Dr inż. Agnieszka Starek
Dr hab. Joanna Pawłat, Prof. PL

Innowacje mają znaczący wpływ na rozwój przemysłu mięsnego. W literaturze przedmiotu brak jest jednoznacznego określenia innowacji. Większość podejść odnosi się do pojęcia „nowość” i „zmiana”. Jednak najbardziej znaną i stosowaną obecnie definicję innowacji stworzyła Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD) w opracowaniu Oslo Manual, gdzie uznano, że innowacja to wprowadzenie do praktyki nowego lub znacząco ulepszonego rozwiązania w odniesieniu do procesu, produktu (towaru lub usługi), marketingu oraz organizacji. Plazma nietermiczna, popularnie znana jako zimna plazma, to właśnie nowa, przełomowa koncepcja, która może mieć szerokie zastosowanie w utrwalaniu żywności, w tym mięsa.

Pojęcie plazmy wprowadził w 1928 roku amerykański fizykochemik Irving Langmuir, noblista z 1932 roku. Plazma, zwana czwartym i najpowszechniej występującym we Wszechświecie stanem skupienia stanowi materię, która jest złożona z cząsteczek obojętnych, mieszaniny cząstek zjonizowanych i wzbudzonych, min. wolnych rodników, jonów dodatnich oraz elektronów.

Wyróżniamy plazmę:

  • wysokotemperaturową – „gorącą”, będącą składnikiem gwiazd i powstającą podczas wybuchu bomby wodorowej,
  • niskotemperaturową – „zimną” (ang. non-thermal plasma lub cold plasma) – generowaną w znacznie niższych temperaturach, nawet w temp. pokojowej.

Plazma w zależności od temperatury poszczególnych jej składników, dzieli się na plazmę termiczną (równowagową) oraz nietermiczną (nierównowagową).
W plazmie termicznej (równowagowej) dzięki częstym zderzeniom między cząstkami zjonizowanego gazu składniki plazmy wymieniają się energią, dochodzi do osiągnięcia stanu równowagi i wyrównania temperatury wszystkich cząstek.
Natomiast w drugim rodzajem plazmy niskotemperaturowej jest plazma nietermiczna (nierównowagowa) powszechnie nazywana zimną plazmą, gdzie temperatury elektronów są znacznie wyższe od temperatur pozostałych składników.
W zależności od sposobu jej wytwarzania, wyróżnia się zimną plazmę niskociśnieniową (low pressure cold plasma) oraz zimną plazmę atmosferyczną (cold atmospheric pressure plasma).

W przypadku plazmy niskociśnieniowej, poddawany jonizacji gaz znajduje się pod obniżonym, często bliskim próżni, ciśnieniem, co powoduje znaczne rozrzedzenie cząsteczek. Częstotliwość zderzeń między cząstkami jest tak niska, że energie kinetyczne elektronów i większych cząstek pozostają różne i nie osiągają stanu równowagi. Wskutek tego w zimnej plazmie występują obok siebie „gorące” elektrony o temperaturze rzędu 10 000 K oraz „zimne” jony i cząstki obojętne, których temperatura jest zbliżona do temperatury otoczenia. Ze względu na znacznie większą masę „zimnych” składników, temperatura plazmy jest odczuwalna jako niska.
W plazmie otrzymywanej pod ciśnieniem atmosferycznym, gęstość cząstek jest nieporównywalnie większa niż w plazmie niskociśnieniowej. Skutkuje to częstszymi zderzeniami, które mogą prowadzić do wyrównania się energii kinetycznych pomiędzy elektronami i dużymi cząstkami, dlatego utrzymanie niskiej temperatury takiej plazmy jest trudniejsze.

Aby wytworzyć plazmę, do gazu musi zostać dostarczona energia potrzebna do jego jonizacji, często w postaci energii elektrycznej. Stosowane są różne układy zasilania reaktorów plazmowych zwanych plazmatronami: od tych o niskiej częstotliwości (~kHz), poprzez częstotliwości radiowe (~MHz) aż do mikrofalowych (~GHz). W przypadku plazmy atmosferycznej szczególną popularność uzyskały reaktory z wyładowaniem barierowym, koronowym lub łukowym.

Aktywność zimnej plazmy polega na działaniu:

  • wysokoenergetycznych elektronów nabywających energię w polu elektrycznym,
  • zjonizowanych atomów i cząsteczek, które ulegają jonizacji wskutek uderzeń wysokoenergetycznych elektronów,
  • działaniu wolnych rodników w tym tlenu, azotu – RONS (reactive oxygen nitrogen species), czy rodników hydroksylowych,
  • promieniowania w różnym zakresie spektrum, w tym UV,
  • nadtlenku wodoru,
  • ozonu.

