de enfermedades transmitidas por alimentos incrementó de 0,7% en los años setenta a 33% en 2012 [2]. La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (AESA), mencionó en su informe sobre las zoonosis de 2011, 5.648 reportes de brotes de enfermedades transmitidas por alimentos en 2011 con más de 200.000 casos humanos confirmados [3]. Entre otros, los brotes fueron causados por toxinas de Bacillus, Campylobacter, Clostridium, E. coli (principalmente Escherichia coli productora de Verotoxina (VTEC) y Listeria, Yersinia. En frutas y hortalizas listas para consumir, así como en producto lavado

cortado,

también

detectaron

contaminaciones

con

estos

microorganismos.

Ejemplos de especímenes tratables y productos alimenticios, como frutas y hortalizas frescas, así como envasados. Además, granos, semillas y otros productos a granel secos

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En los brotes de E. coli, el 50% de los productos implicados fueron hortalizas, jugos y otros productos relacionados, lo que se remonta más notablemente a un gran brote de síndrome hemolítico-urémico (HUS) y diarrea sanguinolenta asociada con toxina tipo shiga, producida por E. coli (STEC) O104:H4, que tuvo lugar en el norte de Alemania entre mayo y julio de 2011. Este brote es el mayor registrado hasta la fecha en Alemania y, según el número de casos de HUS, el brote más grande de este tipo en todo el mundo. Como vehículo más probable de la infección se identificaron brotes de fenogreco. En total, se notificaron 3.793 casos de STEC, incluidos 827 casos de HUS con muerte de 35 pacientes y 2.966 casos de gastroenteritis aguda con muerte de 18 pacientes. En relación con el brote, internacionalmente se identificaron 137 casos, incluidos 54 casos de HUS, en 15 países europeos y no europeos. En Alemania, en 2012, se informó de un gran brote de 10.952 casos de norovirus, asociado con el consumo de fresas congeladas importadas de China [4, 5]. Además, más de cien (103) casos de hepatitis A se produjeron en 2012-2013 en Dinamarca, Finlandia, Noruega y Suecia, asociados con las fresas congeladas [6, 7]. Estos son sólo ejemplos del notable impacto de las enfermedades transmitidas por los alimentos sobre la salud de los consumidores y las consecuencias directas e indirectas, costos y pérdidas. Las Buenas Prácticas Agrícolas (GAP, por sus siglas en inglés), la implementación y el cumplimiento de las normas y certificados son pasos básicos en términos de seguridad alimentaria. Sin embargo, la presencia esporádica de agentes patógenos en los productos frescos requiere técnicas eficaces de saneamiento para reducir las cargas microbianas sin que ocurran efectos negativos sobre la calidad del producto. Debido a la significativa importancia económica, existe una gran demanda por técnicas suaves de sanitización en la producción y procesamiento de productos frescos.

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2. Tecnologías tradicionales Los métodos convencionales de descontaminación y limpieza de alimentos frescos se basan en la aplicación de calor, pasteurización, refrigeración y congelación o enjuague con agua. Algunos de estos métodos se basan en el tratamiento térmico letal, como la pasteurización con vapor, el autoclavado, la calefacción óhmica, etc. Estas tecnologías térmicas tienen efectos secundarios sobre las propiedades nutricionales, sensoriales y funcionales de los alimentos tratados. La congelación es un método de procesamiento importante para las frutas y hortalizas importadas, especialmente bayas. Por ejemplo, el 95% de las frambuesas producidas en Serbia, uno de los principales productores de frambuesa en el mundo y el principal exportador de la UE, están congeladas [8]. Esta tecnología utilizada para prolongar la vida útil de las bayas no es capaz de reducir la carga microbiana que se producen durante la cosecha y las etapas previas del cultivo. Durante el procesamiento y el consumo de los frutos, estas contaminaciones pueden brotar y causar enfermedades transmitidas por los alimentos. Por ejemplo, la Salmonella tiene la capacidad de sobrevivir a la congelación [9], y se ha demostrado que la Salmonella puede sobrevivir en fresas enteras congeladas [10], así como en jugos y purés de fresas [11, 12]. La presencia de Norovirus en frambuesas congeladas se ha relacionado con brotes de gastroenteritis en Finlandia [13] y en el caso de las fresas congeladas, a un gran brote de síntomas similares en Alemania [4]. Los frutos implicados en estos brotes habían sido congelados, lo que demuestra la capacidad de estos virus para sobrevivir y seguir siendo infecciosos después de someterse a un proceso de congelación. Los brotes de infección por hepatitis A también se han relacionado con bayas congeladas [14, 15]. Por lo tanto, es importante el desarrollo de métodos de desinfección y limpieza alternativos respetuosos con el medio ambiente, pero también deben tenerse en cuenta la compatibilidad del producto, los costes, el impacto medioambiental, el impacto en la calidad del producto y las disposiciones reglamentarias [16].

