Όζον: Η νέα πρακτική απολύμανσης φρούτων και λαχανικών

Του Γιώργου Μορφονιού*

Όλες οι πληροφορίες για την εφαρμογή όζοντος στη βιομηχανία τροφίμων

Το χλώριο είναι ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος απολυμαντικός παράγοντας στη βιομηχανία τροφίμων. Ωστόσο, έχει περιορισμένη επίδραση σε ορισμένα είδη μικροοργανισμών σε φρούτα και λαχανικά. Επίσης, προκαλείται σχηματισμός τοξικών ενώσεων στο νερό και στα τρόφιμα ή στις επιφάνειες που έρχονται σε επαφή με τα τρόφιμα. Έτσι, η επιστημονική κοινότητα και οι παραγωγοί τροφίμων άρχισαν να αναζητούν νέες εφαρμογές για να αντικαταστήσουν το χλώριο. Η χρήση όζοντος φαίνεται να είναι μια ασφαλής και αποτελεσματική εναλλακτική λύση. Η επεξεργασία με όζον χρησιμοποιείται εδώ και χρόνια για την απολύμανση του νερού με σκοπό να καθίσταται πόσιμο στην Ευρώπη. Το όζον έχει δοκιμαστεί και χρησιμοποιείται για αδρανοποίηση μικροοργανισμών, απομάκρυνση τοξικών ουσιών, μυκοτοξινών, φυτοφαρμάκων και παράταση της διάρκειας ζωής ορισμένων προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων φρούτων και λαχανικών.

ΟΖΟΝ (Ο₃)

Το όζον είναι αέριο ανοικτού κυανού χρώματος και απαντάται στα χαμηλότερα επίπεδα της στρατόσφαιρας (15 έως 30 km πάνω από την επιφάνεια της γης, «στιβάδα του όζοντος»). Η οσμή του είναι χαρακτηριστική και γίνεται αντιληπτή από τον άνθρωπο όταν η ελάχιστη συγκέντρωση κυμαίνεται ανάμεσα σε 5 και 20 ppb. Το όζον (Ο₃) στη φύση σχηματίζεται όταν υψηλή ενέργεια διασπά το μόριο οξυγόνου (Ο₂) στον αέρα. Μεμονωμένα μόρια οξυγόνου συνδυάζονται γρήγορα με το διαθέσιμο Ο₂ για να σχηματίσουν όζον (3Ο₂ → 2Ο₃ + θερμότητα + φως). Πηγή αυτής της υψηλής ενέργειας είναι η υπεριώδης ακτινοβολία από τον ήλιο και οι ηλεκτρικές εκκενώσεις κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Εμπορικά, υπάρχουν δύο τρόποι παραγωγής όζοντος. Ο πρώτος τρόπος είναι με χρήση ακτινοβολίας UV (μήκος κύματος 254 nm), χρησιμοποιώντας ατμοσφαιρικό αέρα ή αέρα εμπλουτισμένο με Ο₂. Οι UV- γεννήτριες συνήθως παράγουν μικρές ποσότητες όζοντος (0,5% ή και λιγότερο). Ο δεύτερος τρόπος είναι με διοχέτευση αέρα εμπλουτισμένου με Ο₂ ή Ο₂ υψηλής καθαρότητας, σε υψηλή ηλεκτρική τάση η οποία είναι συνήθως γνωστή ως γεννήτρια εκκένωσης τύπου στεφάνης (Corona Discharge). Οι γεννήτριες τύπου στεφάνης είναι ακριβότερες από τις UV όμως έχουν το πλεονέκτημα της παραγωγής υψηλότερων συγκεντρώσεων Ο_3. Η δυναμικότητα παραγωγής όζοντος των γεννητριών εκφράζεται σε g h^-1. Το μόνο «παραπροϊόν» όταν αποσυντίθεται το όζον, είναι το οξυγόνο. Έτσι, τα τρόφιμα που έχουν υποστεί επεξεργασία με όζον δεν έχουν «υπολείμματα απολυμαντικών».

