(institut français pour la nutrition).

LA LETTRE SCIENTIFIQUE
de
l’Institut Français pour la Nutrition
ISSN 1629-0119
AVRIL 2006 - N° 112
La décontamination des aliments par lumière pulsée :
impacts sanitaire, nutritionnel et organoleptique
I-
La technique de la lumière pulsée
Nicole Orange, laboratoire de microbiologie du froid, université de Rouen, 55 rue Saint-Germain, 27000 Evreux.
II - Effets de la lumière pulsée sur les qualités organoleptiques, nutritionnelles et sanitaires des aliments
Alain Mimouni, CTCPA, 44 rue d’Alésia, 75014 Paris.
III - Sécurité des aliments traités par la lumière pulsée
Maurice Rabache, Laboratoire de biologie, CNAM, 2 rue Conté, 75141 Paris cedex 03.
Résumé
Abstract
La lumière pulsée est un procédé physique athermique de
décontamination de surface. Ce procédé n’affecte pas les
qualités organoleptiques, nutritionnelles et fonctionnelles des
produits étudiés. Il semble être une alternative prometteuse
pour la décontamination des produits alimentaires.
…
Nicole Orange est directrice de la plate-forme technologique d’Evreux.
Alain Mimouni est responsable du pôle innovation et transfert technologique au CTCPA (Centre technique de conservation des produits agricoles.
Maurice Rabache est professeur au Conservatoire national des arts et métiers et chef de projets “toxicologie”.
Conférence du 6 avril 2006
La Lettre Scientifique de l’IFN engage la seule responsabilité de ses auteurs.
LET.SC.IFN. N° 112, AVRIL 2006
I - LA TECHNIQUE DE LA LUMIERE PULSEE
(Nicole Orange)
Née aux Etats-Unis et développée par PurePulse Technologies
Inc., la technologie de lumière pulsée est arrivée en Europe, et
en particulier en France, dans les années 90. Cette technologie
innovante n’a pas bénéficié tout de suite d’un intérêt industriel
important pour deux raisons majeures : la première est liée aux
lampes utilisées pour les flashs qui n’avaient pas une durée de
vie compatible avec les contraintes industrielles, la seconde
réside dans le fait que les applications faites en lumière pulsée
dans les entreprises ont été menées de manière "confidentielle"
sans qu’il y ait une véritable communication sur les avantages
de ce nouveau procédé en termes d’hygiène et de sécurité sanitaire.
L’évolution rapide de cette technologie depuis ces dernières
années permet d’avoir actuellement disponibles sur le marché
des unités permettant d’émettre des flashs intenses de lumière
blanche grâce à l’utilisation de lampes au xénon, dans des
conditions compatibles avec les exigences industrielles de coût,
de cadence et de durée de vie des lampes.
Ces problèmes résolus, quelles sont les potentialités offertes
aux industriels par cette technologie ?
L’intérêt majeur est lié à la destruction extrêmement efficace
des microorganismes dès la première exposition aux flashs qui
ont une intensité de 30 000 à 100 000 fois l’intensité du soleil à
la surface de la mer. Cette lumière est composée de 21 % d’ultraviolets (UV), de 49 % de lumière visible et de 30 % d’infrarouges (IR). Chaque flash de lumière couvre ainsi tout le
spectre d’émission et permet d’obtenir une meilleure efficacité
que l’utilisation d’UV continus. L’impact de ces flashs détruit
irréversiblement les microorganismes qu’ils soient virus ou
bactéries et moisissures sous formes de spores ou sous formes
végétatives. Il est maintenant parfaitement caractérisé que c’est
l’association de la lumière visible, des UV et des IR qui génère
l’efficacité maximale de la lumière pulsée. L’efficacité de cette
dernière est due à des mécanismes d’action multiples sur les
microorganismes qui s’additionnent les uns aux autres pour
conduire à leur destruction complète. Les UV ont une action
photochimique importante sur les liaisons carbone-carbone,
saturées ou insaturées, dans les molécules biologiques. Les
acides nucléiques sont donc une cible privilégiée mais leur destruction complète est assurée également par les effets photothermiques et photomécaniques qui s’additionnent au précédent
dans les flashs. Le traitement global de la cible est une technologie athermique à l’échelle macroscopique, néanmoins il
existe, pendant un temps ultra court, une élévation de température extrêmement localisée lors de l’émission des flashs. Les
microorganismes étant entourés par une enveloppe rigide, cette
décharge violente entraîne une rupture de cette dernière suivie
de la libération du contenu cellulaire ce qui leur est fatal.
