Kaltes Plasma in der Lebensmitteltechnologie

Anwendungsmöglichkeiten eines neuen Plasma-Tube Systems zur Oberflächensterilisation

  • Abb. 1: Die vier Aggregatzustände.Abb. 1: Die vier Aggregatzustände.
  • Abb. 1: Die vier Aggregatzustände.
  • Abb. 2: Das Plasma-Tube-System  (schematisch).
  • Abb. 3: Reduktion vom Methicillin resistenten Staphylococcus aureus. In der oberen Reihe sind die unbehandelten Kontrollproben, in der mittleren Reihe die Proben nach 20-sekündiger Behandlungsdauer (FlatPlaSter 2.0.) und in der unteren Reihe die nach 30-sekündiger Behandlungsdauer. Die vorher angefertigten Verdünnungsreihen sind von links nach rechts mit abnehmender Bakterienkonzentration (10-1 bis 10-8 KbE/ml). (Foto Dr. B. Ahlfeld).
  • Abb. 4: Abnahme von Noroviren-Proben mit einem Tupfer nach der Plasmabehandlung (FlatPlaSter 2.0). (Foto privat, Dr. A. Binder)
In den letzten Jahren hat nicht-thermisches Atmosphärendruck Plasma, auch kaltes Plasma genannt, als neues Sterilisationsverfahren an Bedeutung gewonnen. Zahlreiche Studien zeigten einen keimreduzierenden Effekt gegenüber einer Vielzahl von Mikroorganismen auf der Oberfläche verschiedener Matrices. Neue Entwicklungen zur Erzeugung kalter Plasmen sind mit Umgebungsluft arbeitende semidirekte Plasmen, sogenannter Hybrid-Plasmen. Im Fokus dieser Ausarbeitung stehen zwei entwickelte semidirekte, mit Umgebungsluft betriebene Plasmasysteme, die in ihrer Effektivität gegenüber lebensmittelpathogenen Erregern getestet wurden.
 
Einleitung
Materie durchläuft nach einer Energiezufuhr die Aggregatzustände von fest über flüssig zu gasförmig. Wird dieser gasförmigen Materie weiterhin Energie hinzugefügt, so werden die Gas-Teilchen angeregt oder ionisiert - Plasma, der vierte Aggregatzustand, entsteht (Abb. 1). Die ursprüngliche Form der Plasmen sind thermische („heiße“) Plasmen. Sie machen 99 % der sichtbaren Materie des Universums aus und weisen Gastemperaturen von mehreren Millionen Kelvin (K) auf. Charakteristisch ist, dass alle Teilchen (Elektronen, Ionen und neutrale Moleküle) in einem thermodynamischen Gleichgewicht sind. Neben terrestrischen und astrophysikalischen Plasmen, zu denen u.a. Blitze, Polarlichter und Sonnenwinde gezählt werden, treten thermische Plasmen nur als künstlich erzeugte Plasmen auf der Erde auf. Sie finden u.a. Einsatz in der Medizin zur Kauterisation [1]. Die hohen Temperaturen limitieren die Bandbreite der Anwendung heißer Plasmen jedoch maßgeblich.
Daher begann sich der Forschungsschwerpunkt auf die Entwicklung neuer Technologien zur Erzeugung nicht-thermischer (kalter) Plasmen zu verlagern. Das zur Erzeugung kalter Plasmen angelegte elektrische Feld ist um viele Potenzen niedriger als es für die Erzeugung heißer Plasmen nötig wäre, sodass nur ca. ein Ion bzw. Elektron pro Milliarde neutraler Atome oder Moleküle ionisiert wird. So entstehen in dem elektrischen Feld primär nur Elektronen mit sehr hohen Temperaturen, während auf die neu­tralen Atome und Moleküle nur ein Bruchteil dieser Energie übertragen wird und sie somit nur eine marginale Erwärmung erfahren.

Kalte Plasmen weisen somit einen deutlichen Temperaturunterschied zwischen Elektronen und den anderen Gasteilchen auf, weswegen sie als non-equilibrium Plasmen bezeichnet werden.