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3. Métodos alternativos de higienización En los últimos años se han estudiado y desarrollado métodos alternativos de higienización no térmica con desinfectantes químicos como ozono, cloro, agua electrolizada y ácido peracético, o tratamientos físicos tales como alta presión hidrostática, campo eléctrico pulsado, campo magnético oscilante, irradiación UV o gamma y ultrasonido de alta potencia [17-19]. Estos procesos retienen la calidad de los alimentos mejor que los métodos convencionales; sin embargo, tienen sus propios inconvenientes. Son costosos, requieren

equipo

especializado,

así

como

personal

capacitado,

son

completamente inofensivos para los consumidores o no pueden lograr el éxito deseado, o incluso afectan negativamente la calidad del producto [19]. Además, deben considerarse las cuestiones de aceptación y seguridad de los consumidores [20]. La FDA (Food and Drug Administration de los Estados Unidos) aprobó el uso de hipoclorito de sodio, dióxido de cloro, peróxido de hidrógeno, ácido peracético y ozono como desinfectantes para las frutas y hortalizas frescas y mínimamente procesadas [21, 22]. La higienización con productos de cloro es popular y se ha utilizado intensivamente en la industria alimentaria [23]. Sin embargo, el aumento de las preocupaciones de salud pública en términos de la posible formación de compuestos orgánicos clorados como las cloraminas y trihalometanos, ha planteado dudas sobre el uso de cloro, especialmente por la industria de productos recién cortados [24, 25]. Los trihalometanos fueron clasificados como posibles carcinógenos humanos por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA, por sus siglas en inglés) [26]. Por otra parte, la exposición prolongada a los vapores de cloro podría resultar en irritación de la piel y del tracto respiratorio de los trabajadores [27]. La seguridad y eficacia del cloro podría ser eventualmente la razón de la implementación de restricciones por parte de las agencias reguladoras en Estados Unidos [28]. Algunos países europeos, entre ellos Alemania, los Países Bajos, Suiza y Bélgica, prohibieron el uso del cloro en productos de conveniencia [29]. En algunos países, también se restringe el uso de hipoclorito de sodio.

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En Alemania, el cloro residual o sus productos de reacción deben estar ausentes en las hortalizas mínimamente procesadas a nivel de consumidor y no causar efectos adversos sobre el olor y el sabor del producto. Además del deterioro del producto, puede existir un peligro para la salud del consumidor. En Francia, su utilización no está autorizada, sino sólo tolerada para la desinfección de productos mínimamente transformados y el enjuague subsiguiente con agua potable es obligatorio. El mismo proceso se debe hacer en los Estados Unidos, que permite el uso de este producto químico, pero sólo con el posterior lavado para eliminar el exceso de producto [30]. La tendencia es que tales prohibiciones se amplíen, por lo que son preferibles alternativas para minimizar el uso de cloro o reemplazar este desinfectante. El ozono es un potente agente oxidante y esterilizante utilizado en pequeñas concentraciones y corto tiempo de contacto con el producto. Dado que el producto de la degradación es el oxígeno, el ozono tiene la gran ventaja de no ser una fuente de contaminación [31]. El ozono puede utilizarse como desinfectante en forma de gas o disuelto en agua. En el primero de los casos, la duración de la exposición es más larga (1-4 h) que el ozono disuelto en agua (1-10 minutos) [32]. En la década de 1990, Japón, Francia y Australia permitieron el uso de ozono en la industria alimentaria y la FDA declaró el ozono como un producto generalmente reconocido como seguro, o GRAS (Generally Recognized As Safe), por sus siglas en inglés [32, 33]. Posteriormente se modificó la regulación estadounidense para permitir su uso en fases tanto acuosas como gaseosas para el tratamiento, conservación y transformación de los alimentos [32].

Los tratamientos de hortalizas y frutas mostraron una disminución considerable en los recuentos de moho y bacterias, sin causar ningún cambio en su composición química y la calidad sensorial [34, 35]. La lechuga fresca, lavada con agua ozonizada y envasada en ozono, mostró una extensión de la vida útil [36]. Aunque el ozono es un desinfectante eficaz, tiene algunas limitaciones cuando se utiliza en los alimentos. Además, debido a su corta vida útil, el ozono debe generarse en el momento, ya que el almacenamiento no es posible [37]. El ozono es un gas muy inestable y corrosivo.

