Applicazione del plasma freddo per la decontaminazione: largo spazio alle tecnologie emergenti

Tecnologie emergenti per la conservazione degli alimenti

Attualmente, i consumatori richiedono alimenti non solo sicuri, ma anche che soddisfino criteri di qualità come freschezza, lunga durata di conservazione, facilità d’uso, economicità, buon contenuto nutrizionale e sensoriale, minima manipolazione e basso impatto ambientale. 

La pastorizzazione e i trattamenti di sterilizzazione termica sono sempre stati considerati metodi efficaci per promuovere la sicurezza alimentare e l’estensione della durata di conservazione, grazie alla loro capacità di decontaminare le superfici di lavoro, l’acqua, ma anche le materie prime e i prodotti lavorati. Questi metodi affondano le loro radici nell’antichità e, sebbene siano rapidi, pratici e ben accettati dai consumatori, presentano alcuni inconvenienti che si ripercuotono inevitabilmente sulla qualità sensoriale e nutrizionale degli alimenti (perdita accertata di componenti termolabili, cambiamenti visibili nel colore e nella consistenza e una significativa riduzione dei composti di valore nutrizionale).

Per questo motivo, negli ultimi anni si è assistito ad un crescente interesse verso l’uso di nuovi approcci alternativi alla conservazione, noti anche come “Tecnologie emergenti per la conservazione degli alimenti”.

Che cos’è il Plasma freddo

La tecnologia del plasma freddo (Cold Plasma) costituisce una delle tecniche più interessanti recentemente proposte come trattamento di decontaminazione microbica. Il plasma si definisce come “un gas parzialmente o interamente ionizzato che trasporta innumerevoli specie altamente reattive come elettroni, ioni negativi, ioni positivi, radicali liberi, atomi e fotoni eccitati o non eccitati a temperatura ambiente”. Nello specifico, il plasma freddo costituisce un plasma a bassa temperatura (<60°C), in grado di controllare la crescita dei microrganismi nei prodotti alimentari.

Cos’è il Plasma?

Il termine “plasma” è ampiamente citato in Chimica e Fisica per designare il quarto stato della materia, che si aggiunge ai tre stati di aggregazione più noti. Quando la temperatura si alza, le molecole aumentano la loro energia cinetica e lo stato di aggregazione della materia cambia in modo sequenziale, passando dallo stato solido a quello liquido e, infine, dallo stato gassoso a quello di “plasma”. Il plasma rappresenta lo stato predominante in tutto nell’universo e si stima che fino al 99% della materia si trovi in questo stato (aurore, ionosfera, ionosfera, vento solare, sole e altre stelle).

Lo stato della materia, da solido a plasma
Figura 1 – Lo stato della materia, da solido a plasma

Il plasma nelle applicazioni alimentari

La versatilità dell’uso del plasma è data dal fatto che è molto comune nella nostra vita quotidiana, ma anche dal fatto che può essere utilizzata come metodologia di supporto per gli imballaggi alimentari e per implementare determinate caratteristiche funzionali a materiali come vetro, carta, plastica o tessuti. Tuttavia, nel campo di interesse alimentare, tale tecnologia sta riscuotendo un successo non trascurabile, poiché ha dimostrato una notevole efficacia nella decontaminazione e la disintossicazione degli alimenti, per l’inattivazione degli enzimi e materiale cellulare, per il trattamento delle acque reflue e per la modifica dell’imballaggio alimentare.

Uno dei principali vantaggi del plasma freddo è la sua capacità di essere efficace contro i principali microrganismi patogeni di origine alimentare, come l’Escherichia patogeno di origine alimentare, come Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus e Listeria monocytogenes.

Meccanismo di azione

Sebbene molti ricercatori abbiano tentato di chiarire il meccanismo di inattivazione microbica dovuta all’azione del CP, i meccanismi precisi non sono ancora perfettamente conosciuti. Alcuni ricercatori hanno ipotizzato che le radiazioni UV-C presenti nel plasma potrebbero svolgere un importante ruolo di decontaminazione, ma altri hanno sottolineato che la maggior parte delle radiazioni UV presenti non viene rilasciata direttamente nel plasma (Patil et al., 2014; Surowsky et al., 2014) o verrebbe assorbita dalle stesse molecole di gas (Reineke et al., 2014).

In generale, si potrebbe ampiamente confermare che le specie reattive attivate dalla ionizzazione del gas sono in grado di svolgere un’azione diretta e aspecifica sugli attributi vitali della cellula microbica, tra cui la parete cellulare, la membrana cellulare, gli enzimi e, infine, il DNA.

Gli effetti della membrana cellulare del plasma freddo

Secondo studi recenti, il trattamento di un microrganismo con CP potrebbe indurre la perdita delle sue funzioni vitali a causa di un significativo danno agli involucri cellulari. Questo effetto potrebbe essere causato da particelle ad altissima energia, come atomi ed elettroni eccitati, nonché dall’accumulo di cariche diverse in vari punti della membrana cellulare, dando luogo al ben noto fenomeno dell’elettroporazione (Butscher et al., 2016). In particolare, quando il potenziale transmembrana supera un valore critico  (approssimativamente ΔΦM di -1V), si verifica un rapido collasso elettrico della membrana cellulare, con cambiamenti locali nella conformazione della membrana, tra cui l’aumento della permeabilità, la perdita di componenti cellulari e il collasso della forza protonica. 

Un danno di questa entità, combinato con una condizione di estrema permeabilità della membrana cellulare, causerebbe una facile penetrazione di specie altamente reattive che sarebbero in grado di causare danni irreversibili al materiale intracellulare, compresi i lipidi, il DNA e le proteine, facilitando così il processo di inattivazione delle cellule microbiche.

