Studie zur Auswirkung intermittierender UV-C-Bestrahlung auf die Obstkonservierung

Abstrakt

Diese Studie untersuchte systematisch die Mechanismen, die den Auswirkungen der UV-C-LED-Bestrahlung auf die Konservierung von frischen Früchten zugrunde liegen. Es wurden Hochleistungs-UV-C-LED-Chips auf Galliumnitrid (GaN)-Basis mit 270–280 nm verwendet, wobei die Geräteleistung durch optimierte Wärmeableitungsstrukturen und ein Matrixanordnungsdesign verbessert wurde. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass unter Umgebungsbedingungen (22–27 °C) eine UV-C-Bestrahlung mit einem Arbeitszyklus von 75 % (45 s an/15 s aus) die wirksamste Unterdrückung des Schimmelwachstums auf Apfelscheiben und Himbeeren erzielte und die Schimmelpilzvermehrung vollständig verhinderte. Der Arbeitszyklus von 25 % (15 s an/45 s aus) sorgte für ein besseres Gleichgewicht zwischen antibakterieller Wirksamkeit und Erhaltung der Fruchtfrische. In einer gekühlten Umgebung mit 4 °C reduzierte der 25 %-Bestrahlungsmodus (15 s an/45 s aus, 40 cm Abstand) die Verderbnisrate von Himbeeren von 100 % auf 20 %. Bei Erdbeeren unterdrückte die UV-C-Bestrahlung zwar das Schimmelwachstum vollständig, verursachte jedoch erhebliche oxidative Schäden (44,4 % der Früchte wiesen wassergetränkte Flecken auf) und eine höhere Gewichtsverlustrate (14 % im Vergleich zu 6 % in der Kontrollgruppe). Diese Ergebnisse bestätigen, dass UV-C-Bestrahlung den mikrobiellen Verderb von Früchten nach der Ernte wirksam kontrolliert. Allerdings ist eine Optimierung der Bestrahlungsparameter erforderlich, um die antibakterielle Wirksamkeit mit der Erhaltung der Fruchtqualität in Einklang zu bringen.

Schlüsselwörter: UV-C-Behandlung; Himbeeren; Erdbeere; Frische behalten;

Abb. 1. UV-C-LED-Perlen: A. LED-Streifen mit 35 UV-C-LED-Perlen; B. LED-Panel mit 14 UV-C-LED-Perlen;C. Zwei Kühlschränke bei 4℃, einer zur Kontrolle (kein UV) und einer für die UV-Behandlung

Diese Studie untersuchte die hemmende Wirkung verschiedener UV-C-Bestrahlungsmuster auf den Schimmelpilzverderb in Apfelscheiben und Himbeeren. Unter offenen natürlichen Umgebungsbedingungen (Luftfeuchtigkeit 55–60 %, Umgebungstemperatur 22–27 °C) wurden vorab die Auswirkungen der UV-C-LED-Bestrahlung in unterschiedlichen Zeitintervallen auf den Verderb von Fruchtschimmel untersucht. Es wurden vier UV-C-Bestrahlungsmuster festgelegt: 0 % (Negativkontrolle, keine UV-C-Bestrahlung), 25 % (15 s an/45 s aus), 50 % (30 s an/30 s). aus) und 75 % (45 s an/15 s aus) Die Veränderungen bei Apfelscheiben und Himbeeren wurden alle 4 Stunden fotografiert und aufgezeichnet.

Abb. 2. Prüfung der UV-C-LED-Konservierungseffekte auf Äpfel und Himbeeren unter Umgebungsbedingungen: A. Oxidationszustand von Apfelscheiben; B. Erhaltungszustand von Himbeeren

