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El PAW permite mejorar la calidad microbiológica de los alimentos, tanto de origen vegetal como de origen animal, crudos y procesados

Aplicaciones del agua activada por plasma atmosférico no térmico en la industria alimentaria

Mercedes López*, Paula Fernández-Gómez, Miguel Prieto, Avelino Álvarez-Ordóñez y Márcia Oliveira, Departamento de Higiene y Tecnología de los Alimentos (Universidad de León)

*Mercedes López: +34987291183, mmlopf@unileon.es

12/05/2021
El agua activada por plasma (PAW) es el producto resultante de la reacción del plasma atmosférico no térmico con agua. Al contener una gran diversidad de especies químicas reactivas de oxígeno y de nitrógeno, el PAW presenta un gran potencial para su aplicación en la industria alimentaria para mejorar la calidad microbiológica de los alimentos, descontaminar superficies de contacto, conseguir los atributos característicos de los productos cárnicos curados sin la necesidad de adicionar nitritos, estimular la germinación de semillas, degradar pesticidas y modificar la estructura del almidón.

El plasma atmosférico no térmico (PANT) se genera, a temperatura ambiente y presión atmosférica, mediante la aplicación de una descarga eléctrica a un gas, lo que provoca fenómenos de ionización, disociación y excitación de sus átomos y moléculas. En consecuencia, el PANT está constituido por electrones e iones positivos y negativos, radicales libres, átomos y moléculas en estado o no de excitación, y fotones ultravioleta, estando presentes especies reactivas de oxígeno (ROS) y de nitrógeno (RNS), tales como ozono, superóxido, peróxido de hidrógeno, radicales hidroxilo y peroxilo, oxígeno singlete, oxígeno atómico, óxido nítrico o dióxido de nitrógeno, que, al interaccionar con los microorganismos, provocan su inactivación. En comparación con otras tecnologías no térmicas de inactivación microbiana, el PANT presenta una serie de ventajas muy importantes, como son, el bajo coste de aplicación, el empleo de tiempos cortos de tratamiento, la posibilidad de tratar una amplia variedad de alimentos, incluso previamente envasados, y el ser una técnica medioambientalmente sostenible. Por todo ello, se considera como una tecnología sumamente prometedora para mejorar la calidad microbiológica de los alimentos y descontaminar el material de envasado y las superficies de contacto (López y col., 2019).

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Por otra parte, se ha observado recientemente que la exposición directa del agua a la acción del PANT conduce a la obtención de un agua conocida como “agua activada por plasma” (PAW, Plasma-Activated Water), con nuevas propiedades, que persisten durante largos periodos de tiempo, incluso de un mes. Esto es debido a la capacidad que presentan las especies químicas generadas en el PANT de difundir y de interaccionar entre sí o con el agua, dando lugar a la formación de nuevas especies químicas (Figura 1). La presencia de ROS y RNS, incluyendo radicales hidroxilo, oxígeno singlete, anión superóxido, peróxido de hidrógeno, así como óxido nítrico y sus derivados formados con agua, tales como nitratos, nitritos y peroxinitritos, se ha puesto de manifiesto en diversos estudios (Choi y col., 2019; Khan y kim, 2019; Xiang y col., 2019; Zhao y col., 2019, 2020). Además, el tratamiento de agua y otras soluciones acuosas por PANT induce un aumento en su conductividad eléctrica y potencial de óxido-reducción y una reducción en su valor de pH, hasta valores próximos a 3 (Ma y col., 2015, 2016; Joshi y col., 2018; Xiang y col., 2020; Zhao y col., 2019, 2020; Machado-Moreira y col., 2021). Este interesante fenómeno supone un enfoque completamente novedoso en la aplicación del PANT, que consistiría en “activar” primero el agua y posteriormente utilizarla para el tratamiento o procesado de los alimentos. Es de destacar que el PAW proporciona una serie de ventajas adicionales frente al tratamiento directo con PANT, como son la facilidad de generación y aplicación, así como su capacidad para ser almacenada, lo que ha conducido a que diversos grupos de investigación estén explorando sus aplicaciones en la industria alimentaria. En este sentido, se ha demostrado que el PAW presenta un gran potencial como estrategia para mejorar la calidad microbiológica de los alimentos, descontaminar superficies de contacto, conseguir los atributos característicos de los productos cárnicos curados sin la necesidad de adicionar nitritos, estimular la germinación de semillas, degradar pesticidas y modificar la estructura del almidón.

