تکنولوژی پالسهای نوری(Pulsed Light) و تاثیرات آن بر میکروارگانیسم های غذایی

       ارائه شده در نخستین کنگره ملی صنعت و بهداشت مواد غذایی و پذیرش بصورت پوستر                                                

احسان یزدان پناه[1]

1- دانشجوی کارشناسی ارشد علوم و صنایع غذایی دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرکرد

  چکیده

 

 

مصرف کنندگان خواهان استفاده از غذاهای فرآوری شده با کیفیت بالا و با حداقل تغییرات در ارزش تغذیه ای و خواص حسی هستند . روشهای غیر حرارتی برای حفظ بهتر کیفیت مواد غذایی در مقابل روشهای معمول حرارتی پیشنهاد شد و در بین روشهای غیرحرارتی روش پالسهای نوری (PL) اخیرا مورد توجه محققین قرار گرفته است که  در زمان کمتر از یک میلیونیم ثانیه انرژی بالایی تولید کرده و می تواند با چندین فلش و در چند ثانیه  به سرعت و بطور موثری میکروارگانیسم های پاتوژن و عامل فساد در ماده غذایی را غیر فعال نماید ، طول موج مورد استفاده در پالسهای نوری از محدوده  UV آغاز و تا IR نزدیک یعنی طول موج بین 100 تا 1100 نانومتر ادامه می یابد . اثرات آلودگی زدایی تکنولوژی پالسهای نوری با مکانیسم های فوتوشیمیایی  و مکانیسم های فوتوترمال قابل توجیه است. اما برای فهمیدن بهتر چگونگی تاثیر پالسهای نوری بر روی میکروارگانیسم های مختلف و ویژگیهای کیفی مواد غذایی وهمچنین کاربرد بصورت صنعتی ، نیاز به زمان ، هزینه و تحقیقات گسترده تری است.

کلید واژه: فرایندهای غیر حرارتی ،  میکروارگانیسم های غذایی ، پالسهای نوری ، تکنولوژی های نوین .

1- مقدمه

بیماری های ایجاد شده بوسیله مصرف غذاهای آلوده از مهمترین مشکلات دنیای امروز است و آلودگی ایجاد شده بوسیله میکرو ارگانیسم های پاتوژنیک سلامتی جامعه را دچار مخاطره میکند لذا برای غلبه بر این مشکل و بدست آوردن محصولاتی سالم جهت مصرف دو روش وجود دارد.(1)

1-   فرآیندهای حرارتی

2-   فرآیندهای غیر حرارتی

در فرآیندهای حرارتی مواد غذایی تحت تاثیر دماهای 60-100 درجه سانتی گراد به مدت چند ثانیه تا چند دقیقه قرار گرفته که در طی این فرایند انرژی زیادی به ماده غذایی منتقل شده و میتواند سبب ایجاد تغییرات نامطلوبی در ماده غذایی از نظر تغذیه ای و بافتی شود هر چند که ماده غذایی از نظر میکروبی در شرایط کاملا سالمی به سر می برد.

اگر چه فرآیندهای حرارتی باعث تولید غذاهایی سالم میشوند اما به خاطر تاثیر نامطلوب بر روی بافت و ارزش تغذیه ای فرآیند های غیر حرارتی پیشنهاد شده اند.(2)

از بین فرآیندهای غیر حرارتی که خود شامل چندین روش مختلف است تکنولوژی پالسهای نوری با توجه به مزایایی که دارد اخیرا مورد توجه قرار گرفته است(3)

استفاده از لامپهای تولید کننده پالسهای شدید و کوتاه UV برای غیر فعال سازی باکتریها در سالهای بعد از 1970 در ژاپن شروع شد ، در سال 1988 تحقیقات وسیعی بوسیله Purepulse technology در این زمینه انجام شد که نتیجه آن شروع استفاده از پالسهای نوری بود که آنرا pure bright می گفتند.

