Pilotstudie zur Verwendung von kaltem atmosphärischem Plasma zur Konservierung von Brot

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 22003 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Kaltes atmosphärisches Plasma (CAP) wird als neue Technologie zur Lebensmittelkonservierung eingesetzt. In dieser Studie wurde die CAP-Behandlung erstmals auf Backwaren angewendet. Ziel der Arbeit war es, den Einfluss des Einsatzes von CAP auf die Menge an Mikroorganismen während der Brotlagerung zu untersuchen. Die grundlegenden physikalisch-chemischen Eigenschaften und die Brottextur wurden während der Lagerung für 0, 3 und 6 Tage bestimmt. Das Studienmaterial umfasste glutenfreies und gemischtes Weizen-Roggenbrot, das 2 und 10 Minuten lang mit CAP behandelt wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass nach zehnminütiger CAP-Einwirkung des Brotes keine mesophilen Bakterien oder Pilze gefunden wurden. Darüber hinaus führte eine nur 2-minütige nicht-thermische Sterilisation zu einer vollständigen Hemmung des Hefe- und Schimmelwachstums im glutenfreien Brot und im Weizen-Roggen-Brot. Es wurde ein Rückgang des mikrobiellen Wachstums im Brot festgestellt; Allerdings wurde gleichzeitig eine Abnahme des Feuchtigkeitsgehalts des Brotes beobachtet. Sowohl beim glutenfreien Brot als auch beim gemischten Weizen-Roggen-Brot zeichnete sich nach 2 bzw. 10-minütiger Plasmaapplikation eine verringerte Luftfeuchtigkeit aus, was auch zu einem deutlichen Anstieg der Härte und einem leichten Anstieg der Elastizität des Brotes führte. Der Einsatz von CAP bei der Lagerung von Brot ist vielversprechend; Dennoch ist es notwendig, die Wirkung dieser Behandlung bei Brot mit Verbesserern, insbesondere mit Hydrokolloiden und Ballaststoffen, weiter zu untersuchen.

Die aufkommende Kaltplasma-Technologie (CP) wird immer häufiger in der Lebensmittelindustrie eingesetzt, z. B. als alternatives Werkzeug zur Lebensmitteldekontamination und Verlängerung der Haltbarkeitsdauer1,2,3,4. Kaltes Plasma entsteht durch nichtthermische Ionisierung von Gas in freie Elektronen, Ionen, reaktive atomare und molekulare Formen sowie ultraviolette (UV) Strahlung. Es kann zur Oberflächenveränderung von festen und flüssigen Lebensmitteln eingesetzt werden und bietet viele Vorteile gegenüber der herkömmlichen Wärmebehandlung. Es scheint, dass kaltes Plasma bei geringerer Leistung und Verarbeitungszeit nur einen begrenzten Einfluss auf die sensorischen und farblichen Eigenschaften hat. Bei höherer Intensität und längerer Behandlungszeit mit kaltem Plasma können Veränderungen in der Struktur von Kohlenhydraten, d. h. Vernetzung und Glykosylierung, Veränderungen in der Sekundärstruktur von Proteinen und Oxidation von Lipiden auftreten5. Daher sind Untersuchungen zur Auswahl von Parametern für verschiedene Lebensmittelprodukte erforderlich.

Es wurden einige Versuche mit unterschiedlichen Nahrungsmitteln unternommen, aber Brot wurde vor der Lagerung noch nie mit CP behandelt. Brot ist eines der grundlegendsten Lebensmittel der Welt; Daher sind Wissenschaftler sehr daran interessiert, die Qualität zu verbessern. Die Verbesserung der technologischen Parameter sollte auf eine Verlängerung der Haltbarkeit abzielen. Viele Wissenschaftler konzentrieren sich darauf, das Altbackenwerden von Brot durch verschiedene Zusatzstoffe zu verzögern. Die Altbackenheit von Brot wird durch die Retrogradation von Amylopektin und die Umverteilung von Wasser zwischen verschiedenen Polymeren verursacht. Bei diesem Prozess spielen auch Nicht-Stärkeproteine ​​und Polysaccharide eine Rolle6. Backwaren werden nicht nur altbacken, sondern verlieren auch durch das Wachstum von Schimmel und anderen Mikroorganismen an Qualität7.

