Tecnologie innovative non termiche: effetti sulla decontaminazione, shelflife e proprietà funzionali degli alimenti

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Viola Morelli
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1 Tecnologie innovative non termiche: effetti sulla decontaminazione, shelflife e proprietà funzionali degli alimenti M. Elisabetta Guerzoni Parma 30 Ottobre 2009

2 L industria richiede soluzioni innovazione conoscenza 2

3 3Applicabilità in Fattori Equipment campo alimentare Alta Pressione di Omogeneizzazione (alimenti fluidi: latte, uova, succhi di frutta e puree vegetali, emulsioni) Equipment da laboratorio (fino a150 Mpa). Disattivazione microbica. Proprietà organolettiche. Microstruttura. Aspetti nutrizionali. Parametri chimico-fisici. Attività enzimatica Gas-Plasma In corso di ricerca electrodes treatment chamber (A) (B) Generatore di plasma (A) e coppia di elettrodi con formazione di plasma (B). Disattivazione microbica. Aspetti qualitativi

Microstruttura. Aspetti nutrizionali. Parametri chimico-fisici.

4 Alta pressione di omogeneizzazione 4

5 Meccanismo d azione Durante un trattamento omogeneizzante, un fluido è spinto sotto pressione attraverso una valvola omogeneizzante, dove subisce un accelerazione più alta della velocità del suono. Il fluido è ulteriormente soggetto ad una rapida caduta di pressione provocando nel sistema una rapida evaporazione e formazione di bolle di vapore (cavità) all interno del fluido (fenomi di cavitazione). R PS 5

Il fluido è ulteriormente soggetto ad una rapida caduta di pressione provocando nel sistema una rapida

6 6 Succo di albicocca: viscosità in relazione al numero di passaggi a 100 MPa

7 7 Listeria monocytogenes in mix di vegetali

8 Trattamento Omogeneizzante VS Trattamento Termico i) Maggior efficacia del trattamento omogeneizzante per pressioni>300 MPa ii) Più alta preservazione delle proprietà funzionali in prodotti trattati ad alta pressione di omogeneizzazione iii) Maggior stabilità del colore per i prodotti trattati ad alta pressione control 400 MPa 8

proprietà funzionali in prodotti trattati ad alta pressione di omogeneizzazione

9 Trattamento omogeneizzante VS Trattamento termico Maggior dispersione/ micronizzazione dei succhi trattati ad alta pressioneof control 5 passaggi a100 MPa 8 passaggi a100 MPa

10 Trattamento omogeneizzante VS Trattamento termico Maggior viscosità dei prodotti trattati ad alta pressione di omogeneizzazione

11 Emulsione trattata in impianto industriale (fino a 400 Mpa) Composizione dell emulsione Olio di semi di girasole 60% Acqua 17% Uova 10% Yoghurt 13% Acido citrico fino a ph 5 11

12 Emulsione 0% NaCl 1% NaCl 2% NaCl HPH (MPa): valvola flat Listeria monocytogenes inoculata a livello di 3.9 Log UFC/g Controllo della sopravvivenza immediatamente dopo trattamento e durante la conservazione a 4 C 12

1 70 100 150 170 Listeria monocytogenes inoculata a livello di 3.

13 Emulsione 1% NaCl Pressione troppo elevata 13

14 Emulsione 0% NaCl conservata a 4 C P (Mpa) Inlet T ( C) outlet T ( C) Emulsione 2% NaCl conservata a 4 C 14

15 Effetto dell alta pressione di omogeneizzazione sull emulsione 1%NaCl La stabilità dell emulsione è direttamente legata alla pressione applicata durante il processo Nel controllo (0 MPa), le goccioline d olio sono circondate da una barriera di emulsionanti naturali (freccia). Nei campioni trattati ad alta pressione, al crescere della pressione, progressivamente appare un fenomeno di coalescenza dovuto alla perdita della barriera emulsionante Quando la pressione cresce, le gocce d olio diventano più grandi e deformate. A 250 MPa si produce una completa separazione di fase 0 MPa 0 MPa 0 MPa 70 MPa 70 MPa 100 MPa 150 MPa 250 MPa 100 MPa 150 MPa 250 MPa 15 TEM Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) Red: Continuous water phase, soluble components of the sample Black: Oil droplets from the sunflower oil

Nei campioni trattati ad alta pressione, al crescere della pressione, progressivamente appare un fenomeno di coalescenza dovuto alla perdita della barriera emulsionante Quando la pressione cresce, le