این تکنولوژی در محدوده وسیعی از میکروارگانیسم ها تست گردید که شامل باکتریهای رویشی ، اسپورها ، قارچها ، ویروسها و پروتوزوآ ها بود و در نهایت در سال 1996 این تکنولوژی توسط اداره غذا و دارو ایالات متحده جهت استفاده مجاز شناخته شد(4)

در تکنولوژی پالسهای نوری(PL) انرژی در یک خازن ذخیره شده و به منظور اعمال پالس در مدت زمان کوتاه مورد استفاده قرار میگیرد(5)

طول موج مورد استفاده در پالسهای نوری 100 تا 1100 و در بعضی از تحقیقات 200 تا 1000 قید شده است که از محدوده طول موج UV آغاز و تا محدوده IR نزدیک ادامه دارد . هر پالس نوری که به سطحی داده میشود میتواند انرژی معادل 1/0-50 ژول بر سانتی متر مربع اعمال نماید و تعداد فلش نیز بسته به نوع ماده غذایی دارد(6و7)

سیستم پالسهای نوری(PL) میتواند انرژی با قدرت بالا و در زمانی کمتر از یک میلیونیم ثانیه تولید کند بنابراین بطور موفقیت آمیزی جهت از بین بردن باکتریها و قارچهای موجود در ماده غذایی قابل استفاده است(7)

در ادامه بحث به بررسی ساختار و مکانیسم عمل پالسهای نوری در غیرفعال سازی میکروارگانیسم های غذایی و تحقیقات انجام شده در این زمینه میپردازیم.

 

2- ساختار و مکانیسم عمل PL در غیر فعال سازی میکرو ارگانیسم ها

اثر کشندگی پالسهای نوری را میتوان به محتوی غنی اشعه UV موجود در آن ، مدت زمان کوتاه ، انرژی پیک بالا ، توانایی تنظیم مدت زمان پالس و فرکانس خروجی فلش لامپها که نقش مهمی در تخریب میکروارگانیسم های ایفا میکنند نسبت داد.

ناحیه UV موجود در گستره طیفی PL دارای اهمیت زیادی است  و تحقیقات نشان داده است که در صورت فیلتر کردن ناحیه UV از گستره PL هیچ گونه اثر کشندگی از این طیف حاصل نمی شود(2)

با این حال معلوم شده است که دو ناحیه IR و مرئی نیز در انرژی های پیک بالا دارای اثر کشندگی هستند ولی اکثر مکانیسم های پیشنهادی برای نحوه اثر PL مربوط به ناحیه UV است و حداکثر اثر ناحیه UV در محدوده طول موج 220-290 نانومتر میباشد.(3)

اثر کشندگی PL بر روی میکروارگانیسم ها تحت دو مکانیسم قابل توجیه است.

1-   مکانیسم های فوتو شیمیایی

2-   مکانیسم های فوتو ترمال

اثرات فوتوشیمیایی پالسهای نوری بر روی سلولها با تاثیر بر رویDNA قابل توجیه است که با ایجاد تغییرات در پریمیدینهای DNA میکروارگانیسم ها به شکل دیمر و ایجاد اختلال در همانند سازی و تولید مثل همراه است(3)

تعدادی از محققین معتقدند که غیر فعال سازی میکروارگانیسم ها در اثر دو مکانیسم فوتوشیمیایی و فوتوترمال به طور همزمان است که علت آنرا جذب اشعه UV و حرارت ایجاد شده میدانند و این حرارت مختصر ایجاد شده با تاثیر اندک بر روی ارزش تغذیه ای و بافت ماده غذایی میتواند شرایط را برای تاثیر بهتر اشعه UV مهیا نماید.(8)

بعضی از محققین مکانیسم سومی را نیز جهت غیر فعال سازی میکروارگانیسم ها بوسیله پالسهای نوری قائل هستند که آنرا  مکانیسم تخریب فیزیکی می نامند و شامل تاثیرPL بر روی غشا سلولی و سایر اجزا درون سلولی و تخریب آنها می باشد(3)

اما بطور کلی میزان تاثیر پالسهای نوری بر روی میکروارگانیسم ها به عوامل زیر وابسته است.