Wie in Abbildung 2A dargestellt, zeigten die Ergebnisse des Lagerungsexperiments für Apfelscheiben über einen Zeitraum von 68 Stunden erhebliche Unterschiede in den Konservierungsergebnissen. Die negative Kontrollgruppe (0 % UV-C) zeigte ausgeprägte oxidative Reaktionen mit ausgedehnter Schimmelpilzkolonienbildung, starker Austrocknung der Schnittfläche und der umliegenden Bereiche und 50 % der Äpfel zeigten Anzeichen von Fäulnis, was auf eine äußerst schlechte Konservierung hinweist. Die 25 % UV-C-Gruppe (15 s an/45 s aus) zeigte eine gewisse Unterdrückung des Schimmelwachstums, wobei nur wenige Schimmelflecken beobachtet wurden; Die Austrocknung der Schnittfläche und der umliegenden Bereiche blieb jedoch erheblich, mit deutlichem Feuchtigkeitsverlust. Im Gegensatz dazu zeigten die Gruppen mit 50 % UV-C (30 s an/30 s aus) und 75 % UV-C (45 s an/15 s aus) eine deutlich bessere Konservierung im Vergleich zu den vorherigen Gruppen. Beide Gruppen wiesen keine signifikanten Schimmelflecken auf, wodurch ein hohes Maß an Frische erhalten blieb, was darauf hindeutet, dass eine UV-C-Behandlung in diesem Dosierungsbereich das Schimmelwachstum wirksam hemmt. Allerdings zeigten alle UV-C-behandelten Gruppen eine gemeinsame Vergilbungsreaktion auf den Apfelschnittflächen. Bemerkenswert ist, dass die 75 % UV-C-Gruppe im Vergleich zur 50 % UV-C-Gruppe eine stärkere Austrocknung an den Rändern der Schnittflächen aufwies, was wahrscheinlich auf eine längere UV-C-Exposition zurückzuführen ist, die die Temperatur der Apfeloberfläche und der Umgebung erhöht, wodurch die Zellfeuchtigkeitstranspiration und -verdunstung beschleunigt wird, was zu einer stärkeren Austrocknung der Kanten führt.

Wie in Abbildung 2B dargestellt, zeigten Himbeeren, die unterschiedlichen UV-C-Bestrahlungsmustern ausgesetzt waren, über einen Zeitraum von 78 Stunden im Vergleich zur Negativkontrollgruppe signifikante Unterschiede in Bezug auf Verderb, Schimmelbildung und Feuchtigkeitsspeicherung. Die Kontrollgruppe (keine UV-C-Behandlung) zeigte nach 78 Stunden einen erheblichen Verderb, begleitet von einer erheblichen Vermehrung von Schimmelpilzkolonien in den betroffenen Bereichen. Die 25 % UV-C- und 50 % UV-C-Gruppen zeigten keinen großflächigen Verderb, wobei nur minimale Schimmelflecken in lokalisierten Bereichen und deutlich weniger Schimmelpilzkolonien im Vergleich zur Kontrollgruppe beobachtet wurden. Die Schimmelfleckenausbreitung war in diesen Gruppen auch deutlich langsamer Himbeerfleisch erscheint im Vergleich zu den Gruppen mit 25 % und 50 % UV-C leicht geschrumpft.

Diese Ergebnisse zeigen, dass Apfelscheiben und Himbeeren erhebliche Unterschiede in Bezug auf Oxidation, Schimmelbildung, Austrocknung und Verderb aufweisen, wobei die Unterdrückungseffekte positiv mit der UV-C-Bestrahlungsdauer korrelieren. Die Bestrahlungsmodi 50 % UV-C (und 75 % UV-C) boten die wirksamste Schimmelunterdrückung sowohl bei Äpfeln als auch bei Himbeeren. Die hochintensive UV-C-Bestrahlung erhöhte jedoch die Photooxidation und beeinträchtigte die Feuchtigkeitsspeicherung auf Fruchtoberflächen. Der 25 % UV-C-Modus erzielte die beste Gesamtleistung in Bezug auf antibakterielle Wirksamkeit und Konservierungsqualität.

Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Negativkontrollgruppe im Hinblick auf die Konservierung von Himbeeren (Abbildung 2) nach 78 Stunden einen erheblichen Verderb aufwies, der mit einer erheblichen Vermehrung der Schimmelpilzkolonien einherging. Die Gruppen mit 25 % und 50 % UV-C-Bestrahlung zeigten nur lokalisierte Schimmelflecken und behielten gleichzeitig eine relativ hohe Frische bei, wohingegen die Gruppe mit 75 % UV-C-Bestrahlung keine Schimmelbildung zeigte, aber eine gewisse Austrocknung erlebte. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass UV-C-Bestrahlung eine signifikante Wirkung gegen den Verderb und die Konservierung von Himbeeren hat, wobei die hemmende Wirkung positiv mit dem Anteil der Bestrahlungszeit korreliert. Unter den getesteten Modi zeigte der 75 % UV-C-Bestrahlungsmodus die beste Schimmelunterdrückungswirkung bei Himbeeren; Die hohe Bestrahlungsintensität von UV-C führte jedoch tendenziell zu Veränderungen in der Frucht. Der 25 % UV-C-Bestrahlungsmodus erzielte die beste Gesamtleistung sowohl hinsichtlich der antibakteriellen Wirksamkeit als auch der Konservierung.

