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May 16, 2024

Modelado de la cinética de inactivación de Escherichia coli, Salmonella Enteritidis y Bacillus subtilis tratados con un multi

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 12058 (2023) Citar este artículo 174 Accesos Detalles métricos La eficacia del tratamiento de descarga de barrera dieléctrica de superficie multihueca contra

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12058 (2023) Citar este artículo

174 Accesos

Detalles de métricas

Se estudió la eficacia del tratamiento de descarga de barrera dieléctrica de superficie multihueca contra Escherichia coli, Salmonella Enteritidis y Bacillus subtilis. Como gas de trabajo se utilizó aire ambiente, O2 y N2 con un caudal de 6 l/m. La potencia entregada al plasma fue de 30 W en un área de 2 × 2 cm2. Las especies activas en plasma generadas en diferentes gases que participan en la inactivación de microorganismos fueron evaluadas mediante espectroscopia de emisión óptica y espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier. Se ajustaron curvas de inactivación a los modelos log-lineal de Bigelow, bifásico y Geeraerd. Según los resultados, todos los tratamientos con plasma inactivaron los microorganismos probados, dependiendo del gas de trabajo. La mayor sensibilidad de las bacterias se observó al plasma del aire ambiente. Se pudo lograr una inactivación de hasta 5 log para E. coli y S. Enteritidis dentro de los 15 s posteriores al tratamiento con plasma. La exposición al plasma de aire de 25 s también condujo a log10 UFC/ml de B. subtilis de 7,98 a 4,39. S. Enteritidis presentó ligera resistencia al tratamiento plasmático con N2. Después de 180 segundos de tratamiento con plasma de nitrógeno, se registró una reducción de 2,04 log10 UFC/ml.

El plasma de baja temperatura (LTP) generado por diversas descargas de barrera dieléctrica (DBD) ha mostrado un potencial efecto antimicrobiano en muchas matrices alimentarias, incluidos los productos frescos, como los tomates cherry y las fresas1, las especias2,3,4 o las nueces5,6. Los efectos antimicrobianos de la LTP resultan de varias reacciones posibles entre diferentes especies que ocurren durante el tratamiento con plasma7. El tipo y la concentración de estas especies reactivas dependen del sistema de plasma y de los parámetros operativos aplicados, incluidos el gas de trabajo, la humedad y la entrada de energía5,6,7. Por ejemplo, el oxígeno reactivo (peróxido de hidrógeno, radical hidroxilo, superóxido, oxígeno singlete, oxígeno atómico y ozono) y especies de nitrógeno (peroxinitrito, óxido nítrico y nitrito), fotones UV y partículas cargadas son los agentes bactericidas esenciales en la LTP generada en el ambiente. aire7,8.

El radical OH, una ROS formada en el plasma, juega un papel importante en la inactivación de diversos patógenos como consecuencia de su alto potencial de oxidación9. Según Procházka et al.10, un DBD coplanar encendido en vapor de agua mejora la generación de radicales OH. Sin embargo, la adición de vapor de agua al aire conduce al aumento del voltaje requerido para la generación de LTP o incluso evita la generación de plasma. Las limitaciones mencionadas conducen al desarrollo de un diseño de descarga eficaz para la confiabilidad de la fuente de plasma en una aplicación potencial9.

Una nueva geometría de descarga de barrera dieléctrica de superficie multihueca (MSDBD) combina la geometría de superficie y volumen de los sistemas de plasma DBD11,12. El MSDBD consta de dos electrodos paralelos completamente incrustados en cerámica para evitar la erosión de los electrodos. El sistema MSDBD contiene 105 orificios, dentro de los cuales se genera plasma en el gas de trabajo apropiado y el flujo (5-20 L/min) asegura la transferencia de partículas activas a la muestra tratada. Además, la geometría única y el efecto de enfriamiento conducen a un alto rendimiento de partículas activas, incluido el ozono, y permiten el tratamiento con plasma de muestras a distancias más altas o modelos con una superficie estructurada11. La descripción detallada de la geometría MSDBD y las propiedades del plasma generado se pueden encontrar en el artículo de Homola et al.13.

Las técnicas microbianas de seguridad y conservación de alimentos son uno de los temas más críticos en la industria alimentaria. Las infecciones transmitidas por alimentos causadas por microorganismos patógenos pueden influir negativamente en la salud pública y el desarrollo socioeconómico14. La contaminación de los alimentos con bacterias perjudiciales puede provocar la presencia de toxinas microbianas y, por tanto, representa un peligro para la salud de los consumidores1. Por ejemplo, un brote de Escherichia coli O104:H4 productora de toxina Shiga se relacionó con el consumo de brotes de fenogreco en Alemania en 201115. Además, patógenos como E. coli O157:H7 y Salmonella spp. puede ser capaz de sobrevivir durante largos períodos de tiempo1. Por otro lado, Bacillus subtilis, una de las bacterias formadoras de esporas más frecuentes en las especias, es una bacteria que intoxica los alimentos. Esta bacteria se considera no patógena para los humanos, pero ocasionalmente causa toxiinfecciones características que provocan vómitos intensos, calambres abdominales y diarrea. Además, B. subtilis es capaz de sobrevivir al proceso de esterilización16.

