Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Kaltes Plasma als innovative Technologie zur Haltbarkeitsverbesserung von Fleischerzeugnissen und Verbesserung der Exportaussichten

Lis, Karolina Anna

Seit einigen Jahren wird im Handel ein zunehmender Trend zu bereits aufgeschnittenen und vorverpackten Aufschnittwaren, so genannten Ready-To-Eat-(RTE-) Produkten, wie z.B. dem Lachsschinken, beobachtet. Dieser kann u.a. durch den Schneideprozess mit lebensmittelassoziierten Zoonoseerregern kontaminiert werden. RTE-Produkte werden weder in der Lebensmittelindustrie noch vom Verbraucher vor dem Verzehr einer Wärmebehandlung unterzogen. So werden organoleptische Veränderungen des Lebensmittels unterbunden, mögliche bakterielle Kontaminanten aber nicht inaktiviert. Diese Arbeit untersuchte deshalb die Anwendung von kaltem Atmosphärendruck Plasma, das aus Umgebungsluft erzeugt wurde, in zwei Reduktionsstudien gegenüber einer Vielzahl von pathogenen Mikroorganismen auf zwei unterschiedlichen Matrices. Im ersten Versuchsabschnitt wurde die Reduktion von S. Typhimurium und L. monocytogenes auf Lachsschinken nach einer Plasma-Behandlung mit zwei variierenden Einstellungen und einem unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalt des Arbeitsgases untersucht. Dafür wurde der mit S. Typhimurium bzw. L. monocytogenes inokulierte Lachsschinken 10 und 20 Minuten mit kaltem Plasma behandelt und anschließend entweder direkt mikrobiologisch untersucht oder unter einer modifizierten Schutzgasatmosphäre verpackt und für sieben bzw. 14 Tage bei 8 °C ± 0,5 °C gelagert. Dabei wurde eine Abhängigkeit der Reduktion beider Bakterienspezies von den variierenden Parametern Spannung und dem Feuchtigkeitsgehalt des Arbeitsgases nachgewiesen. Eine höhere Spannungseinstellung (10 kV, 2 kHz) resultierte in Kombination mit erhöhter Luftfeuchtigkeit (90 % Luftfeuchtigkeit) in der höchsten Keimreduktion. Diese lag nach 20-minütiger Plasma-Behandlung bei 0,95 ± 0,17 lg-Stufen für S. Typhimurium und bei 1,02 ± 0,18 lg-Stufen für L. monocytogenes. Die Lagerung des Plasma-behandelten Lachsschinkens resultierte in einer zusätzlichen signifikanten Reduktion beider Bakterienspezies. Dabei war zu beobachten, dass die effektivste Reduktion ebenfalls nach Anwendung der höheren, nassen Spannungseinstellung (10 kV, 2 kHz, nass) für S. Typhimurium und L. monocytogenes erzielt wurde. Die zusätzliche Reduktion beider Bakterienspezies wird auf initial subletal geschädigte Bakterienzellen zurückgeführt, die während der Lagerung unter einer modifizierten Schutzgasatmosphäre und der Kühlung letal geschädigt wurden. Zudem konnte nachgewiesen werden, dass auch die inokulierte Ausgangskeimkonzentration einen signifikanten (p < 0,05) Einfluss auf die Höhe der Keimreduktion während der Lagerung nimmt. Die Verwendung einer geringeren Ausgangskeimkonzentration der grampositiven Bakterienspezies L. monocytogenes resultierte während der Lagerung in einer höheren relativen Reduktion. Nach 14-tägiger Lagerung wurde L. monocytogenes signifikant (p < 0,05) um 2,55 ± 0,67 lg-Stufen bis unterhalb der Nachweisgrenze reduziert. Die Auswertungen der chemisch-physikalischen Untersuchungen ergaben abweichende rötere Farbmess- und ΔE-Werte des Plasma-behandelten Lachsschinkens, die vermutlich auf eine Verdunstung des oberflächlichen Wassers zurückzuführen sind. In dem zweiten Versuchsabschnitt wurde die Reduktion von Y. enterocolitica und von multiresistenten Mikroorganismen (E. faecium, S. aureus, K. pneumoniae, A. baumannii und E. coli) auf Edelstahl-Keimträgern untersucht. Dafür wurde die effektivste Plasma-Einstellung aus der vorangegangenen Versuchsdurchführung (10 kV, 2 kHz, nass) genutzt. Es konnte eine Reduktion der verschiedenen Bakterienspezies um 3,35 ± 0,01 bis 5,17 ± 0,67 lg-Stufen nach einer 20-minütigen Plasma-Behandlung erzielt werden. Die artifizielle Zugabe eines proteinhaltigen Störfaktors (3 % bovines Serumalbumin) resultierte in einer geringeren Reduktion aller Bakterienspezies. Die Darstellung der subletalen Schädigung der Bakterien in Folge der Plasma-Behandlung erfolgte in weiteren Untersuchungen via Fluoreszenz-Mikroskopie. Dadurch konnte eine subletale Schädigung grampositiver und gramnegativer Bakterienspezies nach 10-minütiger Plasma-Behandlung dargestellt werden. Dieses Ergebnis stützt die Annahme, dass auch die zusätzliche Reduktion von S. Typhimurium und L. monocytogenes während der Lagerung auf subletal geschädigte Bakterienzellen zurückzuführen ist. In dieser Arbeit wurde eine effektive Reduktion von kokkoiden bis stäbchenförmigen grampositiven und gramnegativen zum Teil multiresistenten Bakterienspezies auf unterschiedlichen Matrices durch kaltes Plasma nachgewiesen. Der fluoreszenz-mikroskopische Nachweis subletal und größtenteils letal geschädigter Bakterienzellen zeigt die Effektivität der Plasmatechnologie und deren Wirkungsfähigkeit weit über die direkte Plasma-Behandlung hinaus. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um die Behandlungsprotokolle zu optimieren, sodass die Plasma-Behandlung für alle Bakterienspezies auf unterschiedlichen Matrices genutzt werden kann.

