Use of cold-plasma processing for food treatments : technological research to prove engineering feasibility

The final goal of any processing is to give the food characteristics of edibility, palatability and prolonged shelf-life with proper maintenance of the original nutritional and organoleptic qualities. Atmospheric pressure cold-plasma technology is an innovative technology potentially integrable with current techniques. However, its successful application in food field requires the analysis and solution of several aspect: economic-commercial approval, legislative regulation, process optimization, plant design and scale-up, consumer confidence. In order to address these challenges, the collaboration among University of Milan, Politecnico di Milano, CNR has led to the birth of a macro-research project. The general goal is to optimize and scale-up a lab-scale prototype, built and made available by CNR-IFP, based on cold plasma jet atmospheric air pressure technology, applied for surface sanitation of fresh cut salad leaves (green baby leaf lettuce), kindly provided by Bonduelle Italia srl. The personally conducted research therefore has a dual objective: 1. Technology goal: assessment of plasma-induced effects on salad leaves, depending on the treatment time and the storage time, compared to fresh non-treated product, in terms of microbiology, texture, physiology and aspect. 2. Engineering goal: to define the basic requirements for a further post-development project in an efficient industrial-scale, non-invasive from plant point of view, and integrable in the current production line, with the aim to increase performance of traditional process. The analyzed indices have provided a general pattern of cold-plasma treatment effects, both in the short and long term. After a preliminary long phase of set-up, the combination of observations coming from the research provided a so-called "global shelf-life index", which takes into account of: • Microbiology: short treatment time (seconds) with satisfactory microbial depletion, which is more than 1Log, evaluated on “naturally dirty and contaminated” samples. • Biochemistry: no significant plasma-induced aging effect on vegetable tissue. • Texture: significant plasma-induced stabilization (strengthening) effect of the macroscopic vegetable tissue mechanical properties over storage time. • Shelf-life: significant plasma-induced slowing down effect on microbial, enzymatic and structural degradation kinetics with potential extension (1-2 days) of product shelf-life. The verified positive aspects of cold-plasma technology for food application has allowed the extension of the research on the evaluation of potential industrial applications. Current engineering knowledge allows the development of cold-plasma units with different configurations (4 design proposal), which are to work continuously and are integrable with current process of fresh-cut salad production. The combination of traditional water-based washing step with this a-thermal and innovative technology ensures the production of food characterized by increased microbiological safety and prolonged shelf-life. The best quality of thus obtained food, directly linked to the application of the new superficial "mild" sanification method, is also indirectly associated with a lower risk of cross-contamination and reduced operating costs, which are both linked to the simultaneous plasma-gas treatment of food and food handling instrumentation.

L'obiettivo finale di ogni trasformazione alimentare è quello di fornire alimenti sostenibili, appetibili e caratterizzati da una prolungata shelf-life, con una contemporanea ritenzione delle qualità nutrizionali e organolettiche originali. Il cold-plasma a pressione atmosferica rappresenta una tecnologia innovativa di sanificazione alimentare, potenzialmente integrabile con le attuali tecniche di produzione. La sua reale applicazione nel settore alimentare richiede l'analisi e la soluzione di diversi aspetti: valutazione economico-commerciale, regolamentazione legislativa, ottimizzazione del processo, design impiantistico e scale-up, fiducia dei consumatori. Al fine di affrontare queste sfide, la collaborazione tra Università di Milano, Politecnico di Milano e CNR, ha portato alla nascita di un macro-progetto di ricerca. L'obiettivo generale è quello di ottimizzare e sviluppare ulteriormente un prototipo lab-scale, costruito e messo a disposizione da CNR-IFP, basato sulla tecnologia APPJ (cold-plasma atmospheric pressure air jet) applicata per la sanificazione superficiale di prodotti ortofrutticoli freschi di IV gamma (lattuga “baby leaf” verde), gentilmente forniti da Bonduelle Italia srl. La ricerca condotta personalmente presenta dunque un duplice scopo: 1. Obiettivo tecnologico: valutazione degli effetti plasma-indotti sul prodotto alimentare, in funzione del tempo del trattamento e del tempo di conservazione, in termini di microbiologia, struttura, fisiologia e aspetto. 2. Obiettivo ingegneristico: definizione dei requisiti fondamentali per un ulteriore post-sviluppo in ambito industriale di un’unità cold-plasma efficiente, non invasiva ed integrabile nell'attuale linea di produzione. Gli indici analizzati hanno fornito un quadro generale degli effetti indotti dal trattamento cold-plasma, sia a breve che a lungo termine. Dopo una lunga fase preliminare di messa a punto, la combinazione delle osservazioni ottenute hanno portato alla definizione di un cosiddetto "indice globale di shelf-life", che tiene conto di: • Microbiologia: tempi brevi di trattamento (secondi) con soddisfacente rimozione microbica, valutata su campioni “naturalmente sporchi e contaminati”, che è risultata superiore a 1Log. • Biochimica: nessun effetto significativo di invecchiamento plasma-indotto sui tessuti vegetali. • Struttura: significativo effetto plasma-indotto di stabilizzazione (rafforzamento) delle proprietà meccaniche macroscopiche del tessuto vegetale durante lo stoccaggio. • Shelf-life: significativo effetto plasma-indotto di rallentamento della cinetica di degradazione microbica, enzimatica e strutturale, con potenziale estensione della durata commerciale del prodotto alimentare (1-2 giorni). La verifica degli aspetti positivi, forniti dall’applicazione del cold-plasma in questo specifico ambito di produzione alimentare, ha permesso la valutazione preliminare di potenziali configurazioni (4 proposte di design) per applicazioni industriali. L’attuale conoscenza tecnica può permettere lo sviluppo di unità cold-plasma, operanti in continuo e integrabili con l’attuale processo produzione di prodotti ortofrutticoli freschi di IV gamma. La combinazione del tradizionale lavaggio acquoso con questa tecnologia innovativa a-termica, garantirebbe la produzione di alimenti caratterizzati da una maggiore sicurezza microbiologica e durata commerciale. La migliore qualità alimentare così ottenuta, direttamente legata all'applicazione del nuovo metodo di sanificazione "mild" superficiale, è anche indirettamente associata ad un minore rischio di contaminazione incrociata ed a una riduzione dei costi operativi, entrambi legati alla contemporanea applicazione del gas reattivo plasma-generato per il trattamento combinato di alimenti e strumentazione di manipolazione alimentare.