Tecnología de los alimentos

Mejora de la productividad

       Según la organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO por sus siglas en inglés) la población mundial alcanzará en 2050 los 9.700 millones de personas [4] mientras que la población actual de nuestro planeta es 7.300 millones; esto supone un crecimiento de más del 30% en un plazo de apenas 30 años e implica que para entonces deberemos ser capaces de alimentar a más de 2.500 millones de personas más que en la actualidad.

         Responder a este incremento en la necesidad global de alimentos requiere aumentar significativamente la producción. Además, es necesario incrementar la durabilidad de los productos perecederos y luchar contra diferentes plagas que amenazan los cultivos. La Comisión Europea publicó en 2017 una lista de plagas prioritarias contra las que se necesitan soluciones de urgencia ya que amenazan tanto los cultivos como bosques y zonas arboladas de enorme importancia [5].

         La tecnología de plasma atmosférico frío ha demostrado ser capaz de reducir el tiempo de germinación de las semillas previamente tratadas y de favorecer el crecimiento de la planta, incrementando así la productividad de los campos y reduciendo los tiempos entre cosechas [6, 7]. Múltiples estudios han demostrado esta capacidad del plasma para favorecer la germinación, aumentar el tamaño de las hojas y los plantines y mejorar la productividad de diferentes semillas incluyendo el tomate [8] , la soja [9], el maíz [10], y el trigo [11-14].

      Los estudios señalan que el efecto del plasma sobre los mecanismos de germinación y crecimiento se debe a una serie de factores:

Detención del periodo de latencia de las semillas

     Algunas de las especies reactivas presentes en el plasma, como el óxido nítrico, pueden generar la interrupción del periodo de latencia e inducir el inicio de la germinación [15].

Erosión de la superficie de las semillas

     Ciertas semillas requieren que su capa exterior más dura se raye o se corte para que puede llegar humedad al interior y se inicie el proceso de germinación. Algunos estudios revelan que la microerosión que el tratamiento con plasma produce en la capa más externa de la semilla podría ser la responsable de una mejor penetración de la humedad en la misma [16, 17].

Aumento de la mojabilidad de la superficie

     El tratamiento con plasma produce cambios en la superficie de la semilla que aumentan la mojabilidad. Esto permite que el agua se extienda por ella con mayor facilidad y se traduce en un aumento de la capacidad de absorción de agua, favoreciendo el crecimiento de la semilla con una menor irrigación [18, 19]. Este efecto es de especial importancia en el caso de zonas con pocos recursos hídricos.

Desinfección

       El tratamiento con plasma frío acaba con microorganismos dañinos como bacterias y hongos. Las semillas tratadas con plasma serán, por tanto, menos proclives a sufrir enfermedades microbianas que son frecuentemente causantes de grandes pérdidas económicas.

Preservación de los alimentos

     Fenómenos como la globalización y la despoblación de las zonas rurales hacen del transporte de alimentos a lo largo y ancho de mundo una necesidad cada vez mayor. La distancia entre productores y consumidores, así como el cambio en los hábitos de consumo, exige el almacenaje de los alimentos durante mayores periodos de tiempo e incentiva la necesidad de mejores métodos de preservación de los mismos. Durante años, los tratamiento a altas temperaturas han sido extensamente usados para este fin y muy bien aceptados por los consumidores. Sin embargo, tienen ciertas desventajas como la pérdida de nutrientes o la considerable reducción de las propiedades organolépticas que causan en algunos alimentos [20]. Todo ello ha motivado en los últimos años un creciente interés en el tratamiento con plasma atmosférico frío como alternativa.

      El tratamiento con plasma atmosférico frío cuenta con múltiples ventajas que hacen que se presente como una prometedora alternativa a los tratamientos tradicionales:

Funcionamiento a temperatura ambiente

     El tratamiento con plasma frío no transfiere calor a los alimentos, lo que resulta particularmente interesante en relación con aquellos que son sensibles al calor como carnes, pescados, huevos o vegetales frescos [29].

Cortos tiempos de tratamiento

[21] Se ha observado que tratamientos muy cortos (entre algunos segundos y dos minutos) pueden producir reducciones de hasta 5 log en las poblaciones de diferentes microorganimos como Salmonella Typhimurium, S. Enteritidis, Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes, Campylobacter jejuni, Campylobacter coli, Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus and Clostridium botulinum [20, 22-28].

Posibilidad de tratar alimentos ya envasados

      Se puede generar plasma frío en el interior de envases de modo que el alimento queda en una atmósfera ya desinfectada hasta el momento de ser consumido [29-31].

      El efecto del plasma en la preservación de los alimentos se debe a la inactivación de los microorganismos presentes en los mismos. Aunque este poder antimicrobiano es un hecho bien establecido, los mecanismos específicos que producen la muerte de estos organismos aún no se conocen por completo. Los expertos coinciden en que las principales responsables son las especies reactivas presentes en el plasma, que causan daños en varias estructuras y componentes de los microorganismos, incluyendo las membranas celulares, el ADN y las proteínas que los conforman [25, 32, 33]. Estos daños se pueden incluir en varias categorías:

Daños en la membrana bacteriana

 

   Los daños mecánicos y oxidativos que se producen sobre la membrana de las bacterias cuando estas están en contacto con plasma han sido señalados por varios autores como la principal causa de la muerte de estos microorganimos durante el tratamiento [34-36]. Este daño en la membrana puede deberse al impacto de los iones y electrones presentes en el plasma [37] o a la acumulación de cargas en ciertas partes de la superficie celular [38] . Además, los daños en la membrana facilitan la pérdida de material intracelular y la entrada masiva de las especies reactivas presentes en el plasma que pueden dañar otras estructuras como el ADN e inducir así la muerte bacteriana. Además de este daño mecánico, las especies reactivas del plasma, como los radicales de oxígeno, peróxido e hidróxido, el oxígeno metaestable o el ozono, causan un estrés oxidativo a las bacterias que, si se supera su capacidad de reparación del daño, conduce a su muerte [39].

