Aplicaciones de la luz ultravioleta en la conservación de alimentos

Aplicaciones de la luz ultravioleta enla conservación de alimentosStella M. AlzamoraUniversidad de Buenos Aires, ArgentinaCONICETinnova 2007Tercer Simposio Internacional de Innovación y Desarrollo de AlimentosLATU, Montevideo, 8-10 de octubre 2007

RADIACIÓN UV-CLa presencia de una operación unitaria para destruirmicroorganismos es vital para lograr inocuidad yestabilidad en alimentos mínimamente procesadosTecnología alternativa para inactivar microorganismossin el uso de calor o con tratamientos térmicos poco severosequipamiento de bajo costoOBJETIVOSaplicaciones en la conservación de alimentoscinética de inactivación microbiana y cambios en la calidad (frutas ysubproductos) adopción más amplia a nivel industrial

Historia1878- 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 devapor 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 losbarcos en USA.1955- Instalaciones prácticas de desinfección UV para agua potable enSuiza y Austria.Actualidad- Más de 2000 instalaciones en Europa y 1000 en USA para laobtención de agua potable y en sistemas de pozos, sólo o encombinación con cloro.

Región ultravioleta del espectro electromagnéticoEspectro electromagnéticoRayoscósmicosRayosGamaRayosXUltraVioletaLuzvisibleInfrarrojoMicroondasOndasradiales100 nm 400nmUV vacíoUV lejanoUV-CUV-BUV cercanoUV-A100nm 200nm 300nm 400nmEscala expandida de radiación ultravioletaOnda corta (UV-C) = 200 – 280 nmOnda media (UV-B) = 280 – 315 nmOnda larga (UV-A) = 315 – 400 nmUV de vacío = 100 – 200 nm→ germicida en rango 250-280 nm (máximo 254 nm)→ quemado piel y eventualmente cáncer piel→ tostado piel

Fuentes de RadiaciónRadiación solarFuentes artificiales

Radiación solarEl sol emite radiaciones en un ancho rango de longitudes de onda pero laintensidad de luz UV que alcanza la superficie terrestre depende de laatenuación por la atmósfera (absorción y dispersión)UV-CCompletamente absorbidaozonooxígeno molecularAlgo de UV-B y casi toda UV-AAlcanza superficie terrestreIntensidad de UV-A a nivel del mar: 35 - 50 W/m 21 h de exposición Dosis de 200 kJ/m 2FOTOPRODUCTOS POTENCIALMENTELETALES

La vida no sería posible si no existieran procesos de reparación parareducir el daño causado por UV-A

Fuentes artificiales de radiación UV-CLámparas de mercurio de baja presiónDesde el punto de vista eléctrico similares a lasfluorescentesSin cubierta de fósforoCon tubo de cuarzo“Monocromáticas” (90% de emisión a 253,7 nm)

Mecanismos de acción de la radiación UV-CInteracción con los ácidos nucleicos (pico absorción 253 – 265 nm)Dímeros de pirimidina (tiamina y citosina) entredos bases adyacentes en la misma rama delADN (interferencia del apareamiento normal debases y bloqueo de la reproducción)Aductos de pirimidinaEntrecruzamiento ADN – proteínasRuptura de las ramas de ADNEntrecruzamiento de los aminoácidos aromáticos a nivel de la doble unión C-Ccon desnaturalización de proteínas [depolarización en membranas y flujo iónicoanormal] (pico absorción 280 nm)

Mecanismos de reparación (fotoreactivación)Reparación fotoenzimática: los dímeros semonomerizan enzimáticamente en presencia deluzReparación por escisión y resíntesis: seremueven secciones de ADN dañado y seresintetizanReparación por replicación: las secciones nodañadas del ADN se replican y se combinanformando una molécula idéntica a la originalA dosis altas de UV-C, el daño excede la capacidad de los sistemas dereparación.

Resistencia de los microorganismos a UV-CDeterminada por su habilidad de reparar el daño causado en el DNA• Gram-negatives• Gram-positives• yeast• bacterial spores• molds• virusesAumento deresistencia

Aplicaciones de la radiación UV-CInactivación de microorganismos en superficies(envases y alimentos)Destrucción de microorganismos en aireInactivación de microorganismos en líquidosHormesis por UV-C

Ventajas de la radiación UV-CProceso “en frío” y “en seco”De bajo costoNo deja residuosNo origina productos secundarios indeseablesFactores críticos del proceso Homogeneidad del campo de aplicación y del flujo del producto Composición del producto (ley de Lambert-Beer, coeficiente de absorción de UV-C) (contenido sólidos, color, composición química, etc.), transparencia Espesor del camino de radiación Salida espectral (λ) y dosis de la radiación (irradiancia x tiempo de exposición)IFT, 2000