Que peut attendre l’industriel dans ce contexte ?
Son intérêt se situe à plusieurs niveaux. Dans l’objectif de
l’amélioration continue de la sécurité sanitaire, la lumière pulsée est un procédé efficace pour la décontamination des surfaces de travail et d’équipements dans les ateliers de fabrication. Elle peut avantageusement remplacer l’utilisation de
2
désinfectants dont les résidus sont toujours difficiles à éliminer
complètement. Le deuxième intérêt est son application en tant
que traitement de l’ultra-surface des produits alimentaires sur
lesquels peuvent se développer les microorganismes dès que les
conditions de l’environnement deviennent favorables. Dans
cette optique, la lumière pulsée s’envisage alors comme une
alternative aux procédés utilisés actuellement pour l’augmentation des durées de vie des produits alimentaires par exemple, et
leur sécurisation par rapport à la présence de microorganismes
pathogènes déposés lors de contaminations croisées ou après
manipulation des produits. Les flashs ne pénétrant que sur
quelques microns de la surface du produit, l’incidence sur les
constituants du produit lui-même devient négligeable par rapport à la matrice globale, même si la réglementation demande
de contrôler cet aspect par mesure de précaution.
En tant que microbiologiste impliqué dans l’hygiène, la technologie de lumière pulsée offre de nombreuses pistes. Il s’agit
d’une technologie de "niche" qui ne sera pas forcément applicable à tous les procédés de fabrication ou à tous les produits
mais qui trouvera sa place dès qu’elle sera mieux connue au
niveau des professionnels en quête d’hygiène.
II - EFFETS DE LA LUMIERE PULSEE SUR LES QUALITES ORGANOLEPTIQUES, NUTRITIONNELLES
ET SANITAIRES DES ALIMENTS (Alain Mimouni)
1. Introduction
En 1988, PurePulse technologies, filiale de Maxwell, inc., a
développé une nouvelle méthode de stérilisation applicable
dans un certain nombre de secteurs (pharmaceutiques, médicaux et agroalimentaires).
Le système flash lumineux Pure Bright est un procédé breveté
qui utilise la technologie de la puissance pulsée pour détruire les
microorganismes en les soumettant aux flashs intenses de
lumière.
Pour accomplir cela, la machine emmagasine de l’énergie électrique dans un condensateur, puis le transfert du condensateur à
une lampe à enveloppe en quartz contenant un gaz inerte.
La lampe émet un flash intense de lumière qui est focalisé sur
la surface de traitement par le réflecteur de la lampe. Cette dernière émet une lumière avec des longueurs d’ondes comprises
entre 200 nm dans l’ultraviolet à 1 µm dans le proche infrarouge.
Les flash de lumière ont une durée de 230 microsecondes.
Les longueurs d’ondes du spectre sont qualifiées de longueurs
d’ondes non ionisantes.
Cette technologie est applicable à des situations et à des produits où la lumière peut avoir accès à toute la surface ou à tout
le volume (emballages, produits frais, produits de boulangerie,
produits réfrigérés, surgelés, ovoproduits, l’air et l’eau).
2. Mode d’action de la lumière pulsée
La destruction des microorganismes par flash lumineux est due
à une synergie d’action, photochimique et photothermique.
LET.SC.IFN. N° 112, AVRIL 2006
Les bases nucléotidiques aromatiques de l’ADN absorbent dans
l’UV avec un maximum de 260 nm.
Cette absorption a un effet létal sur la descendance cellulaire.
Des changements dans l’ADN comme la production de dimères
de thymine sont responsables de cet effet létal.
Outre l’ADN il existe dans les cellules de nombreuses autres
structures aromatiques absorbant les UV et qui peuvent éventuellement agir en synergie avec les modifications de l’ADN.