 
Erzeugung kalter Plasmen
In der hier dargestellten Arbeit wurden zwei semidirekte Systeme genutzt (FlatPlaSter 2.0 und das Nachfolgersystem Plasma-Tube (Abb. 2), terraplasma). Als Arbeitsgas fungierte Umgebungsluft. Die aus Plasmaspezies, z. B. UV-Strahlung, ROS und RNS bestehende „Plasmawolke“ wurde beim Plasma-Tube System zirkulär im geschlossenen System zur Behandlungsbox fortbewegt. Die Gastemperatur betrug etwa 20 °C.
Beim älteren Modell konnte nur die Oberfläche einer max. Größe einer 96-Wellplatte behandelt werden. Daher scheint die Entwicklung des erweiterbaren Plasma-Tube-Systems die Integration leistungsfähiger Plasmasysteme in industrielle Prozesse, wie die Anwendung auf Förderbändern, in Verpackungsanlagen, etc. zu ermöglichen. Ergänzende Vorteile sind die ressourcenschonende Verwendung kostengünstiger Umgebungsluft und der umweltfreundliche Charakter des kalten Plasmas.
 
Grundlagen der bakteriziden Wirkung kalter Atmosphärendruck Plasmen
Die bakterizide Wirkung radikaler Plasma-Spezies ist von mehreren Faktoren abhängig. Eine Erhöhung der angelegten Spannung kann die Plasmachemie beim Plasma-Tube-System beeinflussen. Die dabei erzeugten energiereicheren Elektronen bedingen eine höhere Konzentration ebenfalls energiereicherer und stärker bakterizid wirkenden NOx-Spezies. Die Wirkung der radikalen Plasma-Spezies kann auch von Mikroorganismen, wie Viren, Bakterien, Pilze, etc., beeinflusst werden. Studien zeigten z.B. einen deutlichen Einfluss der Dicke der bakteriellen Zellwand auf die Höhe der Reduktion [2,3]. So waren z. B. gramnegative Bakterienspezies mit einer dünnen Zellwand gegenüber radikalen Plasmaspezies weniger geschützt als grampositive Bakterienspezies.
Weitere exogene Faktoren, wie z.B. die Oberfläche oder die initiale Keimkonzentration können auch die Höhe der Reduktion beeinflussen. Passiven Schutz gegenüber radikalen Plasmaspezies bieten Kavitäten auf der Oberfläche der Matrix. Auch Proteine und Lipide reagieren mit radikalen Plasmaspezies und schwächen diese in ihrer bakteriziden Wirkung ab. Diese Reaktion wird als „Auslöscheffekt“ (quencher-effect) bezeichnet [3].
Aktive Abwehrmechanismen der Erreger gegenüber radikalen Plasmaspezies beziehen zum einen die aktive Migration der Bakterien in tiefere Matrixschichten ein, zum anderen weisen einige Bakterienspezies sekundäre Pathogenitätsfaktoren auf, die als natürliche Antioxidantien in der Zellwand der Bakterien sind und einen wirksamen Schutz gegenüber Radikalen bieten [4].
 
