Niskotemperaturowe utrwalanie żywności pochodzenia zwierzęcego – Ogólnopolski Informator Masarski

W przetwórstwie żywności najczęściej stosuje się tradycyjne procesy oparte na wydzielaniu energii, takie jak ogrzewanie. Generalnie znane są nam trzy stany materii, czyli ciała stałe, ciecze i gazy. Plazma zwana jest czwartym stanem skupienia. Jak jednak wyjaśnić to zjawisko? Gdy materiały pozyskują energię (np. przez ogrzewanie), zmieniają stan, od stałego (najniższej energii) do cieczy, a następnie do gazu. Temperatury topnienia i temperatury wrzenia materiałów są bardzo różne. Jednak w przypadku wszystkich materiałów przy każdym przejściu fazowym interakcje i struktury między cząsteczkami stają się luźniejsze i ostatecznie całkowicie się rozkładają. Gazy to zbiory cząsteczek (np. N2, O2, CO2) lub pojedynczych atomów (np. He, Ne, Ar). Przy jeszcze wyższych energiach struktury wewnątrzcząsteczkowe i wewnątrzatomowe rozpadają się, uwalniając wolne elektrony i jony. Plazmę można więc traktować jako zjonizowany gaz składający się z obojętnych cząsteczek, elektronów oraz jonów dodatnich i ujemnych.Plazmy generowane w konwencjonalnych urządzeniach nie jonizują wszystkich atomów w gazie, nawet plazmy zwane termicznymi (thermal plasmas), spotykane np. w nowoczesnych konstrukcjach układów zapłonowych. Dzięki tym gorącym plazmom wszystkie składniki jonizowanego materiału stają się wyjątkowo reaktywne. W chłodniejszych, nietermicznych plazmach (nonthermal plasmas), takich jak te znajdujące się w neonach i ekranach plazmowych, niektóre cząstki powstałe w gazie substratowym stają się bardziej reaktywne niż inne. Z tego powodu skład chemiczny gazu zasilającego staje się czynnikiem determinującym typy reakcji, które mogą być zainicjowane w plazmie.Energia potrzebna do jonizacji gazów do plazmy może pochodzić z różnych źródeł, takich jak ciepło, elektryczność, światło lasera, promieniowanie i wyjątkowo szybkie sprężanie. Jako chmura aktywnych cząstek plazma zachowuje przekazaną energię przez pewien czas. Gdy aktywne cząstki rekombinują ze sobą, energia jest uwalniana jako światło widzialne i promieniowanie UV w procesie rekombinacji. Bardziej interesujące dla przetwórców żywności są aktywne cząstki w fazie ciekłej, które mogą reagować z substratem produktów, uwalniając zgromadzoną energię (w postaci nowopowstałych reaktywnych form azotu i tlenu) w celu inaktywacji bakterii lub wirusów. Ile energii musi przekazać plazma, aby zredukować ilość patogenów lub całkowicie je wyeliminować zależy od jej składu chemicznego, gęstości i temperatury, a także od rodzaju obrabianego materiału.Plazma termiczna, działająca w temperaturze setek lub tysięcy stopni powyżej temperatury otoczenia, z pewnością obniżałaby jakość produktów spożywczych. Dlatego w praktyce używana jest plazma nietermiczna, która ma wyraźnie nierównomierny/nierównowagowy rozkład energii (nonequilibrium plasma) między cząstkami składowymi. Elektrony poprzez zderzenia z cięższymi cząsteczkami, powodują ich wzbudzenie, dysocjację i jonizację zwiększając ich reaktywność [Niemira, 2012; Laroussi i Akan, 2007; Stryczewska i in., 2013; Kwiatkowski i in., 2016].Istnieją trzy podstawowe mechanizmy, za pomocą których zimna plazma inaktywuje drobnoustroje. Pierwszym z nich jest chemiczna interakcja rodników, związków reaktywnych lub naładowanych cząstek z błonami komórkowymi. Drugi polega na uszkodzeniu błon i wewnętrznych elementów komórkowych przez promieniowanie UV. Wreszcie, nici DNA mogą zostać rozbite przez promieniowanie UV generowane podczas rekombinacji gatunków plazmy. Podczas gdy w przypadku danego produktu spożywczego jeden sposób działania może być bardziej znaczący niż inny, największa skuteczność dezaktywacji drobnoustrojów wynika z połączenia tych kilku mechanizmów [Pawłat i in., 2017; Niedźwiedź i in., 2019; Starek, 2019].Jako technologia przetwarzania żywności zimna plazma jest na tyle nowa, że terminologia z nią związana wciąż się rozwija. Stosowane są terminy zimna plazma (cold plasma) [Noriega i in., 2011], chłodna plazma (cool plasma) [Tran i in., 2008], plazma niskotemperaturowa pod ciśnieniem atmosferycznym (low temperature atmospheric pressure plasma, APP [Starek i in., 2019], zimna plazma gazowa w atmosferze (cold atmospheric gas plasma, CAP) [Ragni i in., 2010] itp. W innych przypadkach plazmę opisano za pomocą technologii generatywnej, np. wyładowanie z barierą dielektryczną (dielectric barrier discharge, DBD) [Kwiatkowski i in., 2014; Pawłat i in., 2018], strumień plazmy (plasma jet) [Pawłat i in., 2017], jednolite wyładowanie jarzeniowe (uniform glow discharge plasma) [Gadri i in., 2000] czy wyładowanie łuku ślizgowego (gliding arc discharge, GAD) [Brisset i Pawlat, 2016; Pawłat i in., 2018]. W miarę postępu w tej dziedzinie zapewne terminologia, jak