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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.