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.