Prozesswasser in der Lebensmittelherstellung ist ein kritischer Kontrollpunkt für die Produktsicherheit. Eine mikrobielle Kontamination in diesem Wasser kann direkt zum Ausbruch lebensmittelbedingter Krankheiten und zu Produktrückrufen führen. Herkömmliche Wasserdesinfektionstechnologien (wie Chlorierung und thermische Desinfektion) weisen Einschränkungen auf, darunter die Bildung von Desinfektionsnebenprodukten, Korrosion der Geräte und eine begrenzte Wirksamkeit gegen Biofilme. Halbleiter-Leuchtdioden im tiefen Ultraviolett (UV-C-LEDs, 260–280 nm) stellen eine aufstrebende Desinfektionstechnologie dar. Mit Vorteilen wie keine chemischen Rückstände, sofortige Ein-/Ausschaltbarkeit, modulare Integration und effektive Inaktivierung von Mikroorganismen in Biofilmen beweisen UV-C-LEDs einen einzigartigen Wert in Wassersystemen für die Lebensmittelverarbeitung. In diesem Artikel werden systematisch Anwendungsstrategien für UV-C-LEDs in verschiedenen Wassernutzungsszenarien in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben beschrieben – einschließlich Waschen von Rohstoffen, Spülen von Geräten, Produktkühlung und Clean-In-Place (CIP)-Systemen – mit besonderem Schwerpunkt auf ihren Schlüsselmechanismen zur Hemmung der Biofilmbildung. Ziel ist es, technische Referenzen für die Wassersicherheit in der Lebensmittelindustrie bereitzustellen.
I. Mikrobielle Risiken und Biofilm-Herausforderungen im Wasser der Lebensmittelverarbeitung
Wassersysteme in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben dienen als wichtige Reservoire für verschiedene lebensmittelbedingte Krankheitserreger. Studien zeigen, dass häufige Krankheitserreger im Prozesswasser Pseudomonas aeruginosa, , Escherichia coli , , Salmonella spp. und Listeria monocytogenes umfassen . Diese Mikroorganismen kontaminieren Endprodukte nicht nur direkt, sondern bilden auch leicht Biofilme auf Rohrinnenwänden, Ventilen, Düsen und anderen Oberflächen [1, 2]. Biofilme bestehen aus mikrobiellen Gemeinschaften, die in extrazelluläre Polymersubstanzen (EPS) eingeschlossen sind, weisen eine 10–1.000-mal höhere Resistenz gegenüber herkömmlichen Desinfektionsmitteln auf und werden zu dauerhaften Kontaminationsquellen [3].
Forschung von Hile et al. (2025) zu Wasserspendersystemen bestätigten, dass die mikrobielle Belastung an Endauslässen auch dann erheblich ansteigen kann, wenn die Qualität des Quellwassers den Standards entspricht. Die Ursache liegt in der kontinuierlichen Ablösung und Regeneration von Biofilmen innerhalb der Ausrüstung [4]. Dieses Phänomen ist in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben noch schwerwiegender: Hohe organische Belastungen (Protein- und Fettrückstände), intermittierender Wasserfluss und geeignete Temperaturen (10–40 °C) schaffen ideale Bedingungen für die Bildung von Biofilmen. Studien zu Endoskop-Wiederaufbereitungs- und Dialysewassersystemen weisen außerdem darauf hin, dass Biofilme multiresistente Organismen (MDROs) beherbergen und durch die Scherkräfte des Wasserflusses regelmäßig Planktonzellen freisetzen können, was zu einer nachgeschalteten Kreuzkontamination der Produkte führt [5].
II. Prinzipien der UV-C-LED-Technologie und ihre Vorteile für Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung
1. Wirkmechanismus
UV-C-LEDs emittieren Photonen im Wellenlängenbereich von 260–280 nm. Diese Photonen werden von Pyrimidinbasen in mikrobieller DNA/RNA absorbiert und bilden Cyclobutanpyrimidin-Dimere, die die Replikation und Transkription blockieren und so eine Breitbandinaktivierung erreichen [6]. Im Vergleich zu herkömmlichen Niederdruck-Quecksilberlampen (254 nm) liegt die 265–275-nm-Bande näher am DNA-Absorptionspeak (265 nm), was theoretisch die Inaktivierungseffizienz um 15–20 % verbessert [7].
2. Einzigartige Vorteile in Lebensmittelverarbeitungsszenarien
Im Vergleich zu herkömmlichen Quecksilberlampen und chemischen Desinfektionsmethoden (z. B. Chlorierung) bieten UV-C-LEDs mehrere Vorteile mit erheblichem Wert für die Lebensmittelverarbeitung:
- Keine chemischen Nebenprodukte : Als physikalische Desinfektionsmethode erzeugen UV-C-LEDs keine schädlichen Nebenprodukte wie Trihalomethane, wodurch Auswirkungen auf den Geschmack und die Sicherheit des Produkts vermieden werden und gleichzeitig dem Clean-Label-Trend Rechnung getragen wird.