All diese bei der Lagerung auftretenden Veränderungen wirken sich auf die weltweite Zunahme der Abfallmenge aus6; Daher sollte der Verlängerung der Haltbarkeit von Brot mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Es wurden Studien durchgeführt, um das Schimmelwachstum durch die Verwendung von Verpackungen mit modifizierter Atmosphäre und flüchtigem ätherischem Senföl zu hemmen. Diese Technologie basiert auf der Verwendung von CO2, ausgeglichen mit N2 und restlichem O28. In anderen Studien wurde ein aktives Verpackungsmaterial getestet, dh eine mehrschichtige Folie mit ätherischem Sternanisöl und einer Schicht Thyolbeschichtung mit insektenabweisenden und antimikrobiellen Eigenschaften. Der Film hemmte wirksam das Wachstum von Mikroorganismen auf der Brotoberfläche9. Andere Autoren haben darauf hingewiesen, dass Ethanol verwendet werden kann, um den Verderb durch Pilze zu verlangsamen oder zu verhindern. Techniken, die diese Substanz verwenden, konnten das Wachstum von C. sitophila und H. burtonia wirksam verzögern10.

Es wird ständig nach effizienteren Methoden gesucht, um die Haltbarkeit von Brot zu verlängern. Unser innovativer Vorschlag ist die Verwendung von Kaltplasma. Es handelt sich um eine aufstrebende Technologie zur nicht-thermischen Lebensmittelkonservierung. Kaltes Plasma ist eine elektrisch angeregte Materie, die aus hochreaktiven Spezies besteht und bei Raumtemperatur geladene Moleküle und Gas mit winzigen Teilchen in Form von negativen und positiven Ionen, Photonenelektronen und freien Radikalen enthält. In den letzten Jahren wurde ein Anstieg der plasmabasierten Lebensmittelbehandlung zur Inaktivierung lebensmittelbedingter Krankheitserreger beobachtet. Die aktuelle Studie zeigt die Aktivität von Plasmawirkstoffen auf die Mikrobenpopulation, die Oberflächenhygiene von Rohprodukten in der Lebensmittelverarbeitung und zukünftige Neuheiten in der Lebensmitteltechnologie11,12,13. Es gibt Berichte über die Anwendung von nicht-thermischem Plasma für Getränke wie frische Säfte und Wein13,14,15,16,17,18,19,20.

Die Behandlung mit kaltem Plasma wurde als nicht-thermische Methode zur Hemmung von Penicillium italicum und zur Verbesserung der Lagerung von Mandarinen untersucht. Diese Ergebnisse zeigten das Potenzial der Kaltplasmabehandlung als Nacherntetechnologie zur Konservierung von Mandarinen und zur Erhöhung des Gesamtphenolgehalts und der antioxidativen Wirkung von Mandarinenschalen21. Andere Autoren haben die Auswirkungen eines mikrobiellen Desinfektionssystems untersucht, das das Waschen mit antibakteriellen Lösungen und die Behandlung mit atmosphärischem dielektrischem Barriereentladungs-Kaltplasma (ADCP) auf die Konservierung von Mandarinen integriert. Die Ergebnisse der Studie zeigten das Potenzial dieser Behandlung, die Lagerfähigkeit von Mandarinen in Kunststoffverpackungen zu verbessern, indem sie das Wachstum von P. digitatum auf Früchten hemmt und gleichzeitig Veränderungen der Fruchtqualität während der Lagerung minimiert22. Die Behandlung mit kaltem Plasma wurde angewendet, um durch Lebensmittel übertragene Krankheitserreger zu hemmen und die Haltbarkeit von Rucolablättern23 und frischem Salat24 zu verlängern. Im letzteren Fall bestätigten die Autoren die bakteriostatische Wirkung gegen das Wachstum von E. coli und zeigten das Potenzial zur Verbesserung der mikrobiologischen Sicherheit von Gemüse ohne Verlust der physikalisch-chemischen oder sensorischen Eigenschaften25. In anderen Studien ermittelten die Autoren26,27 die Wirksamkeit von atmosphärischem Kaltplasma bei der Reduzierung potenzieller mikrobiologischer Kontaminanten von Weizenkörnern. Ziel anderer Studien war es, die Auswirkung des Einsatzes von Kaltplasma auf die funktionellen Eigenschaften von Getreiderohstoffen, darunter Weizenmehl28,29,30 oder Reisstärke31, zu bestimmen.

Aufgrund der relativ kurzen Verfallszeit von Backwaren, insbesondere von Backwaren ohne Zusatz künstlicher chemischer Wirkstoffe, entstehen in der Bäckereiindustrie große Mengen an Lebensmittelabfällen. Nach unserem besten Wissen wurde der Einfluss von kaltem Atmosphärendruckplasma auf Brot bisher nicht ausreichend untersucht. Daher handelt es sich um eine bahnbrechende Studie im Bereich Backwaren und den ersten Versuch, die Wirkung der Verwendung von kaltem Plasma auf Mikroben in gelagertem Brot zu bestimmen. Darüber hinaus wurden die grundlegenden physikalisch-chemischen Eigenschaften, die morphologische Struktur und die Textur des Brotes während der Lagerung nach der Plasmabehandlung bestimmt. Weizen-Roggen-Mischbrot und glutenfreies Brot mit unterschiedlichen physikalischen und sensorischen Eigenschaften wurden ausgewählt, um die potenzielle Anwendung plasmabasierter Technologien in der Bäckereiindustrie in größerem Maßstab zu bestätigen.

