Kaltes Plasma – von der Forschung zur Praxisanwendung?


Kaltes Plasma, gepulste elektrische Felder (PEF) oder E-Beam bieten interessante Anwendungspotenziale für die Lebensmittelverarbeitung. Wie weit ist der Weg zur Praxisreife?

Peter Jossi

Kaltes Plasma zur Haltbarmachung von Lebensmitteln? Versuchsanlage der Universität Leipzig mit Argon-Plasma. Fotonachweis: M. Moritz, Universität Leipzig

Prof. Dr. Michael Beyrer vom «Institut Life Technologies» der Fachhochschule Westschweiz Hes-So Valais/Wallis in Sion erläutert das Prinzip hinter den Innovationen: «Die Gemeinsamkeit liegt darin, dass im elektrischen Feld Elektronen freigesetzt werden und auf andere Materialbestandteile einwirken, beziehungsweise mit diesen kollidieren.» Ihre Wirksamkeiten entwickeln die neuen Verfahren in Flüssigkeiten (PEF) oder Gasen (Kaltes Plasma oder E-Beam). Michael Beyrer zeigt das Anwendungsspektrum an einem Beispiel den Innovationscharakter der neuen Technologien auf: «Die neuen Verfahren erschliessen neue bisher nicht mögliche Anwendungen, wie etwa die nicht-thermische Dekontaminierung – die Entkeimung – von Pulvern.»

Kaltes Plasma mit Potential
Prof. Dr. Peggy Braun vom «Institut für Lebensmittelhygiene» (Veterinärmedizinischen Fakultät) der Universität Leipzig untersucht den Einsatz von Kalten Plasmen. Forschungsergebnisse zeigen, dass sich mit dem Verfahren eine keimtötende Wirkung bei Lebensmitteln erreichen lässt, etwa gegen Salmonellen auf Eierschalen. Konkrete Praxisanwendungen sind laut Peggy Braun bisher erst ausserhalb der eigentlichen Lebensmittelverarbeitung etabliert, etwa bei der Hygiene-Behandlung von Verpackungsoberflächen. Zugelassen ist die Methode bereits zur Wundbehandlung.

«Mögliche Lebensmittelanwendungen bestehen bei der Oberflächenbehandlung, etwa von Schalenobst oder der Keimreduktion bei weiteren hitzesensiblen Frischprodukten», so die Einschätzung von Peggy Braun aufgrund diverser Forschungsversuche. Die Intensität des Plasmas lässt sich je nach Anwendungsgebiet durch Steuerung verschiedener Parameter (Gas, Energie, Abstand usw.) anpassen. Es ist zum Beispiel möglich, so genanntes «Plasma-aktiviertes Wasser» mit antimikrobieller Wirksamkeit herzustellen und in Waschprozesse zu integrieren.

Auswirkungen des Verfahrens
Die Anwendung im medizinischen Bereich lässt eine schonende Wirkung vermuten, mit grossem Potenzial für die Lebensmittelbehandlung. Michael Beyrer schränkt in seiner Einschätzung ein, dass Erfahrungen im medizinischen Bereich nicht direkte Rückschlüsse bieten. Die Auswirkungen des Verfahrens auf das jeweilige Lebensmittel müsse im konkreten Anwendungsfall untersucht werden. Beyrer sieht jedoch grundsätzlich interessante Anwendungsbereiche für Lebensmittel: «Die Forschung fokussiert derzeit aufgrund der geringen Eindringtiefe des Plasmas auf Oberflächenbehandlungen zur Entkeimung etwa von Gewürzen.» Durch den Einsatz von «kaltem Plasma» auf der Oberfläche verschiedener Materialien konnten zudem Bacillus-Sporen inaktiviert werden. Schwieriger sei die Behandlung dünner Schichten von Flüssigkeiten, etwa wie Milch. Die Reaktionskette sei dabei wissenschaftlich noch weniger untersucht, als bei einer direkten Einwirkung von Plasmen auf Mikroorganismen. Zusammen mit der geringen Schichtdicke spreche dies eher gegen einen Einsatz im
industriellen Umfeld.