An increased consumer preference for sliced and pre-packaged ready-to-eat (RTE) products, e.g. rolled fillet of ham, can be observed for several years. RTE foods can be contaminated with food-associated zoonotic pathogens during the slicing and packaging process. RTE products are not heat-treated neither during the production process nor by the consumer before consumption. This prevents organoleptic changes in the food, but does not inactivate possible bacterial contaminants. Therefore, the application of cold atmospheric pressure plasma using ambient air as working gas was investigated in two reduction studies against a multitude of pathogenic microorganisms on two different matrices. In the first experimental setup the reduction of S. Typhimurium and L. monocytogenes on the surface of rolled fillet of ham was investigated. Two varying plasma-modes with a different moisture content of the working gas were evaluated. Hence, ham inoculated with S. Typhimurium and L. monocytogenes was treated with cold plasma for 10 and 20 minutes and then either microbiologically tested or packaged under modified atmosphere and stored at 8 °C ± 0.5 °C for seven and 14 days, respectively. A higher voltage mode (10 kV, 2 kHz) as well as an increased humidity level (90 % humidity) resulted in the highest reduction after a 20 min plasma-treatment by 0.95 ± 0.17 lg steps for S. Typhimurium and by 1.02 ± 0.18 lg steps for L. monocytogenes. The storage of plasma-treated rolled fillet of ham resulted in an additional significant (p < 0.05) reduction of both bacterial species. The most effective reduction was also achieved after the application of the higher wet voltage mode (10 kV, 2 kHz, wet) for S. Typhimurium and L. monocytogenes. These additional reductions of both bacterial species is presumably to initially sublethal damaged bacterial cells, which were lethally damaged during storage under modified atmosphere and cooling. In addition, it could be shown that the inoculated germ concentration has a significant (p < 0.05) influence of reduction during storage. The use of a lower initial germ concentration of the gram-positive bacterial species L. monocytogenes resulted in a higher relative reduction during storage. L. monocytogenes was reduced by 2.55 ± 0.67 lg steps to below the detection limit after 14 days of storage. The analyses of the chemical-physical investigations showed a redder colour and ΔE values of the plasma-treated rolled fillet of ham, which are probably due to evaporation of water. In the second experimental setup, the reduction of Y. enterocolitica and multidrug-resistant pathogens (e.g. E. faecium, S. aureus, K. pneumoniae, A. baumannii and E. coli) was investigated. The most effective plasma-mode (10 kV, 2 kHz, wet) was used. A reduction of the different bacterial species by 3.35 ± 0.01 to 5.17 ± 0.67 lg steps was achieved after a 20 minute plasma-treatment. The additional inoculation of a protein containing disruptive factor (e.g. 3 % bovine serum albumin) resulted in a lower reduction of all bacterial species. Fluorescent staining demonstrated the initial sublethal damage of all bacterial species. Thus, sublethally damaged gram-positive as well as gram-negative bacterial species were identified after a 10 min plasma-treatment. This result supports the assumption that the additional reduction of S. Typhimurium and L. monocytogenes is due to sublethal bacterial cells after storage. This work demonstrated that cold atmospheric pressure plasma can inactivate coccoid to rod-shaped gram-positive and gram-negative partly multiresistant bacterial species on different matrices. The fluorescent microscopic detection of sublethal and mostly lethal damaged bacterial cells shows the effectiveness of the plasma-technology. Further investigations are necessary to optimize the treatment protocols in order to use the plasma-treatments for all bacterial species on different matrices.

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Lis, Karolina: Kaltes Plasma als innovative Technologie zur Haltbarkeitsverbesserung von Fleischerzeugnissen und Verbesserung der Exportaussichten. Hannover 2018. Tierärztliche Hochschule Hannover.

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