D’un point de vue photothermique, les essais réalisés au
CTCPA en 2001 ont montré que les flash lumineux agissent sur
les parois cellulaires des microorganismes par effet thermique
(visible et infra rouge) engendré par des impulsions de courtes
durées et à des pics de fortes intensités.
Il faut distinguer l’énergie émise pour chaque flash (en
joule/centimètre au carré par flash) de l’énergie totale émise
pour x flash.
Suite à une série de tests de “stérilisation” sur les spores de différentes souches, il ressort que l’énergie par flash est déterminante qu’il s’agisse de spores bactériens ou fongiques.
Les tableaux suivants montrent l’efficacité de la lumière pulsée
sur deux germes d’altérations de produits de panification à
DLC.
Pichia
anomala
Essai 1
Essai 2
Essai 3
moyenne
A : Témoin
g/cm2
1,0 105
1,5 105
2,7 105
1,73 105
B : Traitement 1
g/cm2
2,5 102
1,1 102
1,9 102
1,83 102
Aspergillus A : Témoin B : Traitement 1
niger
g/cm2
g/cm2
ATCC16405
Essai 1
1,8 106
30
Essai 2
1,2 106
50
Essai 3
2,5 106
30
moyenne
1,83 106
36,66
C : Traitement 2 D : Traitement 3
g/cm2
g/cm2
<1
<1
2
<1
<1
<1
0,7
<1
C : Traitement 2
g/cm2
D : Traitement 3
g/cm2
<1
<1
<1
<1
<1
<1
<1
<1
3. Impact de la lumière pulsée sur les qualités organoleptiques et nutritionnelles d’un produit de panification
Jugement de l’aspect d’un produit de panification (couleur,
goût, texture)
Le produit de panification traité à la lumière pulsée (T1-Jo, T2Jo and T3-Jo) est comparé au témoin non traité.
Les critères sensoriels examinés sont : aspect général, couleur,
odeur, goût général, texture, et évaluation globale.
Critères sensoriels
T1-Jo
Aspect général
Pas de différence
significative
Couleur
Odeur
Goût général
Texture
Evaluation globale
T2-Jo
Pas de différence
significative
T3-Jo
Pas de différence
significative
Aspect brillant
Belle couleur du pro- Belle couleur du pro- Belle couleur du produit
duit
duit
Odeur satisfaisante et Odeur satisfaisante et Odeur satisfaisante et
parfumée
parfumée
plus parfumée
Pas de différence
Pas de différence
Pas de différence
significative
significative
significative
Goût équilibré
Goût équilibré
Goût équilibré
Pas de différence
Pas de différence
Pas de différence
significative
significative
significative
Texture moelleuse
Texture moelleuse
Un peu grasse en surface
Pas de différence
Pas de différence
Pas de différence
significative
significative
significative
Produit satisfaisant Produit satisfaisant Produit satisfaisant
On n'observe aucune différence significative entre les produits
traités et le témoin. Mais à J+45, le produit est un peu sec.
Les résultats de l’Aw et de l’humidité des produits confirment
les résultats d’analyse sensorielle sur la texture des produits.
On peut observer un effet important de l’Aw et de la formulation sur les caractéristiques organoleptiques des produits à
savoir la texture et plus particulièrement dans le cas des produits moelleux.
Analyses de la couleur d’un produit de panification
La courbe ci-après montre l’efficacité de la lumière pulsée sur
la flore totale d’une viande fraîche.
Les mesures ont été effectuées avec un chromomètre Minolta,
avec une tête de mesure CR 300.
Les mesures ont été effectuées sur la partie centrale du dessus
du produit.
Les mesures moyennes donnent la couleur du témoin et des
échantillons traités.
On n’enregistre pas de changement de couleur par rapport au
produit témoin.
effet de la LP sur la FT d'une viande fraîche
20000000
100000000
3800000
Paramètres de couleur (L,a et b) avant et après traitement du
produit.
8000000
450000
330000
1000000
50000
24000
18000
18000
Nbre de g./gr.
