Aplicaciones de la luz ultravioleta en la conservación de alimentos

Aplicaciones de la luz ultravioleta en
la conservación de alimentos
Stella M. Alzamora
Universidad de Buenos Aires, Argentina
CONICET
innova 2007
Tercer Simposio Internacional de Innovación y Desarrollo de Alimentos
LATU, Montevideo, 8-10 de octubre 2007
La presencia de una operación unitaria para destruir
microorganismos es vital para lograr inocuidad y
estabilidad en alimentos mínimamente procesados
RADIACIÓN UV-C
Tecnología alternativa para inactivar microorganismos
sin el uso de calor o con tratamientos térmicos poco severos
equipamiento de bajo costo
OBJETIVOS
aplicaciones en la conservación de alimentos
cinética de inactivación microbiana y cambios en la calidad (frutas y
subproductos)
adopción más amplia a nivel industrial
Historia
1878- Primer reporte sobre los efectos germicidas de la energía radiante
(Downs y Blunt).
1901- Aplicación práctica de UV a partir del desarrollo de la lámpara de
vapor de Hg como fuente artificial.
1905- Reconocimiento del cuarzo como la envoltura ideal de la lámpara.
1910- Desinfección de agua, Marsella.
1916 y 1926- Desinfección de agua y provisión de agua potable para los
barcos en USA.
1955- Instalaciones prácticas de desinfección UV para agua potable en
Suiza y Austria.
Actualidad- Más de 2000 instalaciones en Europa y 1000 en USA para la
obtención de agua potable y en sistemas de pozos, sólo o en
combinación con cloro.
Región ultravioleta del espectro electromagnético
Espectro electromagnético
Rayos
cósmicos
Rayos
Gama
Rayos
X
Ultra
Violeta
100 nm
UV vacío
100nm
Luz
visible
200nm
Microondas
Ondas
radiales
400nm
UV lejano
UV-C
Infrarrojo
UV cercano
UV-B
300nm
UV-A
400nm
Escala expandida de radiación ultravioleta
Onda corta (UV-C) = 200 – 280 nm
Onda media (UV-B) = 280 – 315 nm
Onda larga (UV-A) = 315 – 400 nm
UV de vacío = 100 – 200 nm
→ germicida en rango 250-280 nm (máximo 254 nm)
→ quemado piel y eventualmente cáncer piel
→ tostado piel
Fuentes de Radiación
Radiación solar
Fuentes artificiales
Radiación solar
El sol emite radiaciones en un ancho rango de longitudes de onda pero la
intensidad de luz UV que alcanza la superficie terrestre depende de la
atenuación por la atmósfera (absorción y dispersión)
UV-C
Completamente absorbida
ozono
oxígeno molecular
Algo de UV-B y casi toda UV-A
Alcanza superficie terrestre
Intensidad de UV-A a nivel del mar: 35 - 50 W/m2
1 h de exposición
Dosis de 200 kJ/m2
FOTOPRODUCTOS POTENCIALMENTE
LETALES
La vida no sería posible si no existieran procesos de reparación para
reducir el daño causado por UV-A
Fuentes artificiales de radiación UV-C
Lámparas de mercurio de baja presión
’Desde el punto de vista eléctrico similares a las
fluorescentes
’Sin cubierta de fósforo
’Con tubo de cuarzo
’“Monocromáticas” (90% de emisión a 253,7 nm)
Mecanismos de acción de la radiación UV-C
Interacción con los ácidos nucleicos (pico absorción 253 – 265 nm)
Dímeros de pirimidina (tiamina y citosina) entre
dos bases adyacentes en la misma rama del
ADN (interferencia del apareamiento normal de
bases y bloqueo de la reproducción)
Aductos de pirimidina
Entrecruzamiento ADN – proteínas
Ruptura de las ramas de ADN
Entrecruzamiento de los aminoácidos aromáticos a nivel de la doble unión C-C
con desnaturalización de proteínas [depolarización en membranas y flujo iónico
anormal] (pico absorción 280 nm)
Mecanismos de reparación (fotoreactivación)
Reparación fotoenzimática: los dímeros se
monomerizan enzimáticamente en presencia de
luz
Reparación por escisión y resíntesis: se
remueven secciones de ADN dañado y se
resintetizan
Reparación por replicación: las secciones no
dañadas del ADN se replican y se combinan
formando una molécula idéntica a la original
A dosis altas de UV-C, el daño excede la capacidad de los sistemas de
reparación.