a)    میزان انرژی که نمونه در هر ثانیه از لامپ دریافت میکند(W/M2)

b)   میزان انرژی که نمونه در طی تیمار از لامپ دریافت میکند(J/M2)

c)    دوز مصرفی

d)   فاصله زمانی هر پالس

e)    تعداد پالسها

f)    قدرت پالسها(3)

 

و همچنین ساختار سیستم تولید کننده پالسهای نوری بصورت اختصار شامل قسمتهای زیر میباشد.

a)    واحد تولید کننده نیرو با ولتاژ بالا

b)   خازن

c)    شبکه تولید کننده پالسها

d)   فلش لامپ

e)    رها کننده سیگنالها(9)

 

3-   تاثیرات PL بر روی باکتریها

 

در این قسمت به تحقیقات انجام شده بر روی باکترها توسط محققین پرداخته خواهد شد

در مطالعه ای بر روی باکتریهای اشرشیا کلی ، استافیلوکوکوس آرئوس و باسیلوس سوبتیلیس ، مشخص گردید که استفاده از 1-35 فلش و دانسیته انرژی 1-2 ژول بر سانتیمتر مربع باکتریها را غیرفعال میکند.

با بررسی میزان سالمونلا موجود در بال جوجه هایی که در آزمایشگاه مورد تحقیق قرار گرفتند و تیمار نمونه ها بوسیله PL میزان 2 سیکل لگاریتمی کاهش مشاهده گردید

لیستریا اینوکوا موجود در هات داگ با تیمار بوسیله PL 2 سیکل لگاریتمی کاهش نشان داد(3)

لخته های پنیرهای کاتیج تجاری که بوسیله گونه های مختلف سودوموناس آلوده شده بودند پس از تیمار با PL با دانسیته 16 ژول بر سانتی متر مربع و طی 5 ms بعد از 2 فلش5/1 سیکل کاهش یافت و در حین تیمار دمای سطح لخته 5 درجه سانتی گراد افزایش را نشان داد(6)

نشان داده شد که در ماهی پس از شستشو با فشار بالا و تیمار با PL میزان سایکروتروفها و کلی فرمها در سطح ماهی به میزان 3 سیکل کاهش می یابد.

سالمونلا اینترتیدیس موجود در سطح تخم مرغ با اعمال PL با دانسیته 5/0ژول بر سانتیمتر مربع و تعداد 8 فلش بیش از 8 سیکل لگاریتمی کاهش را نشان داد.

در مطالعه ای سطح بسته بندی های مختلف را با 10-1000 cfu/cm2 آغشته شد و سپس با PL مورد تیمار قرار گرفت که استافیلوکوکوس آرئوس با انرژی کمتر از 25/1 ژول بر سانتی متر مربع غیرفعال شد اما اسپور باسیلوس سرئوس با دانسیته انرژی بیش از 2 ژول بر سانتی متر مربع غیرفعال گردید(6)

در مطالعه ای تاثیر PL بر استریل کردن مایعات مورد بررسی قرار گرفت و طی آن از یک بسته بندی LDPE حاوی 20 درصد گلوکز و محلول نمک فیزیولوژیک یا آب استفاده شد. نمونه توسط PL  تیمار شد و سپس توسط تکنیک فیلتراسیون غشایی مورد ارزیابی قرار گرفت.

تیمار PL در این آزمایش به دو صورت بود در روش اول از یک لامپ رفلکتور که از محتویات به بالا میتابد استفاده گردید(لامپ رفلکتور یا روشSLR) در روش دوم که SRL نام دارد از 20 فلش با دانسیته 1 ژول بر سانتی متر مربع استفاده شد و برای تست نمونه جهت تایید استریل شدن از 5/0 ، 5 و 15 میلی لیتر از نمونه برای میکروارگانیسم های زنده به طور مستقیم استفاده شد ، 20 ، 40 و 60 میلی لیتر از نمونه بوسیله کشت Pure plate مورد آزمایش قرار گرفت و 120 میلی لیتر نیز به روش فیلتراسیون غشایی تست شد.

