Tecnologías emergentes de conservación de los alimentos: plasma atmosférico no térmico

Aunque los tratamientos térmicos han sido ampliamente utilizados durante muchos años y resultan, en líneas generales, bien aceptados por los consumidores, presentan ciertos inconvenientes, como la pérdida de nutrientes y una considerable reducción de la calidad organoléptica de algunos alimentos. Por ello, en estos últimos años se ha hecho un gran esfuerzo investigador en el desarrollo de nuevas tecnologías de conservación, basadas en nuevos principios, diferentes al calor, que genéricamente se engloban bajo el nombre de ‘Tecnologías emergentes de conservación de los alimentos’, cuyo objetivo es inactivar los microorganismos y enzimas presentes en los mismos sin alterar sensiblemente sus características nutritivas, organolépticas y funcionales. Entre ellas, han surgido las altas presiones hidrostáticas, los pulsos eléctricos de alto voltaje, los ultrasonidos, los pulsos de luz, los campos magnéticos oscilantes y, más recientemente, el plasma atmosférico no térmico.

El término plasma, en Física y Química, se utiliza para designar al estado de un gas ionizado. Según la energía de sus partículas, el plasma es considerado el cuarto estado de la materia. Aunque en la tierra, por las condiciones de temperatura y presión, resultan más comunes los estados sólido, líquido y gaseoso, éstos son en términos globales exóticos, mientras que el plasma constituye el estado predominante en el universo, estimándose que hasta el 99% de la materia se halla en este estado, encontrándose, por ejemplo, en las auroras, la ionosfera, el viento solar, los canales de los rayos que se producen durante una tormenta, el sol y el resto de las estrellas. Además de los plasmas naturales, también hay plasmas producidos artificialmente y, muchos de ellos, forman parte de nuestra vida cotidiana (los televisores o monitores con pantalla de plasma, los tubos fluorescentes utilizados en la iluminación, etc.) o diversas industrias los utilizan para conferir ciertas propiedades funcionales a determinados materiales.

El fundamento de la producción de plasma es muy simple, aportar energía a un gas para provocar su ionización, pudiendo ser ésta de diferente naturaleza (térmica, mecánica, eléctrica,...). Ahora bien, dependiendo del tipo y cantidad de energía transferida al gas se obtienen plasmas que presentan diferentes características y que pueden ser clasificados, en función de su temperatura, en 2 grandes grupos: plasmas térmicos y plasmas fríos. En los plasmas térmicos se pueden alcanzar temperaturas de hasta varios miles de grados centígrados y se emplean en aplicaciones donde se requieren altas temperaturas como, por ejemplo, en procesos de fundición en la industria metalúrgica, en la incineración de residuos o como medio activo para procesos de síntesis química (producción de acetileno a partir de gas natural). Los plasmas fríos, si bien este término no se refiere a temperaturas de refrigeración sino a temperaturas próximas a la ambiental, resultan adecuados para el tratamiento de materiales sensibles al calor.

Estos plasmas fríos o no térmicos se generan mediante la aplicación de un campo eléctrico o electromagnético a un gas, en el que los electrones libres toman la energía del campo lo que produce su aceleración hasta que sus energías se elevan lo suficiente para ionizar los átomos o las moléculas del gas con las que colisionan, liberando más electrones que provocan a su vez nuevas ionizaciones. Además, los electrones con energías adecuadas producen disociación molecular, formándose átomos y radicales libres, siendo, asimismo, capaces de excitar átomos y moléculas a niveles superiores de energía que, al retornar al estado más estable, emiten el exceso de energía en forma de radiaciones electromagnéticas de amplio espectro, incluyendo radiaciones en el rango ultravioleta. En consecuencia, el plasma está constituido básicamente por moléculas y átomos en estado o no de excitación, iones positivos y negativos, radicales libres, electrones y radiación ultravioleta y, en presencia de gases como el oxígeno y el nitrógeno, en esta mezcla también están presentes especies reactivas de oxígeno y de nitrógeno, tales como ozono, superóxido, radicales hidroxilo, oxígeno singlete, oxígeno atómico, óxido nítrico, dióxido de nitrógeno, con capacidad de inactivar una amplia gama de microorganismos, incluyendo bacterias, mohos, levaduras, esporos e incluso virus, priones y parásitos (Klämpfl y col., 2012; Hayashi y col., 2013; Alkawareek y col., 2014; Mai-Prochnowa y col., 2014).

Aunque la posibilidad de utilizar las propiedades esterilizantes del plasma ya fue señalada por primera vez a finales de los años 60 en una patente americana en la que se describía como una técnica muy eficaz para la descontaminación superficial, su empleo ha estado alejado de la industria alimentaria ya que sólo se podían conseguir plasmas fríos en condiciones de vacío y a pequeña escala, resultando además de muy caro, incompatible a nivel industrial. Sin embargo, los recientes avances tecnológicos en las fuentes de generación plasmas, como consecuencia de su utilización en otras actividades industriales, permitieron, a finales de los años 90, desarrollar equipos capaces de generar plasmas a presión atmosférica (de ahí el nombre de Plasma Atmosférico no Térmico), evitando así la necesidad de cámaras y bombas de vacío y bombas y permitiendo el tratamiento en continuo, con equipos relativamente sencillos y baratos, haciendo el proceso práctico y no costoso.