Resistencia de los microorganismos a UV-C
Determinada por su habilidad de reparar el daño causado en el DNA
•
•
•
•
•
•
Gram-negatives
Gram-positives
yeast
bacterial spores
molds
viruses
Aumento de
resistencia
Aplicaciones de la radiación UV-C
’Inactivación de microorganismos en superficies
(envases y alimentos)
’Destrucción de microorganismos en aire
’Inactivación de microorganismos en líquidos
’Hormesis por UV-C
Ventajas de la radiación UV-C
Proceso “en frío” y “en seco”
De bajo costo
No deja residuos
No origina productos secundarios indeseables
Factores críticos del proceso
9
9
Homogeneidad del campo de aplicación y del flujo del producto
9
9
Espesor del camino de radiación
Composición del producto (ley de Lambert-Beer, coeficiente de absorción de UVC) (contenido sólidos, color, composición química, etc.), transparencia
Salida espectral (λ) y dosis de la radiación (irradiancia x tiempo de exposición)
IFT, 2000
Inactivación de
microorganismos en
superficies
UV-C + almacenamiento refrigerado
Rodajas de zucchini (cv. Tigress)
Dosis UV-C
1’: 0,49 kJ/m2
10’: 4,9 kJ/m2
20’: 9,8 kJ/m2
Hongos y levaduras
Bacterias aerobias
A t > 12 días a 10ºC, lesiones superficiales marrones rojizas, atribuibles a la acumulación
de compuestos fenólicos inducida por UV-C.
(Erkan , Wang y Krizek, 2001)
UV-C + almacenamiento refrigerado (10ºC)
Cubos de melón Cantaloupe
control
UV posterior
bajo UV
Firmeza
Flora de deterioro
Dosis UV-C: 0,012 kJ/m2
Aplicación durante el corte y después del corte.
UV-C en ambas aplicaciones mejora la vida útil pero el corte bajo UV-C
conduce a mejor calidad.
(Lamikanra, Kueneman, Ukuku y Bett-Garber., 2005)
20
∆E*
15
10
5
0
0
10
20
BI
Tiempo de exposición (min)
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
Tiempo de exposición (min)
30
UV-C
escaldado + UV-C
Asc + Ca 2+ + UV-C
25
Efecto de la dosis de UVC en la Diferencia Total
de Color y en el Índice de
Pardeamiento de
manzanas con y sin
pretratamientos
almacenadas durante 7
días a 4-5 ºC
30
(Gómez et al., 2007)
UV-C + almacenamiento refrigerado
40
Arándano
Control
36
15 kJ/m2
L*
32
28
40 kJ/m2
88 kJ/m2
24
20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tiempo (día)
88 kJ/m2
40 kJ/m2
15 kJ/m2
Control
30
15 kJ/m2
0
Evolución de la luminosidad
L* y la tonalidad del color
(h*) de arándanos durante
el almacenamiento
refrigerado
Dosis de UV-C: 0 – 88 kJ/m2
h*
-30
Control
-60
-90
88 kJ/m2
40 kJ/m2
-120
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tiempo (día)
control
15 kJ/m2
40 kJ/m2
88 kJ/m2
Ubicación de las muestras y dosis de UV-C
lámpara
3
5
ventilador
11 cm
10 cm
5,5 cm
10 cm
11cm
4
2
f
u
e
n
t
e
par actinométrico ioduro de
potasio- iodato de potasio
1
lámpara
8 KI + KIO3 + 3 H2O + hν → 3I3- + 6 OH- + 9 K+
Cabina de UV-C (vista superficial)
0
Log (N/No)
-1
Inactivación de Listeria innocua
en rodajas de pera sometidas a
UV-C en función del tiempo de
exposición y de la posición
-2
-3
-4
0
5
10
15
20
Tiempo (min)