Das glutenfreie Brot wurde aus Mais- und Reismehl zubereitet. Das Maismehl (Melvit, Warschau, Polen) zeichnete sich durch folgende Nährstoffgehalte aus: 83,8 ± 3,1 % Kohlenhydrate, 7,1 ± 0,2 % Protein, 0,49 ± 0,03 % Asche und 2,1 ± 0,1 % Fett. Das Reismehl (Melvit, Warschau, Polen) enthielt 78,9 ± 2,7 % Kohlenhydrate, 7,2 ± 0,3 % Protein, 0,31 ± 0,01 % Asche und 0,8 ± 0,03 % Fett.

Die Grundrohstoffe für die Zubereitung des Weizen-Roggen-Mischbrotes waren weißes Weizenmehl (Polskie Młyny, Warschau, Polen) mit 72,4 ± 3,1 % Kohlenhydraten, 11,5 ± 0,5 % Proteinen, 0,69 ± 0,01 % Asche und 2,3 ± 0,1 % Fett. Zusätzlich zu den Grundzutaten wurden dem Rezept trockene Instanthefe (Instaferm, Lallemand Iberia) und Salz hinzugefügt.

Der Laborprozess des glutenfreien Brotbackens wurde nach Zdybel et al.32 und Ziemichód et al.33 mit einer einphasigen Methode durchgeführt. Das Rezept bestand zu gleichen Teilen aus Reis- und Maismehl (50:50 %). Das Mehl und alle anderen Zutaten, also Hefe (1 %) und Salz (2 %), wurden mit Wasser (100 %) gemischt (5 Min.) und der Teig zur Fermentation in Formen überführt (30 °C, 40 Min.). in einem Gärschrank (Sadkiewicz Instruments, Bydgoszcz, Polen). Das Brot wurde im Laborofen (Sadkiewicz Instruments, Bydgoszcz, Polen) gebacken (230 °C, 40 Min.).

Das Backen von Weizen-Roggen-Mischbrot wurde nach der von Różyło et al.34 und Zdybel et al.32 beschriebenen Methode mit geradem Teig durchgeführt. Das Rezept bestand zu gleichen Teilen aus Weizen- und Roggenmehl (50:50 %), Hefe (1 %), Salz (2 %) und Wasser (55 %). Alle Zutaten wurden gemischt (5 Minuten) und fermentiert (30 °C, 60 Minuten), wobei zur Halbzeit 1 Minute lang geknetet wurde. Nach dem Fermentationsprozess wurde der Teig geformt, aufgegangen (30 °C, 60 Min.) und gebacken (230 °C, 30 Min.). Das Backen erfolgte in dreifacher Ausfertigung. Nach dem Backen wurde das Brot 1 Stunde lang abgekühlt, mit kaltem atmosphärischem Plasma behandelt und gelagert.

Für die Behandlung der Brotproben wurde ein Zwei-Elektroden-Gleitbogenentladungsreaktor (GAD) eingesetzt, der bei Atmosphärendruck betrieben wurde. Die Elektroden bestanden aus profilierten Kupferdrähten mit einem Durchmesser von 1,5 mm und einer Länge von 100 mm und einem Winkel von 12 Grad zwischen ihnen. Die Entladung trat im kürzesten Abstand zwischen den Elektroden (3 mm) auf und bewegte sich dann aufgrund der erzwungenen Gasströmung entlang der Elektroden. Die Durchflussrate des Stickstoffgases (Reinheit 6,0, Linde Gas Poland) wurde mit einem Gasdurchflussregler (Automation Factory „ROTAMETR“, Gliwice, Polen) auf 440 l/h eingestellt. Um eine Ausbreitung des Gases zu verhindern, wurde ein Glasrohr mit einem Durchmesser von 50 mm verwendet (Abb. 1A). Die Stromversorgung basierte auf einem elektronischen Hochspannungstransformator mit der Hauptfrequenz von 50 Hz. Der Wandler der Stromversorgung lieferte 10 ms lang eine Reihe unregelmäßiger Hochspannungs-Mikroimpulse mit einer Frequenz von 20 kHz, wodurch der Transformator weitere 10 ms im ausgeschalteten Zustand arbeitete. Während der Behandlung wurde der Reaktor mit einer RMS-Spannung (Effektivwertspannung) von 680 V (3,7 kV Spitzenspannung) und einer Scheinleistung von 40 VA betrieben. Brotproben wurden in 15 × 15 × 15 mm große Würfel geschnitten und in den flachen offenen Glasbehälter gegeben, der sich unter dem Gasauslass des GAD-Reaktors in einem vertikalen Abstand von 1 cm zwischen der Probenoberfläche und der Elektrodenspitze befand. Das Foto und das Schema des Aufbaus sind in Abb. 1 dargestellt. Nach 2-minütiger und 10-minütiger Plasmaexposition wurde die Temperatur der Proben mit einem DT-847U-Temperaturmessgerät mit Typ-K-Thermoelement (Yu Ching Technology Co.) gemessen. , Ltd., Taipei, Taiwan).