Como se indicó anteriormente, muchos estudios se han centrado en la inactivación de microorganismos patógenos por LTP. Sin embargo, la utilización del aire ambiente presenta numerosos desafíos en el proceso de generación de plasma (requisitos de energía excesivamente exigentes, temperaturas elevadas del gas e inestabilidades disruptivas)13, lo que lleva al desarrollo de diseños alternativos de las configuraciones de descarga. Varios estudios mostraron el potencial de MSDBD para volverse práctico para el tratamiento con plasma en el procesamiento de alimentos17,18. El estudio de Kelar Tučeková et al.9 mostró el potencial del tratamiento con MSDBD para descontaminar la biopelícula bacteriana.

Sin embargo, hasta donde sabemos, ningún estudio describe los efectos antimicrobianos del tratamiento MSDBD para la descontaminación de alimentos contaminados con bacterias patógenas. Además, modelar la cinética de inactivación podría proporcionar información importante sobre el mecanismo del tratamiento con plasma. La cinética de inactivación puede ser una herramienta útil para predecir y comparar los comportamientos de inactivación de microorganismos en condiciones de procesamiento específicas19. Además, puede predecir el mejor rango de condiciones de tratamiento para la inactivación más efectiva. En caso de un procesamiento mínimo, generalmente se observan en la inactivación características no lineales como efectos de cola, hombro y sigmoide. Estas no linealidades podrían describirse bien mediante varios modelos cinéticos no lineales ampliamente utilizados19,20, incluido Weibull21, el modelo bifásico22 y muchos más.

Por tanto, el objetivo del estudio fue determinar y comparar el comportamiento cinético de E. coli, S. Enteritidis y B. subtilis tratados con plasma MSDBD generado en diferentes gases de trabajo. También se estimaron los parámetros cinéticos para la inactivación de células bacterianas. Además, se utilizó espectroscopia de emisión óptica y espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier para caracterizar los distintos plasmas generados.

Las cepas bacterianas analizadas, E. coli CCM 3988, S. enterica subsp. enterica serovar Enteritidis CCM 4420, B. subtilis CCM 1999 (forma vegetativa), se obtuvieron de la Colección de Microorganismos de la Universidad de Masaryk, Brno, República Checa.

La cepa bacteriana se cultivó en Nutrition Agar a 37 °C durante 24 h y luego se mantuvo a 4 °C. Antes de cada ensayo, se inocularon asépticamente 7 ml de caldo de nutrición estéril con una colonia de las bacterias analizadas. La suspensión celular se incubó durante 16 h a 37 °C en agitación continua (320 rpm). La densidad celular viable aproximada fue de 2 a 5 × 108 células/ml.

Se transfirió agar nutricional n.° 2 estéril derretido a un termostato y se mantuvo a 60 °C durante 30 min. Posteriormente, se pipetearon 2,5 ml de agar nutritivo preparado en una placa de vidrio estéril. Después de solidificar el agar (a 25 °C), el disco se cortó con un dispositivo de corte estéril (Ø 22 mm) y se transfirió con cuidado a un portaobjetos estéril colocado en una placa de Petri. El contenido de la placa de Petri se dejó secar durante la noche a temperatura ambiente. A continuación, se esparcieron 15 µl de la suspensión de células bacterianas obtenida (diluida diez veces) en un disco y se dejaron empapar durante aproximadamente 1 hora a temperatura ambiente.

El plasma utilizado (Fig. 1) para el tratamiento de muestras fue generado por el dispositivo RPS30 (Roplass Ltd, CZ) con una unidad de plasma de descarga de barrera dieléctrica de superficie multihueca (MSDBD)12. Las condiciones se optimizaron en base a investigaciones anteriores13. El gas de trabajo (aire ambiente, oxígeno y nitrógeno) fluye a través de 105 huecos en el sistema MSDBD con un caudal de 6 l/m. El área del plasma es de 2 × 2 cm2 y la potencia entregada al plasma fue de 30 W. Las muestras se trataron a una distancia de 1 mm de la superficie de la cerámica MSDBD. El tratamiento con plasma se llevó a cabo en intervalos de 45 s. Después de eso, el RPS30 se enfrió durante 200 s. En un tiempo de exposición de menos de 45 s, el tiempo de enfriamiento fue proporcional al tiempo de exposición para mantener la temperatura estable durante el tratamiento con plasma.