 در روش SLR هر 40 عدد از اسپورهای باسیلوس پومیلیس ، باسیلوس سوبتیلیس و باسیلوس استئاروترموفیلوس که با آنها نمونه ها را آلوده کرده بودند  استریل گردید و همچنین در روش CT هیچ میکروارگانیسم زنده ای در بازبینی 160 نمونه تیمار شده مشاهده نشد(6)

در مطالعه ای بر روی دانه های alfa alfa آغشته به باکتری اشرشیا کلی که بوسیله PL تیمار شدند بیش از 4 سیکل لگاریتمی کاهش مشاهده گردید.

تاثیر PL بر روی باکتری کلستریدیوم اسپوروژنز در عسل مورد بررسی قرار گرفت و 97/0 کاهش سیکل لگاریتمی مشاهده شد در این تیمار حداکثر زمان و حداقل فاصله از لامپ برای حداکثر کردن غیر فعال سازی مورد استفاده قرار گرفت که این کار افزایش دما را نیز به دنبال داشت ولی مشخص گردید که افزایش دما اثر سینرژیستی بر روی غیر فعال سازی باکتری در عسل ندارد(3)

بوشنل و همکاران اسپورهای باسیلوس سوبتیلیس ، باسیلوس پومیلیس و باسیلوس استئاروترموفیلوس را مورد تیمار قرار داده که 6-8 سیکل کاهش را با 1-3 پالس نشان داد.(10)

قاسمی و همکاران در سال 2003 دو گونه باکتری اشرشیاکلی و سالمونلا اینتریتیدیس را مطالعه نموده که اثر پالسهای نوری بر غیرفعال سازی این دو گونه مورد بررسی قرار گرفت ، تعداد 5-100 پالس در محدوده 200-530 نانومتر در پتری دیش استاندارد اعمال گردید که 9 سیکل لگاریتمی کاهش با اعمال 100 پالس و انرژی 9 ژول برای اشرشیاکلی و 7 سیکل لگاریتمی کاهش با اعمال 100 پالس و انرژی 5/4 ژول به ثبت رسید.(2)

در تحقیقی بر روی غیر فعال سازی باکتریهای گرم مثبت(L.innocua ) و گرم منفی(E.coli )بوسیله پالسهای نوری در آب سیب و پرتقال با ویژگیهای جذبی مختلف در دریافت انرژی نتایج شکل شماره 1 بدست آمد.

نتایج نشان می دهد که میزان تخریب و مرگ باکتریهای مورد آزمایش در آب سیب بیشتر از آب پرتقال بوده زیرا میزان تاثیر PL در آب سیب به علت شفافیت بالاتر است. کمترین کاهش لگاریتمی مربوط به باکتریهای گرم مثبت در آب پرتقال می باشد. در آب سیب میزان کاهش لگاریتمی  هر دو باکتری گرم مثبت و گرم منفی تقریبا یکسان است و این تفاوت در آب پرتقال معنی دار است که به تفاوت در ساختار و مقاومت باکتری ها مربوط می شود.

  کشت غیر اختصاصیTSA و محیط کشت اختصاصی EMB کشت شدند)و اختلاف در این میزان کشندگی در آب پرتقال و آب سیب میتواند مربوط به میزان بسیار کم شفافیت آب پرتقال در قیاس با آب سیب باشد(11).

4-  تاثیرات PL بر روی کپکها ، مخمرها و ویروسها

در تحقیقی مشخص گردید که بکارگیری  پالسهای نوری با حداقل تعداد و 1 ژول بر سانتی متر مربع انرژی میتواند اسپورهای آسپرژیلوس نایجر را به میزان 7 سیکل لگاریتمی کاهش دهد(3)

در سطح بسته بندی آغشته شده با 10-1000 cfu/cm2 از گونه های مختلف آسپرژیلوس با دانسیته انرژی بیش از 2 ژول بر سانتی متر مربع میکروارگانیسم ها غیرفعال شدند

در تیمار محلول مایع حاوی 20 درصد گلوکوز و محلول نمک فیزیولوؤیک یا آب با روش SLR  36 کلنی از 40 کلنی آسپرژیلوس نایجر استریل شدند.(6)