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La descomposición del ozono requiere procesos elaborados dependiendo de los tipos de radicales formados en la solución y de varios tipos de materia orgánica en el medio que induce, promueve o inhibe la cadena de reacción [38]. Además, las bajas dosis de ozono, que pueden inactivar cultivos microbianos puros, pueden ser ineficientes contra virus, esporas y quistes. En los últimos años, el agua electrolizada ácida ha sido investigada como una de las tecnologías avanzadas para el procesamiento no térmico de alimentos. El agua electrolizada ácida se desarrolló en Japón y se utiliza como un desinfectante en la industria alimentaria para reducir o eliminar las poblaciones bacterianas en productos alimenticios, superficies de procesamiento de alimentos y superficies de contacto no alimentarias. Esta tecnología fue aprobada como un aditivo alimentario por Japón y los EE.UU. hace más de 10 años [39, 40]. El agua electrolizada se prepara por electrólisis de una solución acuosa de cloruro de sodio a bajas concentraciones de 0,2% o menos en una celda electrolítica con un diafragma entre un lado catódico y un lado anódico. Otra posibilidad es el uso de solución de ácido clorhídrico a una concentración del 2 al 6% en una celda electrolítica sin un diafragma de separación [41 - 44]. Muchos estudios científicos han confirmado el fuerte efecto antimicrobiano contra la mayoría de las células bacterianas viables, bacterias patógenas y no patógenas, y esporas, virus y hongos tanto in vitro como en diferentes alimentos y productos agrícolas (frutas y superficies vegetales) [45-49]. El agua electrolizada ácida tiene muchas ventajas, especialmente frente a los desinfectantes con cloro. Impacta el medio ambiente menos adversamente, ya que se genera sólo por la electrólisis del agua y una solución de sal diluida [40, 45, 50-52]. Además, cuando se expone a la materia orgánica, o se diluye con el agua del grifo, se convierte en agua ordinaria otra vez. Dado que no se requieren productos químicos concentrados durante su producción, se ha informado que es más seguro para el usuario [53 - 55]. Es más eficaz, menos peligrosa y menos costosa que la mayoría de los métodos tradicionales de conservación como el glutaraldehído [56, 57], el hipoclorito de sodio y el ácido acético [58]. La principal desventaja del agua electrolizada ácida es la rápida pérdida de su actividad antimicrobiana debido a la pérdida de cloro [59, 60]. Esto es obvio cuando la solución no se suministra continuamente con H+, HOCl y Cl2 por electrólisis [61] a un pH inferior a 2,5.

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La alta presión hidrostática se utiliza cada vez más para estabilizar los jugos de frutas no tratados térmicamente y obtener productos con calidad sensorial superior [62]. En puré de fresas se obtuvo una reducción de al menos 5 lg de Salmonella enterica (una mezcla de 4 serovares Montevideo, Newport, St-Paul y Stanley) para presiones iguales o superiores a 300 MPa aplicadas durante 20 min a 21°C [63]. Cuando se utilizó para descontaminar el puré de fresa antes de la congelación, se obtuvo la misma reducción después de unos días de almacenamiento a -1°C, usando presiones más bajas, entre 200 y 300 MPa [63]. Según este estudio, la alta presión hidrostática debería reducir el riesgo de Salmonella en fresas procesadas en un grado similar al de los tratamientos térmicos aplicados habitualmente a los zumos de frutas. Sin embargo, el impacto de las altas presiones hidrostáticas sobre Salmonella depende en gran medida de los serovares de Salmonella y del sustrato de la fruta [62]. Otro método alternativo posible podría ser la aplicación de plasmas no térmicos a presión atmosférica. 4. Plasmas no térmicos a presión atmosférica

¿Qué es el plasma físico? Una breve definición

Son de gran interés los desinfectantes alternativos, que garantizan una baja carga microbiana en combinación con el mantenimiento de una alta calidad de los productos durante la vida útil. Un enfoque físico prometedor es la aplicación de plasma no térmico (NTP, por sus siglas en inglés) generado a presión atmosférica.