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Figura 1: Difusión en el agua de especies químicas reactivas del plasma y formación de nuevas especies, generando agua activada por plasma (PAW). Aumento de la conductividad eléctrica (CE) y del potencial de óxido-reducción (POR) y descenso de pH.

El PAW como técnica de descontaminación microbiana

Descontaminación de alimentos

Se ha evidenciado que el PAW permite mejorar la calidad microbiológica de los alimentos, tanto de origen vegetal como de origen animal, crudos y procesados, sin ejercer efectos adversos en sus atributos de calidad. Se ha descrito que es capaz de inactivar eficazmente bacterias, mohos y levaduras en frutas (fresas, peras, kiwis, manzanas, arándanos, uvas, lima), hortalizas (tomate, repollo, calabaza, hojas de espinaca y de lechuga), semillas, germinados y hongos comestibles, como champiñones, mejorando su calidad microbiológica y extendiendo su vida útil (Ma y col., 2015, 2016; Guo y col., 2017; Joshi y col., 2018; Chen y col., 2019; Choi y col., 2019; Khan y Kim, 2019; Vaka y col., 2019; Xiang y col., 2019; Zhao y col., 2019; Liu y col., 2020; Xiang y col., 2020; Machado-Moreira y col., 2021). Por ejemplo, el tratamiento de semillas “mung bean (Vigna radiata)” germinadas, durante 30 minutos, con PAW (agua destilada estéril tratada por PANT durante 30 segundos) permitió reducir la población de bacterias aerobias totales, así como la de mohos y levaduras, en 2,3 y 2,8 unidades logarítmicas, respectivamente, no detectándose, además, cambios significativos ni en las características sensoriales ni en el contenido en flavonoides y polifenoles totales de los productos tratados (Xiang y col., 2019).

Asimismo, se ha demostrado la capacidad del PAW para la inactivación de microorganismos alterantes y patógenos, incluyendo Salmonella Enteritidis y Staphylococcus aureus, en carne (Zhao y col., 2018; Kang y col., 2019; Qian y col., 2019; Royintarat y col., 2020), productos cárnicos (Wang y col., 2021) y huevos (Lin y col., 2019). Por ejemplo, se ha observado que la pulverización de PAW sobre carne de vacuno reducía la población bacteriana superficial en 3,1 unidades logarítmicas, lo que permitía alargar entre 4 y 6 días la vida útil de la carne almacenada a refrigeración, sin comprometer su calidad tras la cocción (Zhao y col., 2018).

Además, se ha comprobado que la efectividad antimicrobiana del PAW en la descontaminación de los alimentos se puede potenciar mediante su combinación con tratamientos térmicos moderados (Choi y col., 2019; Xiang y col., 2020) y ultrasonidos (Royintarat y col., 2020), así como mediante la adición de ácido láctico al agua previamente a su tratamiento por PANT (Qian y col., 2019).

Descontaminación de equipos y superficies

Los microorganismos, tanto alterantes como patógenos, tienen la capacidad de adherirse a las superficies de los equipos, lo que puede provocar problemas de contaminación cruzada en los alimentos en contacto con ellas, con repercusiones importantes para la salud y grandes pérdidas económicas para los operadores industriales. Son varios los estudios en los que se ha puesto de manifiesto el potencial que presenta el PAW para la inactivación de bacterias, tanto Gram positivas como Gram negativas, y levaduras, incluso cuando se encuentran formando biofilms, en materiales ampliamente utilizados en la industria alimentaria, como acero inoxidable, polietileno de alta densidad y poliestireno. Por ejemplo, en el trabajo llevado a cabo por Fernández-Gómez y col. (2020) se evaluó la influencia ejercida por el tiempo de exposición al PAW sobre la efectividad de esta estrategia para inactivar las células de un cóctel de tres cepas de L. monocytogenes adheridas a acero inoxidable y poliestireno (106-107 ufc/cm2), comprobándose que tiempos de tratamiento de 30 y 60 minutos, respectivamente, reducían los recuentos a valores inferiores a 102 ufc/cm2.