Anwendung des kalten Plasmas auf Lebensmitteln
Der Einsatz von kaltem Plasma zur Behandlung von Lebensmittel-Matrices birgt die Herausforderung einer effektiven Reduktion von Mikroorganismen bei gleichbleibender Produktqualität.
Erste in vitro Untersuchungen über die Reduktion von lebensmittelpathogenen Erregern wurden durchgeführt. Dafür wurden in den Versuchsreihen verschiedene pathogene und verderbniserregende Mikroorganismen (B. cereus, S. aureus, E. faecium, P. aeruginosa, E. coli, MRSA, ESBL-bildende E. coli) ausgewählt. Eine Reduktion aller Erreger um bis zu 4 lg-Stufen nach 30-sek. Plasma-Behandlung wurde erreicht (Abb. 3).
Um die Wirksamkeit von kaltem Plasma gegen Viren zu testen wurde aus einer humanen Stuhlprobe gewonnene Norovirus-Suspension auf Petrischalen überführt, trocknen gelassen (Abb. 4) und anschließend einer 30-sek. bis 15-min. Plasma-Behandlung unterzogen [5]. Durch eine längere Plasmabehandlung wurde eine signifikant höhere Reduktion des Virus erreicht.
Die Entwicklung des vorgestellten Systems eröffnet neue Möglichkeiten der in vivo Reduktion. Dafür wurde exemplarisch Lachsschinken als vorverpackte Aufschnittware ausgewählt. Der Schinken wird weder während der Herstellung noch anschließend durch den Verbraucher vor dem Verzehr einer keimreduzierenden Hitzebehandlung unterzogen. Bei der Herstellung kann jedoch das grampositive Bakterium Listeria monocytogenes oder das z. B. durch erkrankte Mitarbeiter eingeschleppte gramnegative Bakterium Salmonella enterica Serovar Typhimurium auf das Produkt übertragen werden.
Kaltes Plasma reduzierte beide Bakterienspezies insbesondere während der Lagerung effektiv. Die Anwendung einer höheren Spannung resultierte in einer signifikant höheren Reduktion beider Bakterienspezies [6], während bei Anwendung der niedrigen Spannungseinstellung gramnegative Bakterienspezies signifikant besser reduziert wurden. Vermutliche initial subletal geschädigte Bakterienzellen wurden im Verlauf der Lagerung letal geschädigt. Chemische und physikalische Untersuchungen des Plasma-behandelten Lachsschinkens zeigten keine Qualitätseinbußen.
Diese Ergebnisse zeigen die Eignung der Plasmabehandlung in Kombination mit handelsüblicher Verpackung und Distributionslogistik bis zur Lagerung beim Endverbraucher unter kühlen Lagerungsbedingungen.
 
Ausblick
Die Anwendung einer Plasmabehandlung zur Reduktion von Mikroorganismen ist eine innovative Technologie, um Lebensmittel mikrobiologisch sicherer zu machen und dabei die Qualität des Lebensmittels zu bewahren.
Weitere Untersuchungen sind notwendig, um die Anwendung von Plasmasystemen auf weiteren Lebensmitteln, Kontakt- und Umgebungsmaterialien mit weiteren Bakterienspezies zu etablieren.
 
 
​Autoren
Karolina A. Lis1, Corinna Kehrenberg1, Birte Ahlfeld1
 
Zugehörigkeit
1Institut für Lebensmittelqualität und –sicherheit, Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover, Deutschland
 

Kontakt
Karolina A. Lis

Institut für Lebensmittelqualität und –sicherheit
Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover
Hannover, Deutschland
Karolina.Lis@tiho-hannover.de
 

Mehr Artikel

 

Literatur
[1] Raiser, J. and M. Zenker: Argon plasma coagulation for open surgical and endoscopic applications: state of the art, Journal of Physics D: Applied Physics, 39(16): p. 3520-3523 (2006)
[2] Ziuzina, D., et al., Atmospheric cold plasma inactivation of Escherichia coli, Salmonella enterica serovar Typhimurium and Listeria monocytogenes inoculated on fresh produce. Food Microbiol, 2014. 42: p. 109-16
[3] Critzer, F., et al., Atmospheric plasma inactivation of foodborne pathogens on fresh produce surfaces. Journal of Food Protection®, 2007. 70(10): p. 2290-2296.
[4] Clauditz, A., et al., Staphyloxanthin plays a role in the fitness of Staphylococcus aureus and its ability to cope with oxidative stress. Infect Immun, 2006. 74(8): p. 4950-3
[5] Ahlfeld, B., et al., Inactivation of a foodborne norovirus outbreak strain with nonthermal atmospheric pressure plasma. MBio, 2015. 6(1).
[6] Lis, K.A., et al., Inactivation of Salmonella Typhimurium and Listeria monocytogenes on ham with nonthermal atmospheric pressure plasma. PLoS One, 2018. 13(5): p. e0197773

 

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