Jo
10000
J+7
J+14
1100
L
a
b
a/b
Témoin
67,59
+0,52
+43,41
+0,012
T1-Jo
68,24
-0,08
+43,99
-0,002
T2-Jo
67,18
+0,51
+44,35
+0,011
T3-Jo
68,43
+0,01
+43,95
+0,0002
100
100
45
J+14
J+7
1
témoin
Jo
T1
T2
T3
LET.SC.IFN. N° 112, AVRIL 2006
Analyses des vitamines d’un produit de panification
Méthodes utilisées :
Vitamine B1 (thiamine monochlorhydrate) JORF12/01/99
(modifié)
3
Vitamine B2 (riboflavine) JORF 12/01/99
Vitamine B6 ISHA,HPLC
Vitamine B5 (acide pantothénique) AOAC 945-74
Les résultats des vitamines B avant et après traitement sont donnés en mg/100 grammes de produit.
Produit témoin
T1-Jo
T2-Jo
T3-Jo
B1
0,11
0,073
0,071
0,069
B5
0,37
0,39
0,44
0,38
B6
0,057
0,135
0,083
0,075
B2
0,072
0,09
0,059
0,052
4. Impact de la lumière pulsée sur les qualités organoleptiques et nutritionnelles d’une viande fraîche
Traitement des matrices et de la viande crue par lumière pulsée
a. Matrice artificielle modélisant les interactions glucides/pro téines
Le but est de comparer la formation de produit de Maillard entre
le thermique au four et le traitement par lumière pulsée de la
solution glucide/protéine. Aussi, il est nécessaire d’avoir un
référentiel commun qui est la puissance emmagasinée par le
système exprimée en Joule (mesure de la température de l’eau)
et la densité optique (traitement thermique et lumière pulsée).
Cette méthode permet d’évaluer l’équivalent du niveau de traitement par lumière pulsée en termes de traitement thermique au
four.
D.O.
Témoin
T1
T2
T3
0,48
0,48
0,49
0,525
Température sortie
échantillon (°C)
23
23
23
23
Traitement de la matrice par lumière pulsée
Temps en mn au four
D.O.
0
3
12
30
40
60
0,48
0,48
0,485
0,502
1,718
2,822
Température sortie
échantillon (°C)
22,7
43,6
82
>100
>100
>100
Traitement de la matrice au four
b. Analyse des lipides
La mesure du malondialdéhyde formé est un des moyens de
contrôle de l’oxydation des graisses. On n’observe pas de différence significative sur les matrices analysées et les teneurs
moyennes en MDA sont très faibles.
Au niveau de la viande, les valeurs d’indice de peroxyde (IP)
sont inférieures à 0,1 et la teneur en oxycholestérol est inférieure à 0,1 µg/g de produit.
4
Viande crue
mg Eqv MDA/g de lipide
0,009±0,001
0,006±0,000
0,005±0,001
0,006±0,000
Huile de colza
mgEqv MDA/g de lipide
Témoin
T1
T2
T3
Témoin
T1
T2
T3
0,026±0,001
0,027±0,001
0,026±0,001
0,026±0,001
Jaune d’oeuf
Témoin
T1
T2
T3
mgEqv MDA/g de lipide
0,038±0,003
0,039±0,005
0,070±0,005
0,065±0,004
Sur l’œuf, les échantillons T2 et T3 avaient un aspect différent
(jaune d’œuf plus solide), ceci pourrait justifier les teneurs en
MDA plus élevées.
On peut raisonnablement avancer que les teneurs très faibles en
MDA observées dans tous les échantillons analysés, ne témoignent pas d’un état oxydé.
c. Vitamines
La lumière pulsée n’a pas d’effet sur la vitamine liposoluble E
de la viande et du jaune d’œuf.
Vitamine E sur viande crue
Témoin
T1
T2
T3
Vitamine E sur jaune d’oeuf
Témoin
T1
T2
T3
mg/100 g
1,86±0,001
1,75±0,001
1,71±0,001
1,55±0,001
mg/100 g
5,5±0,1
5,4±0,1
5,96±0,1
4,76±0,0
Le traitement du jaune d’œuf par lumière pulsée ne diminue pas
le taux de vitamine B5.