Esta tecnología presenta además otras ventajas muy importantes para la industria alimentaria, como el empleo de tiempos de tratamiento cortos. En este sentido, se ha descrito que se pueden conseguir más de 5 reducciones logarítmicas para diferentes microorganismos patógenos, incluyendo, entre otros, Salmonella Typhimurium, Salmonella Enteritidis, Escherichia coli, Staphilococcus aureus y Listeria monocytogenes, e incluso microorganismos esporulados, como Bacillus cereus y Bacillus subtilis, en tiempos realmente cortos, entre 30 segundos y 2 minutos (Marsili y col., 2002; Deng y col., 2007; Klämpfl y col., 2012; Alkawareek y col., 2014; Ziuzina y col., 2014). El hecho de que esta técnica resulte eficaz a temperatura ambiente, la hace especialmente interesante para productos sensibles al calor, tanto frescos como procesados. Además, su naturaleza no tóxica y la significativa reducción del consumo de agua y agentes químicos se traduce en una importante disminución de efluentes que resulta beneficioso, no sólo desde un punto de vista económico, sino también ambiental.

Como es evidente, este conjunto de ventajas ha hecho que en estos últimos años se considere el uso del plasma atmosférico no térmico como una tecnología sumamente prometedora para la conservación de los alimentos, existiendo ya numerosos estudios, tanto sobre su efectividad antimicrobiana, como sobre diversos aspectos relacionados con los mecanismos de inactivación. No obstante, resulta aún necesario un gran esfuerzo investigador para su implementación a nivel industrial como una alternativa segura y eficaz a los métodos tradicionales de conservación, debido fundamentalmente a la dificultad para interpretar los datos obtenidos por los diferentes grupos de investigación, que utilizan equipos y condiciones de operación muy diversas, lo que se traduce en plasmas muy diferentes en cuanto a propiedades y, en consecuencia, de muy distinta efectividad. De todos modos, algunas conclusiones generales pueden ser extraídas sobre diversos aspectos relativos a los mecanismos de inactivación microbiana, así como sobre los factores que determinan la eficacia letal.

El mecanismo específico de inactivación microbiana por plasma no se conoce con precisión. Como se ha comentado anteriormente, el plasma es una fuente de fotones UV, partículas cargadas (iones positivos y negativos), radicales libres y átomos y moléculas excitadas o no, con una gran capacidad antimicrobiana.

Es bien conocido que las radiaciones UV son capaces de inhibir la multiplicación de las bacterias al inducir la formación de dímeros de timina en el ADN y su gran efecto letal se viene explotando desde hace años para el tratamiento de aguas, aire y superficies y, más recientemente, se está aplicando en forma de la luz pulsada. Sin embargo, y a diferencia de los plasmas generados a baja presión, en los obtenidos a presión atmosférica, parece que su papel en la inactivación no resulta significativo (Liu y col., 2008). Por lo tanto, en condiciones atmosféricas son las especies químicas generadas las responsables de la inactivación microbiana y en lo que a su mecanismo de acción se refiere parece que ejercen un ataque directo sobre diversas estructuras y componentes microbianos, incluyendo las envolturas celulares, el ADN y las proteínas (Song y col., 2009; Colagar y col., 2010; Surowsky y col., 2014). De hecho, los daños provocados en las envolturas celulares son considerados la primera causa de muerte celular, al representar éstas la barrera inicial de contacto con las especies químicas, que provocan una pérdida de su integridad y funcionalidad, derivado de un efecto mecánico y/o un efecto oxidativo (Miao y Jierong, 2009; Alkawareek y col., 2014).

No obstante, parece que las envolturas no son la única estructura celular dañada, porque incluso con ellas intactas, las especies reactivas neutras, tales como los radicales libres, los átomos y moléculas excitadas, pueden difundir rápida y fácilmente al interior celular y ejercer un potente efecto oxidativo sobre diversas macromoléculas, resultando especialmente susceptibles el ADN y las proteínas. De hecho, se ha observado que durante la exposición de Escherichia coli al plasma se produce una sobreexpresión de genes involucrados en la respuesta al estrés oxidativo (Perni y col., 2007).

Además de estos efectos directos, las especias químicas formadas podrían tener también un mecanismo de acción indirecto, a través de la formación de nuevos compuestos nocivos para los microorganismos (Colagar y col., 2010).

En resumen, aunque el mecanismo exacto de inactivación no se conoce, es muy probable que todas estas estructuras estén implicadas y que las lesiones producidas sean el resultado de la interacción de todas las especies químicas generadas. No obstante, la contribución relativa que cada componente individual tiene en la pérdida de viabilidad es, por el momento, muy difícil de establecer, teniendo en cuenta que la composición del plasma puede ser muy compleja al estar muy determinada por las condiciones de obtención y, además, la magnitud del daño podría estar a su vez relacionada con el tipo de microorganismo.