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΟΖΟΝΤΟΣ

Το όζον, είναι σχετικά σταθερό στον αέρα αλλά ιδιαίτερα ασταθές στο νερό και αποσυντίθεται σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Δεν μπορεί να αποθηκευτεί και πρέπει να παράγεται συνεχώς, επί τόπου στον τόπο χρήσης. Η συνολική αντίδραση που σχετίζεται με τη δημιουργία όζοντος είναι ενδοθερμική (απαιτεί ενέργεια). Αυτή η ενέργεια μπορεί να προέλθει  από ηλεκτρόλυση του νερού, φωτόλυση του οξυγόνου με ακτινοβολία UV, χρησιμοποιώντας ιονίζουσα ακτινοβολία ή ηλεκτρική εκκένωση υψηλής τάσης. Με τη χρήση ηλεκτρικής εκκένωσης, ένα ρεύμα αερίου που περιέχει οξυγόνο, ρέει μέσα από ένα λεπτό διάκενο που χωρίζει δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια. Τουλάχιστον ένα από τα δύο ηλεκτρόδια καλύπτεται από διηλεκτρικό υλικό. Εναλλασσόμενη τάση μερικών χιλιάδων βολτ εφαρμόζεται μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων. Αυτή η τάση δημιουργεί ηλεκτρικές εκκενώσεις μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων οι οποίες διαχωρίζουν το αέριο. Τα μόρια Ο₂ διασπώνται, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό ατόμων οξυγόνου (Ο), τα οποία αναζητώντας σταθερότητα, προσκολλώνται σε άλλα μόρια οξυγόνου παράγοντας Ο₃. Με την ανωτέρω διαδικασία, η παραγωγή 1 kg όζοντος, απαιτεί τη χρήση 8,3 kg οξυγόνου και κατανάλωση 10 kWh ηλεκτρικής ενέργειας. Δεδομένου ότι το 85% έως 95% της ηλεκτρικής ενέργειας που παρέχεται σε μια γεννήτρια όζοντος εκκένωσης τύπου στεφάνης μετατρέπεται σε θερμότητα, απαιτείται κάποια μέθοδος για την απομάκρυνση της θερμότητας, δηλαδή ψύξη. Η σωστή ψύξη επηρεάζει σημαντικά την ενεργειακή απόδοση της γεννήτριας όζοντος, οπότε οι περισσότερες χρησιμοποιούν μία ή περισσότερες μεθόδους ψύξης (αέρας και/ή νερό).

Μόλις παραχθεί αέριο όζον, το επόμενο βήμα είναι να εφαρμοστεί, είτε σε μορφή αερίου είτε διαλύοντάς το σε νερό. Όποια και αν είναι η μορφή του όζοντος που χρησιμοποιείται, ο καλός έλεγχος της μεταφοράς αυτού στο μέσο στόχο είναι σημαντικός επειδή καθορίζει τη συγκέντρωση του όζοντος που έχει σημαντική επίδραση στην κατανάλωση αυτού, την κινητική της αντίδρασης, την απολυμαντική δράση κλπ. Επιπλέον, είναι σημαντικό να διασφαλιστεί η υψηλότερη απόδοση και η χαμηλότερη υπολειπόμενη ποσότητα όζοντος, λόγω του υψηλού κόστους που σχετίζεται με την παραγωγή αυτού. Η αποτελεσματικότητα του όζοντος επηρεάζεται από εσωτερικές και εξωτερικές παραμέτρους.