Duże zainteresowanie wykorzystaniem zimnej plazmy wynika z możliwości kontrolowania jej właściwości poprzez:

  • skład chemiczny gazu roboczego, który decyduje o rodzaju i energiach aktywnych cząstek plazmy (elektronów, atomów, molekuł, jonów, rodników),
  • ciśnienie, w zakresie od niemal próżni do ciśnienia atmosferycznego i wyższego; (wzrost ciśnienia prowadzi do zmniejszenia drogi swobodnej cząstek plazmy i przesunięcia w stronę stanu równowagi termodynamicznej),
  • strukturę pola elektromagnetycznego; zewnętrznie wzbudzone pole elektryczne i/lub magnetyczne wykorzystuje się do przyspieszania, grzania, kompresji i kierowania cząstek plazmy,
  • geometrię wyładowania, brak lub obecność elektrod, obecność dielektryka, objętość przestrzeni wyładowczej (wyładowania w małej objętości oznaczają odejście od równowagi termodynamicznej),
  • parametry układu zasilającego (moc, napięcie, częstotliwość, liczba faz, kształt napięcia zasilającego, impedancja wewnętrzna układu zasilania).

Wśród wielu obecnych problemów związanych z bezpieczeństwem produktów mięsnych najistotniejsze są zagrożenia mikrobiologiczne. Bezpośrednio po uboju dochodzi do zakażenia pierwotnego, gdyż mięso może zawierać wewnątrz tkanek bakterie (znajdujące się w węzłach chłonnych). Powierzchnia mięsa ulega również zakażeniom wtórnym, czyli zanieczyszczeniu z otoczenia, które następuje już podczas obróbki poubojowej, w trakcie nacięcia ścian przewodu pokarmowego, zdejmowania skóry, używania zakażonych noży, z niewłaściwej higieny osobistej pracowników oraz brudnej odzieży ochronnej. Zanieczyszczenie może pochodzić również z powietrza i podłóg hali ubojowej lub chłodni. Niewłaściwe warunki podczas transportu i przechowywania mogą także przyczynić się do obniżenia jakości tego typu produktów.

Najbardziej „widoczne” drobnoustroje o właściwościach sacharolitycznych, odpowiedzialne za rozkład cukrów, powodują śluzowacenie mięsa. Jeśli proces rozkładu cukrów zachodzi w warunkach beztlenowych i jest powodowany przez heterofermentatywne bakterie kwasu mlekowego, wówczas wytwarza się CO2, alkohol etylowy i kwas mlekowy, a mięso staje się kwaskowate i zawiera znaczne ilości gazu (mięso gąbczaste). Jego barwa szarzeje lub staje się zielonkawa. Opakowania produktów mięsnych, np. woreczki z tworzyw sztucznych, mogą nawet pękać, a puszki bombażują.

Na mięsie świeżym i chłodzonym dominują bakterie psychrofilne rodzaju Pseudomonas, Achromobacter, często występują też pałeczki Lactobacillus, tlenowe ziarniaki, pałeczki z grupy okrężnicy. Znacznie rzadziej stwierdza się laseczki tlenowe (Bacillus) i beztlenowe (Clostridium).

Mechanizm zabijania tych drobnoustrojów nie został jeszcze do końca poznany. Wiadomo jednak, że głównymi czynnikami biorącymi udział w tym procesie są fotony promieniowania UV oraz wolne rodniki. Efekt antymikrobiologiczny opiera się na trzech mechanizmach. Pierwszym z nich jest niszczenie materiału genetycznego drobnoustrojów na skutek działania promieniowania UV, które powoduje nieodwracalne pęknięcia w łańcuchach DNA prowadzące do mutacji i śmierci komórek. Drugi mechanizm to fotodesorpcja, czyli erozja mikroorganizmów indukowana fotonami UV zrywającymi wiązania chemiczne w cząsteczkach i powodującymi ich rozkład na drobnocząsteczkowe związki lotne. Ostatni bakteriobójczy mechanizm objawiający się utlenianiem komórek przez wolne rodniki to erozja mikroorganizmów przez wytrawienie. Przebieg tej reakcji jest podobny do procesu spalania i prowadzi do powstania wody i dwutlenku węgla.