Technologieinnovation in Entwicklung: Versuchsanlage der Hes-So Wallis mit atmospährischem Druck. Fotonachweis: Hes-So Valais/Wallis

Praxistests notwendig
Zukunftschancen in der Lebensmittelbranche haben Verfahrensinnovationen, die aktuelle industrielle Standardverfahren optimieren können, beispielsweise indem sie hygienisch sichere Herstellverfahren mit einer exzellenten Qualität und hohem Nährwert verbinden. «Wir befinden uns derzeit noch in der frühen Phase der Entwicklung», so die grundsätzliche Einschätzung von Michael Beyrer, «bis zu einem Scale-Up ist deshalb noch viel Forschungsarbeit erforderlich.» «Auf technischer Ebene ist die Eignung der verschiedenen Plasma-Formen für die jeweiligen Praxisanwendungen zu prüfen und zwar auch über den Labormassstab hinaus mit Pilotversuchen in der Lebensmittelverarbeitung», erklärt Peggy Braun die nächsten Schritte in Richtung Praxisreife. Zudem sei die Validierung der Labormethodik erforderlich, um die Auswirkungen auf die Lebensmittel zu untersuchen und eine Rückstandsfreiheit bezüglich möglicher Allergene und weiterer Folgeprodukte sicherzustellen.

Akzeptanz entscheidend
Für all diese Fragestellungen muss im Rahmen der rechtlichen Zulassung für neue Verfahren überzeugend die Unbedenklichkeit nachgewiesen werden. Die Erfüllung der rechtlichen Anforderungen allein ist dabei noch lange keine Garantie für die erfolgreiche Etablierung in der Lebensmittelbranche. Michael Beyrer teilt die Einschätzung betreffend der notwendigen Praxisforschung: «Für die Akzeptanz solcher neuer Verfahren müssen verlässliche toxikologische Studien für die Apparaturen und Anwendungen vorhanden sein, bei denen ausreichend gute Inaktivierungsergebnisse erreicht wurden. Das ist in der Mehrzahl der Studien noch nicht der Fall. Die Hes-so Fachhochschule beginnt mit derartigen begleitenden toxikologischen Studien im Jahr 2018.»

Eine der untersuchten Plasma-Technologien: Niederdruckplasma-Versuchsanlage der Hes-So mit atmosphärischem Druck. Fotonachweis. Hes-So Valais/Wallis

Pulsed Electric Fields (PEF) – E-Beam
Ein «Plasma» ist in der Physik ein «reaktiver Cocktail» aus Ionen, Radikalen, Elektronen und neutralen Atomen und Molekülen. Von einem «kalten Plasma» spricht man bei niedriger Energie. Michael Beyrer zum dahinterliegenden Wirkungsprinzip: «Wenn man es genau nimmt, folgt die Konzentration der umgekehrten Reihenfolge. Der Hauptteil und nicht reaktive Teil sind immer noch neutrale Atome und Moleküle. Der reaktive Anteil sind natürlich Ionen und Radikale. Die Elektronen „entzünden“ das Plasma, das heisst ionisieren Atome.»

«Pulsed Electric Fields» (PEF) sind elektrische Felder von hoher Spannung, die in Form von kurzen Impulsen zielgerichtet eingesetzt werden. Das PEF-Verfahren inaktiviert Mikroorganismen gezielt ohne Beeinträchtigung des Lebensmittels, wie z.B. Enzyminaktivierung. Dies im Gegensatz zur klassischen thermischen Sterilisation, bei der das ganze Produkt erhitzt wird. «E-beam» beruht auf der Behandlung durch Elektronen, im Vergleich zu Röntgenstrahlen jedoch in viel niedrigerem Energiebereich. Die Technologie wird bereits erfolgreich an Lebensmittel- und Pharmaverpackungen angewendet. Tetra-Packungen werden z.B. standardmässig mit E-beam behandelt. Mit Hilfe dieses Hygienisierungsprozesses können pathogene Keime wie Colibakterien oder Salmonellen erfolgreich inaktiviert werden.

https://www.hevs.ch/de/afeinstitute/institut-life technologies/collaborateurs/dozentin/beyrer-2748
http://lebensmittelhygiene.vetmed.unileipzig.de/de/Braun
http://lebensmittelhygiene.vetmed.unileipzig.de/de/institut



Lebensmittel-Industrie Ausgabe 3/4 April 2017