Εξωτερικές παράμετροι

Δεδομένου ότι το όζον είναι ασταθές σε υδατικό διάλυμα ή στον αέρα, η αποτελεσματικότητά του ως απολυμαντικό εξαρτάται όχι μόνο από την ποσότητα που χρησιμοποιείται αλλά και από το υπολειπόμενο όζον στο μέσο και από διάφορους περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως το pH, η θερμοκρασία και η υγρασία. Για να εξασφαλιστεί υψηλό επίπεδο μικροβιακής δράσης από το όζον, ο ρυθμός αποσύνθεσης του όζοντος πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερος στο περιβάλλον επεξεργασίας. Υπό όξινες συνθήκες (pH περίπου 3,0-4,0), το όζον είναι αρκετά σταθερό και ο ρυθμός αποσύνθεσής του σχετικά αργός. Έτσι, η μικροβιακή θανάτωση από το όζον είναι πολύ ταχύτερη σε χαμηλότερο pH και μειώνεται σε pH μεγαλύτερο ή ίσο με 7,0. Επίσης, η θερμοκρασία επηρεάζει τη βιοκτόνο απόδοση του όζοντος. Η μείωση της θερμοκρασίας ενός υδατικού μέσου αυξάνει τη διαλυτότητα και τη σταθερότητα του όζοντος, αυξάνοντας τη διαθεσιμότητά του στο μέσο και, κατά συνέπεια, αυξάνοντας την αποτελεσματικότητά του. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, το όζον γίνεται λιγότερο διαλυτό και λιγότερο σταθερό, ενώ αυξάνεται ο ρυθμός αποσύνθεσης του. Ανεξάρτητα από τη μορφή του όζοντος, η συγκέντρωση του όζοντος και ο χρόνος επεξεργασίας είναι δύο εξωτερικές παράμετροι που καθορίζουν την απόδοση αυτού. Αυτή η αποτελεσματικότητα σε έναν μικροοργανισμό στόχο περιγράφεται από την έννοια CT όπου το C αναφέρεται στην υπολειμματική συγκέντρωση όζοντος σε mg / L και το T αναφέρεται στον χρόνο επαφής σε min. Επομένως, η ένταση μιας επεξεργασίας με όζον εκφράζεται σε όρους CT: mg min^–1 L^–1. Η εφαρμογή υδατικού όζοντος με δύο διαφορετικούς τρόπους (στατικό ή δυναμικό) έχει διαφορετικά αντιμικροβιακά αποτελέσματα. Ο ρυθμός καταστροφής των μικροοργανισμών είναι υψηλότερος σε δυναμικές συνθήκες από στατικές, ανεξάρτητα από τους μικροοργανισμούς. Η χρήση όζοντος σε νερό για απολύμανση λαχανικών είναι πιο αποτελεσματική με ανάδευση υψηλής ταχύτητας παρά σε χαμηλή ταχύτητα. Επίσης, η δημιουργία τυρβώδους ροής είναι πιο αποτελεσματική από την εμβάπτιση λαχανικών σε νερό με όζον. Τέλος, έχει αναφερθεί ότι απαιτείται υψηλή σχετική υγρασία για την αδρανοποίηση μικροοργανισμών από αέριο όζον. Η βέλτιστη σχετική υγρασία ενός αερίου είναι περίπου 90 έως 95% και το όζον χάνει τη βακτηριοκτόνο αποτελεσματικότητά του στο 50% και κάτω.

Εσωτερικές παράμετροι

Ο τύπος του μικροοργανισμού καθώς και η ηλικία των κυττάρων επηρεάζουν την απολυμαντική ικανότητα του όζοντος. «Γηραιότερα» κύτταρα είναι πιο ανθεκτικά στο αέριο όζον από τα νεότερα. Μικροοργανισμοί που είναι ενσωματωμένοι στις επιφανειακές ανωμαλίες του προϊόντος προστατεύονται περισσότερο από το όζον από αυτούς που εκτίθενται άμεσα. Η εφαρμογή υδατικού όζοντος έχει καλύτερα αποτελέσματα σε προϊόντα που έχουν λείες και ανέπαφες επιφάνειες, όπως μήλα, ντομάτες και πράσινες πιπεριές, σε αντίθεση με το μαρούλι που έχει μια εξαιρετικά ακανόνιστη και τραχιά επιφάνεια. Κατά συνέπεια, είναι σημαντικό να διασφαλιστεί η άμεση επαφή μεταξύ του όζοντος και των μικροοργανισμών-στόχων. Για αυτό το λόγο, χρησιμοποιείται μια ποικιλία μεθόδων εφαρμογής, συμπεριλαμβανομένης της πλύσης, της εμβάπτισης, της ανάδευσης και της δημιουργίας τυρβώδους ροής, προκειμένου να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητα. Το a_w του προϊόντος είναι επίσης μια σημαντική παράμετρος που σχετίζεται με την αποτελεσματικότητα της επεξεργασίας όζοντος. Σε υψηλό a_w προϊόντος, συγκεκριμένη συγκέντρωση όζοντος έχει μεγαλύτερη μικροβιακή δράση από ότι σε χαμηλότερο a_w.