Versuchsaufbau (A Schema, B Foto).

Die Ergebnisse früherer Studien, die mit zeitintegrierter optischer Emissionsspektroskopie durchgeführt wurden, bestätigten die Nichtgleichgewichtsnatur der Entladung, bei der die Schwingungstemperatur (von 3500 bis 5500 K je nach Position des Lichtbogens) viel höher war als die Rotationstemperatur (von 1200 bis 2200 K)35. Aufgrund des Nachglüheffekts war die durchschnittliche Gastemperatur in der Behandlungsstrecke relativ niedrig und überschritt 38 °C nicht. Beim Betrieb in einer Umgebungsluftumgebung ermöglicht der Reaktor die relativ schnelle Erzeugung von Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen mit einer viel höheren Konzentration an Stickstoffverbindungen36.

Bei der Plasmabehandlung von Brot wurden nach der 10-minütigen Behandlung folgende maximale Konzentrationen ausgewählter Spezies erreicht: NO – 390 ppm, NO2 – 20 ppm, CO – 68 ppm und O3 – 0,04 ppm. Stickstoffspezies und Kohlenmonoxid wurden mit MX6 iBrid (Industrial Scientific Corporation, Pittsburgh, PA, USA) gemessen und die Ozonkonzentration wurde mit Eco Sensors A-21ZX (Eco Sensors, Newark, CA, USA) überwacht.

Alle physikalisch-chemischen Analysen des Brotes wurden nach 0, 3 und 6 Tagen Lagerung durchgeführt. Der Proteingehalt wurde mit einem Kjeltec-Gerät (TM8400, Foss, Victoria, AUS) und der ASN 3100-Software bestimmt. Die Destillation wurde auf einem automatischen Kjeltec Auto-Analysator (Tecator) durchgeführt. Beim Kjeldahl-Verfahren37 wird nach dem Aufschluss in konzentrierter Schwefelsäure der gesamte organische Stickstoff in Ammoniumsulfat umgewandelt. Ammoniak wird gebildet und unter alkalischen Bedingungen zu einer Borsäurelösung destilliert. Die gebildeten Boratanionen wurden mit standardisierter Salzsäure titriert und daraus der Stickstoffgehalt berechnet. Der Proteingehalt wurde aus dem Stickstoffgehalt mit dem Umrechnungsfaktor N × 5,7 berechnet.

Der Gesamtfettgehalt wurde mit einem Soxtec-Gerät (Foss Analytical Solutions Pty. Ltd., Victoria, AUS) bestimmt. Die Probe wurde in eine poröse Hülse gegeben und 60 Minuten lang in Petrolether in einzelnen Extraktionsdosen (AN 310 Soxtec TM 8000 von Crude Fat using Extraction System) extrahiert. Anschließend wurde es 30 Minuten lang bei 105 °C in einen Labortrockner gestellt, um eventuelle Lösungsmittelreste weiter zu entfernen (zu verdampfen). Die Schwankung des Probengewichts vor und nach der Extraktion wurde zur Berechnung des Rohfettgehalts, ausgedrückt als Prozentsatz des Trockengewichts, verwendet. Der Feuchtigkeitsgehalt des Brotes wurde mit der ICC-Analyse des Proteingehalts (1996) bestimmt.

Alle physikalisch-chemischen Analysen wurden dreifach durchgeführt.

Die Parameter der Brotkrumentextur wurden mit dem TPA-Test ermittelt, wobei die Brotprobe doppelt im Abstand von 50 % und mit einer Geschwindigkeit von 1 mm s−1 komprimiert wurde (ZWICK Z020/TN2S)32. Bei den Messungen wurden die Härte und die Elastizität38 beurteilt. Die Texturmessungen des zentralen Teils der Brotkrumenproben wurden in 6 Wiederholungen durchgeführt.

