Cold Plasma: sanificazione con plasma freddo

La conservazione degli alimenti e le preoccupazioni sulla sicurezza alimentare tra produttori e consumatori stanno diventando sempre più importanti a livello globale, per saperne di più dai un’occhiata al nostro articolo Sanificazione alimentare: approcci innovativi e tecnologie avanzate per la sicurezza alimentare)

Nell’industria alimentare, è stata segnalata l’adozione di tecniche alternative di lavorazione degli alimenti che non prevedono il trattamento termico.
Queste tecniche non termiche preservano l’aroma e il sapore naturali e aumentano la sicurezza microbiologica degli alimenti senza causare perdita di qualità. Questi vantaggi hanno portato a un aumento dell’interesse nelle tecniche alternative di lavorazione degli alimenti: una di queste si basa sull’utilizzo di plasma freddo.

In questo articolo analizzeremo il Cold Plasma in tutte le sue particolarità, con un occhio di riguardo all’applicazione alimentare di questo metodo di sanificazione.

Cold Plasma

Il cold plasma rappresenta una tecnologia per la sanificazione delle superfici caratterizzata dalla generazione di uno stato altamente reattivo della materia sotto forma di plasma.

Ma cos’è effettivamente il plasma? Esso viene considerato il quarto stato della materia, dopo i solidi, i liquidi e i gas. Si tratta di un gas altamente ionizzato, in cui gli atomi o le molecole che lo compongono perdono o guadagnano elettroni, diventando ioni positivi o negativi. Questo stato della materia è caratterizzato da una notevole conducibilità elettrica, poiché contiene elettroni liberi che possono muoversi facilmente attraverso il materiale.

In natura, il plasma è presente in molte forme, come ad esempio nelle stelle, nelle aurore polari, e nei fulmini. Tuttavia, il plasma può anche essere generato artificialmente per svariati scopi, come la produzione di dispositivi elettronici, la terapia medica, o, come discusso nel contesto della sanificazione delle superfici, per la disinfezione e la sterilizzazione.

Negli ultimi anni questa tecnica viene applicata anche agli alimenti perché il plasma può interagire con le cellule batteriche e inattivare i microrganismi, nonché le spore e i virus. Il CP è utilizzato in campi come la tecnologia di decontaminazione, il trattamento delle superfici, la sterilizzazione degli strumenti, può essere applicato alla disinfezione dell’aria, dell’acqua e delle superfici alimentari.

Il Cold Plasma è diviso in due classi in base alla pressione dell’ambiente di lavoro: plasma a bassa pressione, generato a basse pressioni o anche in un vuoto, e plasma a pressione atmosferica, che utilizza stimolazioni elettriche rapide a intervalli periodici, operando i gas nel sistema a diverse tensioni e potenze.

Fattori che Influenzano l’Efficacia del Cold Plasma

I meccanismi di disinfezione del cold plasma sono estremamente complessi, poiché dipendono da una serie di parametri che influenzano non solo l’azione del trattamento, ma anche la risposta dei microbi bersaglio. Nonostante non siano ancora del tutto compresi, gli studi condotti finora permettono di classificare tali meccanismi in due categorie principali: biologici e fisici.

I meccanismi biologici includono una serie di azioni svolte dal plasma, come il danneggiamento del DNA causato dai raggi UV, che porta alla morte cellulare, la perossidazione lipidica, la modulazione della struttura e della funzionalità delle proteine, e l’induzione dell’apoptosi, causata dai radicali liberi dell’ossigeno (ROS) nelle cellule dei mammiferi e probabilmente anche in quelle batteriche.

D’altra parte, i meccanismi fisici comprendono la distruzione elettrostatica e l’elettroporazione, che contribuiscono alla disgregazione e alla compromissione delle membrane cellulari dei microrganismi.

L’efficacia di questi meccanismi nell’inattivazione microbica è influenzata da tre principali fattori:

• Parametri di Processo: includono l’energia applicata, il tempo di trattamento, il tipo di gas utilizzato, la velocità del flusso del gas e la modalità di esposizione alle radiazioni plasma
• Elementi Ambientali: la presenza di fattori ambientali come il pH, la composizione della matrice alimentare e l’umidità relativa può influenzare significativamente l’efficacia del trattamento del cold plasma
• Proprietà Microbiche: le caratteristiche specifiche dei microrganismi bersaglio, come la specie microbica coinvolta, la fase fisiologica in cui si trovano e la loro distribuzione sulla superficie trattata, giocano un ruolo fondamentale nell’inattivazione microbica attraverso il cold plasma.

Tipologie e applicazioni di cold plasma

I recenti progressi hanno portato allo sviluppo di fonti di plasma che possono operare a pressione atmosferica, offrendo nuove opportunità per una vasta gamma di applicazioni.

Queste fonti includono:

Dielectric Barrier Discharge Plasma (DBD)
Scariche a barriera dielettrica

Corona Discharge Plasma (CDP)
Scariche a corona

Ognuna di queste fonti genera perciò plasma con densità e temperature di particelle variabili, che le rendono adatte a diverse applicazioni. Questa diversità consente di adattare il plasma alle specifiche esigenze dell’applicazione, ampliando così le possibilità di utilizzo oltre il settore alimentare anche in vari contesti industriali e commerciali, come ospedali, strutture sanitarie, impianti di produzione e laboratori di ricerca.

Benefici del cold plasma nell’industria alimentare

Nello specifico contesto della conservazione alimentare, il plasma freddo emerge come una tecnologia promettente, svolgendo un ruolo cruciale in diversi ambiti. Partendo dall’inattivazione degli enzimi durante il taglio della frutta fresca per prevenire l’annerimento e la perdita di nutrienti, fino alla riduzione dell’allergenicità e alla sterilizzazione microbica, il plasma freddo offre molteplici vantaggi.

Durante il trattamento, fotoni UV e specie reattive dell’ossigeno mediati dal plasma inducono cambiamenti conformazionali negli enzimi e modifiche chimiche negli aminoacidi, portando alla loro inattivazione. Questo approccio trova applicazione anche nella riduzione degli allergeni alimentari, come dimostrato nel caso della tropomiosina dei gamberetti, il cui trattamento con plasma ha ridotto l’allergenicità fino al 76%. Inoltre, il plasma freddo contribuisce significativamente al prolungamento della durata di conservazione degli alimenti, attraverso interazioni chimiche che diminuiscono l’attività degli enzimi e riducono la presenza di microrganismi patogeni come Salmonella ed Escherichia coli. I meccanismi di sterilizzazione del plasma, sebbene complessi, si basano principalmente sulla produzione di specie reattive che ossidano le membrane cellulari microbiche, compromettendo la loro integrità strutturale e causando danni al DNA e alle proteine. Inoltre, la radiazione UV generata dal plasma contribuisce all’inattivazione microbica, impedendo la proliferazione batterica.