Wirkungsweise der Technologie Pulsed Light


Die Lebensmittelindustrie ist gefordert, zukunftsfähige Haltbarmachungsmethoden zu entwickeln, um Anforderungen wie frisches Aussehen, hoher Convenience-Grad und ernährungsphysiologischen Aspekten zu ent spre chen. Dies kann durch konventionelle Verfahren nur bedingt erreicht werden. Daher kann man diese durch milde Hitzebehandlung, Hochdruckbehandlung, Pulsed Light (PL) und Pulsed Electric Field (PEF) Verfahren, ersetzen.

Marija Zunabovic-Pichler, Victoria Heinrich, Barbara Ecker, Horst Müller, Henry Jäger*

Die Anforderungen an Lebensmittel haben sich in den letzten Jahren durch technologische Entwicklungen, Veränderungen im Lebensstil sowie soziale und demografische Veränderungen weiterentwickelt. Konsumentenanforderungen an Lebensmittel sind kürzere Zubereitungszeiten, unkomplizierte Beschaffung, Lagerung und einfacher Konsum. Von den steigenden Wünschen nach hoher Convenience-Qualität von Lebensmitteln sind alle Produktgruppen betroffen. Die sich ändernden Konsumententrends führen zu einer Vielzahl neuer und verschiedener Fleisch- und Wurstwaren, Fertiggerichten und Ready-to-Eat-(RTE) Produkten. Innovative Produkte, die den heutigen Kundenanforderungen entsprechen, sind daher salz- und fettreduziert, und kommen mit weniger Konservierungsmitteln aus. Minimal verarbeitete frische Produkte, für den Konsumenten einfach in der Handhabung, mit langen Haltbarkeitsspannen, werden von Konsumenten bevorzugt.

Pulsed Light und Invitro Versuch: Detail einer Petrischale im Regal der PL-Anlage.

Um sowohl dem gesteigerten Bedürfnis nach mehr Convenience, als auch dem erhöhten Fleischkonsum Rechnung zu tragen, werden in Fertiggerichten immer mehr Fleischprodukte verarbeitet. Speziell Konsumenten, die sich wenig mit Lebensmitteln auseinandersetzen, sogenannte «low involvement consumers», bevorzugen vermehrt Fertiggerichte mit Fleischkomponenten. Obwohl neben der Lebensmittelsicherheit auch andere Faktoren an Einfluss auf die Auswahl und Akzeptanz von Fleisch und Fleischprodukten gewonnen haben, bleibt die mikrobielle Lebensmittelsicherheit ein nicht zu vernachlässigender Faktor in der Qualitätswahrnehmung und Sicherheitswahrnehmung von Konsumenten.

Aufstrebende Haltbarmachungsverfahren

Ausbrüche lebensmittelassoziierter Krankheiten, verursacht durch Escherichia coli O157:H7 und Listeria monocytogenes, haben weltweit den Fokus auf pathogene Mikroorganismen und mikrobielle Lebensmittelqualität gelenkt. Laut Eurobarometer werden Lebensmittelvergiftungen, verursacht durch pathogene Mikroorganismen wie Salmonellen oder Listerien, in der EU von 62 Prozent der Befragten als grosses Lebensmittelrisiko wahrgenommen.

Die Lebensmittelindustrie ist nun gefordert, zukunftsfähige und nachhaltige Haltbarmachungsmethoden zu entwickeln, um Anforderungen wie frisches Aussehen, hoher Convenience-Grad und ernährungsphysiologischen Aspekten zu entsprechen. Dies kann durch konventionelle Verfahren nur bedingt erreicht werden. Daher kann man diese durch milde Hitzebehandlung, Hochdruckbehandlung, Pulsed Light (PL), Pulsed Electric Field (PEF) Verfahren, Säure- und Chlordioxidbehandlung, Ultraschallbehandlung beziehungsweise eine Kombination der genannten Verfahren ersetzen.

Innovatives Dekontaminationsverfahren
Pulsed Light (PL) Technologie setzt ein breites Spektrum elektromagnetischer Wellen, das neben sichtbarem Licht auch reich an UV-C Wellenlängen ist, zur Dekontamination von Oberflächen ein. Dabei wird das Licht aber nicht kontinuierlich, wie bei klassischen UV-Technologien, sondern in kurzen (μs bis s), intensiven (mehrere J cm -2) Lichtpulsen mit hoher Frequenz (bis zu 10 Hz) abgegeben. Die Lichtpulse werden durch inerte Xenongas Lampen erzeugt und zeichnen sich durch hohe Energie und Wellenlängen von 200 bis 1000 nm aus. Dabei gilt, je kürzer der Lichtpuls ist, desto höher die übertragene Energie und der damit einhergehende Schaden an der Mikroorganismen DNA. Die Intensität der ausgesendeten Lichtblitze ist dabei mit rund 20 000-facher Intensität des Sonnenlichts auf der Oberfläche der Erde ausreichend stark, um signifikante Dekontamination zu erzielen.

