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Utilizzo della luce pulsata
per la decontaminazione
degli alimenti
M. Marino
Introduzione
Le tossinfezioni di origine alimentare causate dal consumo
di alimenti contaminati rimangono una delle
principali cause di malattia in tutto il mondo. Ovviamente
l’applicazione di strategie tecnologiche volte a
ridurre o eliminare i rischi microbiologici di origine
alimentare ha un impatto significativo sull’incidenza di
tali malattie. L’industria alimentare ha a disposizione
una gran varietà di metodi di conservazione degli alimenti,
tra cui i trattamenti termici ad alta temperatura,
la disidratazione, il congelamento e l’aggiunta di conservanti.
Anche se queste tecnologie sono in grado di
produrre alimenti sicuri, i trattamenti termici ad alta e a
bassa temperatura possono danneggiare alcuni componenti,
il che potrebbe compromettere la qualità degli alimenti.
Per evitare effetti indesiderati sui prodotti alimentari,
sono state sviluppate tecnologie non termiche
per produrre alimenti sicuri ma minimamente trattati
con un livello di qualità nutrizionale e organolettica soddisfacente.
Le più promettenti tra queste tecnologie
emergenti comprendono l’utilizzo delle alte pressioni, i
campi elettrici pulsati e la luce pulsata.
La capacità della luce ultravioletta (UV) continua e
della luce visibile di inattivare i microrganismi è piuttosto
nota. Negli ultimi anni è stato introdotto un nuovo
metodo, che utilizza energia elettrica ad alta potenza
per generare impulsi di luce ad alta intensità, i quali
esercitano un forte effetto battericida sulle superfici
degli alimenti e degli ambienti in cui vengono
preparati.
Principio dei sistemi
a luce pulsata
L’utilizzo della luce pulsata è una tecnologia non termica
per la conservazione degli alimenti che prevede
l’impiego di impulsi luminosi ad ampio spettro intensi
e di breve durata per garantire la decontaminazione
microbica delle superfici di alimenti o materiali di
imballaggio. L’efficacia di inattivazione della luce pulsata
dipende dall’intensità, misurata in Joule per cm 2
(J/cm 2 ), e dal numero di impulsi. Il sistema comprende
tre componenti principali: l’alimentatore, il dispositivo
di configurazione degli impulsi e la lampada.
L’energia è immagazzinata per un periodo relativamente
lungo (una frazione di secondo) in un condensatore
ad alta potenza, dal quale viene rilasciata a una
speciale lampada allo xeno in un tempo molto più
breve (da nanosecondi a millisecondi). Questa energia
immagazzinata sulla lampada produce un impulso di
luce intensa che viene focalizzata sulla zona da
trattare, il che dura in genere poche centinaia di
microsecondi. La luce prodotta dalla lampada comprende
lunghezze d’onda ad ampio spettro, dall’UV al
vicino infrarosso. L’effetto microbicida della luce pulsata
aumenta all’aumentare dell’intensità della luce. La
frequenza degli impulsi, il numero di lampade e la configurazione
degli impulsi dipendono dal tipo di applicazione.
Il principale bersaglio cellulare della luce pulsata è il
DNA microbico (batterico, virale e fungino), che
viene modificato fino a causare l’incapacità dei microrganismi
di moltiplicarsi e, infine, la morte cellulare. La
luce UV è dotata di proprietà germicide nell’intervallo
di lunghezze d’onda tra 100 e 280 nm. Diversi studi
hanno dimostrato che le lunghezze d’onda minori
sono più efficaci contro i microrganismi rispetto a
quelle maggiori a causa del livello di energia più elevato.
L’azione letale della luce pulsata può anche essere
dovuta ad un effetto fototermico. Applicando energie
superiori a 0,5 J/cm 2 la disinfezione viene infatti
ottenuta anche grazie a un temporaneo surriscaldamento
risultante dall’assorbimento della luce UV. L’acqua
contenuta nelle cellule batteriche viene così
vaporizzata, generando un piccolo flusso di vapore
che causa la rottura della membrana e la fuoriuscita di
materiale cellulare, oltre a una inattivazione delle proteine.