Die Kontrollproben und die mit kaltem atmosphärischem Plasma behandelten glutenfreien Brot- und Weizen-Roggenbrotproben wurden analysiert, um die Gesamtzahl der mesophilen Bakterien sowie die Gesamtzahl der Hefen und Schimmelpilze zu bestimmen. Alle mikrobiologischen Analysen der getesteten Materialien wurden an den Lagertagen 0, 3 und 6 (18 bis 20 °C, 75 % Luftfeuchtigkeit) durchgeführt. Brotproben wurden durch 15-minütiges Schütteln in Kochsalzlösung hergestellt. auf INFORS HT Minitron (INFORS AG CH-4103, Bottmingen, Schweiz) bei 30 °C und 200 U/min. Anschließend wurden zehnfache Reihenverdünnungen aseptisch hergestellt, indem 1 ml jeder erhaltenen Lösungsprobe in ein 9-ml-Röhrchen mit Kochsalzlösung überführt wurde. Die Beurteilung der mikrobiologischen Reinheit der getesteten Materialien erfolgte mittels der Gussplattenmethode. Geeignete Dezimalverdünnungen der Proben wurden ausplattiert, mit sterilisiertem Nähragarmedium (BTL, Łódź, Polen) überschichtet und 72 Stunden lang bei 30 °C für die Gesamtzahl der mesophilen Bakterien inkubiert. Sabouraud-Agar (BTL, Łódź, Polen) mit Chloramphenicol und 5-tägige Inkubation bei 25 °C wurden zur Bestimmung der Gesamtzahl an Hefen und Schimmelpilzen verwendet. Nach der Inkubation wurden die Kolonien gezählt und die Anzahl lebensfähiger Zellen als Mittelwert von logarithmischen koloniebildenden Einheiten (KBE) pro ml Probe ± Standardabweichung bestimmt39.

Die Kontroll- und plasmabehandelten Brotproben wurden mit einem optischen Mikroskop KEYENCE VHX 950F (Japan) in Verbindung mit einer Digitalkamera beobachtet, um die Wirkung der Plasmabehandlung auf die Brotmorphologie zu bewerten.

Die statistische Auswertung der Ergebnisse erfolgte mit Statistica 12.0 (α = 0,05). Es wurde eine Varianzanalyse (ANOVA) durchgeführt und der Tukey-Test zum Vergleich der Mittelwerte verwendet.

Nach der Plasmaexposition erhöhte sich die Temperatur der Proben im Vergleich zur Kontrolle um maximal 14 °C. Interessanterweise wurden aufgrund der Unterschiede in der morphologischen Struktur des Schüttguts Unterschiede in der Wärmespeicherung zwischen glutenfreiem und gemischtem Weizen-Roggen-Brot beobachtet (Tabelle 1).

Anschließend wurde gezeigt, dass die Behandlung sowohl des glutenfreien als auch des Weizen-Roggen-Mischbrotes mit CAP den Feuchtigkeitsgehalt dieser Brote allmählich verringerte (Abb. 2). Die Erhöhung der Kaltplasma-Einwirkungszeit von 2 auf 10 Minuten führte zu einem geringeren Feuchtigkeitsgehalt des Brotes. Es gab keine signifikanten Unterschiede im Feuchtigkeitsgehalt des Brotes während der Lagerung über 0, 3 und 6 Tage. Dies lag vermutlich daran, dass die Brotlaibe in geschlossenen Folienbeuteln gelagert wurden. Es gibt keine Untersuchungen zur Verwendung von CAP zur Konservierung von Brot, andere Forscher40 verwendeten jedoch Plasma, um die Lagerzeit frischer Nudeln zu verlängern. In ihrer Forschung stellten sie fest, dass Plasma eine schnelle Entfernung von Feuchtigkeit ermöglichte und so die Haltbarkeit der Nudeln verbesserte. Die Autoren erklären, dass die schnelle Migration von Feuchtigkeitsmolekülen auf den Synergismus zwischen der treibenden Kraft der Struktur und der treibenden Kraft der Trocknung zurückzuführen ist, die durch kaltes Plasma verursacht wird. In Fleischproben (trocken gepökeltes Rindfleischprodukt)41 wurde eine Abnahme des Feuchtigkeitsgehalts durch CAP aufgrund der Verdunstung von Wasser von der Oberfläche der Probe verursacht.

Feuchtigkeitsgehalt von Brot, (a) glutenfreiem Brot, (b) Weizen-Roggen-Mischbrot; Mittelwerte in derselben Abbildung, die mit unterschiedlichen Buchstaben gekennzeichnet sind, unterscheiden sich deutlich (α = 0,05).