با توجه به اینکه حرارت میتواند در روش PL یک عامل محدود کننده باشد در بعضی تحقیقات این دما افزایش یافته  و در تحقیقی بر روی آسپرژیلوس نایجر در آرد ذرت دما به 120 درجه سانتی گراد رسید که علت آن را میتوان میزان حرارت زیاد تولیدی لامپ دانست و با توجه به اینکه این روش جزء روشهای غیر حرارتی محسوب میشود باید دما دقیقا کنترل شود.(3)

PL رنگ مواد غذایی را نیز میتواند تحت تاثیر قرار دهد در این زمینه اثر PL در غیرفعال سازی ساکارومایسس سرویزیه در فلفل سیاه و آرد گندم بررسی شد نتایج کالریمتریک تغییر رنگ سریع در محصول را قبل از آلودگی زدایی نشان داد که ناشی از حرارت زیاد تولیدی و اکسیداسیون بود و میزان کاهش برای میکروارگانیسم در این مدت زمان کمتر از یک سیکل لگاریتمی گزارش شد.

بوشنل و همکاران میزان غیر فعال سازی A.niger را با اعمال 1-3 پالس به میزان 6-8 سیکل اعلام نمودند

تحقیقات نشان داد که تعداد آسپرژیلوس نایجر و فوزاریوم کولموروم میتواند 5/4سیکل کاهش یابد اگر 1000 پالس نوری در محدوده طول موج 200-300 نانومتربه آنها اعمال شود(12)

در مطالعه ای دیگر بوتیریتیس سینرا و مونیلیا فراکتیژنا مورد بررسی قرار گرفت و مشخص گردید که بین عکس العملهای دو گونه در مقابل غیر فعال شدن تفاوت چندانی وجود ندارد که با اعمال 600 پالس در زیر40 ثانیه مقدار غیر فعال سازی بسیار کم بود بین 40-100 ثانیه تقریبا 2 سیکل لگاریتمی کاهش مشاهده شد و برای حداکثر غیرفعال سازی باید بیش از 250 ثانیه زمان در نظر گرفته شود که در این حالت نیز همه میکرو ارگانیسم ها غیرفعال نمیشوند.

کاهش 6-8 سیکلی برای اسپورهای آسپرژیلوس نایجر با ماکزیمم 6 پالس نوری گزارش شده است(8)

در مورد مخمر ساکارومایسس سرویزیه در محیط حاوی آگار با اعمال 200 پالس و انرژی 7/0ژول بر سانتی متر مربع 5 سیکل کاهش مشاهده شد

و در مورد همین مخمر اما به حالت خشک شده و اعمال 24 پالس و دانسیته 58 ژول بر سانتی متر مربع 7 سیکل لگاریتمی کاهش مشاهده گردید و C.lambica و R.mucllgionosa در اثر اعمال تیمار با PL کاهش 3 سیکلی را نشان دادند.

در مورد ویروسها چه از نوع غلاف دار و چه از نوع بدون غلاف مشخص گردید که در محلول بافر فسفات و نمک با دانسیته 1 ژول بر سانتیمتر مربع ویروسها میزان8/4 – 2/7سیکل کاهش را نشان میدهند(9)

PL بر غیرفعال سازی پلی ویروسها و آدنوویروسها نیز موثر است ولی این میکروارگانیسم ها دارای مقاومتهای یکسان نیستند زیرا آدنوویروسها مقاومت بیشتری از خود نشان میدهند بطوریکه با اعمال 10 پالس و دانسیته 12 mj/cm2 در پلی ویروسها 4 سیکل و در آدنو ویروسها 1 سیکل کاهش مشاهده میشود.(4)

بطور کلی در مورد PL میتوان گفت که قارچها در قیاس با باکتریها بسیار مقاوم تر هستند و همچنین PL بر روی سطوح جامد تاثیر بیشتری نسبت به مایعات دارد(2)

 

