Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Wissenschaft und Forschung: Ausgabe 03/2013, 11.03.2013

Polarlicht trifft Stärke

Die Neugier ist ein Motor der Menschheit. Besonders Wissenschaftler zeichnen sich durch einen Wissensdrang aus und haben dadurch angetrieben viele Entdeckungen gemacht. Forscher am Institut Life Technologies der Fachhochschule Westschweiz haben nach neuen Methoden zur Keimreduktion gesucht und sind dabei ungewöhnliche Wege gegangen. Das Resultat ist für die Lebensmittelindustrie vielversprechend.

Michael Beyrer
Korrespondierender Autor: Fachhochschule Westschweiz, Institut «Life Technologies», Route du Rawyl 47, CH-1950 Sion / michael.beyrer@hevs.ch



Christoph Ellert
Fachhochschule Westschweiz, Wallis, Institut «System Engineering»

Renaud Favre
Fachhochschule Westschweiz, Institut «Life Technologies»


Eine zwingende Voraussetzung für das Leben auf der Erde ist der Schutzmantel «Atmosphäre». Treffen Elektronen und Protonen aus dem Sonnenwind auf diese Schutzschicht können die Gase ionisiert werden und beginnen durch Emission der aufgenommenen Energie oder Fluoreszenz zu leuchten. So ästhetisch die Lichterscheinungen sind, so lebensfeindlich ist deren Zusammensetzung. Ionen, Radikale, Metastabile, Elektronen und Photonen liegen kurzzeitig parallel vor. Ein hochreaktiver, aggressiver Cocktail, den Experten selbst bei transformiertem Gas auch als Plasma bezeichnen. Die geladenen Teilchen «fliessen» in elektro-magnetischen Feldern. Treffen sie auf geeignete Substanzen, lösen sie Reaktionen aus, die zu stabileren, elektrisch neutralen Zuständen der Teilchen führen. Im Teilvakuum sind Kollisionen von Teilchen unwahrscheinlicher als bei Atmosphärendruck, sodass die Plasmen im Vakuum einfacher zu erzeugen sind. Aber auch in der Atmosphäre können Plasmen «brennen».

Einige enzymatische Reaktionen sind extrem substratspezifisch. Lysozyme aus Hühnereiweiss hydrolysierten beispielsweise Peptidoglycane in Bakterienzellwandmaterial. Noch gezielter beherrschen diesen Mechanismus Bakteriophagen mit Endolysinen. Thermische Prozesse hingegen haben bekanntermassen eine Breitenwirkung auf alle Inhaltsstoffe eines Lebens-
mittels. Immerhin wird bei Temperaturerhöhung selektiv die Bakterieninaktivierung beispielsweise stärker beschleunigt als die Denaturierung von Molkenproteinen, was die bekannten UHT-Konzepte und eine minimale Schädigung von Milch bei Sterilisierung hervorbringt. Welche Wirkung haben jedoch Plasmen auf organische Materialien und die Lebensfähigkeit von Zellen? Kann die zu vermutende Breitenwirkung auf die Inaktivierung von Bakterien eingeschränkt werden? Und kann der einzigartige Vorteil von Plasmen, die Wirkung im trockenen Material, ausgespielt werden?