El PAW como agente de curado en productos cárnicos

El PAW, como ya se ha comentado, contiene ROS y RNS, entre los que se encuentran los nitratos y nitritos. Basándose en este fenómeno, Jung y col. (2015) elaboraron salchichas tipo Frankfurt por el método tradicional, así como sustituyendo los nitritos de las sales del curado por PAW (agua con 1% de pirofosfato sódico tratada por PANT, que presentó un contenido de 782 y 358 ppm de nitritos y nitratos, respectivamente), no detectando diferencias entre ambos tipos de productos al cabo de 28 días de almacenamiento a refrigeración, ni en los recuentos de bacterias aerobias totales ni en distintos parámetros de calidad (color, aroma, sabor, jugosidad, elasticidad) que determinan su aceptabilidad, con la ventaja adicional de que el contenido en nitritos residuales resultaba un 30% más bajo en las salchichas elaboradas con PAW. Posteriormente, también se ha demostrado el potencial que presentan las salmueras tratadas por PANT para el curado de lomo (Yong y col., 2017) y “beef jerky” (Inguglia y col., 2020).

El PAW en la producción de germinados

Varios autores han comprobado que la irrigación de las semillas con PAW estimula tanto su germinación como su crecimiento posterior, acortando, así, el proceso productivo (Zhang y col., 2017; Zhou y col., 2019). En este sentido, se ha descrito que la utilización del PAW como agua de irrigación era capaz de acortar a la mitad el tiempo necesario para la germinación de semillas “mung bean”, de 72 a 36 horas, e incrementar, en un 6%, el porcentaje final de germinación (Zhou y col., 2019). Asimismo, se ha observado que cuando la germinación de semillas de lentejas se llevaba a cabo en PAW se obtenían tanto brotes con un tallo más desarrollado como mayores porcentajes de semillas germinadas, 80% frente al 30% conseguido al utilizar agua de la red de suministro (Zhang y col., 2017). Además, se ha evidenciado que el empleo de PAW en la producción de germinados permite también reducir la carga microbiana en los productos finales (Zhou y col., 2019). Así, los recuentos de mesófilos totales en los germinados producidos con agua alcanzaron valores tan altos como 6,21 log ufc/g, mientras que los de los germinados con PAW eran aproximadamente de 1,04 log ufc/g.

El PAW como técnica de degradación de pesticidas

Se ha observado, asimismo, que el PAW resulta eficaz para reducir el contenido en pesticidas, habiéndose descrito que la inmersión de uvas (Zheng y col., 2019) y tomates (Gracy y col., 2019) en PAW durante 10 y 15 minutos, respectivamente, lograba disminuir marcadamente la concentración de foxim (en un 73,60%) y clorpirifos (en un 51,97%), sin afectar significativamente los atributos de calidad de la fruta. Aunque se considera que son las ROS y RNS presentes en el PAW, incluyendo el ozono y el radical hidroxilo, las responsables de la degradación de los pesticidas, parece que la coexistencia de condiciones ácidas (pH <3) y oxidantes (potencial de óxido-reducción > 500 mV) resultan clave en el proceso degradativo (Zheng y col., 2019).

El PAW como agente coadyuvante en la modificación de la estructura del almidón

El almidón es ampliamente empleado en la industria alimentaria. Sin embargo, la utilización del carbohidrato en determinadas aplicaciones requiere de una modificación de su estructura nativa, lo que permite mejorar sus propiedades funcionales. Una técnica de modificación utilizada es el tratamiento del almidón nativo en condiciones de calor y humedad. Recientemente, se ha demostrado que la sustitución del agua destilada por PAW durante este procedimiento conducía a la obtención de un almidón de maíz que presentaba una mayor solubilidad y un contenido más elevado en almidón resistente (Yan y col., 2020).

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