Aplicaciones de la luz ultravioleta en la conservación de alimentos

Stella M. Alzamora

Universidad de Buenos Aires, ArgentinaCONICET

innova 2007Tercer 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

OBJETIVOSaplicaciones en la conservación de alimentos

cinética de inactivación microbiana y cambios en la calidad (frutas y subproductos) 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 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 enSuiza 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 electromagnéticoRayos

cósmicosRayos Gama

Rayos X

Ultra Violeta

Luz visible Infrarrojo Microondas Ondas

radiales

UV cercano

UV-AUV-BUV-C

UV lejanoUV vacío

100 nm 400nm

100nm 200nm 300nm 400nmEscala expandida de radiación ultravioleta

Onda corta (UV-C) = 200 – 280 nm → germicida en rango 250-280 nm (máximo 254 nm)Onda media (UV-B) = 280 – 315 nm → quemado piel y eventualmente cáncer pielOnda larga (UV-A) = 315 – 400 nm → tostado pielUV de vacío = 100 – 200 nm

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

ozonooxígeno molecular

Algo de UV-B y casi toda UV-AAlcanza 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 presiónDesde 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

AumentoAumento de de resistenciaresistencia

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

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 de microorganismos en

superficies

UV-C + almacenamiento refrigeradoRodajas 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)

0

5

10

15

20

0 10 20 30Tiempo de exposición (min)

∆E*

UV-Cescaldado + UV-CAsc + Ca 2+ + UV-C

05

101520253035404550

0 5 10 15 20 25 30Tiempo de exposición (min)

BI

Efecto de la dosis de UV-C 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

(Gómez et al., 2007)

UV-C + almacenamiento refrigerado

20

24

28

32

36

40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Tiempo (día)

L*

Control 15 kJ/m2 40 kJ/m2 88 kJ/m2

-120

-90

-60

-30

0

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Tiempo (día)

h*

control 15 kJ/m2 40 kJ/m2 88 kJ/m2

Arándano

88 kJ/m240 kJ/m2

Control 15 kJ/m2

Evolución de la luminosidad L* y la tonalidad del color (h*) de arándanos durante el almacenamiento refrigerado

Control

15 kJ/m2

40 kJ/m2 88 kJ/m2

Dosis de UV-C: 0 – 88 kJ/m2

Ubicación de las muestras y dosis de UV-C

fuente2 4

3

1

510 cm10 cm 11cm11 cm

ventilador5,5 cm

lámpara

lámpara

fuente2 4

3

1

510 cm10 cm 11cm11 cm

ventilador5,5 cm

lámpara

lámpara

par actinométrico ioduro de potasio- iodato de potasio

8 KI + KIO3 + 3 H2O + hν → 3I3- + 6 OH- + 9 K+Cabina de UV-C (vista superficial)

-4

-3

-2

-1

0

0 5 10 15 20

Tiempo (min)

Log

(N/N

o)

1 5 central 3

Inactivación de Listeria innocuaen rodajas de pera sometidas a UV-C en función del tiempo de exposición y de la posición

Schenk, Gómez, Guerrero y Alzamora, 2006

Desinfección de huevoAerobios, hongos y Salmonella typhimurium

Salmonella typhimurium

Efecto de la matriz en la inactivación

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

FDA Approves the Use of Ultraviolet Radiation for JuiceJuice

November 30, 2000

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-Suremodel 1500, Macedon, NY

Koutchoma 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, USA

Té

AGUA

El agua entra al purificador y fluye en el espacio anular entre el tubo de cuarzo y la pared de la cámara

Exposición del agua a la radiación ultravioleta

Rayos ultravioletas

Lámpara germicida en envoltura de cuarzo

PURIFICADOR UV-C PARA AGUA

Cámara de acero inoxidable

Indicador visual de operación

Agua purificada

Futuro

Mayor implementación industrial de UV-C mejorar la eficiencia 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.