 

Daños intracelulares

  Las especies reactivas, como el oxígeno monoatómico, el peróxido de hidrógeno, el óxido nítrico y las moléculas y átomos excitados, pueden difundirse fácilmente al interior de las células e, incluso con la membrana intacta, oxidar muchas macromoléculas [40, 41]. Una vez dentro de la célula, estas especies reactivas producen daños en los lípidos, las proteínas, los ácidos nucleicos y los carbohidratos [20]. Los microorganimos cuentan con mecanismos para neutralizar las especies oxidantes y para reparar los daños causados; sin embargo, superada determinada concentración de estas especies, las bacterias sufren un estrés oxidativo que induce la expresión ciertos genes y desencadena una respuesta defensiva en los microorganimos [42]. Cuando se alcanza una concentración crítica el daño es irreversible y se produce su muerte. Los tiempos de tratamiento necesarios para que esto se produzca son de entre algunos segundos y pocos minutos.

Eliminación de micotoxinas

Además de los procesos naturales de degradación que sufren los alimentos, la presencia de mohos sobre los mismos y, en concreto, de las toxinas fúngicas (micotoxinas) que algunos de ellos producen, supone un alto riesgo para los consumidores, tanto humanos como animales [43]. Las micotoxinas, según explica el Agencia Española de Seguridad Alimentaria y Nutrición (AECOSAN), son sustancias producidas por varios centenares de especies de mohos que pueden crecer sobre los alimentos en determinadas condiciones de humedad y temperatura. Se trata de sustancias químicas que se generan como subproducto del metabolismo de algunas especies de hongos. La generación de micotoxinas depende de múltiples factores, como el tipo de alimento, la humedad o la temperatura y pueden generarse durante el cultivo, la cosecha y el almacenamiento.

AECOSAN advierte, además, de que

“una vez presentes en el alimento no se pueden eliminar, ya que resisten procesos de secado, molienda o procesado y no suelen desaparecer aunque se cocinen los alimentos”

     Estas micotoxinas entran en la cadena alimentaria normalmente a través de cultivos contaminados, principalmente cereales que son destinados a alimentos y piensos. Se trata de una preocupación mundial creciente, ya que son responsables de que el 25 % de los cultivos mundiales estén contaminados con ellas y no sean aptos para el consumo humano o animal, lo que ejerce una inmensa presión sobre la cadena de suministro de alimentos según la Comisión Europea [44, 45]. Además, el calentamiento global provocado por el cambio climático hará que existan más regiones con temperaturas óptimas para el crecimiento de hongos productores de micotoxinas y esto acrecentará el problema [46].

      AECOSAN destaca entre los posibles efectos adversos del consumo de alimentos contaminados con micotoxinas la inducción de cáncer y la mutagenicidad, así como problemas gastrointestinales, en el riñón o en el metabolismo de los estrógenos. Algunas micotoxinas son también inmunodepresoras, reduciendo la resistencia a enfermedades infecciosas. Hay micotoxinas que producen estos efectos tóxicos por exposición a las mismas a largo plazo y otras que presentan, además, efectos agudos (principalmente gastrointestinales), como el deoxinivalenol.

En 1960, los investigadores señalaron a la presencia de micotoxinas como causante de la intoxicación de miles de personas en el Reino Unido [47]. Desde entonces se han identificado más de 300 tipos de micotoxinas y se ha intensificado la búsqueda de métodos que puedan eliminarlas. Algunos tratamientos térmicos han dado resultados parciales, pero muchas micotoxinas son capaces de resistir elevadas temperaturas [48]. La preocupación por la presencia de estas sustancias y sus efectos en la salud ha llevado a la Unión Europea a emitir directivas que, como la 1881/2006 o la 2002/32, establecen limitaciones en las cantidades de micotoxinas que resultan aceptables en los productos destinados tanto a la alimentación humana como a la animal. En los últimos años, el plasma atmosférico frío ha atraído la atención mundial como una posible vía de solución a este problema [49]. Diversas investigaciones apuntan a este tipo de plasmas como una herramienta para degradar estas toxinas fúngicas de la superficie de los alimentos y desactivar muchos de los organismos productores de las mismas sin dejar residuos [50-53];  y es la propia Comisión Europea quien afirma que:

“el plasma frío a presión atmosférica representa un medio prometedor, de bajo costo y respetuoso con el medio ambiente para degradar las micotoxinas con un efecto insignificante en la calidad de los productos alimenticios”

El uso de plasma atmosférico ataca el problema desde dos frentes:

Inhibición del crecimiento fúngico

      El plasma es capaz de generar estrés oxidativo en las células de los hongos, produce pliegues en su membrana y aumenta la permeabilidad de la misma, resultando en una pérdida del contenido celular y la consiguiente muerte de la célula [55]. Además, diversos estudios demuestran que el tratamiento con plasma inactiva las esporas impidiendo así la reproducción fúngica [56-58].

Degradación de las micotoxinas

Se han llevado a cabo múltiples estudios que muestran la capacidad del plasma para descomponer las micotoxinas [59-64]. La efectividad del tratamiento con plasma en la degración de las micotoxinas en otros subproductos no tóxicos depende de las caracteríticas del propio plasma [65] y del tiempo de tratamiento [66]; pero también del tipo de micotoxina [56], de la especie que la produce [58] y del sustrato sobre el que se encuentre [67].

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