Reaktor plazmy nietermicznej do sterylizacji produktów organicznych (szczególnie przypraw)

  • 01.07.2015
  • 2452
  • Źródło: RCIiTT ZUT w Szczecinie

Nietrwałość produktów, ich umiejętne zabezpieczenie oraz konieczność usunięcia szkodliwych drobnoustrojów, stanowi trudne wyzwanie dla producentów żywności. Zastosowanie podstawowych metod prewencji nie zawsze jest możliwe, ze względu na obniżenie walorów jakościowych artykułów spożywczych tj. przyprawy.

Wydział Nauk o Żywności i Rybactwa wraz z Wydziałem Elektrycznym Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie przeprowadził badanie optymalizacji procesu sterylizacji przypraw. W wyniku prowadzonych prac nad technologią zimnej plazmy otrzymane zostało rozwiązanie technologiczne, które pozwala osiągnąć zadowalające rezultaty.

W literaturze naukowej zamieszczono do tej pory stosunkowo niewiele informacji nt. zastosowania sterylizacji przy użyciu zimnej plazmy, co pozwala uznać jednostkę naukową za jednego z pionierów w tej dziedzinie oraz potwierdza wysoką innowacyjność omawianego rozwiązania.


Geneza projektu:

Rynek przypraw należy uznać za mocno rozwinięty. Jedynie w Stanach Zjednoczonych, w 2010 r. wolumen importowanych artykułów wyniósł ok. 608 mln kg (w tym ok. 73 mln kg stanowił import czarnego pieprzu). Jednocześnie, należy zwrócić uwagę, że wraz ze wzrostem wielkości spożycia przypraw, rośnie liczba przypadków ich zanieczyszczenia, np. bakteriami z rodzaju Salmonella (występuje ona w ok. 6,6% przypadków), które
w temperaturze 25 st. C i w wilgotności do 40%, są w stanie przeżyć ponad 400 dni.

Jakość żywności (której wyznacznikiem jest np. trwałość) uzależniona jest od wielu czynników, zarówno fizycznych (tj. temperatura i czas przechowania, ekspozycja na promieniowanie świetlne, wilgoć), jak i biologicznych (tj. obecność mikroflory). Psucie się artykułów spożywczych  może stanowić wynik wystąpienia wielu szkodliwych mikroorganizmów, do których można zaliczyć m.in.:
- niektóre gatunki bakterii mlekowych,
- bakterie propionowe,
- bakterie octowe,
- bakterie masłowe,
- drożdże,
- pleśnie,
i wiele innych.

W raporcie European Food Safety Authority (EFSA) i European Centre for Disease Prevention and Control (ECDC) potwierdzono, że najczęstszą przyczynę chorób stanowią m.in. Campylobacter, Salmonella, Yersinia, Eschericha coli oraz Listeria.

O ile w przypadku czynników fizycznych, istnieje możliwość kontroli środowiska przechowania, o tyle ilość oraz rodzaj mikroorganizmów należy uznać za czynnik krytyczny, nie zawsze zależny od przechowującego. Konieczność usunięcia szkodliwych drobnoustrojów z bezpośredniego otoczenia przechowywanych artykułów, stanowi zatem trudne wyzwanie dla producentów żywności. Podstawową metodą zwalczenia bakterii i grzybów stanowi poddawanie produktu działaniu wysokiej temperatury. Jednakże zastosowanie tej metody może skutkować zmianą zapachu, barwy oraz masy produktów tj. przyprawy (np. pieprz, czy papryka). Sterylizacja termiczna wymienionych produktów prowadzi do zredukowania bakterii z rodzaju Bacillus i Clostridium oraz zarodnikami pleśni, jednakże kosztem występowania znacznych zmian sensorycznych. W prostszych słowach, przyprawy sterylizowane przy użyciu klasycznych metod mogą charakteryzować się obniżoną jakością, tj. walory smakowe.

Badania nad zastosowaniem zimnej plazmy w technologii żywności zostały zrealizowane m.in. w Polsce. Wydział Nauk o Żywności i Rybactwa wraz z Wydziałem Elektrycznym Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie przeprowadził analizę możliwości sterylizacji przypraw. W wyniku przeprowadzonych prac otrzymano urządzenie, które generuje zimną (niskotemperaturową), nierównowagową plazmę w warunkach atmosferycznych. Należy zwrócić uwagę, że do tej pory w literaturze naukowej zamieszczono stosunkowo niewiele informacji nt. zastosowania sterylizacji przy użyciu zimnej plazmy, co pozwala uznać jednostkę naukową za pioniera w tej dziedzinie oraz potwierdza wysoką innowacyjność omawianego rozwiązania.