Χρήση όζοντος για αντιμικροβιακή δράση

Το όζον καταστρέφει τους μικροοργανισμούς με την προοδευτική οξείδωση ζωτικών κυτταρικών συστατικών. Η βακτηριακή κυτταρική επιφάνεια είναι ο πρωταρχικός στόχος της επεξεργασίας με όζον. Το χλώριο, ο πιο συνηθισμένος απολυμαντικός παράγοντας, καταστρέφει επιλεκτικά ορισμένα ενδοκυτταρικά ενζυματικά συστήματα, ενώ το όζον προκαλεί εκτεταμένη οξείδωση των εσωτερικών κυτταρικών πρωτεϊνών προκαλώντας γρήγορο θάνατο των κυττάρων. Οι βακτηριακές επιδράσεις του όζοντος έχουν τεκμηριωθεί σε μια μεγάλη ποικιλία οργανισμών συμπεριλαμβανομένων των Gram θετικών βακτηρίων (Clostridium, Bacillus, Micrococcus, Staphylococcus, Listeria, Lactobacillus, Leuconostoc, Enterococcus, Pediococcus, Streptococcus κ.ά.), των Gram αρνητικών βακτηρίων (Pseudomonas, Alcaligens, Flavobacterium, Moraxella, Acinetobacter, Aeromonas, Achromobacter, Psychrobacter, Brochothrix, Enterobacter, Salmonella, Escherichia, Klebsiella, Shigella, Yersinia κ.ά.), των σπορίων των σπορογόνων βακτηρίων και μυκήτων και των φυτικών κυττάρων. Από μελέτη έχει διαπιστωθεί ότι τα Gram αρνητικά βακτήρια είναι πιο ευαίσθητα στο όζον από τα Gram θετικά βακτήρια, ενώ και οι δύο αυτές κατηγορίες βακτηρίων ως προς τη χρώση Gram είναι πιο ευαίσθητα από τις ζύμες σε συγκέντρωση όζοντος 2 ppm για 4 ώρες.

Χρήση όζοντος για αποδόμηση μυκοτοξινών

Οι μυκοτοξίνες, απειλούν την υγεία των ανθρώπων και των ζώων. Παράγονται κυρίως από τα είδη Aspergillus, Penicillium και Fusarium. Μελέτες έχουν δείξει ότι η αφλατοξίνη Β1 και η G1 αποικοδομήθηκαν γρήγορα χρησιμοποιώντας όζον 2%, ενώ η αφλατοξίνη Β2 και η G2 ήταν πιο ανθεκτικές στην οξείδωση και απαιτούν υψηλότερα επίπεδα όζοντος για ταχεία αποδόμηση. Επιπλέον, η πατουλίνη, το κυκλοπιαζονικό οξύ, η ωχρατοξίνη Α, το σεκαλονικό οξύ D και η ζεαραλενόνη υποβαθμίζονται στα 15 δευτερόλεπτα, χωρίς να ανιχνεύονται υποπροϊόντα με υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης. Ως εκ τούτου, η εφαρμογή όζοντος σε τροφές με μυκοτοξίνες φαίνεται να είναι μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος αντιμετώπισης αυτών.