Die mikrobiologische Wirksamkeit von Plasmen bei der Dekontamination von Verpackungen und anderen Werkstoffoberflächen haben Experten vor Jahren demonstriert. Plasmen dringen je nach Werkstoffdichte und Porosität nur wenige Mikrometer in die Werkstoffe ein. Plasmen wirken allerdings auch zytotoxisch. In der Chirurgie lassen sich Wunden mit kalten Plasmen desinfizieren, wobei eine Schädigung der oberen Zellschicht nicht auszuschliessen ist. Um an einem Beispiel den Einfluss von Plasma auf die Keimreduktion und die funktionellen, prozesstechnisch geforderten Eigenschaften eines Naturstoffs zu demonstrieren, haben Wissenschaftler an der Fachhochschule Westschweiz eine als Trockenmittel verwendbare Stärke mit kaltem Plasma behandelt.
Sie verwendeten einen «Plasmagenerator» oder genauer ausgedrückt einen Hochfrequenzgenerator (F = 13,56 MHz, P = 200 W) zur Versorgung zweier runder Elektroden mit einem Abstand von 17 mm. Die Stärkeprobe wurde zwischen die Elektroden ågebracht, die Kammer vakuumiert und anschliessend Gase wie Stickstoff, Luft oder Argon injiziert und kapazitiv zwischen den Elektroden ein Plasma erzeugt.
Wie im Sonnenwind sind die Oberflächen nicht nur dem chemisch reaktiven Plasma ausgesetzt. Geladene Partikel bewegen sich im elektrischen Feld, weshalb einige Publikationen abrassive Effekte des Plasmas beschreiben. Selbst nach 30-minütiger Plasmabehandlung konnten die Forscher unter den hier verwendeten Versuchsbedingungen bestenfalls eine gewissen Glättung der Stärkegranula elektronenmikroskopisch feststellen (siehe Abb. 1).
Nicht erstaunlich ist, dass etwas Wasser aus den Proben bei rund 10 mbar in der Plasmakammer evaporiert. In der Folge verändert sich die Zusammensetzung des Plasmas im Vergleich zu Plasma in einer leeren Kammer. Auch wenn die Zuordnung der Peaks in einem Emissionsspektrogramm nicht möglich ist, so ist anhand der Spektren gut erkennbar, welches Gas «brennt» und wie stark die Zusammensetzung von der Probe abhängt, die zur Gaszusammensetzung durch die Freisetzung von Wasser und eventuell anderen volatilen Reaktionsprodukten beiträgt (siehe Abb. 2).
Die auf die Probe aufgebrachte Energie lässt sich mit der Einheit Ws/cm2 erfassen, also dem Produkt aus effektiver und elektrischer Leistung des Generators, der Behandlungszeit effektiv exponierter Probenoberfläche (Stärke). Wenn diese Energiedichte auf zirka 800 Ws/cm2 ansteigt, sinkt die Viskosität der aus dem Stärkepulver produzierten Lösung (siehe Abb. 3). Die Interpretation liegt nahe, dass die Stärkemoleküle oberhalb dieser kritischen Energiedichte partiell gecrackt wurden und die Kettenlänge reduziert ist. Hinweise auf diese Auswirkungen sind in der Literatur zu finden. Auch die Gaszusammensetzung beeinflusst dieses Verhalten, wobei nicht nur Sauerstoff,
sondern besonders auch ansonsten wenig reaktiver Stickstoff in Plasmaform entsprechende Veränderungen hervorruft.
Hingegen liess sich anhand der Sorptions-Desorptions-Isothermen der plasmabehandelten Stärke keine Reduktion der Wasseraufnahmefähigkeit feststellen. Und das ist die entscheidende funktionelle Eigenschaft bei der Verwendung als Trockenmittel.
Die Plasmadichte von 800 Ws/cm2 reduziert deutlich die Keimbelastung von Stärke (siehe Abb. 4). Die Forscher kontaminierten modellhaft mit Lactobacillen und Hefen. Stickstoff und Luft führen zu ähnlichen Ergebnissen. Die oxidative Wirkung von Sauerstoff ist offenbar keine unbedingte Voraussetzung für die antibakteriellen Effekte. Vergleiche mit Daten aus der Literatur sind oft schwierig, da im Gegensatz zu thermischen Verfahren die Reaktionsbedingungen oft nicht präzise genug numerisch erfasst sind.

Gerade für die Behandlung von trockenen Lebensmitteln mit grossen spezifischen Oberflächen wie Pulver könnten Plasmen Optionen zum Hygienisieren bieten. Um die Keimbelastung in Kreislaufprozessen zu kontrollieren, genügt eventuell bereits eine geringe Reduktion der Keimbelastung von ein bis zwei Dekaden. Zur vollständigen Dekontamination sind je nach Ausgangskeimzahl höhere Reduktionen und demzufolge höhere Energiedichten im Plasma erforderlich.
Technische Herausforderungen sind beispielsweise die optimale Mischung von Lebensmittel und Plasma, um eine sehr effektive Exposition aller Oberflächen zu erreichen. Fliessbett- oder Wirbelschichtverfahren müssen in die Anwendung kommen. Und diese sind umso interessanter bei Normaldruck, wobei hier das Plasma die Luft ersetzen muss, um ausreichende Plasmadichten zu erhalten.
Werden in Zukunft Nordlichter auch in lebensmittelverfahrenstechnischen Anlagen eine Daseinsberechtigung haben und technisch beherrschbar sein? Die Vielfalt der existierenden technischen Plasmen bietet Möglichkeiten, die bei Weitem noch nicht ausgeschöpft sind. Ein Wissenszuwachs bezüglich der Veränderungen im Lebensmittel scheint dennoch ebenso unabdingbar zu sein wie die geschickte Integration der Technologie in bestehende Produktions- und Sicherheitskonzepte.