Opis rozwiązania:
Plazma to inaczej gaz neutralnie zjonizowany, składający się z elementów tj. fotony, elektrony, dodatnie
i ujemne jony, atomy, wzbudzone i niewzbudzone cząsteczki, itp.
Zespół badawczy pracował już na 8 różnych reaktorach, w tym na 5 własnej konstrukcji.

Przedmiotem opisu wynalazku w niniejszym raporcie jest reaktor plazmy nietermicznej do sterylizacji produktów organicznych. Proces zachodzi w przestrzeni między elektrodami, w środowisku gazowym, składającym się np.
z argonu, azotu, tlenu, nadtlenku wodoru, tlenków azotu, itp. Istnieje możliwość modyfikacji składu gazu, w celu dobrania środowiska odpowiedniego dla konkretnego produktu. Proces sterylizacji plazmowej można prowadzić zarówno w ciśnieniu normalnym (atmosferycznym), jak i obniżonym (mówimy wówczas o generowaniu plazmy
w próżni).

Elementy składowe reaktora stanowią:
a) komora reaktora wraz z obudową oraz podstawą stabilizującą jej ustawienie;
b) dwie elektrody:
- ruchoma i wieloigłowa elektroda górna, umieszczona na izolowanej platformie ruchomej (suwakach)
i przyłączona poprzez przepust elektryczny z wysokim potencjałem;
- elektroda dolna (uziemiająca), posiadająca perforacje (np. siatka lub blacha), połączona z potencjałem uziemiającym.
c) dielektryk (wykonany ze stali nierdzewnej, szkła lub tlenku glinu), umożliwiający dielektryczne wyładowanie barierowe;
d) cztery ogniwa peltiera;
e) cztery wentylatory do chłodzenia ogniw peltiera;
f) izolatory górnej elektrody.

Reaktor charakteryzuje się mocą od 0 do 350 W i napięciem od 0 do 30 kV. Zasilanie elektrod odbywa się za pomocą wysokonapięciowych impulsów elektrycznych. Możliwość zmiany parametrów pozwala na elastyczną modyfikację plazmy.

W omawianym rozwiązaniu, plazma w komorze generowana jest w wyniku podania wysokiego napięcia do układu elektrod, dielektryk zamocowany pod górną elektrodą umożliwia dywersyfikację rodzajów wyładowań, które zachodzą w komorze reaktora. W wyniku jego zastosowania, możliwe jest uzyskanie zarówno wyładowania koronowego (poprzez wieloigłową elektrodę), jak i dielektrycznego wyładowania barierowego.

Zastrze
żenia patentowe:
Zastrzeżenia patentowe dotyczą kilku modeli produktu: poczynając od najprostszej formy (reaktor wyposażony
w komorę, podstawę oraz elektrody), po modele z pełnym wyposażeniem (na które składają się ogniwa peltiera, wentylatory do chłodzenia ogniw, dielektryk, izolatory, cyrkulator).

Ponadto, pomysłodawcy projektu dysponują następującymi zgłoszeniami patentowymi:
- "Sposób sterylizacji przypraw" nr PL405861 (autorzy: Maciej Grabowski, Waldemar Dąbrowski);
- "Sposób sterylizacji przypraw" nr PL408384 (autorzy: Maciej Grabowski, Waldemar Dąbrowski, Michał Balcerak, Marcin Hołub, Stanisław Kalisiak);
- "Reaktor plazmy nietermicznej do sterylizacji produktów pochodzenia organicznego" nr PL412032 (autorzy: Maciej Grabowski, Waldemar Dąbrowski, Michał Balcerak, Marcin Hołub, Stanisław Kalisiak, Tomasz Jakubowski, Mariusz Chyla);
- "Non-thermal plasma reactor for the sterilization of organic products" nr EP15461539 (autorzy: Maciej Grabowski, Waldemar Dąbrowski, Michał Balcerak, Marcin Hołub, Stanisław Kalisiak, Tomasz Jakubowski, Mariusz Chyla).

Korzyści z zastosowania wynalazku

Atutem technologii plazmy nietermicznej jest elastyczność realizacji procesu sterylizowania produktów organicznych. Wynika to ze skalowalności m.in. z takich cech, jak moc, napięcie, czas pracy, dobór odległości elektrod. Należy również zwrócić uwagę, że proces sterylizacji może zostać zoptymalizowany również dzięki uwzględnieniu struktury produktu oraz parametrów tj. gęstość, czy grubość.