1
5 central
3
Schenk, Gómez, Guerrero y Alzamora, 2006
Desinfección de huevo
Aerobios, hongos y Salmonella typhimurium
Efecto de la matriz en la
inactivación
Salmonella typhimurium
Kuo, Carey & Ricke, 1997
Hormesis por UV-C
Hormesis
Respuesta benéfica de la planta, resultante de la aplicación de una
dosis baja de un agente estresante, incluyendo la radiación UV-C
(0,12 á 9,0 kJ/m2)
Inhibición de patógenos fúngicos (fitoalexinas, quitinasa,
glucanasa, etc)
Retardo de la maduración
Control de enfermedades de frutas y vegetales
Alimentos “Orgánicos”
Luz UV-C vs fungicidas
Tratamiento pre-almacenamiento sobre vegetales ya cosechados –
eventualmente sobre plantas antes cosecha.
ej. En uvas, desarrollo de defensa contra Botrytis cinerea al cabo de
24-48h del tratamiento UV-C.
Desarrollo de actividad de peroxidasa y fenilalanina-amonio-liasa
(PAL) e inducción de fitoalexinas como el resveratrol.
Uvas irradiadas con UV-C : alimento funcional debido al efecto
mejorador en la salud de este componente biológicamente activo.
Inactivación de
microorganismos en
líquidos
November
2000
FDA Approves the Use of Ultraviolet Radiation
for30,Juice
Juice
Limitaciones de la UV-C
falta de penetración
• pierde 30% de intensidad
– 40 cm por debajo de la superficie de AGUA DESTILADA
– 10 cm por debajo de la superficie de AGUA de MAR
– 5 cm en solución 10% SACAROSA o en agua mineral con
alto contenido de HIERRO
falta de efectividad
• en presencia de sólidos suspendidos - aglomerados de bacterias
Efecto de los sólidos suspendidos y la velocidad de flujo en la
desinfección UV de sidra de manzana
Equipo: Cider-Sure
model 1500,
Macedon, NY
Koutchoma et al., 2004
UV-C y pasteurización de jugos
9- California Day- Fresh Fruits, Inc. USA.
Jugos frescos refrigerados (línea Naked Foods): zanahoria,
mezclas de vegetales
9- Milo’s Restaurant Services, Inc., Birmingham, USA
Té
AGUA
Agua
purificada
El agua entra al purificador y
fluye en el espacio anular entre
el tubo de cuarzo y la pared de
la cámara
Cámara de acero
inoxidable
Indicador visual de
operación
Lámpara germicida en
envoltura de cuarzo
Rayos ultravioletas
Exposición del agua a la radiación
ultravioleta
PURIFICADOR UV-C PARA AGUA
Futuro
Mayor implementación industrial de UV-C
eficiencia
mejorar la
™ Factores de estrés adicionales aplicados a niveles subletales
- simultáneamente durante la aplicación del factor “no térmico”
incrementando la inactivación
- en forma secuencial a la aplicación de éste, inhibiendo el crecimiento de
los microorganismos resistentes.
™ Tratamientos específicos orientados a productos, con evaluación de dosis
- respuesta (“screening” previo) de flora microbiana nativa e inoculada y
de factores de calidad en forma sistemática, para seleccionar entre
aquellas combinaciones equivalentes la que permita maximizar la calidad.
™ Cuantificación y control de los factores críticos del proceso; protocolos de
análisis estandarizados, estudios sistemáticos.