Cabe destacar que, tanto los equipos como los parámetros de obtención de plasma utilizados por los diferentes grupos de investigación, resultan extremadamente variables, lo que dificulta la comparación de los resultados. Sin embargo, puede concluirse que el grado de inactivación microbiana conseguido aumenta con la energía aportada (Deng y col., 2007; Gweon y col., 2009; Miao y Jierong, 2009; Song y col., 2009) y el contenido en humedad (Colagar y col., 2010; Ragni y col., 2010) y la velocidad de flujo (Liu y col., 2008; Wang y col., 2008; Miao y Jierong, 2009) del gas empleado, así como con la presencia de oxígeno en el gas o mezcla de gases usados (Gweon y col., 2009; Kim y col., 2011; Lee y col., 2011; Surowsky y col., 2014).

Por otra parte, estos tratamientos pueden ser aplicados directa o indirectamente, en función de la distancia existente entre el alimento y el punto de generación de plasma. En los tratamientos directos, el alimento se localiza físicamente en el campo donde se genera el plasma y entra en contacto con todas las especies reactivas formadas, produciéndose una inactivación más rápida que en un tratamiento indirecto, en el que el plasma se genera a una cierta distancia del producto y, en estas condiciones, sólo accederían las especies reactivas con una larga vida (Liu y col., 2008).

Una de las principales ventajas que presenta el plasma atmosférico no térmico es la capacidad de inactivar esporos y, aunque éstos resultan más resistentes que los mohos y las levaduras y, más aún, que las bacterias, las diferencias en resistencia entre distintos grupos microbianos no parecen ser tan acusadas como con otras tecnologías de conservación (Klämpfl y col., 2012; Hayashi y col., 2013). No obstante, se ha descrito que el grado de contaminación determina marcadamente la eficacia de estos tratamientos cuando se aplican a superficies, de tal forma que la capacidad de inactivación desciende con la carga microbiana, probablemente debido a que los microorganismos situados en las capas superiores constituyen una barrera física a la penetración del plasma, protegiendo así a los de las capas inferiores (Miao y Yun, 2011; Fernández y col., 2012).

Asimismo, también se ha señalado que la eficacia letal de esta tecnología está determinada por ciertas características del medio en el que se encuentran los microorganismos durante el tratamiento y, en el caso de los alimentos líquidos, por su composición, al determinar ésta la naturaleza de las especies reactivas secundarias formadas y el grado de acidificación alcanzado (Wang y col., 2008; Chen y col., 2009; Ikawa y col., 2010; Surowsky y col., 2014). En el caso de los alimentos sólidos, los estudios existentes indican que la eficacia del proceso se reduce con la rugosidad, la porosidad y la presencia de irregularidades, que protegerían a los microorganismos frente a la acción del plasma (Song y col., 2009; Lee y col., 2011; Fernández y col., 2013; Ziuzina y col., 2014).

Los resultados obtenidos hasta el momento ponen de manifiesto que el plasma atmosférico no térmico resulta una técnica adecuada para mejorar la calidad microbiológica de una amplia gama de alimentos, tanto de origen vegetal como animal. Así, por ejemplo, con tratamientos de 2 minutos se han conseguido entre 4 y 8 reducciones logarítmicas para Listeria monocytogenes en fresas, tomates, filetes de pechuga de pollo y lonchas de jamón y queso (Song y col., 2009; Lee y col., 2011; Ziuzina y col., 2014), y de 3 unidades logarítmicas para Salmonella Enteritidis en melón (Critzer y col., 2007). Incluso tratamientos tan cortos como de 30 segundos permiten reducir la población de Escherichia coli, en almendras, en 5 ciclos logarítmicos (Deng y col., 2007). Aunque son más escasos los estudios en alimentos líquidos, también se han obtenido resultados bastante interesantes y, se han logrado alcanzar, por ejemplo, en zumo de manzana, reducciones de 5 unidades logarítmicas de Citrobacter freundii al aplicar tratamientos de 8 minutos (Surowsky y col., 2014). Desgraciadamente, en la mayor parte de estos estudios no se ha evaluado el efecto provocado por estos tratamientos sobre las características nutritivas y sensoriales de los alimentos, a pesar del hecho de que alguna de las especies reactivas, al interaccionar con algunos componentes de los alimentos, podrían provocar ciertas reacciones químicas que originarían cambios en las características específicas de los alimentos. No obstante, en líneas generales, y a partir de los escasos resultados publicados, no se han detectado cambios en el color en ciertos productos vegetales (Niemira y Sites, 2008; Kim y col., 2011; Bermúdez-Aguirre y col., 2013; Misra y col., 2014), pero si en las carnes frescas y productos cárnicos (Fröhling y col., 2012; Rod y col., 2012). En relación al efecto sobre otros componentes nutricionales que también podrían verse afectados, como vitaminas, no hay estudios por el momento.

En conclusión, esta tecnología todavía se encuentra en una fase inicial de desarrollo y se requiere una mayor profundización en muchos aspectos para que pueda ser aplicada con éxito en la industria alimentaria.

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