Vitamine B5 sur jaune d’oeuf
Témoin
T1
T2
T3
mg/100 g
3,68±0,1
3,68±0,1
3,53±0,1
3,63±0,0
5. Conclusion
Un très grand nombre d’études privées a été réalisé afin de
connaître les conséquences d’une décontamination de surface
lumière pulsée sur la valeur nutritionnelle des aliments. Ces
études démontrent l’absence des effets néfastes.
LET.SC.IFN. N° 112, AVRIL 2006
III - SECURITE DES ALIMENTS TRAITES PAR LA
LUMIERE PULSEE (Maurice Rabache)
Le traitement par la lumière pulsée consistant en flashs intenses
et courts de lumière à des longueurs d'onde comprises entre 200
et 1 000 nm s'est montré efficace pour tuer une grande variété
de microorganismes dans divers substrats et à la surface des aliments et des emballages alimentaires.
Cette technologie a beaucoup d'atouts favorables pour le traitement microbiologique des emballages alimentaires et des aliments :
- c'est une alternative sèche à l'utilisation de désinfectants chimiques ;
- un effet thermique négligeable ;
- pas de déchets ni de consommation d'eau ;
- pas de risques pour l'utilisateur.
Les flashs de lumière pulsée cassent les structures de l'ADN par
formation de dimères irréversibles sur le matériel génétique des
microorganismes.
Si l'intervention des diverses technologies utilisées actuellement, augmente la "sécurité microbiologique" des aliments, les
modifications biochimiques qui en résultent peuvent générer, au
contraire, un risque en conduisant à la formation de molécules
néoformées toxiques.
Les transformations des constituants biochimiques des aliments
s'observent, principalement, sous l'effet des traitements thermiques. L'oxydation des lipides peut conduire à la formation de
composés génotoxiques, à la formation d'aldéhides mutagènes,
à la formation d'hydrocarbures aromatiques. Ce sont des traitements thermiques qui sont responsables de la formation de
nitrosamines, d'amines hétérocycliques, de furane, d'acrylamide… toutes des molécules cancérogènes. Par ailleurs, l'ingestion excessive d'aliments conservés par des fumages et des
salaisons, est souvent associée à la formation de cancers gastrointestinaux chez les humains.
L'utilisation d'une technologie de stérilisation à froid pourrait
donc contribuer à augmenter la sécurité alimentaire en évitant
l'effet thermique des traitements. Mais il faut s'assurer que la
lumière pulsée qui modifie la structure des gènes, ne génère pas
en même temps de précurseurs des génotoxiques connus ou des
composés clastogènes dans les aliments traités.
Les aliments traités par la lumière pulsée seront chauffés ultérieurement au cours des préparations culinaires et toute augmentation de ces précurseurs aura une conséquence inverse à
l'effet recherché.
LET.SC.IFN. N° 112, AVRIL 2006
5
Or, l'interrogation des bases de données sur le contenu des aliments en précurseurs montre que nous ne disposons pas de ces
informations. Par exemple, le traitement de la pomme de terre
conduit-il à une augmentation de l'asparagine libre ou/et à une
hydrolyse partielle de l'amidon ? La modification de l'un des
deux précurseurs peut modifier la quantité d'acrylamide formée
soit en les réduisant, soit en les augmentant.
Il est donc important, compte tenu de ces inconnues, d'envisager des études pour mesurer l'impact de ce procédé sur les
constituants des aliments (mais aussi sur les néoformés des
emballages). Mais au-delà, comme le constate Sommers (2006)
la quasi absence d'informations sur la production de composés
mutagènes ou clastogènes dans les aliments traités par cette
technologie ou l'absence d'expérimentations animales à long
terme pour examiner le risque de cancer associé à une consommation à long terme de tels aliments imposent de compléter ces
informations préalablement à leur introduction sur le marché et
à leur consommation humaine.
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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Report R-351, Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD.
Dunn J, Burgess D, Leo F, 1997. Investigation of pulsed light
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of Medical Devices, U.S. Patent 4, 910, 942.
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Sommers CH, 2006. Toxicology testing of foods processed
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Tyrrell RM, Peak MJ, 1978. Interaction between UV radiation
of different energies in the inactivation of bacteria, J. Bacteriol,
136, 437-440.
6
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7
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