3.2 Konservierungseffekte von UV-C-LED unter 4℃ Kühlbedingungen

In dieser Studie wurden die hemmenden Wirkungen einer intermittierenden UV-C-LED-Bestrahlung auf den Verderb von Früchten und das Schimmelwachstum in einer simulierten Kühllagerumgebung bei 4 °C untersucht. Basierend auf Beobachtungen aus Tests in natürlicher Umgebung zur Oxidation und Austrocknung der Fruchtoberfläche bei vier verschiedenen Bestrahlungsintervallen wurde der Versuchsaufbau optimiert. Die Anzahl der LED-Perlen wurde von 35 auf 14 reduziert und das Bestrahlungsmuster auf 25 % UV-C (15 s an/45 s aus) eingestellt, um die UV-C-Bestrahlungsintensität zu verringern und gleichzeitig die Wärmeableitung von den LED-Perlen zu verbessern. Zusätzlich wurde der Abstand zwischen den LED-Perlen und der Frucht von 20 cm auf 40 cm erhöht. Diese Erhöhung um 20 cm wurde durchgeführt, um die oxidative Wirkung von UV-C auf die Fruchtoberfläche zu reduzieren.

1. Koren, M. und L. D, Neuartiges industrielles UV-C-System zur Konservierung von Obst- und Gemüsesäften. IUVA-Nachrichten, 2018 (20, 8–12).

2. Tadini CC, GJ, Die Bedeutung des Betriebs von Heizeinheiten in der Lebensmittelindustrie für den Erhalt sicherer und qualitativ hochwertiger Produkte. Front Nutr, 2022(9:853638).

3. Banaś, AK, et al., All You Need Is Light. Photoreparatur von UV-induzierten Pyrimidin-Dimeren. Gene, 2020(11, 1304).

4. Bhardwaj SK, SHDA, UVC-basierte Photoinaktivierung als effizientes Instrument zur Kontrolle der Übertragung von Coronaviren. Sci Total Environ, 2021: S. 792:148548.

5. MacIsaac SA, RKPT, Verbesserte Desinfektionsleistung für 280-nm-LEDs gegenüber 254-nm-Niederdruck-UV-Lampen in kommunalem Abwasser. Sci Rep, 2023(13(1):7576. doi: 10.1038/s41598-023-34633-7. PMID: 37165026; PMCID: PMC10172208.).

6. Pulli, T., et al., Vorteile weißer LED-Lampen und neue Detektortechnologie in der Photometrie. Light Sci Appl, 2015(4,e332).

7. Nyangaresi PO, RTBS, Bewertung der Desinfektionswirksamkeit von einzelnem UV-C und UV-A, gefolgt von UV-C-LED-Bestrahlung auf Escherichia coli, B. spizizenii und MS2-Bakteriophagen, in Wasser. Sci Total Environ., 2023(859(Pt 1):160256. doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.160256. Epub 2022, 17. November. PMID: 36402311.).

8. Pelayo D, HASG, Leistung hocheffizienter UV-C-LEDs in der Wasserdesinfektion: Experimentelle, Lebenszyklusbewertung und wirtschaftliche Analyse verschiedener Betriebsszenarien. J Environ Manage., 2024(364:121442.

9. Mohaghegh Montazeri M, HSTF, Photoreaktoren zur Wasserdesinfektion mit ultravioletten Leuchtdioden (UV-LED): Ein Rückblick. J Umweltmanagement, 2025(386:125678).

10. Bergman, RS, Germicidal UV Sources and Systems. Photochem. Photobiol., 2021. 97, 466 – 470.

11. Nassarawa, SS, et al., Einfluss von Leuchtdioden (LEDs) auf die Qualität von Obst und Gemüse während der Nacherntezeit: Eine Übersicht. Food Bioproc Technol, 2021(14, 388–414.).

12. Yemmireddy V, AAMJ, Wirkung der Behandlung mit ultraviolettem Licht auf die mikrobiologische Sicherheit und Qualität frischer Produkte: Ein Überblick. Front Nutr, 2022(9:871243).

13. Delorme, MM, et al., Ultraviolette Strahlung: Eine interessante Technologie zur Erhaltung der Qualität und Sicherheit von Milch und Milchprodukten. Trends Lebensmittelwissenschaft. Technol., 2020 (102, 146–154.).

14. Sun H, HDTY, Wirkung von Chitosan/Thymianöl-Beschichtung und UV-C auf die Erweichung und Reifung von Blaubeerfrüchten nach der Ernte. Lebensmittel, 2022(11(18):2795.