Χρήση όζοντος για αποικοδόμηση φυτοφαρμάκων

Η κατάχρηση φυτοφαρμάκων προκαλεί συσσώρευση υπολειμμάτων σε αγροτικά προϊόντα. Αυτό παρουσιάζει σοβαρούς κινδύνους για την ανθρώπινη υγεία επειδή τα φυτοφάρμακα είναι τοξικά ακόμη και σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Η χρήση όζοντος θεωρείται ως μία από τις πιο ελπιδοφόρες μεθόδους για την αποικοδόμηση των φυτοφαρμάκων. Εκτός από το όζον, διάφορες διαδικασίες οξείδωσης με βάση το όζον, έχουν αξιολογηθεί πρόσφατα για την αποδόμηση υδατικών οργανικών ρύπων, συμπεριλαμβανομένων των φυτοφαρμάκων. Οι εφαρμογές όζοντος + υπεροξειδίου του υδρογόνου, όζοντος + υπεριώδους ακτινοβολίας και όζοντος + υπεροξειδίου του υδρογόνου + υπεριώδους ακτινοβολίας είναι παραδείγματα προηγμένων διαδικασιών οξείδωσης. Η χρήση τους σε συνδυασμό με τον έλεγχο του pH και της θερμοκρασίας έχει διάφορα αποτελέσματα μείωσης υπολειμμάτων φυτοφαρμάκων σε φρούτα και λαχανικά, με τα ποσοστά να κυμαίνονται από 25 έως 97% ανάλογα με το είδος του φυτοφαρμάκου, χωρίς να μπορεί να ειπωθεί ότι μπορεί να πραγματοποιηθεί πλήρης εξάλειψη του κινδύνου με τη χρήση όζοντος.

Επιδράσεις του όζοντος στη φυσιολογία και την ποιότητα των φρούτων και λαχανικών

Τα φρούτα και τα λαχανικά είναι πολύ ευαίσθητα και αλλοιώσιμα τρόφιμα, ευαίσθητα σε μηχανικούς τραυματισμούς, φυσιολογικές αλλοιώσεις, απώλεια νερού κλπ. Με την επεξεργασία φρούτων και λαχανικών με όζον, η αναπνευστική δραστηριότητα μειώνεται έως και αναστέλλεται, παράγοντας που αυξάνει τη διάρκεια ζωής και ποιότητα αυτών. Το όζον μπορεί να μειώσει το επίπεδο του αιθυλενίου στον αέρα σε ένα ψυκτικό θάλαμο, έτσι ώστε τα ευαίσθητα σε αιθυλένιο και τα προϊόντα που παράγουν αιθυλένιο να μπορούν να αποθηκευτούν μαζί για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Φρούτα που υποβάλλονται σε επεξεργασία με όζον έχουν μικρότερη απώλεια βάρους. Οι αντιοξειδωτικές ενώσεις όπως τα φλαβονοειδή, οι πολυφαινόλες, οι βιταμίνες Α και C είναι σημαντικά συστατικά των τροφίμων. Το όζον λόγω της ισχυρής οξειδωτικής του δραστηριότητας λογικά θα προκαλούσε την απώλεια αντιοξειδωτικών συστατικών. Ωστόσο, βάσει μελετών αυτό συμβαίνει από λίγο έως καθόλου. Όπως επίσης μικρή είναι η επιρροή της επεξεργασίας με όζον στο χρώμα των φρούτων και λαχανικών. Οι επιδράσεις του όζοντος στη φυσιολογία και την ποιότητα των φρούτων και λαχανικών ποικίλλουν ανάλογα με τη χημική σύνθεση των τροφίμων, τη δόση του όζοντος και τον τύπο και τον χρόνο εφαρμογής.

Εφόσον, χρησιμοποιείται σε κατάλληλες συνθήκες, το όζον μπορεί να αποτρέψει τη μικροβιακή αλλοίωση, με ελάχιστη φυσιολογική βλάβη στα φρούτα και τα λαχανικά. Αυτές οι συνθήκες πρέπει να καθορίζονται ειδικά από δοκιμές εφαρμογής όζοντος σε όλα τα είδη προϊόντων.

Πηγές

– Εφαρμογές όζοντος για περιορισμό των απωλειών κατά τη συντήρηση των οπωροκηπευτικών: Μια τεχνολογία φιλική προς το περιβάλλον, Μιλτιάδης Βασιλακάκης, Γεώργιος Καραογλανίδης, Ιωάννης Μηνάς

– Ozone Treatments for Preserving Fresh Vegetables Quality: A Critical Review, Elodie Sarron, Pascale Gadonna-Widehem and Thierry Aussenac

– Ozone Applications in Fruit and Vegetable Processing, Hakan Karaca, Y. Sedat Velioglu

*Ο Γιώργος Μορφονιός είναι Γεωπόνος – Επιστήμονας Τροφίμων, MSc Συστήματα διαχείρισης ποιότητας & διασφάλισης υγιεινής τροφίμων, senior consultant AG ADVENT AE