Unverpackte Fasslspeckprobe vor (links) und direkt nach der PL-Behandlung (rechts) bei 5 cm vertikalem Abstand zur Lampe über 60 s.

Einflussgrössen für eine effektive Behandlung
Das Ausmass der Dekontamination hängt im Wesentlichen von 3 Faktoren ab: (a) die zu behandelnde Matrix, (b) die Art der Kontamination und (c) die gesetzten Prozessparameter. Die Beschaffenheit der Lebensmitteloberfläche, die Zusammensetzung, Farbe und Transparenz beeinflussen die Effektivität einer PL-Behandlung ebenso wie die Art, Keimzahl und Wachstumsphase der vorhandenen Mikroorganismen. Wesentliche Prozessparameter sind die Entfernung der zu behandelnden Oberfläche zur Lampe, die Behandlungsdauer, sowie die Proben- und Gerätegeometrie.

Das PL-Verfahren erreicht eine Dekontamination eines Lebensmittels ausschliesslich an dessen Oberfläche. In der Entwicklung von industriellen Anwendungen muss also in Betracht gezogen werden, wie tief die Strahlen das Lebensmittel penetrieren. Die Eindringtiefe der Lichtstrahlen ist von der Transparenz eines Lebensmittels und der damit verbundenen Fähigkeit, Licht zu absorbieren oder zu reflektieren, abhängig. Des Weiteren sollte die Oberfläche möglichst frei von Unebenheiten sein, da diese der mikrobiellen Kontamination Schutz vor der einfallenden Strahlung bieten können. Zuletzt sollte die zu behandelnde Lebensmittelmatrix wenig kompetitive Substanzen enthalten, die Licht absorbieren können, wie Fette und Proteine. Bei Kohlenhydraten zeigte sich diese Ausprägung nicht. Es konnte zum Beispiel gezeigt werden, dass bereits die Zugabe von 10 Prozent Fett eine Keimzahlreduktion durch gepulstes Licht signifikant reduzierte. Auch ein Zusatz von 10 Prozent Protein zu einer Probe hatte einen negativen Effekt auf die Inaktivierungsraten. Eine andere Studie zeigte auf, dass eine Rekontamination durch pathogene Mikroorganismen auf einem Slicermesser nach Aufschneiden fetthältiger Matrix kaum eliminiert werden konnte.

PL-behandelte Fleischerzeugnisse

In Anwendungen auf Fleisch und Fleischprodukten sind besonders jene Produkte mit glatt geschnittenen Oberflächen, in dünne Scheiben geschnitten, für PLAnwendungen geeignet. Für solche Fleischscheiben können mikrobielle Kontaminationen um bis zu 3 log reduziert werden. Die Scheibendicke beeinflusst dabei den Dekontaminationseffekt insofern, als dass dünne Scheiben sich positiv auf die Ergebnisse auswirken, da für eine Durchdringung der Scheiben geringere Fluenzraten benötigt werden.

Die derzeitige Forschung in der Anwendung von gepulstem Licht auf Fleisch und Fleischprodukten umfasst rotes Fleisch, Frischfleisch, Würste und Aufschnittprodukte. Bei Geflügel sind Ergebnisse zu gehäutetem Hühnerfleisch, Hühnerpoularden im Ganzen und Hühnerfrankfurter Würstchen verfügbar. Inaktivierungsraten lagen zwischen 1 log für ganze Hühner und 2,4 log für Hühnerbrust.

In PP-Vakuumverpackung gepulste Frühstücksspeckprobe vor (links) und direkt nach der PL-Behandlung (rechts) bei 8 cm vertikalem Abstand zur Lampe über 30 s.

Der Einsatz von gepulstem Licht in der industriellen Praxis könnte als Teil eines Hürdenkonzepts erfolgen. In einem Produktionsablauf gibt es potenziell mehrere Möglichkeiten, eine PL-Behandlung zu integrieren. Die natürlich auf rohem Fleisch vorkommende Keimflora – potenziell vorhandene pathogene Keime, sowie die Verderbsflora – sollte bereits im eingesetzten Rohmaterial so gering wie möglich gehalten werden. Da innere Schichten von Muskelfleisch frei von Bakterien sind, würde sich die in ihrer technologischen Natur oberflächliche PLBehandlung bereits zur Dekontamination von Schlachtkörpern anbieten. Weiter im Produktionsprozess könnten Verfahren mit gepulstem Licht zur Dekontamination von Produktionsequipment eingesetzt werden. Gepulstes Licht könnte ebenso eine Alternative zur eingesetzten Nachpasteurisation darstellen, da die Inaktivierungsraten für pathogene Mikroorganismen durch Vakuumverpackungen ähnliche Ergebnisse zeigen wie Behandlungen auf unverpackten Lebensmitteloberflächen. Für Hühner-Frankfurter-Würste konnten bei PL-Behandlungen durch Polypropylen-Vakuumverpackungen Log-Reduktionen von 0,1 bis 1,9 nach 5 und 60 Sekunden Behandlung erreicht werden. Für eine effektive PL-Behandlung ist dabei die UVDurchlässigkeit der Verpackungsfolie ausschlaggebend. Polypropylen (PP) Packungen mit einer UV-Durchlässigkeit von ca. 75 Prozent bei 260 nm können beispielsweise eingesetzt werden. Andere Kunststoffe, die sich aufgrund ihrer UVDurchlässigkeit, ihrer physikalischen Eigenschaften, und ihrer Oberflächeneigenschaften für PL-Anwendungen eignen, sind Low Density Polyethylen, (LDPE), High Density Polyethylen (HDPE), Polyolefin (PO) und Polyvinylchlorid (PVC).