Stress ossidativo

Le specie reattive contenute nel plasma, come l’ossigeno atomico, i radicali idrossilici, l’ossigeno metastabile o l’ozono, sarebbero in grado di causare danni ossidativi a varie strutture cellulari e macromeccaniche. In condizioni di stress moderato, i microrganismi sarebbero in grado di neutralizzare gli effetti deleteri delle specie ossidanti trasformandoli, per esempio, in sostanze antiossidanti grazie alla presenza di enzimi come la catalasi, superossido dismutasi, sistemi di glutatione e tioredoxina. Se, però, il danno è intenso o se la velocità con cui si verificano i fenomeni di deterioramento supera la velocità di risposta fisiologica della cellula, la morte si verifica inevitabilmente (Leipold al. et al., 2010). 

Tuttavia, è stato riscontrato che la membrana cellulare non è l’unica struttura ad essere particolarmente sensibile all’azione del CP. Specie reattive come l’ossigeno singoletto, perossido di idrogeno, ossido nitrico e atomi e molecole eccitati, sarebbero in grado di raggiungere facilmente il materiale cellulare e di ossidarlo, anche quando la membrana è intatta (Yost e Joshi, 2015).

Effetto sul materiale cellulare (DNA)

Le specie reattive dell’ossigeno possono creare un danno significativo al materiale, come un processo di ossidazione delle basi, un passaggio da basi puriniche a basi pirimidiniche (o viceversa), cambiamenti conformazionali nei filamenti o la completa distruzione del DNA, seguita dall’inevitabile morte cellulare. Secondo alcuni studi (Joshi et al. (2011) e Hosseinzadeh Colagar et al. (2013), è stato osservato che nei ceppi di E. coli sottoposti a trattamento con CP, il materiale cellulare è stato progressivamente degradato con un’intensità dipendente dal tempo di trattamento. Risultati simili sono stati ottenuti da studi condotti da Ryu et al. (2013) e da Muranyi et al. (2010), che hanno osservato che tempi di trattamento di 3 minuti erano in grado di provocare la degradazione del DNA totale in ceppi di Saccharomyces cerevisiae e di Bacillus subtilis. Le forme sporulate, invece, hanno mostrato danni più lievi. 

Plasma freddo: può davvero considerarsi una comprovata alternativa conservativa?

Il Plasma Freddo può fregiarsi a pieno merito della definizione di metodo emergente non termico per la decontaminazione di alimenti, imballaggi, superfici ed ambienti di lavoro, eventualmente utilizzabile in sinergia con altri trattamenti atermici e non invasivi come:

  1. Utilizzo di batteriocine
  2. Microonde
  3. Oli essenziali
  4. Sostanze antiossidanti

Nonostante le comprovate implicazioni positive, si parla di una metodica ancora in fase embrionale e non ancora esplorata nel minimo dettaglio. Sarebbero, pertanto, necessarie nuove ricerche future e per poter esplorare al meglio le potenziali interazioni tra plasma e prodotto alimentare, al fine di garantire il soddisfacimento ultimo del consumatore: sicurezza e qualità.

Fonti

  • Butscher D., Zimmermann D., Schuppler M., von Rohr P.R. (2016), “Plasma inactivation of bacterial endospores on wheat grains and polymeric model substrates in a dielectric barrier discharge”, Food Control 60, 636–645.
  • Hosseinzadeh Colagar A., Memariani H., Sohbatzadeh F., Valinataj Omran A. (2013), “Nonthermal atmospheric argón plasma jet effects on Escherichia coli biomacromolecules”, App. Biochem. Biotechnol., 171, 1617–1629.
  • Joshi S.G., Cooper M., Yost A., Paff M., Ercan U.K., Fridman G., et al. (2011), “Nonthermal dielectric-barrier discharge plasma-induced inactivation involves oxidative DNA damage and membrane lipid peroxidation in Escherichia coli”, Antimicrob. Agents Chemother., 55, 1053-1062.
  • Leipold F., Kusano Y., Hansen F., Jacobsen T. (2010), “Decontamination of a rotating cutting tool during operation by means of atmospheric pressure plasmas”, Food Control 21, 1194–1198.
  • Muranyi P., Wunderlich J., Langowski, H.C. (2010). “Modification of bacterial structures by a low-temperature gas plasma and influence on packaging material”, J. Appl. Microbiol., 109, 1875–1885.
  • Patil S., Moiseev T., Misra N.N., Culle P. J., Mosnier J.P., Keener K. M., et al. (2014), “Influence of high voltage atmospheric cold plasma process parameters and role of relative humidity on inactivation of Bacillus atrophaeus spores inside a sealed package”, J. Hosp. Infect., 88, 162–169.
  • Reineke K., Langer K., Hertwig C., Ehlbeck J., Schlüter, O. (2015), “The impact of different process gas compositions on the inactivation effect of an atmospheric pressure plasma jet on Bacillus spores”, Innov. Food Sci. Emerg. Technol., 30, 112– 118.
  • Ryu Y.H., Kim Y.H., Lee J.Y., Shi G. B., Uh H.S., Park G., et al. (2013), “Effects of background fluid on the efficiency of inactivating yeast with non-thermal atmospheric pressure plasma”. PLoS ONE, 8, e66231.
  • Yost A.D., Joshi S.G. (2015). “Atmospheric nonthermal plasma-treated PBS inactivates Escherichia coli by oxidative DNA damage”, PLoS ONE, 10, e0139903.
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Francesco Centorrino

Sono Francesco Centorrino e faccio parte di Microbiologia Italia, primo sito di divulgazione microbiologica in Italia. Il portale di Microbiologia Italia è utile per condividere conoscenza ed informazioni a chiunque fosse interessato a questa bellissima scienza.