- Sofortige Ein-/Ausschaltfunktion : Die Reaktion im Millisekundenbereich unterstützt den intermittierenden Betrieb, passt sich perfekt an die intermittierenden Wasserverbrauchsmuster in der Lebensmittelverarbeitung an und erzielt Energieeinsparungen von über 30 %.
- Modularer Aufbau und Desinfektion am Einsatzort : UV-C-LEDs können in Endauslässe, Sprühköpfe und Schlauchanschlüsse integriert werden und ermöglichen so eine Desinfektion am Einsatzort, die die Ausbreitung von Biofilmen wirksam blockiert.
- Umweltkonformität : Das quecksilberfreie Design entspricht den RoHS-Richtlinien, wodurch die Risiken bei der Einhaltung von Umweltvorschriften erheblich reduziert und die Abfallentsorgung vereinfacht werden.
- Intelligente Steuerung : Die Integration mit Durchflusssensoren, UV-Intensitätsüberwachung und IoT-Plattformen ermöglicht Echtzeit-Feedback zur Desinfektionsdosis und erfüllt so die Rückverfolgbarkeitsanforderungen des Unternehmens.
III. Anwendungsstrategien in wichtigen Wassernutzungsszenarien in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben
1. Rohmaterialwasch- und Vorbehandlungswasser
Wasser, das zum Waschen von Obst, Gemüse und Fleisch verwendet wird, ist oft stark mit organischen Stoffen verunreinigt, was die Wirksamkeit herkömmlicher Desinfektionsmittel verringert. UV-C-LEDs können nach Umkehrosmose- (RO) oder Mikrofiltrationsanlagen (MF) installiert werden. Für Wasser mit einer UV-Durchlässigkeit (UVT) von >75 % bei 265 nm können sie eine ≥4-log-Inaktivierung von E. coli erreichen [8]. Eine italienische Studie zeigte, dass nach der Installation von UV-C-LED-Modulen in einer Salatverarbeitungslinie die Erkennungsrate von Listerien in Endprodukten von 8,7 % auf 0,3 % sank (P < 0,01) [9].
2. CIP-System (Clean-In-Place) zur Wiederverwendung von Wasserdesinfektion
CIP-Wiederverwendungswasser enthält häufig Protein- und Fettrückstände, wodurch es anfällig für die Bildung von Biofilmen in Lagertanks und Rohrleitungen ist. UV-C-LEDs können im Wiederverwendungskreislauf installiert und mit einer periodischen Wasserstoffperoxid-Schockbehandlung kombiniert werden, um das Nachwachsen des Pseudomonas aeruginosa -Biofilms deutlich zu hemmen. Experimente zeigten, dass eine UV-C-Dosis von 20 mJ/cm² in Kombination mit 0,5 % H₂O₂ die Biofilm-Biomasse auf Edelstahloberflächen um 92 % reduzierte und damit die Leistung beider Technologien allein übertraf.
3. Produktkühlung und Wasser zur Eisherstellung
Kühlwasser für verzehrfertige Lebensmittel, das in direkten Kontakt mit Produktoberflächen kommt, erfordert eine äußerst strenge mikrobielle Kontrolle. Der Lebensmittelkodex der US-amerikanischen FDA schreibt vor, dass Kühlwasser keine Kolibakterien enthalten darf. Am Einlass von Eismaschinen können UV-C-LEDs integriert werden, um eine kontinuierliche Desinfektion zu gewährleisten.
4. Kontrolle des Biofilms am Terminalausgang
Wie von Hile et al. (2025) stellen in ihrer Studie zu Wasserspendern fest, dass Auslassdüsen Bereiche mit hohem Risiko für die Bildung von Biofilmen sind, in denen die mikrobielle Belastung das Hundertfache derjenigen in der Hauptleitung erreichen kann [4]. Wasserhähne, Schlauchanschlüsse und andere Anschlusskomponenten in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben sind ähnlichen Risiken ausgesetzt. Zu den empfohlenen Lösungen gehören:
- Verwendung von Rohrleitungen mit Nano-Silber-beschichteten Auskleidungen, um eine anfängliche Adhäsion zu verhindern;
- Installation von Miniatur-UV-C-LED-Modulen 5–10 cm vor den Terminals (Lieferung ≥30 mJ/cm² bei Durchflussraten <5 l/min);
- Tägliche Implementierung eines Programms „UV-Impuls + Rückwärtsspülung“ während der produktionsfreien Stunden, um lose Biofilme zu entfernen.
IV. Implementierungsherausforderungen und evidenzbasierte Lösungen
1. Auswirkungen von Wasserqualitätsschwankungen
Die UV-Durchlässigkeit (UVT) in Lebensmittelverarbeitungswasser schwankt häufig saisonal oder bei Prozessänderungen, wodurch die UV-Durchdringung verringert wird. Zu den Lösungen gehören:
- Installation eines 5-μm-Vorfilters vorgeschaltet, um UVT >80 % aufrechtzuerhalten;
- Verwendung von UV-C-LED-Arrays mit mehreren Wellenlängen zur Verbesserung der Trübungstoleranz;
- Installation von Online-UVT-Sensoren zur dynamischen Anpassung der LED-Leistung.
