Cykl: „Poznaj świat nauki o żywności”. Zimna plazma – czwarty stan skupienia w technologii żywności

Od zarania dziejów człowiek uczył się efektywnie konserwować żywność poprzez wędzenie czy suszenie. Metoda zimnej plazmy nie zmienia struktury i właściwości smakowych. Na czym polega? Dowiemy się z kolejnego artykułu z cyklu: „Poznaj świat nauki o żywności”.

“Zimna plazma – czwarty stan skupienia w technologii żywności”.

Procesy utrwalania żywności znane są człowiekowi od tysięcy lat. Celem konserwowania żywności jest przedłużenie jej trwałości i zachowanie jak najwyższej wartości odżywczej. Właściwie przeprowadzona konserwacja zapobiega rozwojowi niepożądanych mikroorganizmów, takich jak bakterie, drożdże czy pleśnie. Już w prehistorii by wydłużyć trwałość żywności poddawano ją wędzeniu lub suszeniu. Następnie w starożytności odkryto nieocenione w tej dziedzinie właściwości soli, którą powszechnie wykorzystywano do konserwacji ryb czy mięs. Do tradycyjnych metod utrwalania żywności stosowanych od wieków zaliczamy także mrożenie czy obecnie popularną fermentację (Kumar, 2019).

Tradycyjne metody konserwacji żywności wraz z postępem cywilizacyjnym i rozwojem przemysłu spożywczego zastępowano nowymi technologami. Powszechnie stosowanymi metodami są procesy wykorzystujące podwyższoną temperaturę jako czynnik eliminujący niepożądaną mikroflorę. Metody te, choć skuteczne, mogą powodować znaczną utratę związków termolabilnych oraz negatywnie wpływać na właściwości sensoryczne, fizykochemiczne i odżywcze żywności. W związku z tym ilość badań nad metodami alternatywnymi, prowadzonymi w łagodnych warunkach temperaturowych w ostatnich dziesięcioleciach stale rośnie. Do takich metod zaliczyć możemy zimną plazmę uważaną za czwarty stan materii.

W 1927 roku amerykański fizykochemik Irving Langmuir po raz pierwszy użył pojęcia „plazma” do określenia zjonizowanego gazu o unikatowych właściwościach. Zimna plazma (CP – cold plasma) jest rodzajem zjonizowanego bądź częściowo zjonizowanego gazu zawierającego atomy w stanie wzbudzonym i podstawowym, reaktywne związki oraz fotony UV. Powyższe właściwości zimnej plazmy determinują jej działanie sterylizujące dzięki czemu metoda ta znalazła zastosowanie m.in. w przemyśle spożywczym, rolnictwie, ochronie środowiska oraz medycynie. Zimną plazmę otrzymujemy poprzez zastosowanie różnorodnych wyładowań elektrycznych tj.; mikrofalowe, jarzeniowe, koronowe czy wyładowania barierowe. Rodzaj zastosowanego źródła plazmy oraz gazu determinuje jej późniejsze wykorzystanie technologiczne (Niedźwiedź i in., 2019).

Działanie inaktywacyjne zimnej plazmy w stosunku do różnych grup mikroorganizmów powoduje stale rosnące zainteresowanie naukowców tą metodą w aspekcie produkcji żywności. Udowodniono sterylizujące działanie CP w stosunku do niepożądanych mikroorganizmów zasiedlających odmienne matryce żywnościowe takie jak soki owocowe i warzywne, napoje niskoalkoholowe, mięsa czy ryby. Eliminacja mikroorganizmów na skutek zastosowania CP w głównej mierze jest wynikiem działania reaktywnych związków pochodzących z tlenu bądź azotu; O, O2, O3, OH, NO, i NO2, które powodują utlenianie lipidów i białek błony, zakłócając tym samym jej prawidłowe funkcjonowanie. Jednak potencjalne zastosowanie zimnej plazmy w technologii żywności nie ogranicza się jedynie do dekontaminacji produktów spożywczych. Zimna plazma może być bowiem wykorzystana do poprawy kiełkowania nasion, co jest korzystne w sektorze przemysłu piwowarskiego czy słodowniczego, ale także to degradacji mykotoksyn grzybiczych. Dodatkowo metoda ta posiada wiele zalet, do których zaliczyć możemy krótki czas trwania procesu, ograniczone zużycie wody, niską temperaturę prowadzenia procesu oraz wysoką skuteczność redukcji liczby mikroorganizmów, jak również stosunkowo niski koszt procesu (Niedźwiedź i in., 2020).

Dzięki tak szerokiemu spektrum zastosowań technologia zimnej plazmy staje się obiecującym narzędziem w produkcji żywności.
Na Wydziale Nauk o Żywności i Biotechnologii Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie w Katedrze Biotechnologii, Mikrobiologii i Żywienia Człowieka realizowane są badania dotyczące wykorzystania zimnej plazmy w konserwacji produktów spożywczych. Od 2018 r. w ramach rozprawy doktorskiej realizowano badania dotyczące wykorzystania zimnej plazmy w konserwacji win czerwonych. Głównym celem pracy było ustalenie mechanizmów działania CP na komórki drobnoustrojów zanieczyszczających wina, uwzględniając charakterystykę zachodzących zmian morfologicznych i fizjologicznych komórek bakteryjnych, a także poznanie oddziaływań zimnej plazmy na aktywność biologiczną oraz właściwości fizykochemiczne czerwonego wina (Niedźwiedź i in. 2020, Niedźwiedź i in. 2022b). Uzyskane wyniki badań wykazały możliwość wykorzystania zimnej plazmy do redukcji amin biogennych w czerwonym winie (Niedźwiedź i in. 2022a). Dodatkowo zastosowanie zimnej plazmy nie wpłynęło na kwasowość oraz barwę badanych próbek czerwonego wina w stopniu zauważalnym dla konsumenta, co wskazuję iż w przyszłości zimna plazma może stanowić alternatywną metodę konserwacji czerwonego wina.

[Cykl „Poznaj świat nauki o żywności” to seria artykułów popularnonaukowych przygotowywanych przez naukowców z Wydziału Nauk o Żywności i Biotechnologii Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie].

Literatura:
Kumar, A. (2019). Food preservation: Traditional and modern techniques. Acta Scientific Nutritional Health, 3(12), 45-49.
Niedźwiedź, I., Juzwa, W., Skrzypiec, K., Skrzypek, T., Waśko, A., Kwiatkowski, M., & Polak-Berecka, M. (2020). Morphological and physiological changes in Lentilactobacillus hilgardii cells after cold plasma treatment. Scientific Reports, 10(1), 18882.
Niedźwiedź, I., Płotka-Wasylka, J., Kapusta, I., Simeonov, V., Stój, A., Waśko, A., & Polak-Berecka, M. (2022a). The impact of cold plasma on the phenolic composition and biogenic amine content of red wine. Food Chemistry, 381, 132257.
Niedźwiedź, I., Simeonov, V., Waśko, A., & Polak-Berecka, M. (2022b). Comparison of the Effect of Cold Plasma with Conventional Preservation Methods on Red Wine Quality Using Chemometrics Analysis. Molecules, 27(20), 7048.
Niedźwiedź, I., Waśko, A., Pawłat, J., & Polak-Berecka, M. (2019). The state of research on antimicrobial activity of cold plasma. Polish Journal of Microbiology, 68(2), 153-164.