Jak wskazują najnowsze doniesienia naukowe niskotemperaturowa plazma może być także zastosowana jako metoda dekontaminacji powierzchni mięsa zawierającej Listeria innocua (bakteria ta jest surogatem, niepatogenicznym odpowiednikiem Listeria monocytogenes). W badaniach prowadzonych przez Noriega i współautorów optymalizację warunków pracy dla maksymalnej dezaktywacji bakterii osiągnięto najpierw za pomocą filtrów membranowych, na których osadzono Listeria innocua. Zastosowanie niskotemperaturowej plazmy przez 10 s przyczyniło się do ich ograniczenia 0,27 i 3,27 cykli logarytmicznych, gdy gazem był odpowiednio hel i mieszanina hel-tlen w stosunku 1:5. Wyższe wartości napięcia przemiennego, częstotliwości wzbudzenia i obecności tlenu w gazie nośnym spowodowały największą skuteczność inaktywacji, co zostało potwierdzone w dalszych badaniach na mięśniu kurcząt i skórze. W optymalnych warunkach 10-godzinne traktowanie dało >3 log redukcji Listeria innocua na filtrach membranowych, 8-minutowe traktowanie spowodowało 1 log redukcji na skórze.

Kolejnym dowodem na skuteczność plazmy azotowo-helowej w inaktywacji drobnoustrojów mogą być wyniki badań Lee i in., którzy utrwalali plastry gotowanej piersi z kurczaka i szynki. Wykazali, że strumienie APP (atmospheric pressure plasma) są skuteczne do inaktywacji Listeria monocytogenes na wybranych typach mięsa i do przedłużania okresu przydatności do spożycia tego typu produktów.
Natomiast Kim i in., porównując plazmę helową oraz helowo-tlenową do utrwalania boczku, stwierdzili większą skuteczność plazmy otrzymanej z gazu roboczego z domieszką tlenu. Wyniki te, wyraźnie wskazują, że działanie APP jest skuteczne w przypadku inaktywacji trzech patogenów stosowanych w tym badaniu: Listeria monocytogenes, Escherichia coli i Salmonella Typhimurium. Zastosowanie mieszaniny gazów zredukowało liczebność drobnoustrojów o 2–3 cykle logarytmiczne.

Celem badań Kim i in., była ocena zastosowania systemu plazmy wyładowczej z barierą dielektryczną (DBD – dielectric-barrier discharge) w celu poprawy bezpieczeństwa polędwicy wieprzowej. Gdy mięso było poddane działaniu DBD (gazy wejściowe He i He+O2), populacja Escherichia coli została zmniejszona o 0,26 i 0,50 cykli logarytmicznych po 5-minutowym traktowaniu i 0,34 i 0,55 logach po 10-minutowej obróbce plazmowej.

Z kolei w badaniu Song i in., patogenne bakterie (Listeria monocytogenes) na powierzchni plastrów szynki uległy inaktywacji wskutek działania plamy helowej. Wydajność redukcji drobnoustrojów wzrastała wraz ze zwiększaniem mocy generatora plazmy (z 75 poprzez 100 i 125 do 150 W).

Przeprowadzone przez Rød i in., analizy również dowodzą, że plazma może mieć zastosowanie w odkażaniu powierzchni wstępnie pakowanych produktów żywnościowych RTE (ready-to-eat). Działanie zimnej plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym spowodowało zmniejszenie Listeria innocua w zakresie od 0,8±0,4 do 1,6±0,5 log cfu/g w plastrowanej długo dojrzewającej wędlinie z mięsa wołowego, zwanej Bresaola (Włochy).

Wyniki te, mimo że nie spełniają wymagań dotyczących wyjaławiania żywności, świadczą o potencjale użycia niskotemperaturowej plazmy w celu dekontaminacji mięsa. Oprócz efektywności przeciwdrobnoustrojowej tego niskotemperaturowego procesu istotne jest jeszcze określenie jego wpływu na wyróżniki jakościowe mięsa. Wiele artykułów naukowych podaje, że zimna plazma, w porównaniu do tradycyjnych metod dekontaminacji żywności, takich jak obróbka termiczna, nie zmienia struktury ani właściwości odżywczych bądź sensorycznych produktów – wartości smakowe czy zapachowe pozostają takie same, jak w przypadku próbek nie poddanych działaniu plazmy.

Mięso i produkty mięsne mogą być skażone mikroorganizmami chorobotwórczymi, które powodują poważne problemy zdrowotne i straty ekonomiczne. Zimna plazma atmosferyczna (CAP – Cold Atmospheric Plasma) to nowatorska i wschodząca technologia, wykazująca wielki potencjał zastosowań w przemyśle spożywczym. Nietermiczny charakter, brak toksycznych produktów ubocznych, wysoka skuteczność przeciwko wielu rodzajom mikroorganizmów, przemawiają za jej praktycznym wykorzystaniem w przemyśle rolno-spożywczym. Jednak przed wdrożeniem jej do rutynowego zastosowania w sektorze mięsnym niezbędne są dalsze badania i optymalizacja.