2. Langfristige Biofilmkontrolle
Bei der einmaligen UV-Desinfektion ist es schwierig, reife Biofilme vollständig zu entfernen. Eine empfohlene „dreistufige Verteidigungsstrategie“ wird empfohlen:
1. Präventionsschicht : Verwenden Sie Edelstahl 316L oder antimikrobielle Polymere in Rohrleitungen, um die Erstbesiedlung zu reduzieren;
2. Hemmschicht : Tragen Sie kontinuierlich niedrig dosiertes UV-Licht (5–10 mJ/cm²) auf, um die Adhäsion planktonischer Zellen zu hemmen.
3. Abtragsschicht : Wöchentlich hochdosierte UV-Impulse (40 mJ/cm²) in Kombination mit sauren Reinigungsmittelstößen durchführen.
Durch die Kombination dieser drei Ansätze kann die Bildung und Ansammlung von Biofilmen in Rohrleitungen wirksam reduziert werden.
V. Schlussfolgerungen und Zukunftsaussichten
Die UV-C-LED-Technologie bietet aufgrund ihrer chemikalienfreien Natur, präzisen Steuerung und Integrationsmöglichkeiten am Einsatzort eine innovative Lösung für die Biofilmkontrolle in Wassersystemen für die Lebensmittelverarbeitung. Evidenzbasierte Studien zeigen, dass es die mikrobielle Belastung in Szenarien wie dem Waschen von Rohmaterialien, CIP-Wiederverwendungswasser und Kühlwasser erheblich reduzieren kann. Es muss jedoch mit der Materialauswahl, der Gestaltung des Wasserflusses und der regelmäßigen Wartung kombiniert werden, um eine umfassende Strategie zu bilden.
Zukünftige Forschung sollte sich auf Folgendes konzentrieren:
- Optimierung multitechnologischer Synergien (UV-/Ozon-/Membranfiltration) für Wasser mit hoher organischer Belastung;
- Auf maschinellem Lernen basierende Vorhersage der Biofilmbildung und adaptive Kontrolle der Desinfektionsdosis;
- Vollständige Lebenszykluskostenanalyse, um eine breitere Einführung der Technologie bei kleinen und mittleren Lebensmittelunternehmen zu fördern.
Die Sicherheit von Nahrungsmitteln und Wasser ist der Eckpfeiler der „Vom Hof auf den Tisch“-Kette. Als Vertreter grüner Desinfektionstechnologien sind UV-C-LEDs bereit, eine Win-win-Situation zwischen Lebensmittelsicherheit und nachhaltiger Entwicklung zu erzielen.
Referenzen:
1. Shi X, ZX, Biofilmbildung und Lebensmittelsicherheit in der Lebensmittelindustrie. Trends in Food Science & Technology , 2009(20(9): 407-413).
2. Hossain, MIMM, Listeria monocytogenes-Biofilmhemmung auf Oberflächen mit Lebensmittelkontakt durch Anwendung von Postbiotika aus Lactobacillus curvatus B. 67 und Lactobacillus plantarum M. 2. Food Research International . 2021(148, 110595).
3. Liu S, GCBN, Verständnis, Überwachung und Kontrolle des Biofilmwachstums in Trinkwasserverteilungssystemen. Umweltwissenschaft und -technologie , 2016(50(17): 8954-8976).
4. Hile, TDLR, Mikrobiologische Qualität von Trinkwasser aus Wasserspendern. AIMS Mikrobiologie , 2025(11(4), 891).
5. Rattanakul, SOK, Inaktivierungskinetik und Effizienz von UV-LEDs gegen Pseudomonas aeruginosa, Legionella pneumophila und Ersatzmikroorganismen. Wasserforschung , 2018 (130, 31-37.).
6. Beck, SERH, Bewertung der UV-C-LED-Desinfektionsleistung und Untersuchung potenzieller Dual-Wellenlängen-Synergien. Wasserforschung , 2017 (109, 207-216).
7. Wang, CPLJ, Wirkung der UV-C-LED-Anordnung auf die Sterilisation von Escherichia coli in planaren Wasserdesinfektionsreaktoren. Journal of Water Process Engineering , 2023(56, 104399).
8. Oh, YKHC, Bewertung der Desinfektionsleistung und Energieeffizienz eines UV-LED-Durchflussgeräts mit zwei Wellenlängen für die Wasseraufbereitung am Einsatzort. 2025(17(20), 2965).
9. Lehto M, KRMJ, Hygieneniveau und Oberflächenkontamination in Produktionsanlagen für frisch geschnittenes Gemüse. Lebensmittelkontrolle , 2011(22(3-4): 469-475.).