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Limitazioni all’uso
della luce pulsata
L’efficacia della luce pulsata dipende dal grado di
esposizione dei microrganismi: ad esempio, la sterilizzazione
dei prodotti confezionati è possibile solo se la
confezione è trasparente ai raggi UV. Inoltre, negli alimenti
che sono generalmente opachi e hanno superfici
irregolari l’effetto di inattivazione microbica è inferiore:
generalmente, nei fluidi non trasparenti la luce
pulsata può essere utilizzata solo come trattamento di
superficie nei primi 2 micron di spessore. Va anche
sottolineato che i microrganismi possono penetrare
attraverso fessure o irregolarità presenti sulla superficie
degli alimenti o attraverso l’epidermide di un vegetale:
questo può ridurre l’effetto del trattamento con
luce pulsata.
Anche la composizione degli alimenti influenza l’effetto
di decontaminazione con luce pulsata: un contenuto
elevato in proteine o grassi non è infatti adatto a
questo tipo di trattamento. È possibile che parte della
radiazione venga assorbita dalle proteine e dai grassi,
cosa che ridurrebbe la quantità di radiazione disponibile
per l’inattivazione microbica. Il contenuto di carboidrati
e acqua negli alimenti hanno effetti sull’efficienza
antimicrobica che dipendono anche dal tipo di
microrganismo.
L’efficacia del trattamento dipende anche dalla concentrazione
microbica: per esempio, nel caso di Listeria
monocytogenes, ad elevati livelli di contaminazione
corrisponde una decontaminazione meno efficiente,
probabilmente per un effetto “ombra”; questo effetto è
particolarmente marcato nel caso dei prodotti liquidi.
È per questo motivo che il trattamento con luce pulsata
è particolarmente efficace quando viene applicato
alla fine delle fasi di processo, prima cioè di qualsiasi
aumento nella concentrazione di microflora
endogena.
I trattamenti degli alimenti con luce pulsata sono considerati
tecnologie non-termiche, intese a garantire
prodotti alimentari stabili e sicuri senza che si verifichino
i danni provocati dal riscaldamento: in realtà il
riscaldamento è stato identificato come il principale
problema durante la maggior parte delle sperimentazioni.
Ad esempio, il tempo massimo di trattamento
di spore di Aspergillus niger in farina di mais è limitato
ai 100 s, in quanto la temperatura del campione sale al
di sopra di 120 °C, cosa che potrebbe portare a una
modifica delle proprietà nutrizionali e organolettiche,
causata sia dal surriscaldamento che dall’ossidazione.
I risultati di molti studi dimostrano che la temperatura
aumenta all’aumentare dei tempi di trattamento, e
che un trattamento di lunga durata è compatibile
solamente con un efficiente sistema di raffreddamento.
Il trattamento con luce UV pulsata può quindi essere
considerato come un processo non termico, ma solo se
effettuato per intervalli di tempo brevi.
Inattivazione microbica
negli alimenti
Vegetali e frutta
L’effetto di decontaminazione con la luce pulsata è stato
studiato su diversi ortaggi minimamente trattati. Su
spinaci, sedano rapa, radicchio, lattuga Iceberg, cavolo
bianco, carote, peperone verde e semi di erba medica
trattati con 2700 impulsi per lato si sono ottenute
0,56-2,04 riduzioni logaritmiche della carica di microrganismi
aerobi mesofili. Le differenze ottenute per i
diversi vegetali possono essere attribuite alla resistenza
delle microflore specifiche, alla localizzazione dei
microrganismi su e nei vegetali (effetto “ombra”) e
all’eventuale presenza di sostanze protettive sui vegetali
stessi. Per quanto riguarda la frutta, l’utilizzo della
luce pulsata è stato testato su fragole artificialmente
contaminate con Botrytis cinerea, la cui crescita non è
stata inibita dal trattamento.