El aparato MSDBD.

Las muestras fueron tratadas hasta 180 s. El tiempo total de tratamiento varió según el gas de trabajo y las cepas de bacterias utilizadas. Después del tratamiento, el reactor se limpió inmediatamente con alcohol isopropílico y se secó con el gas de trabajo. Los experimentos se realizaron por triplicado.

La composición del plasma generado por MSDBD se analizó mediante espectroscopia de emisión óptica (OES) y espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR).

Los espectros de emisión de plasma generado en el aire ambiente, oxígeno y nitrógeno se adquirieron en régimen dinámico mediante el espectrómetro StellarNet EP-2000 en el rango de 200 a 1100 nm (StellarNet, EE. UU.). El tiempo de integración del detector fue de 100 ms y los espectros se integraron durante 100 escaneos. La fibra óptica se colocó sobre un eje perpendicular al plano de la cerámica a una distancia de 5 cm. El FTIR en el aire ambiente, el O2 y el N2 se midieron con el espectrómetro Bruker Vector 22 (Bruker Optics, EE. UU.) en un rango espectral de 4000 a 500 cm-1 con una resolución de 4 cm-1 con 8/8 escaneos para el fondo ( gas de trabajo) y plasma encendido. Los espectros se adquirieron en régimen de flujo y los productos generados en plasma se condujeron a la cubeta con una longitud de recorrido de 10 cm.

El número de bacterias que sobrevivieron después del tratamiento con MSDBD se evaluó mediante el método estándar de recuento en placa. El disco de tratamiento con plasma se sumergió en 3 ml de solución salina estéril al 0,85%; la mezcla se agitó durante 60 s a temperatura ambiente. La suspensión obtenida se diluyó en serie y cada solución se colocó en placas de agar Mueller-Hinton. Las placas se incubaron durante 24 h a 37 °C y se contaron las unidades formadoras de colonias (UFC). Se utilizó un anillo de agar no tratado como muestra de control.

Las curvas de inactivación se construyeron trazando la fracción logarítmica de supervivencia frente al tiempo de tratamiento con plasma. Los parámetros cinéticos para la inactivación de células bacterianas se estimaron utilizando modelos log-lineales, bifásicos y de Geeraerd.

Se ajustó el modelo log-lineal23 a los datos de inactivación utilizando el software GinaFit (versión 1.7 para Microsoft Excel24) como se muestra en las Ecs. (1 y 2):

donde Nt representa los recuentos de células viables supervivientes (UFC/ml) después del tratamiento con plasma en el momento t; N0 representa las poblaciones celulares iniciales (UFC/ml) en el momento 0; D es el tiempo de reducción decimal (valor D); kmax representa la tasa de inactivación específica (s-1); t representa el tiempo de exposición de cada tratamiento(s).

El modelo bifásico22 se modeló utilizando el software GinaFit (versión 1.7 para Microsoft Excel24) como se muestra en las Ecs. (3–5):

donde Nt representa los recuentos de células viables supervivientes (UFC/ml) después del tratamiento con plasma en el momento t; N0 representa las poblaciones celulares iniciales calculadas (UFC/ml); kmax1 (s−1) y kmax2 (s−1) representan las tasas de inactivación para la población correspondiente a la subpoblación más sensible al tratamiento (f) y la población correspondiente a la subpoblación más resistente al tratamiento (1 − f) , respectivamente; D1- y D2- es el valor D- para ambas regiones.

El modelo de Geeraerd25 se modeló utilizando el software GinaFit (versión 1.7 para Microsoft Excel24) como se muestra en la ecuación. (6):

donde Nt es el recuento microbiano superviviente (UFC/ml) después del tratamiento con plasma en el momento t; N0 son las poblaciones celulares iniciales calculadas (UFC/ml); Nres es la subpoblación residual (UFC/ml); kmax (s−1) es la tasa de inactivación específica máxima; D es el tiempo (s) de reducción decimal

Se trazaron conjuntos de datos replicados para obtener curvas de supervivencia media junto con desviaciones estándar. Las diferencias significativas entre las medias se determinaron mediante el análisis unidireccional ANOVA seguido de la prueba post hoc de corrección de Bonferroni a un nivel de p ˂ 0,05.

Los valores representan las medias ± desviación estándar (DE) obtenidas de cuatro experimentos.