Unsere Forschung zeigte, dass die Anwendung von Plasma für 2 oder 10 Minuten Veränderungen in der Textur sowohl des glutenfreien als auch des Weizen-Roggen-Mischbrots hervorrief (Tabelle 2). Je länger die Plasmaanwendungszeit ist, desto größer ist der Anstieg der Brothärte. Die Verwendung von Plasma für 2 Minuten führte zu einem deutlichen Anstieg der Brothärte nach drei Tagen Lagerung, jedoch nur um etwa 12 %, während die Verwendung von Plasma für 10 Minuten die Härte des glutenfreien Brotes um 28 % erhöhte. Beim Weizen-Roggen-Mischbrot wurden deutlich größere Härteveränderungen beobachtet. Allerdings zeichnete sich dieses Brot durch eine deutlich geringere Härte aus als das glutenfreie Brot. Neben der Härte nahm auch die Elastizität sowohl des glutenfreien Brotes als auch des Weizen-Roggen-Mischbrotes zu. Es sollte auch erwähnt werden, dass das Kontrollbrot nach 6 Tagen Lagerung mit Schimmel bedeckt war und es nicht möglich war, eine Texturanalyse durchzuführen und deren Ergebnisse mit den plasmabehandelten Broten zu vergleichen. Es liegen keine Ergebnisse zu den Parametern der Brottextur vor, da noch keine derartigen Tests durchgeführt wurden. Studien zum Einfluss der Plasmabehandlung auf die funktionellen Eigenschaften von Lebensmitteln sind noch rar. Andere Studien zu den funktionellen Eigenschaften von Weizenmehl zeigten, dass die Plasmabehandlung die Mehlhydratationseigenschaften von Weizenmehl steigerte. Die Ergebnisse der Schnellviskositätsanalyse zeigten einen Anstieg der Klebrigkeit und der Endviskositäten von Weizenmehl. Die Autoren erklärten, dass die Abnahme sowohl der endothermen Enthalpien als auch der Kristallinität auf die Depolymerisation von Stärke und plasmainduzierte Veränderungen zurückzuführen sei28.

Interessante Ergebnisse wurden auch für den Protein- und Fettgehalt (Abb. 3) erzielt. In den meisten Fällen wurden nach der Anwendung von Kaltplasma sowohl beim glutenfreien als auch beim Weizen-Roggen-Brot keine signifikanten Unterschiede im Proteingehalt festgestellt. In einer anderen von Bahrami1 vorgestellten Arbeit wurden die Gesamtproteine ​​in Weizenmehl ebenfalls nicht wesentlich durch die Behandlung mit kaltem Plasma beeinflusst, obwohl ein Trend zu Fraktionen mit höherem Molekulargewicht zu verzeichnen war, was auf Proteinoxidation hindeutete, und das behandelte Mehl tatsächlich einen dickeren Teig ergab. Andere Autoren30 schlugen vor, dass CAP-Behandlungen von Weizenmehl die Proteinstruktur verändern könnten, was sich in Unterschieden in den rheologischen Eigenschaften äußerte. In dieser Studie hatten die CAP-Behandlungszeit, die angelegte Spannung und ihre Wechselwirkung unabhängig von der Mehlsorte einen signifikanten Einfluss auf die Sekundärstruktur von Mehlproteinen. In anderen Studien28 erhöhte die Plasmabehandlung die Hydratationseigenschaften von Weizenmehl. Wie die Autoren erklären, kann kaltes Plasma reaktive Spezies wie molekularen Sauerstoff und Ozon erzeugen, die auch das häufigste und universellste Oxidationsmittel für die Konditionierung von Weizenmehl sind. Andere Forscher42 zeigten, dass die Plasmaexposition keine nachteiligen Auswirkungen auf die Reisspeicherproteine ​​hatte, obwohl die Autoren frühere Studien erwähnen, in denen berichtet wurde, dass die Oxidation von Proteinen und die Bildung von Disulfidbindungen durch Ozonierung verursacht werden könnten.

Protein- (a, b) und Fettgehalt (c, d) von Brot, (a, c) glutenfreies Brot, (b, d) Weizen-Roggen-Mischbrot; Mittelwerte in derselben Abbildung, die mit unterschiedlichen Buchstaben gekennzeichnet sind, unterscheiden sich deutlich (α = 0,05).

In unserer Studie reduzierte die CAP-Behandlung von Brot den Fettgehalt (Abb. 3c, d) des Brotes nach der 2-minütigen Behandlung leicht (um etwa 28 % für beide Backwaren). Die Verlängerung der Verarbeitungszeit auf 10 Minuten hatte im Vergleich zur 2-minütigen Plasmaexposition keinen signifikanten Einfluss auf diesen Parameter. In einer von Bahrami et al.1 durchgeführten Studie hatte die Behandlung von Weizenmehl mit kaltem Plasma keinen Einfluss auf die Konzentration der gesamten Nichtstärke-Lipide und Glykolipide. Diese Behandlung reduzierte jedoch die gesamten freien Fettsäuren und Phospholipide. Die Oxidationsmarker (Hydroperoxidwert und Headspace-n-Hexanal) stiegen mit der Behandlungszeit und der Entladungsspannung, was die Beschleunigung der Lipidoxidation bestätigte.