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Los plasmas son gases ionizados que contienen partículas neutras y una alta proporción de partículas cargadas libres como iones y electrones. La aplicación de plasma no térmico a presión atmosférica es una disciplina innovadora con creciente atención en el campo del procesamiento de alimentos y una tecnología no térmica emergente para reducir la carga microbiana en la superficie de alimentos frescos y procesados. Por lo tanto, las aplicaciones potenciales de plasma no térmico a presión atmosférica para la industria alimentaria son múltiples y tienen un potencial específico para el tratamiento de los alimentos [64 - 66]. La descontaminación en seco de las superficies de los alimentos, de alimentos granulares y en partículas, y de semillas brotadas podría llevarse a cabo con ese método. Además, podría esterilizarse la superficie del material de embalaje [67 - 69]. El plasma no térmico se implementa en la industria alimentaria para la descontaminación de productos agrícolas crudos tales como manzanas, lechugas, almendras, mangos, melones, superficies de huevo, carne cocida y queso [64, 70]. El plasma no térmico también es adecuado para procesos en los que no se recomiendan altas temperaturas [68, 71]. En el procesamiento de alimentos, es de interés la aplicación directa del denominado "plasma frío" (cuadro 1), así como el tratamiento semi-directo o indirecto con plasma térmico, ya que pueden usarse para tratar los alimentos a bajas temperaturas (< 70°C). Para aplicaciones en el sector alimentario, se debe dar preferencia a los procesos realizados a presión atmosférica (por ejemplo, chorro de plasma, descargas de barrera dieléctrica) porque permiten el control continuo del proceso y no aceleran las transiciones de fase indeseables en comparación con aplicaciones a presión reducida (p < 1013 mbar) o baja presión (p <10 mbar) [72].

Componentes físicos y químicos del plasma con efectos antimicrobianos / biológicos

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5. Ejemplos de la ciencia Los alimentos tratados con plasma se exponen a los componentes reactivos de la misma manera que los microorganismos contaminantes. Por lo tanto, el objetivo es lograr la mayor reducción posible del recuento de microbios con el menor efecto posible sobre la calidad de los alimentos. Se han llevado a cabo investigaciones con compuestos aislados sobre los cambios de sustancias relacionadas con los alimentos. Se observaron pérdidas de sustancias en función del sistema de plasma y el tiempo de exposición [73 - 75]. El impacto en la composición química de los sistemas vegetales sólo se ha estudiado con canónigos (Valerianella locusta) [76, 77]. Después del tratamiento con plasma, se reportó un aumento del contenido de flavonoides [77]. La razón detrás de este aumento observado aún no ha sido aclarada. Las micrografías electrónicas de barrido de superficies de plantas tratadas con plasmas a baja temperatura revelaron cambios debidos a fenómenos de erosión en la epidermis superior. El tratamiento con plasma de las hojas frescas de espinaca y posterior almacenamiento en frío (24 h) causó decoloraciones [78, 79]. Hasta la fecha, rara vez se han investigado los posibles cambios sensoriales [80, 81]. La cinética de inactivación de los microorganismos debido al tratamiento con plasma está también muy influenciada por la estructura de la superficie [82-88] y, por tanto, varía fuertemente dependiendo de la superficie del alimento [85, 88, 89]. Por lo tanto, las investigaciones que utilizan sistemas modelo no pueden ser simplemente transferidas a las condiciones que prevalecen en superficies complejas de alimentos.

Ejemplos para el tratamiento de alimentos mediante plasma de presión atmosférica no térmica. Lado izq.: Tratamiento plasmático de la lechuga de cordero por chorro de plasma kINPen09. Lado dcho.: Tratamiento con plasma de semillas de rábano por chorro de plasma kINPen09

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La eficiencia del método también depende de las propiedades específicas del producto. Por lo tanto, la entrada de energía específica, el calentamiento del producto y la distribución de la temperatura son tan importantes como las propiedades del material, la composición, la geometría y si el material que se está tratando tiene una forma uniforme, en piezas, en polvo o es un líquido. Los poros, las aberturas capilares, un alto contenido de agua y la capacidad de amortiguación influyen en la eficacia de inactivación del plasma. La temperatura de proceso es un parámetro particularmente adecuado para la evaluación comparativa de los métodos de plasma. También pueden utilizarse otros parámetros como, p. ej., la distribución de energía de los electrones, la composición del plasma y la entrada de energía específica. Sin embargo, han sido difíciles de determinar hasta ahora. Los parámetros relevantes seleccionados se enumeran en el cuadro 2. La mayoría de los estudios realizados hasta ahora han utilizado productos alimenticios en partículas. Sin embargo, los alimentos líquidos, como, por ejemplo, los zumos, también pueden ser tratados con plasma [90, 91].