Die PL-Technologie wurde 1984 von Hiramoto erstmals patentiert (US-Patent 4464336). Das Patent beschreibt eine UV-Licht-Sterilisierung, die sich durch den Einsatz von kurzen, intensiven Lichtblitzen von den bis dahin eingesetzten kontinuierlichen UV-Licht-Verfahren abhebt. 1988 wurden die Rechte von PurePulse erworben, und die Technologie wurde von DUNN et al. kontinuierlich weiterentwicklet. 1989 folgte das Patent PureBright (US-Patent 4871559). 1996 erfolgte die Zulassung der FDA für Pulsed Light Behandlungen für die oberflächliche Behandlung von Lebensmitteln, für den menschlichen Verzehr. Die Zulassung spezifiziert die Lichtquelle als Xenonlampe mit Wellenlängen von 200 bis 1000 nm. Behandlungen dürfen eine maximale Fluenz von 12 J/cm nicht überschreiten und die Pulsdauer darf 2 msec nicht überschreiten (FDA, 1996). Der rechtliche Status in der EU ist bis dato noch nicht klar. Ein möglicher Ansatz wäre die Regelung nach der VO (EU) Nr. 258/97 über neuartige Lebensmittelzutaten.

Investition und laufende Kosten
Die Einrichtung und Implementierung eines PL Systems in einen Produktionsprozess ist mit hohen Anschaffungskosten verbunden. Die Kosten für die bei PL-Technologie eingesetzten Lampen betragen ein Mehrfaches der Anschaffungskosten einer kontinuierlichen UV-Lampe. Eine PL-Lampe ist durchschnittlich, je nach Intensität der Verwendung, nach 6 bis 12 Monaten auszutauschen. Den hohen Investitionskosten gegenüber stehen allerdings vergleichsweise niedrige Kosten im laufenden Betrieb. Im Vergleich zu klassischen Hitzeprozessen, wie etwa der Nachpasteurisation des fertigen Produkts in der Verpackung, sprechen folgende Vorteile für die PL-Technologie: Die Prozesszeit für eine Nachpasteurisation beträgt typischerweise 20 Minuten (Haltezeit) bei einer Kerntemperatur von 74 Grad. Bei PL wird eine tatsächliche Behandlungszeit von maximal 1 Minute eingesetzt. Die PL-Behandlung wird in produktschonenden, nicht-thermischen Temperaturbereichen durchgeführt, während die Nachpasteurisation einer konventionellen Hitzebehandlung zuzuordnen ist.

* Universität für Bodenkultur Wien, Department für Lebensmittelwissenschaften und -technologie

Quellenangaben:
EUROPEAN COMMISSION. Eurobarometer 354: Food related risks. Juni - November 2010. TNS OPINION & SOCIAL, Brussels; www.efsa.europa.eu/en/factsheet/docs/reporten.pdf, 30.03.2014 EU (European Union) (1997). Regulation EC No 258/97 of the European Parliaments and the Council of 27 January 1997 concerning novel foods and novel food ingredients. GÓMEZ-LÓPEZ, V. M., RAGAERT, P., DEBEVERE J., AND DEVLIEGHERE, F. (2007). Pulsed light for food decontamination: a review. Trends Food Sci Technol. 18: 464-473. V. Heinrich, M. Zunabovic, T. Varzakas, J. Bergmair & W. Kneifel (2015): Pulsed Light Treatment of Different Food Types with a Special Focus on Meat: A Critical Review, Critical Reviews in Food Science and Nutrition, DOI: 10.1080/10408398.2013.826174 KEKLIK, N. M., DEMIRCI, A., AND PURI, V. M. (2010). Decontamination of unpacked and vacuum-packaged boneless chicken breast with pulsed ultraviolet light. Poultry Sci. 89: 570-581.



Lebensmittel-Industrie Ausgabe 5/6 Juni 2017