1. Pulsed Light Treatments for Food
Preservation. A Review
Gemma Oms-Oliu; Olga Martín-Belloso and
Robert Soliva-Fortuny
Horacio Fraguela Meissimilly
Estudiante de Doctorado de Ingeniería de
los alimentos
2. Abstract
Pulsed light (PL) is an
emerging nonthermal
technology for
decontamination of food
surfaces and food packages,
consisting of short time
high-peak pulses of broad-
spectrum white light.
This review of the
principles,
mechanisms of
microbial
inactivation, and
applications of PL
treatments on
foods.
In addition, the critical
parameters of the process
that are needed to optimize
the efficiency of the
treatments and potentiate
their implementation in the
food industry are discussed.
Technological advantages
and disadvantages in PL
(overheating, better
penetration and homogeneity
of the treatment).
3. Description of PL
PL involves the use of intense pulses
of short duration and a broad
spectrum to ensure microbial
inactivation on the surface of either
foods or packaging materials.
Conveyor belt with turning
system
Treated product
Switch
Condenser Lamps
1 and 20 flashes / s
0.01 a 50 J cm −2
4. Microbial Inactivation by PL
Microorganism Pulse energy
(J/cm
-2
)
Treatment
time (μs)
Log reductions
(UFC mL -1)
Reference
Spoilage bacteria
Escherichia coli 3 512 6.82 MacGregor et al. (1997)
Listeria monocytogenes 7 1,500 2.8 Gómez-López et al. (2005a)
Salmonella enteritidis 3 20 5.6 Rowan et al. (1999)
Yeasts
saccharomyces cerevisiae 3 20 4.9 Rowan y col. ( 1999 )
Rhodotorula mucilaginosa 7 1,500 >2.8 Gómez-López et al. (2005a)
Candida lambica 7 1,500 2.8 Gómez-López et al. (2005a)
Fungal spores
Aspergillus flavus 7 1,500 2.2 Gómez-López et al. (2005a)
Aspergillus niger 1 1,000 4.8 Wekhof et al. (2001)
Fusarium culmorum 3 85 4.5 Anderson et al. (2000)
Molds
Algae
Bacteria
Virus
Protozoa
5. Effects of PL on microorganisms
The cell disruption to a
photothermal effect caused by
absorption of UV light when
fluence, energy received by the
sample, is excessive.
Protein elution from cells
irradiated with PL is greater than
that observed under continuous
UV irradiation, when the fluence
was increased.
An expansion of the vacuole and distortion of
the cell membrane exposed to PL is observed.
Therefore, microbial inactivation by PL is
mainly due to structural changes in DNA,
disintegrating them. cellular components
Overheating can cause vaporization and generate a small
vapor flow that causes destruction of the membrane.
6. Process Critical Factors
• The number of pulses.
• Distance from the source of light.
• Thickness of the product are critical
Critical
parameters
These factors will
maximize effectiveness
against microorganisms
and minimize product
spoilage.
Thickness,
cracks or
irregularities
in a product
can decrease
the efficiency
of PL
The composition of
the product can
absorb the effective
wavelengths and
decrease the
effectiveness PL
The PL is affected by the
distance between the
light source and the
sample. The greater the
distance between the
sample and the lamp,
the lower the lethality of
the process
If the intensity of the
light or the duration
of the treatment is
relatively high, the
temperature of the
product increases,
causing the burning of
the surface layers of
the food.
7. Effects of PL on Food Products
Microorganism Food product and
food contact
materials
Pulse
energy
(J/cm
-2
)
Number
pulses
Pulse width
(ns, μs )
Log reductions
(UFC mL -1)
Reference
Liquids
Staphylococcus aureus Milk 1.27 16 – 7.2 Krishnamurthy et al. (2007)
Plant foods
Escherichia coli Blueberries 32.4 180 – 4.9 Bialka and Demirci (2007)
Mesophilic aerobic
microorganisms
Shredded spinach 7 2700 30 μs 0,9 Gómez-López et al. ( 2005a)
Monilia fructigena Strawberries 7 3.750 30 μs 4 Marquenie y col. ( 2003a)
Other foods
Listeria monocytogenes Salmon fillets 5.6 135 – 0.72–0.8 Ozer and Demirci (2006)
Packaging material
Cladosporium herbarum Paper-polyethylene
packaging material
0.977 30 – 2.7 Turtoi and Nicolau (2007)
8. Potential Applications of PL Technology and
Main Limitations
In foods that require rapid disinfection.
In foods called "natural" for not having
the use of residual compounds,
disinfectants and chemical
preservatives.
In foods with smooth surfaces, for the
effective elimination of
microorganisms.
It applies to:
Main Limitations
:
Its limited effectiveness in
controlling food heating.
Limited efficiency of PL due to
shadowing effect in food products.
It is not suitable for cereals, grains
and spices due to its opaque
nature.
9. Conclusions
PL is a novel nonthermal technology to inactivate
pathogenic and spoilage microorganisms on foods.
The significant microbial reductions in very short treatment times, the
limited energy cost of PL, the lack of residual compounds, and its great
flexibility are some of the major benefits of the technique.
There is a need for optimizing the critical process factors to achieve the target
inactivation level for specific food applications without affecting quality.
Further studies need to be conducted to assess the effects of
PL treatments on food properties beyond safety and spoilage.
Tratamientos de luz pulsada para la conservación de alimentos. Una revisión
1- Esta presentación proporciona una revisión general de los principios, mecanismos de inactivación microbiana y aplicaciones de tratamientos PL en alimentos.