Mikrobiologische Kontaminationen sind ein ernstes Problem in der Lebensmittelindustrie, das Wissenschaftler durch die ständige Suche nach neuen Methoden zur Lebensmittelkonservierung zu lösen versuchen. Das stetige Wachstum der menschlichen Bevölkerung macht das Problem des Hungers noch deutlicher. Daher ist es äußerst wichtig, die Haltbarkeit von Lebensmitteln zu verlängern, um Lebensmittelverschwendung zu reduzieren. In dieser Arbeit wurde die quantitative Analyse der mikrobiologischen Kontamination von glutenfreien und Weizen-Roggen-Brotproben durchgeführt, die einer Behandlung mit kaltem atmosphärischem Plasma (CAP) unterzogen und dann für 0, 3 und 6 Tage gelagert wurden. Wie in Abb. 4 dargestellt, wurde in den Kontrollproben jeder Brotsorte nach dreitägiger Lagerung eine mikrobiologische Kontamination in nachweisbarem Ausmaß festgestellt. Die Gesamtzahl der mesophilen Bakterien im glutenfreien Brot und im Weizen-Roggen-Brot betrug 6,04 ± 0,23 log10 bzw. 6,36 ± 0,31 log10 KBE/ml, und die Gesamtzahl der Hefen und Schimmelpilze betrug 3,2 ± 0,24 bzw. 1 ± 0,37 log10 KBE/ml /ml bzw. Nach der 10-minütigen CAP-Exposition aller gleichzeitig gelagerten Brotproben wurden jedoch keine mesophilen Bakterien oder Pilze gefunden. Darüber hinaus führte nur die 2-minütige nicht-thermische Sterilisation zu einer vollständigen Hemmung des Hefe- und Schimmelwachstums im glutenfreien Brot und im Weizen-Roggen-Brot. Darüber hinaus war die Gesamtzahl der mesophilen Bakterien im glutenfreien Brot im Vergleich zur Kontrolle um 1,1 Log niedriger. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die 10-minütige Einwirkung von kaltem Plasma auf Brotproben die Haltbarkeit effektiv verlängern kann, während die 2-minütige Einwirkung einen positiven Effekt auf die Begrenzung der Entwicklung ungünstiger Mikroflora hat. Bei Brotproben, die 6 Tage lang gelagert wurden, wurde in jeder Variante die Entwicklung der Mikroflora festgestellt. Dennoch wurde in den kalten Plasma-exponierten Proben im Vergleich zum Kontrollbrot immer noch ein verringertes mikrobielles Wachstum beobachtet. Der Grad der Wachstumshemmung hing jedoch von der Dauer der Exposition ab. Die 2-minütige Einwirkung von CAP auf die Proben führte zu einer Verringerung des Wachstums der Gesamtzahl der Bakterien um 1,3 log bzw. 1,02 log im glutenfreien bzw. Weizen-Roggen-Brot. Die Verlängerung der Prozesszeit auf 10 min trug zu einer Reduzierung der Bakterienzahl um 2,57 log in der glutenfreien Brotprobe und um 1,71 log in der Weizen-Roggen-Brotprobe im Vergleich zu den Kontrollen bei. Die höchste Hemmung des Wachstums unerwünschter Hefe- und Schimmelpilzzellen wiederum wurde nach der 10-minütigen Exposition der glutenfreien Brotproben erreicht, wobei die Gesamtzahl lebensfähiger Zellen um 2,71 log niedriger war als in der Kontrollprobe. Es gibt noch keine Studien, in denen Kaltplasma zur Verlängerung der Haltbarkeit von Brot eingesetzt wurde, aber die CAP-Behandlung eines trockenen Rindfleischprodukts reduziert nachweislich die Gesamtzahl der mesophilen aeroben Bakterien und Hefe-Schimmelpilze41. Darüber hinaus wurden die Rindfleischproben mit Staphylococcus aureus und Listeria monocytogenes geimpft und einer CAP unterzogen. Die Studie zeigte, dass CAP auch zur Senkung der S. aureus- und L. monocytogenes-Zahlen eingesetzt werden kann. Weitere Studien43 wurden durchgeführt, um den bakteriziden Mechanismus von CAP gegen Escherichia coli (E. coli) zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Morphologie von E. coli-Zellen durch die von CAP produzierten geladenen Partikel und Wirkstoffe verändert wurde. Die Zellwand und die Membran von E. coli platzten, der Inhalt der Zellen trat aus, die Zellen verloren ihre Fähigkeit zur Fortpflanzung und Selbstreplikation und die Funktion des Zellstoffwechsels wurde direkt beeinträchtigt und führte zur Inaktivierung der Bakterien.

Auswirkung einer CAP-Behandlung für 0, 2 und 10 Minuten und Lagerung bei 20 °C für 0–6 Tage auf die gesamte mesophile Bakterienzahl und das gesamte Hefe- und Schimmelwachstum in glutenfreiem Brot und Weizen-Roggenbrot. Vertikale Balken stellen den Standardfehler dar (PT_2 – 2 Min. Plasmabehandlung, PT_10 – 10 Min. Plasmabehandlung).