5-  نتیجه گیری

در فرآیندهای حرارتی مواد غذایی تحت دمای 60-100 درجه قرار میگیرند اگر چه در طی این فرآیندها غذاهایی سالم بدست می آید ولیکن بافت و ارزش تغذیه ای آن دچار تغییرات نامطلوبی میگردد ، تکنولوژی نوین پالسهای نوری به عنوان یکی از روشهای غیر حرارتی برای سالم سازی غذاها با توجه به داشتن انرژی بالا و مدت زمان عمل کم می تواند بطور موفقیت آمیزی در از بین بردن میکروارگانیسم های مضر موجود در ماده غذایی موثر واقع شود و در عین حال حداقل تغییرات را در بافت و ارزش تغذیه ای ماده غذایی داشته باشد.تاثیرات این روش بر میکروارگانیسم ها با دو مکانیسم فوتوشیمیایی و فوتوترمال قابل توجیه است البته بعضی از محققین مکانیسم سومی تحت عنوان مکانیسم تخریب فیزیکی را نیز بیان میکنند.تحقیقات در زمینه بکارگیری PL در غیرفعال سازی میکروارگانیسم ها نشان میدهد که قارچها در قیاس با باکتریها از مقاومت بالاتری برخوردارند و ویروسها نیز تحت تاثیر PL دچار صدمه شده و کاهش رشد را نشان میدهند و همچنین PL بر روی سطوح جامد تاثیر بیشتری نسبت به مایعات دارد.

با این وجود به نظر میرسد که برای استفاده گسترده تر و عمومی تر شدن کاربرد PL در صنعت نیاز به زمان و هزینه و تحقیقات بیشتری است.

5- مراجع

1-       N. Elmnasser, M. Ritz, N. Orange, A. Bakhrouf and M. Federighi. Bacterial inactivation using Pulsed light. Acta Alimenteria.  2007. 36.

2-       N. Elmnasser, S. Guillou, F. Leroi, N. Orange, A. Bakhrouf and M. Federighi. Pulsed light system as a novel food decontamination technology: a review.  Can. J. Microbiol. , 2007. 53.

3-       V. M. G. Lopez, P. Ragaert, J. Debevere and F. Devlieghere, pulsed light for food decontamination:a review. Food Science & Technology. 2007. 18.

4-       G.O. Oliu and O.M. Belloso, Pulsed light treatments for food preservation. Food bioprocess technol.  2010. 3

 5-       M. Adzahan. N and Benchamaporn. P, Potential of non thermal Processing for food preservation in southeast asian countries. ASEAN Food journal.  2007. 14.

6-       U. S. Food and Drug Adminstration. Pulsed light technologi. Center for food safety and applied Nutrition. 2000.

7-       Y. Cheng, W. Yang and K. Krishnamurthy. Effect of pulsed uv light on peanut Allergent in Extract and liquid peanut Butter. Food chemistry. 2008. 73

 8-       I. M. Caminiti, F. Noci, A. Munoz, P. Whyte, D J. Morgan, D A.Cronin and J G. Lyng. Impact of the selected combinations of non thermal processing technologies on the quality of an apple and cranberry juice blend. Food chemistry.  2011.  124.

9-       C. Mararu,  pulsed light treatment, institute of food technologists and international union of food science and technology. 2011.

10-   Penn state Department of architectural engineering. Pulsed light and PEF. Penn state university. 2008

11-   G. Pataro, A. Munoz, I. Palgan, F. Noci, G. Ferrari, J.G. Lyng, Bacterial inactivation in fruit juices using a continuous flow pulsed light system. Food research international. 2011. 44.

12-   Anderson. J. G, Rowan. N. J, MacGregor. S. J, Fouracre. R. A and Farish. O. Inactivation of food born enteropathogenic bacteria and spoilage fungi using pulsed light. IEEE Transactions on plasma science. 2000. 28. 83-88

 

 



1 دانشجو کارشناسی ارشد علوم و صنایع غذایی دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرکرد ، ehsany81@yahoo.com



تاريخ : دوشنبه ۱۳٩۱/٢/٤ | ۱:٥٠ ‎ب.ظ | نویسنده : | نظرات ()
.: Weblog Themes By RoozGozar.com :.