Alimenti in polvere e semi
Per quanto riguarda la decontaminazione di alimenti
in polvere, sono stati studiati farina di frumento e pepe
nero. Un trattamento di 31,12 J/cm 2 (64 impulsi) ha
consentito di ridurre il numero di cellule di Saccharomyces
cerevisiae di 0,7 e 2,93 log nella farina di grano
e pepe nero, rispettivamente. Nella farina di mais le
spore di Aspergillus niger vengono ridotte di 4,93 log
dopo 100 secondi di trattamento a una dose di energia
di 5,6 J/cm 2 . L’utilizzo della luce pulsata è stato tentato
anche su semi di erba medica artificialmente contaminati
con Escherichia coli O157:H7: un trattamento
per 75 secondi ha determinato un calo di 4,89 log
quando la lampada era posta alla distanza di 8 cm.
Latte e prodotti lattiero-caseari
La popolazione microbica di cagliate di formaggio
Cottage inoculate con Pseudomonas spp. è stata ridotta
di 1,5 log dopo 2 impulsi con una energia di 16 J/cm 2
e una durata di impulso di 0,5 ms. È stata studiata
anche la decontaminazione di latte di massa: un’esposizione
a 25 J/cm 2 ha portato a una riduzione della
microflora aerobia mesofila e delle specie potenzialmente
patogene E. coli O157: H7, L. monocytogenes, Salmonella
choleraesuis, Yersinia enterocolitica, Staphylococcus
aureus, Aeromonas hydrophila e Serratia marcescens.
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Altri alimenti
Del miele inoculato con spore di Clostridium sporogenes è
stato trattato con luce pulsata al 5,6 J/cm 2 per impulso.
All’aumentare del numero di impulsi (o del tempo di
trattamento) aumenta il grado di inattivazione delle
spore, lo stesso riducendo la distanza tra il campione e
la lampada UV, anche se non è stato possibile ottenere
l’inattivazione completa delle spore, probabilmente per
un effetto barriera del miele stesso nei confronti della
penetrazione dei raggi UV. L’efficacia antimicrobica del
trattamento con luce pulsata è stata testata anche in
campioni di filetti di salmone crudo: E. coli O157: H7 è
stato ridotto di 1,09 log con un trattamento di 60 secondi
a una distanza di 8 cm, mentre per L. monocytogenes
Scott A la riduzione massima è stata di 1,02 log.
Acqua
Per quanto riguarda i campioni liquidi, è stata studiata
l’inattivazione di batteri (Klebsiella terrigena), virus
(poliovirus e rotavirus) e parassiti (Cryptosporidium
parvum) in campioni trattati con luce pulsata a 250
mJ/cm 2 : con due impulsi è stata ottenuta una
riduzione di più di 7 log nella popolazione di K. terrigena
e di più di 4 log per virus e parassiti. Nei confronti
di spore di Bacillus subtilis sospese in acqua, un
trattamento a 15,8 J/cm 2 con tre impulsi ha consentito
una riduzione di 6 log.
Conclusioni
I trattamenti con luce pulsata rappresentano una tecnologia
piuttosto promettente per l’inattivazione microbica
negli alimenti. Tutti i risultati finora pubblicati hanno
dimostrato una elevata efficienza di inattivazione,
tuttavia la generazione di impulsi richiede una quantità
considerevole di energia e un efficace sistema di raffreddamento
esterno. In condizioni di laboratorio le
potenzialità della luce pulsata sono state dimostrate
molto chiaramente; tuttavia il tasso di decontaminazione
negli alimenti è più limitato. Sebbene la potenza
di picco degli impulsi sia piuttosto alta a causa della
breve durata, sembra che la luce pulsata non penetri
molto profondamente nei prodotti alimentari. Sono
pertanto necessari ulteriori approfondimenti scientifici
per valutare la reale applicabilità di questa tecnologia
per la decontaminazione dei prodotti alimentari.
Marilena Marino
Dipartimento di Scienze degli Alimenti
Università degli Studi di Udine
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