16 Effetto dell alta pressione di omogeneizzazione sulla funzionalità delle proteine, sulla frazione lipidica e sulle proprietà fisiche di emulsione 1 %NaCl - Nessun cambiamento significativo in ph e colore dei campioni di emulsione trattati ad alta pressione. -Da 150 MPa in poi, si determina una insolubilizzazione proteica legata alla separazione di fasi osservata. Non è stata osservata proteolisi. -La frazione lipidica era chimicamente stabile dopo i trattamenti omogeneizzanti (non è stata determinata nè idrolisi nè ossidazione) Electrophoresis (SDS-PAGE) 16

-Da 150 MPa in poi, si determina una insolubilizzazione proteica legata alla separazione di fasi osservata. Non è stata osservata proteolisi.

17 Potenziale impatto dell alta pressione sull industria alimentare 1. Decontaminazione da fagi di batteri lattici Applicazione di cicli ripetuti a100 MPa Sistema modello skim milk MLC-A8 ( ) MLC-A( ) Lactobacillus paracasei A Bym ( ), Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus; 13.2 ( dotted line) Streptococcus 17 thermophilus, CNRZ832-B1 ( ) Lactobacillus helveticus CNRZ 892 QP4 ( dotted line) Lactococcus lactis Ll 15.1 Qf12 ( dotted line) Lactococcus lactis B1 ( ) Lactobacillus plantarum

MLC-A( ) Lactobacillus paracasei A Bym ( ), Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus; 13.

18 Potenziale impatto dell alta pressione sull industria alimentare 2. Attivazione/disattivazione di enzimi Aumento dell attività antimicrobica di lisozima e lattopeossidasi 9 Effect of lactoperoxidas e (LP) and HPH treatment on viability los s and cell recovery during storage at 37 C of Escherichia coli inoculated in skim milk Cell load (Log CFU/ml) * Before treatment Homogenization * Not detectable in 1 ml of sample Time (hours) 1 bar 750 bar 1000 bar 1 bar+lp 750 bar+lp 1000 bar+lp 18

(LP) and HPH treatment on viability los s and cell recovery during storage at 37 C of Escherichia coli inoculated in skim milk Cell

19 Potenziale impatto dell alta pressione sull industria alimentare 3. Aumento dell attività di lipasi endogene in pecorino prodotto da latte trattato ad alta pressione di omogeneizzazione HPH d HT d HPH HT HPH HT C 12:0 29±3.0 30±2.5 66± ± ± ± 2.3 C 14:0 56±3.2 52± ± ± ± ± 2.8 C 15:0 24±1.8 24±2.1 41± ± ± i-c 15: ± ± ± a- C15: ± ± ± C 16:0 130± ± ± ± ± ± 7.0 C 16:1 n9-24± ± ± C 17: ± ± i-c 17: ± ± a-c 17: ± ± C 18:0 46±2.9 50± ± ± ± ± 1.6 C 18:1 n9 45±2.5 71± ± ± ± ± 3.4 C 18:1 n11 26±2.0 26±2.1 97± ± ± ± 2.1 C 18:2 n9,12-26±1.8 59± ± ± ± 4.4 C 18:2 n9, ± ± C 18:3 n9,12,15-25±1.7 50± ± ± ± Total FFAs f 356 b 453 c 1702 b 726 c 1147 b 375 c U/S g

8 29± 2.3 C 14:0 56±3.2 52± 4.1 218±13.0 70± 3.7 150±10.5 47± 2.8 C 15:0 24±1.8 24±2.1 41± 3.7 21± 0.8 28± 1.4 - i-c 15:0 - - 25± 1.8 15± 1.0 24± 1.5 - a- C15:0 - - 28± 2.1 13± 1.0 24± 1.2 - C 16:0 130±8.