Ejemplo para el tratamiento alimentario mediante plasma de presión atmosférica no térmica. Semillas de eneldo (Anethum graveolens) tratadas con descarga de barrera dieléctrica (DBD). Foto pequeña: DBD con plasma activado, configuración de electrodo en forma de anillo

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Los datos disponibles actualmente revelan que es posible obtener reducciones de los recuentos microbianos en los alimentos de hasta 6 unidades logarítmicas, en algunos casos incluso hasta 8 unidades lg [72]. Sin embargo, no se pueden extraer conclusiones generales de estas observaciones individuales. También se está investigando el uso de plasma para descontaminar la superficie de productos sensibles como, por ejemplo, los productos mínimamente procesados [92, 93]. Se debe tener en cuenta que los cultivos bacterianos también pueden crecer de forma invasiva en el alimento (por ejemplo, a través de los estomas de las hojas de la planta) o migrar a los tejidos de los alimentos de manera que el tratamiento con plasma pueda no alcanzarlos [87]. A escala industrial, se publicaron recientemente dos estudios. Dentro de una publicación un arreglo de descarga de barrera dieléctrica (DBD) se utilizó para envasar lechuga recién cortada con reducciones significativas, mientras que el otro trabajo utilizó una descarga de microondas indirectamente para el saneamiento de lechuga recién cortada durante el lavado y enjuague con una reducción de 2 unidades lg de carga nativa [94, 95].

Los posibles microorganismos utilizados para la inoculación artificial son Gram-negativos, Gram-positivos, esporas de hongos o bacterias, así como virus y hongos en sí. Lado dcho.: Placas de agar no tratadas y tratadas con plasma con Pectobacterium carotovorum.

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6. Conclusión Los productos o grupos de productos tratados con plasma deben someterse a una evaluación caso por caso. El proceso de plasma debe ser descrito con respecto a sus parámetros técnicos. Hasta ahora no se han realizado investigaciones sobre si se forman compuestos tóxicos debido al tratamiento con plasma. En el caso de que el tratamiento con plasma conduzca a cambios significativos y afecte el valor nutricional, la composición y/o el contenido de sustancias indeseables en los alimentos, los productos tratados deben considerarse en el ámbito de Novel Food Regulation (Regulación de Nuevos Alimentos de la UE). El posible impacto de los alimentos a inducir algún tipo de respuesta alérgica también requiere investigación. El tratamiento con plasma abre nuevas perspectivas para reducir el recuento microbiano en las superficies de los alimentos. Para una evaluación de la salud, los datos microbiológicos suficientemente fundamentados son todavía demasiado escasos. Según el estado actual de los conocimientos, los productos tratados con plasma deben evaluarse caso por caso. Se necesitan más investigaciones sobre las vías de inactivación y el impacto químico de los plasmas no térmicos a presión atmosférica en el tejido vegetal y dependen del trabajo y la cooperación interdisciplinaria e internacional, así como de las redes que se ocupan de este tema de investigación. Por último, pero no menos importante, esta investigación innovadora se basa en el apoyo de la industria, la política y los gobiernos. Los plasmas no térmicos pueden ayudar a una nutrición segura y suficiente.

Ilustración de la visión de cómo el tratamiento con plasma de los alimentos frescos para los aspectos de saneamiento puede realizarse en el futuro

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Cuadro 1 - Breve descripción de los diferentes tipos de plasma frío Tipo

Descripción

Ejemplos

El plasma directo está en contacto directo Chorro con el sustrato. Directo

descarga

plasma, barrera

Interacción basada en la irradiación (VUV, dieléctrica (DBD) UV), moléculas cargadas, radicales y partículas reactivas Distancia entre plasma y sustrato es DBD

mucho más grande que la trayectoria libre hueco, media de la partícula. Semidirecto

hay

interacciones

proceso

peróxido con

superficie

con

Sterrad hidrógeno

partículas activado con plasma

cargadas. Efecto

antimicrobiano

debido

irradiación, radicales de larga duración, así como

metaestables

sustancias

inhibidoras Irradiación con luz UV y VUV. Plasma Lámparas UV encerrado en un reactor transparente a UV Indirecto

/ VUV. Ninguna interacción con las partículas plasmáticas El plasma se utiliza para tratar gas o Generador de ozono, p. ej., líquidos

Indirecto

para tratamiento de agua para beber, aire procesado por plasma (PPA) basado en

descarga

microondas

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Cuadro 2 - Características técnicas y parámetros que influyen para describir el tratamiento de plasma Sistemas individuales

Categoría

Ejemplo de parámetros Composición actual del

Parámetros del plasma

gas Geometría Presión Tipo de generación de plasma

Sistema

Voltaje Parámetros de aplicación

Volumen de la cámarea Presión del tratamiento

Parámetros del product

Dosificación Temperatura del proceso Area/volume a tratar

Radiación

Distribución

del

poder

spectral Partículas cargadas

Densidad de los electrons Densidad de los iones Distribución de la energía de los iones

Plasma Partículas neutras

Densidad Tiempo de vida Reactividad Temperatura Tipo

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