Die mikroskopischen Beobachtungen ergaben, dass die Plasmabehandlung aufgrund des Trocknungsprozesses die Porosität leicht erhöhte und die Porenwände dünner machte. In den Porenwänden vorhandene Wassermoleküle verdampften nach und nach und wurden durch Luft ersetzt. Allerdings verursachte selbst die 10-minütige Plasmabehandlung keine deutliche morphologische Verschlechterung der Struktur, wie in den Abbildungen zu beobachten ist. 5 und 6. Nach der Plasmabehandlung wurden lichtreflektierende Zonen beobachtet, die möglicherweise mit der weiteren Entwicklung eines kristallinen Netzwerks aus Amylose und Amylopektin verbunden waren, das sich hauptsächlich während des Backprozesses entwickelt44,45.

Bilder von glutenfreien Brotproben, aufgenommen mit einem optischen Mikroskop: (a) Kontrolle; (b) 2-minütige Behandlung; (c) − 10-minütige Behandlung.

Bilder von Weizen-Roggenbrotproben, aufgenommen mit einem optischen Mikroskop: (a) Kontrolle; (b) 2-minütige Behandlung; (c) − 10-minütige Behandlung.

Im Vergleich zu anderen Technologien gilt Plasma weithin als eine umweltfreundliche, sichere und vielversprechende Technologie. Unsere Forschung zeigte, dass sowohl glutenfreies als auch gemischtes Weizen-Roggen-Brot nach der Plasmaanwendung für 2 oder 10 Minuten durch eine verringerte Luftfeuchtigkeit gekennzeichnet war, was auch zu Veränderungen in der Textur des Brotes während der Lagerung führte. Die Härte und Elastizität des Brotes nahmen zu. Diese Parameter stiegen mit der Verlängerung der Plasmabehandlungszeit von 2 auf 10 Minuten. Nach der Plasmaapplikation stieg der Proteingehalt in der Frischmasse des Brotes an, während es in der Trockenmasse keine signifikanten Veränderungen gab. Der Einsatz der Kaltplasma-Technologie bei der Brotlagerung ist vielversprechend, da sie zu einer Verringerung des Wachstums von Mikroorganismen beiträgt. Nach der 10-minütigen CAP-Exposition aller gleichzeitig gelagerten Brotproben wurden keine mesophilen Bakterien oder Pilze gefunden. Darüber hinaus führte nur die 2-minütige nicht-thermische Sterilisation zu einer vollständigen Hemmung des Hefe- und Schimmelwachstums im glutenfreien Brot und im Weizen-Roggen-Brot. In dieser Studie haben wir natürliche Brote ohne technologische Zusatzstoffe getestet. Andere Ergebnisse können bei Analysen von Broten mit Hydrokolloiden oder anderen Verbesserern erzielt werden; Daher ist es notwendig, weitere Untersuchungen durchzuführen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

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Iwona Niedzwiedz & Magdalena Polak-Berecka

Institut für Elektrotechnik und Elektrotechnologien, Technische Universität Lublin, 38a Nadbystrzycka St., 20-618, Lublin, Polen

Michał Kwiatkowski, Piotr Terebun und Joanna Pawełt

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AS-W. konzeptionelle Arbeit, Teilnahme an experimentellen Arbeiten (Arbeiten zum Einfluss von Plasma auf physikalisch-chemische Eigenschaften), Mitwirkung beim Verfassen und Korrigieren von Manuskripten; RR konzeptionelle Arbeit, Mitwirkung bei der Messung physikalisch-chemischer Eigenschaften, Mitwirkung beim Verfassen und Formatieren von Manuskripten, Sammeln von Gründungs- und Beratungsbemerkungen; IN Teilnahme an experimentellen Arbeiten (Ausarbeitung mikrobiologischer Proben); MK-Mitwirkung an experimentellen Arbeiten (Plasmaaufbau und Einwirkung von Plasma auf Brotproben), Aufnahme und Beschreibung mikroskopischer Bilder; PT-Mitwirkung an experimentellen Arbeiten (Plasmaaufbau und Einwirkung von Plasma auf Brotproben), Aufnahme und Beschreibung mikroskopischer Bilder; MP-B. Teilnahme an experimentellen Arbeiten (Bearbeitung mikrobiologischer Proben); JP konzeptionelle Arbeit, Teilnahme an experimentellen Arbeiten (Plasmaaufbau und Reaktion mit Proben), Aufnahme und Beschreibung von mikroskopischen Bildern, Mitarbeit beim Verfassen und Korrigieren von Manuskripten.

Korrespondenz mit Renata Różyło oder Joanna Pawełt.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Starek-Wójcicka, A., Rozyło, R., Niedzwiedz, I. et al. Pilotstudie zur Verwendung von kaltem atmosphärischem Plasma zur Konservierung von Brot. Sci Rep. 12, 22003 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26701-1

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Eingegangen: 13. September 2022

Angenommen: 19. Dezember 2022

Veröffentlicht: 20. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26701-1

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