Inactivación demicroorganismos ensuperficies

UV-C + almacenamiento refrigeradoRodajas de zucchini (cv. Tigress)Dosis UV-C1’: 0,49 kJ/m 210’: 4,9 kJ/m 220’: 9,8 kJ/m 2Hongos y levaduras Bacterias aerobiasA t > 12 días a 10ºC, lesiones superficiales marrones rojizas, atribuibles a la acumulaciónde compuestos fenólicos inducida por UV-C.(Erkan , Wang y Krizek, 2001)

UV-C + almacenamiento refrigerado (10ºC)Cubos de melón CantaloupecontrolUV posteriorbajo UVFirmezaFlora de deterioroDosis UV-C: 0,012 kJ/m 2Aplicación durante el corte y después del corte.UV-C en ambas aplicaciones mejora la vida útil pero el corte bajo UV-Cconduce a mejor calidad.(Lamikanra, Kueneman, Ukuku y Bett-Garber., 2005)

2015∆E*BI1050504540353025201510500 10 20 30Tiempo de exposición (min)UV-Cescaldado + UV-CAsc + Ca 2+ + UV-CEfecto de la dosis de UV-C en la Diferencia Totalde Color y en el Índice dePardeamiento demanzanas con y sinpretratamientosalmacenadas durante 7días a 4-5 ºC0 5 10 15 20 25 30Tiempo de exposición (min)(Gómez et al., 2007)

UV-C + almacenamiento refrigerado403632ControlArándano15 kJ/m 2 Evolución de la luminosidadL*282440 kJ/m 288 kJ/m 2203000 1 2 3 4 5 6 7 8 9Tiempo (día)Control 15 kJ/m2 40 kJ/m2 88 kJ/m215 kJ/m 2L* y la tonalidad del color(h*) de arándanos duranteel almacenamientorefrigeradoh*-30-60-90-120Dosis de UV-C: 0 – 88 kJ/m 2Control40 kJ/m 2 88 kJ/m20 1 2 3 4 5 6 7 8 9Tiempo (día)control 15 kJ/m2 40 kJ/m2 88 kJ/m2

Ubicación de las muestras y dosis de UV-Cventilador11 cmlámpara35,5 cm510 cm 10 cm11cm2 41lámparafuentepar actinométrico ioduro depotasio- iodato de potasioCabina de UV-C (vista superficial)8 KI + KIO 3+ 3 H 2O + hν → 3I 3- + 6 OH - + 9 K +0Log (N/No)-1-2-3Inactivación de Listeria innocuaen rodajas de pera sometidas aUV-C en función del tiempo deexposición y de la posición-40 5 10 15 20Tiempo (min)1 5 central 3Schenk, Gómez, Guerrero y Alzamora, 2006

Desinfección de huevoAerobios, hongos y Salmonella typhimuriumEfecto de la matriz en lainactivaciónSalmonella typhimuriumKuo, Carey & Ricke, 1997

Hormesis por UV-C

HormesisRespuesta benéfica de la planta, resultante de la aplicación de unadosis baja de un agente estresante, incluyendo la radiación UV-C(0,12 á 9,0 kJ/m 2 )Inhibición de patógenos fúngicos (fitoalexinas, quitinasa,glucanasa, etc)Retardo de la maduración

Inactivación demicroorganismos enlíquidos

FDA Approves the Use of Ultraviolet Radiation November for 30, Juice 2000Juice

Limitaciones de la UV-Cfalta 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 conalto contenido de HIERROfalta de efectividad• en presencia de sólidos suspendidos - aglomerados de bacterias

Efecto de los sólidos suspendidos y la velocidad de flujo en ladesinfección UV de sidra de manzanaEquipo: Cider-Suremodel 1500,Macedon, NYKoutchoma et al., 2004

UV-C y pasteurización de jugos- California Day- Fresh Fruits, Inc. USA.Jugos frescos refrigerados (línea Naked Foods): zanahoria,mezclas de vegetales- Milo’s Restaurant Services, Inc., Birmingham, USATé

AGUAAguapurificadaEl agua entra al purificador yfluye en el espacio anular entreel tubo de cuarzo y la pared dela cámaraCámara de aceroinoxidableIndicador visual deoperaciónLámpara germicida enenvoltura de cuarzoPURIFICADOR UV-C PARA AGUARayos ultravioletasExposición del agua a la radiaciónultravioleta

FuturoMayor implementación industrial de UV-C mejorar laeficiencia 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 delos microorganismos resistentes. Tratamientos específicos orientados a productos, con evaluación de dosis- respuesta (“screening” previo) de flora microbiana nativa e inoculada yde factores de calidad en forma sistemática, para seleccionar entreaquellas combinaciones equivalentes la que permita maximizar la calidad. Cuantificación y control de los factores críticos del proceso; protocolos deanálisis estandarizados, estudios sistemáticos.