20 Potenziale impatto dell alta pressione sull industria alimentare 4. Aumento delle rese e cambiamenti microstrutturali in formaggi 20 Caciotta da latte omogeneizzato a 100 Mpa dopo 27 g di maturazione

21 Potenziale impatto dell alta pressione sull industria alimentare 5. Effetto del trattamento ad alta pressione al latte sulla vitalità di microrganismi probiotici in crescenza Crescenza Probiotica da latte OMO Crescenza Probiotica da latte PAST Microorganismi tempo (g) Microorganismi tempo (g) Log UFC/g Log UFC/g Lactobacillus acidophilus Lactobacillus acidophilus Lactobacillus casei Lactobacillus casei Streptococcus thermophilus Streptococcus thermophilus Crescenza da latte OMO C res cenza probiotica Da latte OMO Cres cenza da latte Cres cenza probiotica pas teurizzato da latte pas teurizzato 21

22 Potenziale impatto dell alta pressione sull industria alimentare 6. Effetto del trattamento ad alta pressione sui parametri di texture di latti fermentati probiotici Latte fermentato (LF) 1 Fermezza (g) Consistenza(g. s) Coesività(g) Indice di viscosità (g. s) LF-da latte OMO 395.0±18.0 A 6560±70.0 A 421.7±32.5 A 613.3±35.1 A LF-da latte 433.0±25.2 A 7020±197.0 B 426.7±52.0 A 596.7±30.5 A OMO+ ceppo probiotico LF-da latte PAST 287.0±17.5 B 4943±150.4 C 325.0±27.8 B 490.0±18.0 B LF-da latte 296.0±15.3 B 5043±55.1 C 291.0±20.8 B 419.3±32.0 B PAST+ ceppo probiotico 22 Ceppo probiotico: Lb. paracsei BFE 5264

23 23 Gas-plasma

Che cos è il plasma? s parzialmente o totalmente nizzato, composto da cariche positive e negative proporzioni tali da rendere nulla carica totale.

24 Che cos è il plasma? s parzialmente o totalmente nizzato, composto da cariche positive e negative proporzioni tali da rendere nulla carica totale. arto stadio della materia Composti Chimici Elettroni liberi Cationi Anioni Molecole allo stato eccitato Radicali liberi Fonte di Radiazioni UV Elevata azione antimicrobica: Alterazione del DNA Volatilizzazione di composti della superficie cellulare Incisione e rottura della membrana cellulare 24

25 Gas-plasma L utilizzo del gas-plasma offre un originale alternativa alle tecniche di decontaminazione convenzionali degli alimenti, principalmente grazie alla temperatura di esercizio che apporta minimi cambiamenti a livello nutrizionale, organolettici e limita la formazione di molecole potenzialmente dannose (Moisan et al.,, 2002; Laroussi & Leipold, 2004). Attualmente le applicazioni più importanti riguardano il settore medico (Machala et al.,, 2007). 25

26 Effetto di trattamenti al plasma (prototipo "RBD per grandi volumi") per tempi differenti sulla vitalità di Salmonella enteritidis (MB2509) deliberatamente inoculata sulla superficie di uova 7 6 Carica cellulare (Log UFC/uovo) Tempo trattamento in min 26

27 Effetto di trattamenti al plasma (prototipo "RBD per grandi volumi") per tempi differenti sulla vitalità di Listeria monocytogenes ATCC deliberatamente inoculata 7 Figura 28. Effetti di trattamenti al plasma (prototipo "RBD per grandi volumi") per tempi differenti sulla vitalità di Listeria sulla monocytogenes superficie ATCC di 13932deliberatamente uova inoculata sulla superficie di uova (prova del 17/02/2009) Carica cellulare (Log UFC/uovo) Tempo di trattamento (minuti) 27

28 Effetto del trattamento al gas-plasma sulla cuticola di uova A B Controllo Campione trattato 28

29 Effetto del tempo di esposizione e diverse umidità relative durante trattamenti al gas-plasma sul carico cellulare di Salmonella enteritidis MB bassa U.R.=35%; alta U.R.65%. Cell loads (Log CFU/eggshell) Low RH High RH Exposure time (minutes) 29

30 Effetto del tempo di esposizione e diverse umidità relative durante trattamenti al gasplasma sul carico cellulare di Listeria monocytogenes. ATCC bassa U.R.=35%; alta U.R.65%. 7 Cell loads (Log CFU/eggshell) Low RH High RH Exposure time (minutes) 30

31 In conclusione Possono i risultati essere sfruttati dall industria alimentare?. L alta pressione di omogeneizzazione può essere utilizzata alternativamente al trattamento termico in campo alimentare. Gli omogeneizzatori esistenti sono in grado di raggiungere sia obiettivi qualitativi che di sicurezza. L utilizzo delle alte pressioni può essere applicato a prodotti differenti (settore lattiero-caseario, bevande, dressing e salse industriali). Per ciò che concerne l applicazione del gas-plasma, i dati riguardanti la decontaminazione di prodotti (uova) da batteri patogeni hanno fornito risultati molto promottenti 31

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