2-La luz Pulsada (PL) es una tecnología no térmica emergente útil para la descontaminación de superficies alimenticias y alimentos empaquetado, que consiste en impulsos intensos de corto tiempo y amplio espectro ( luz blanca).
3- Además se discuten los parámetros críticos del proceso que se necesitan para optimizar la eficiencia de los tratamientos y potencializar su implementación en la industria alimentaria . Ventajas y desventajas tecnológicas en PL (sobrecalentamiento, mejor penetración y homogeneidad del tratamiento).
1- Pulsos intensos de corta duración y amplio espectro.
2- La energía electromagnética se acumula en un capacitor durante fracciones de segundo y luego se libera en forma de luz en poco tiempo (nanosegundos a milisegundos), lo que resulta en una amplificación de potencia con un mínimo de consumo de energía adicional.
El equipo utilizado para producir PL está compuesto por una o más unidades de lámparas de xenón ajustables, una unidad de potencia y una conexión de alto voltaje que permite la transferencia de un pulso eléctrico de alta corriente. A medida que la corriente pasa a través de la cámara de gas de la unidad de lámpara, se emite una breve e intensa explosión de luz. La luz producida por la lámpara incluye longitudes de onda de amplio espectro desde UV hasta infrarrojo cercano. La distribución de la longitud de onda varía de 100 a 1100 nm: UV (100 a 400 nm), luz visible (400 a 700 nm) e infrarroja (700 a 1,100 nm). Los pulsos de luz utilizados para aplicaciones de procesamiento de alimentos emiten típicamente de 1 a 20 destellos por segundo a una densidad de energía en el rango de aproximadamente 0.01 a 50 J cm −2 en la superficie
La eficacia de PL en la inactivación de bacterias, esporas de moho y virus está bien documentada y puede en esta tabla
2- La inactivación microbiana por exposición a PL se atribuye al efecto del contenido de UV de amplio espectro y la densidad de energía aplicada con el tratamiento, que a su vez se relaciona con el ancho del pulso y la alta potencia pic del pulso.
3- Algunos autores sugirieron que el ancho de pulso corto y las dosis altas de la fuente de luz ultravioleta pulsada pueden proporcionar algunas ventajas prácticas sobre las fuentes de luz ultravioleta continua para aquellas situaciones en las que se requiere una desinfección rápida.
1- La rotura celular tiene un efecto fototérmico provocado por la absorción de luz ultravioleta cuando la fluencia, la energía recibida por la muestra, es excesiva.
2- La elución de proteínas de las células irradiadas con PL es mayor que la observada bajo irradiación UV continua, cuando se incrementó la fluencia.
3- Se observa una expansión de las vacuola y distorsión de la membrana celular expuestas a PL. Por lo tanto, la inactivación microbiana por PL se debería principalmente a cambios estructurales en el ADN, desintegrándose los componentes celulares.
4- El sobrecalentamiento puede provocar la vaporización y generar un pequeño flujo de vapor que provoque la destrucción de la membrana.
Los parámetros críticos a tener encueta en los factores críticos de proceso, son: El número de pulsos. La distancia de la fuente de luz y el grosor del producto.
Estos factores maximizarán la efectividad contra los microorganismos y minimizarán el deterioro del producto.
Un mal empleo de estos factores críticos puedes a su vez traer los siguientes errores:
Si la intensidad de la luz o la duración del tratamiento es relativamente alta, la temperatura del producto aumenta, provocando la quema de las capas superficiales del alimento.
El PL se ve afectado por la distancia entre la fuente de luz y la muestra. Cuanto mayor sea la distancia entre la muestra y la lámpara, menor será la letalidad del proceso.
El grosor, las grietas o las irregularidades de un producto pueden disminuir la eficiencia de PL.
La composición del producto puede absorber las longitudes de onda efectivas y disminuir la efectividad del tratamiento.
Los efectos de PL en los alimentos se puede ver mediante la siguiente tabla.
La leche se pasteurizó eficazmente en frío mediante la exposición a PL a una dosis mínima de 12,6 J cm −2 administrada en 56 s, inactivación completamente de S. aureus se obtuvo cuando el procesamiento de la leche en un sistema continuo de aplicar PL
Las reducciones logarítmicas logradas después de tratar vegetales mínimamente procesados como espinaca, apio, pimentón verde, brotes de soja, achicoria, zanahoria, lechuga iceberg y col blanca con PL de 7 J de intensidad de pulso estuvieron entre 0,21 y 1,67 a 45 s / lado, y entre 0,56 y 2,04 a 180 s / lado
Aplicaciones potenciales de la tecnología PL y principales limitaciones
Se aplica a:
- En alimentos que requieran una rápida desinfección.
- En alimentos denominados "naturales" por no tener el uso de compuestos residuales, desinfectantes y conservantes químicos.
- En alimentos de superficie lisa, para la eliminación eficaz de microorganismos.
Principales Limitaciones:
- Su eficacia limitada para controlar el calentamiento de los alimentos.
- Eficacia limitada de PL debido al efecto de sombra en productos alimenticios.
- No es apto para cereales, granos y especias debido a su naturaleza opaca.
- PL es una tecnología no térmica para inactivar microorganismos patógenos y de descomposición en los alimentos.
- Las reducciones microbianas significativas en tiempos de tratamiento muy cortos, el costo energético limitado del PL, la falta de compuestos residuales y su gran flexibilidad son algunos de los principales beneficios de la técnica.
- Existe la necesidad de optimizar los factores críticos del proceso para lograr el nivel de inactivación objetivo para aplicaciones alimentarias específicas sin afectar la calidad.
- Es necesario realizar más estudios para evaluar los efectos de los tratamientos PL en las propiedades de los alimentos más allá de la seguridad y el deterioro.