La contaminación de los cereales por micotoxinas es una de las mayores preocupaciones de la industria alimentaria, que provoca pérdidas de calidad, problemas de salud humana y animal y cuantiosas pérdidas económicas. El plasma frío atmosférico es una tecnología no térmica emergente con potencial de degradación de micotoxinas. En este artículo se analiza esta novedosa tecnología, su mecanismo de acción y los retos a los que debe enfrentarse.
Cada año, más del 25% de los cereales producidos en todo el mundo están contaminados con micotoxinas. Las técnicas de descontaminación convencionales y avanzadas, como los tratamientos térmicos suaves y el procesado por microondas, tienen limitaciones como los daños térmicos al sabor y la nutrición, la escasa eficacia, los efectos perjudiciales para la salud humana y el medio ambiente, la escasa viabilidad y la resistencia al calor. Por lo tanto, se necesitan métodos más eficaces y prácticos, como el tratamiento con plasma frío atmosférico, para mantener la alta calidad de los granos, el aspecto fresco y la prolongación de la vida útil de los alimentos para el ganado.
Tecnología de plasma frío atmosférico
El plasma frío atmosférico es una tecnología no térmica emergente con potencial de degradación de micotoxinas sin afectar a la calidad de los alimentos. Al aumentar la energía interna de un sólido, éste se convierte en líquido, luego en gas y, finalmente, en un estado ionizado. Este estado ionizado de un gas que se compone de electrones libres, átomos y fotones se describe como «plasma». El plasma se clasifica en térmico y no térmico. El plasma no térmico o plasma frío tiene una temperatura inferior a 60 °C.
Las 2 principales especies efectivas en el proceso de plasma de aire son:
Especies reactivas de oxígeno (ozono, oxígeno singlete, superóxido, peróxido y radicales hidroxilo) y
Las especies reactivas del nitrógeno (radicales del nitrógeno y del óxido nítrico) desempeñan un papel importante en la degradación de las micotoxinas.
Producción de plasma frío atmosférico
La descarga de barrera dieléctrica es un método seguro y rentable utilizado para generar plasma frío atmosférico mediante la producción de descarga de plasma entre 2 electrodos paralelos, donde ambos o al menos uno de los electrodos está envuelto por un dieléctrico. En el plasma frío atmosférico de descarga de barrera dieléctrica, la descarga está bloqueada por una capa de barrera dieléctrica, como alúmina, vidrio, vidrio de sílice o materiales cerámicos. Además, finas capas de esmalte o polímero cubren uno o ambos electrodos para evitar una descarga de chispa o arco.
Factores que afectan al tratamiento con plasma frío atmosférico
Los factores relacionados con el proceso, el producto y la microbiología influyen en la eficacia del tratamiento por plasma frío atmosférico con descarga dieléctrica de barrera en entornos abiertos y dentro del envase.
Los factores del proceso incluyen:
tensión,
frecuencia,
actual,
tipo de gas,
humedad relativa,
temperatura y caudal,
material,
espesor y separación de los electrodos y la barrera,
tiempo de tratamiento,
espacio para la cabeza,
tipo de patrón de exposición, y
intensidad del campo eléctrico.
Los factores del producto incluyen:
tipo de producto y composición,
características de la superficie, y
contenido en agua,
Los factores microbiológicos incluyen:
el tipo de agente patógeno,
recuento inicial, y
fase de crecimiento.
Mecanismos de acción del plasma frío atmosférico
La acumulación de carga superficial crea una fuerza eléctrica total superior a la fuerza de tracción total de la membrana, lo que a su vez provoca una alteración electrostática y la muerte celular. Además, la descarga de gas produce iones energéticos, radicales y especies reactivas que causan oxidación y dañan la membrana celular o los componentes celulares. Las especies reactivas de oxígeno del plasma frío atmosférico interactúan con los lípidos, las proteínas y el ADN y modifican las funciones de las membranas biológicas y las biomoléculas celulares. Además, el intenso campo eléctrico del plasma frío atmosférico rompe la membrana celular y crea fugas de células bacterianas y pérdida de funcionalidad celular. Los factores que incluyen la reacción química de las especies reactivas producidas durante el plasma frío atmosférico con la micotoxina, la descomposición de la micotoxina después de la colisión con electrones e iones, y la luz UV contribuyen a la escisión de las micotoxinas por el tratamiento de plasma frío atmosférico. Además, durante los tratamientos con plasma frío atmosférico, la temperatura de la muestra no se eleva a más de 60 °C, por lo que no se espera una degradación térmica de la micotoxina.
Tratamiento térmico en combinación con plasma frío atmosférico
El tratamiento térmico es un método común de reducción de micotoxinas en la industria alimentaria. Los estudios de Bretz y colegas (2006), Shanakhat y colegas (2019), Vidal y colegas (2015), y De Angelis y colegas informaron de una reducción significativa de la concentración de DON a altas temperaturas (por encima de 140 °C) y una correlación positiva entre la temperatura y el tiempo de tratamiento térmico en la tasa de degradación de DON. Sin embargo, un estudio de Feizollahi (2023) utilizó un calentamiento moderado (80 °C) durante 25 minutos para aumentar la eficacia de degradación de DON del plasma frío atmosférico. Pero este método combinado no produjo ninguna reducción en la concentración de DON.
¿A qué retos se enfrenta la industria alimentaria?
Existen algunas limitaciones en la aplicación del tratamiento con plasma frío atmosférico de descarga dieléctrica de barrera para piensos blandos debido a la producción de chorros calientes localizados que dejan marcas visibles; sin embargo, este método es útil para tratar alimentos sólidos duros como los frutos secos. Además, el tratamiento con plasma frío atmosférico tiene una elevada acción oxidante que afecta a los compuestos y componentes bioactivos, incluidos los lípidos y las proteínas de los piensos, lo que limita su potencial para alimentos ricos en grasas y proteínas. Teniendo en cuenta la complejidad integral del tratamiento con plasma frío atmosférico y la complejidad adicional de los productos alimenticios con diversos constituyentes, tamaño, forma y características superficiales, es necesario desarrollar sistemas de descarga dieléctrica de barrera diseñados a medida para aplicaciones de descontaminación de productos alimenticios. Además, las características superficiales de los sustratos afectan a la supervivencia microbiana durante el tratamiento con plasma frío atmosférico. Por lo tanto, se necesita un mayor conocimiento sobre la química del plasma frío atmosférico y los mecanismos de inactivación microbiana por componentes individuales del plasma frío atmosférico para optimizar el tratamiento de productos específicos. Además, se recomienda centrar la investigación en una mejor comprensión de los mecanismos de reacción, las vías antimicrobianas, el impacto del plasma frío atmosférico en la calidad y seguridad de los alimentos para evitar probables efectos secundarios en la salud animal.
Conclusiones
El plasma frío atmosférico es una tecnología prometedora aplicada en la industria alimentaria ganadera para la degradación de micotoxinas debido a sus propiedades antimicrobianas, radicales y especies reactivas, y al mínimo impacto en los atributos de calidad de los alimentos. El tratamiento con plasma frío atmosférico puede utilizarse en las líneas de producción y procesado de diversos granos para mantener una alta calidad, un aspecto fresco y una vida útil prolongada. Aunque es posible que este método de tratamiento no pueda sustituir completamente a los procesos de esterilización convencionales utilizados en la industria alimentaria debido a las limitaciones de la tecnología. Además, es necesario seguir investigando para comprender el impacto de diversos parámetros del producto y del proceso y sus interacciones en la eficacia de la degradación de micotoxinas del plasma frío atmosférico.