i metody eksperymentalne staną się bardziej znormalizowane.Wytworzenie zimnej plazmy było do niedawna możliwe tylko przy niskich ciśnieniach i na bardzo małą skalę. W ostatnich latach opracowano jednak różne technologie zimnej plazmy, które działają w zakresie warunków środowiskowych odpowiednich do przetwarzania żywności. Szybko rozwijająca się gama technologii wykorzystywanych do generowania zimnej plazmy pozwala reaktorom działać przy ciśnieniu atmosferycznym lub przy pewnym stopniu próżni częściowej. Zjonizowanym gazem może być powietrze lub azot, a nawet metale szlachetne, takie jak hel czy argon. Energią napędową może być energia elektryczna, mikrofale lub lasery. Systemy plazmy z bezpośrednim chłodzeniem muszą być jednak zaprojektowane zgodnie z dokładnymi specyfikacjami, aby uniknąć skoncentrowanego przewodzenia elektrycznego przez obrabiane materiały. Przykładowo produkty pochodzenia zwierzęcego mogą ulec miejscowemu przegrzaniu, co spowoduje koagulację białek, a także zmiany w ich aromacie, teksturze i wyglądzie. Jednak analizy przeprowadzone przez wielu naukowców dowodzą, że odpowiednio skonstruowany generator plazmy umożliwia poprawę jakości mięs i wyrobów z niego wyprodukowanych. Podczas gdy Kim i in. [2013] schab wieprzowy poddali działaniu DBD z użyciem gazów wejściowych He i He+O2, zmniejszyli populację Escherichia coli o 0,26 i 0,50 log po 5 minutach i odpowiednio o 0,34 i 0,55 log po 10 minutach.W innych badaniach Kim i in. [2011] obserwowali wpływ APP na inaktywację patogenów na boczku. Pokrojony produkt zaszczepili Listeria monocytogenes (KCTC 3596), Escherichia coli (KCTC 1682) i Salmonella Typhimurium (KCTC 1925). Próbki traktowali APP przy mocy wejściowej 75, 100 i 125 W przez 60 i 90 sekund. Do wytworzenia plazmy zastosowali dwa gazy: hel (10 l/min) lub mieszaninę helu i tlenu (odpowiednio 10 l/min i 10 mL/min). Gaz wejściowy, jakim był hel, zmniejszył liczbę zaszczepionych patogenów o jedyne 1–2 cykli logarytmicznych. Mieszanina gazowa spowodowała redukcję tych mikroorganizmów o około 2-3 cykle. Całkowita liczba bakterii tlenowych wykazała zmniejszenie dziesiętne wynoszące 1,89 i 4,58 po obróbce helem i mieszaniną (He+O2). Mikroskopowa obserwacja boczku po obróbce zimną plazmą nie wykazała żadnych znaczących zmian, z wyjątkiem tego, że wartość barwy L* na powierzchni boczku została zwiększona.Jayasena i in. [2015] zbadali wpływ elastycznego cienkowarstwowego systemu plazmowego z barierowym dielektrycznym wyładowaniem (DBD) stosując szczelne opakowanie na inaktywację drobnoustrojów i cechy jakościowe świeżej wieprzowiny i wołowiny. Po 10-minutowej obróbce redukcja Listeria monocytogenes, Escherichia coli O157: H7 i Salmonella Typhimurium wyniosła odpowiednio 2,04, 2,54 i 2,68 log CFU/g w próbkach mięsa wieprzowego oraz 1,90, 2,57 i 2,58 log CFU/g w przypadku wołowiny. Analiza kolorymetryczna wykazała, że obróbka DBD nie wpłynęła istotnie na wartości barwy L* (jasność) próbek obu mięs, ale znacznie obniżyła wartość a* (zaczerwienienie) po 5- i 7,5-minutach działania plazmy. Ekspozycja tych produktów na plazmę istotnie wpłynęła na utlenianie lipidów dopiero po 10 minutach. Obróbka plazmowa nie wpłynęła na teksturę próbek. Wszystkie parametry sensoryczne mięs poddanych działaniu DBD i nietraktowanych (próbka kontrolna) były porównywalne, z wyjątkiem lekko zmienionego smaku.Celem badania Song i in. [2009] była ocena skuteczności plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym (APP), w stosunku do Listeria monocytogenes. Parametry procesu wynosiły: moc wejściowa 75, 100, 125 i 150 W i czas ekspozycji na plazmę 60, 90 i 120 s. Bakterie zaszczepione na powierzchni plastrów szynki uległy inaktywacji wskutek działania plazmy helowej przez 120 s o około 1,73 log CFU/g.Wyniki analiz Lee i in. [2011] wskazują, że strumienie APP są skuteczne w inaktywacji Listeria monocytogenes na różnych gatunkach mięs, nawet podczas ich przechowywania. Aparat do generowania strumienia plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym (APP) zastosowano do badania inaktywacji tej bakterii na powierzchni płytek agarowych i plastrów gotowanej piersi z kurczaka i szynki. Gazy He, N2 (oba 7 l/min) i ich mieszaniny z O2 (0,07 l/min) zastosowano do wytworzenia strumieni plazmy. Po traktowaniu przez 2 minuty strumieniami APP He, He+O2, N2 lub N2+O2, liczbę Listeria monocytogenes na płytkach agarowych zmniejszono odpowiednio o 0,87, 4,19, 4,26 i 7,59 jednostek logarytmicznych. Podobne zabiegi przeprowadzone na zaszczepionej piersi kurczaka i szynce zmniejszyły ich ilość odpowiednio o 1,37 do 4,73 i 1,94 do 6,52 jednostek logarytmicznych. Najbardziej skutecznym gazem w eliminacji patogenu okazała się mieszanina N2+O2. Większość strumieni APP zmniejszała liczbę bakterii tlenowych na powierzchniach mięsa do