Lavorazione laser CO2: una tecnologia per migliorare la sicurezza alimentare

Inserito: 29 dicembre 2022 | Eduardo Puértolas, Izaskun Pérez, Xabier Murgui | Ancora nessun commento

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L’innovazione tecnologica nei processi di trasformazione è uno dei pilastri fondamentali su cui fa perno il miglioramento dell’efficienza e della redditività dell’industria alimentare. Tra le tecnologie studiate negli ultimi anni, il laser CO2 ha notevoli capacità di trasformare la produzione alimentare del futuro.

La precisione temporale e spaziale dei laser consente di concentrare l'energia laser in un punto minuscolo e seguire schemi complessi, senza incidere eccessivamente sul materiale alimentare vicino.

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Ciò è particolarmente interessante in diversi processi meccanici e termici. Ad esempio, è stato proposto di inattivare i microrganismi sulle superfici a contatto con gli alimenti. Può essere utilizzato anche per il taglio senza contatto, evitando i problemi di contaminazione incrociata fisica, chimica e microbiologica di altri sistemi come lame o getto d'acqua; oppure per la marcatura degli alimenti, sostituendo etichette e inchiostri in carta/plastica.

Un laser (acronimo di amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni) è costituito da un sistema di alimentazione di energia che porta le molecole di un mezzo di guadagno in uno stato eccitato, producendo luce.

Questa luce viene amplificata in una cavità ottica ristretta da due specchi, uno di ciascuno parzialmente trasparente, lasciando passare un raggio laser coerente e direzionale, che può essere focalizzato sul materiale target con precisione temporale e spaziale da un sistema di lenti controllato da un software.

I laser ad anidride carbonica (CO2) hanno preso questo nome perché utilizzano la CO2 come componente principale del mezzo di guadagno, emettendo un raggio laser nelle lunghezze d'onda del medio infrarosso (tipicamente 10.600 nm).

Le lunghezze d'onda degli infrarossi vengono trasmesse quasi senza perdita nell'atmosfera. Inoltre possono essere assorbiti efficacemente dall’acqua, che è il componente principale degli alimenti. Pertanto, entrambi sono probabilmente i motivi principali dell’interesse che i laser a CO2 hanno ricevuto nella lavorazione degli alimenti.

Modulando l'energia radiante del raggio laser CO2, negli alimenti si producono progressivamente effetti fotochimici, termici e meccanici.1 Se l'energia del laser CO2 è bassa, il laser disturba solo i legami tra atomi e tra molecole. A un'energia radiante più elevata, l'energia del raggio laser viene convertita in energia termica, riscaldando la superficie del cibo (una profondità di pochi millimetri) in modo preciso e controllato.

Aumentando ulteriormente l’energia radiante si possono produrre effetti meccanici diretti sulla superficie dell’alimento, fino alla formazione di un cratere basato su fenomeni di vaporizzazione e ablazione.1

Il processo di ablazione può essere ripetuto negli strati inferiori dell'alimento, permettendogli di penetrare più in profondità, e/o continuare nelle zone adiacenti seguendo uno schema specifico. Sulla base di questi effetti, il laser CO2 può essere utilizzato per un’ampia gamma di applicazioni alimentari, tra cui la decontaminazione microbica, la cottura, la marcatura e il taglio.

Il laser CO2 è una tecnologia senza contatto e relativamente veloce per inattivare i microrganismi sulla superficie di diversi substrati e rappresenta un'alternativa ai tradizionali sistemi di pulizia e disinfezione delle superfici, come l'uso di prodotti chimici, una soluzione sempre più messa in discussione a causa dei possibili residui tossici.

Per le superfici a contatto con gli alimenti (ad esempio taglierine, nastri trasportatori) il riscaldamento non è un grosso problema e la precisione del laser e la velocità di lavorazione possono svolgere un ruolo importante. Ad esempio, è stata segnalata l'inattivazione totale di Escherichia coli e Staphylococcus aureus nelle superfici di acciaio inossidabile dopo trattamenti laser CO2 (660 W; 0,8-1,3 cm/s).2 Oltre all'inattivazione microbica, gli effetti meccanici del laser CO2 possono anche aiutano a rimuovere la materia organica e i biofilm difficili da pulire da questi tipi di superfici.

I laser CO2 sono anche in grado di inattivare i microrganismi presenti sulle superfici degli alimenti.3 Tuttavia, in questo caso, i trattamenti devono essere ottimizzati molto bene per ridurre al minimo l'impatto sulle loro caratteristiche superficiali, evitando effetti meccanici e minimizzando gli effetti termici.