Omawiane rozwiązanie dedykowane jest przede wszystkim podmiotom z branży spożywczej. Użycie niskotemperaturowej plazmy atmosferycznej niskotemperaturowej, działającej w temperaturze nie wyższej, niż 40 st. C, umożliwia znaczące zmniejszenie mikroflory bakteryjnej.

Poniżej przykłady zastosowania technologii zimnej plazmy, dostępne w literaturze naukowej:
- mleko (zarówno pełnotłuste, półtłuste, jak i odtłuszczone): redukcja bakterii Escherichia coli o 54% (po poddaniu próbek działaniu plazmy przez 3 minuty) oraz redukcja ogólnej liczby bakterii z poziomu 7,78 log jtk/ml do poziomu 3,63 log jtk/ml (po poddaniu próbek działaniu plazmy przez 20 minut). Należy zwrócić uwagę, że działanie plazmy nie wpłynęło na cechy fizyko-chemiczne mleka, tj. pH, czy barwa;
- liście kukurydzy: dekontaminacja mikrobiologiczna (usunięcie i dezaktywacja szkodliwych drobnoustrojów);
- warzywa tj. sałata, szpinak, pomidory i ziemniaki. Efektem eksperymentu była znaczna redukcja mikroflory, m.in. bakterii Salmonella typhimurium;
- orzechy: w wyniku doświadczenia polegającego na zastosowaniu niskociśnieniowej plazmy nietermicznej, wyeliminowano w znacznym stopniu bakterie Aspergillus parasiticus, znajdujące się na ich powierzchni. Ponadto, po 5-minutowym procesie sterylizacji plazmowej osiągnięto również spadek występowania komórek pleśni (stosując powietrze zaobserwowano zmniejszenie rzędu 1 log, natomiast stosując heksafluorek siarki (gaz SF6) - zmniejszenie o 5 log);
- zboża i rośliny strączkowe: zadowalające efekty pasteryzacyjne zaobserwowano w wyniku oddziaływania plazmy na występujące w produktach zarodniki Aspergillus oraz Penicillium;
- przyprawy (tj. pieprz, czy papryka): zwłaszcza w ostatnim przypadku, z uwagi na zmiany sensoryczne przypraw wynikające ze sterylizacji termicznej, materiał należy poddawać alternatywnym formom sterylizacji (tj. promieniowanie jonizujące, czy stanowiąca przedmiot niniejszego raportu sterylizacja przy użyciu zimnej plazmy). Rezultatem oddziaływania sterylizacji plazmowej, było zmniejszenie występowania w papryce zarodników Aspergillus flavus oraz Bacillus cereus o 3 log.

Ponadto, wg informacji zawartych w literaturze naukowej, przeprowadzono badania oddziaływania zimnej plazmy na enzymy polifenolooksydazy (tyrozynaza) i peroksydazy, które wpływają na brązowienie świeżych warzyw
i owoców. W wyniku prac eksperymentalnych zaobserwowano, że zastosowanie tej technologii efektywnie (do 90%) obniża aktywność tych enzymów, co może przedłużyć trwałość handlową niektórych surowców i produktów.

Podsumowanie:
Podsumowując powyżej przedstawione uwarunkowania należy stwierdzić, że proces sterylizacji plazmowej niesie ze sobą nowe możliwości dekontaminacji mikrobiologicznej produktów spożywczych, mimo, iż nie prowadzi on do pełnej eliminacji mikroorganizmów, a jedynie pomaga zredukować negatywne efekty ich oddziaływania na żywność. Dla każdego rodzaju surowców i produktów spożywczych należy ustalać odrębne warunki prowadzenia procesu - rodzaj gazu, czas, rodzaj generowanej plazmy. Jednakże, na podstawie niniejszego raportu należy wysnuć wniosek, że dzięki wprowadzonemu rozwiązaniu, produkowane artykuły charakteryzują się większą sterylnością, przez co dłużej są w stanie utrzymać świeżość oraz walory smakowe.

Szczegółowych informacji nt. technologii udzielą:
Rafał Ślusarczyk: 91 449-43-58
rslusarczyk@zut.edu.pl

Maciej Grabowski: 696-738-630
maciejgrabowski.mg@gmail.com

Projekt współfinansowany z programu "Inkubator Innowacyjności" realizowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach projektu systemowego "Wsparcie systemu zarządzania badaniami naukowymi oraz ich wynikami", Priorytet I, Działanie 1.1., Poddziałanie 1.1.3. Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, 2007-2013.

Wcześniejsze artykuły


Newsletter - nowości wprost na e-mail
)