Los espectros de emisión óptica del plasma generado por MSDBD en diferentes gases de trabajo están presentes en la Fig. 2 A. La transición radiativa dominante visible en los espectros adquiridos en el aire ambiente y el plasma de nitrógeno es el segundo sistema positivo de la molécula de nitrógeno N2 (C3 Πu → B3 Πg). Este sistema es la principal fuente de radiación en la región UV y tiene lugar por efecto de descontaminación del plasma en una atmósfera que contiene nitrógeno26. Con baja intensidad, se puede detectar el primer sistema negativo de N+2 (B2 Σ+u → X2 Σ+g) y el primer sistema positivo N2 (B3 Πg → A3 Σ+u).

Los espectros de emisión óptica del plasma (A) y el análisis FTIR de productos gaseosos (B) generados por MSDBD en diferentes gases de trabajo (aire ambiente, oxígeno, nitrógeno).

En el caso del oxígeno, los espectros de emisión en la zona medida no mostraron transiciones radiativas. Por otro lado, los espectros adquiridos en nitrógeno exhiben fuertes picos atribuidos al segundo sistema positivo y también a la radiación de la molécula de NO (A2 Σ+ → X2 Π) por la interacción del aire ambiente con especies de nitrógeno generadas en el gas de trabajo.

El análisis FTIR (Fig. 2B) de productos gaseosos medidos en el aire ambiente mostró una variedad de partículas activas; los picos dominantes se atribuyen al ozono, los óxidos de nitrógeno (N2O, NO2) y el HNO2. Además, se detectó HNO3 debido a la presencia de humedad en el aire ambiente. Estas especies son poderosamente bioactivas y desempeñan un papel esencial en el efecto descontaminante del plasma. En el oxígeno se observó una producción intensiva de ozono. El MSDBD, gracias a la configuración y funcionamiento en flujo de gas de trabajo, es una fuente de plasma con alto rendimiento de ozono. En Homola et al.11, se encontró que la eficiencia de la producción de ozono era mayor que otras geometrías DBD estándar: DBD coplanares, de superficie y de volumen.

La temperatura de los objetos circundantes en contacto con el plasma (especialmente la mesa utilizada para contener la muestra y la superficie cerámica) fue monitoreada por la cámara térmica compacta Flir C5TM (Teledyne Flir, Estonia). La temperatura máxima en el área de tratamiento fue de hasta 40 °C (Fig. 3). Además, el gas de trabajo que fluye tiene un efecto refrescante significativo13.

La imagen de MSDBD usando una cámara térmica a 0 sy 45 s; Temperatura medida en el área de tratamiento entre la cerámica y la mesa utilizada para la retención de muestras.

Un estudio temporal de la inactivación de E. coli, S. Enteritidis y B. subtilis mediante diferentes plasmas mostró claramente una variación en la sensibilidad a este tratamiento para las tres cepas. Los perfiles cinéticos de las curvas de supervivencia de los microorganismos probados obtenidos de varios gases de trabajo parecían no lineales en una escala semilogarítmica (Figs. 4 y 5), con la excepción del plasma de nitrógeno para E. coli y S. Enteritidis ( Figura 6). Los parámetros ajustados de la cinética de inactivación para todos los modelos para los microorganismos probados tratados con plasma MSDBD generado en diferentes gases de proceso se muestran en la Tabla 1. Los resultados del análisis estadístico sobre los cambios cinéticos para todos los microorganismos probados en el tratamiento con plasma utilizando modelos predictivos se resumen en Tabla 2.

Efectos del tratamiento con plasma MSDBD sobre la inactivación de E. coli, S. Enteritidis y B. subtilis en el aire ambiente como gas de trabajo.

Efectos del tratamiento con plasma MSDBD sobre la inactivación de E. coli, S. Enteritidis y B. subtilis para el oxígeno como gas de trabajo.

Efectos del tratamiento con plasma MSDBD sobre la inactivación de E. coli, S. Enteritidis y B. subtilis para nitrógeno como gas de trabajo.

En la Fig. 4 se presenta la población superviviente de E. coli, S. Enteritidis y B. subtilis después del tratamiento con plasma a base de aire. El efecto de inactivación aumentó con el tiempo de exposición; todas las bacterias analizadas mostraron un comportamiento de inactivación no lineal (Tabla 1).

Debido a su flexibilidad, inicialmente se utilizó el modelo Weibull. Sin embargo, a partir del procesamiento gráfico de los datos de inactivación mediante el modelo de Weibull, se identificó una presencia altamente probable de subpoblaciones con diferentes resistencias. Por lo tanto, se aplicó un modelo Cerf bifásico22. En nuestro caso, la ventaja de este modelo fue su capacidad para proporcionar parámetros adecuados kmax1 y kmax2, valor D1 y D2, que tienen importancia práctica y finalmente confirmaron la presencia de dos subpoblaciones de microorganismos probados con diferentes sensibilidades al tratamiento con plasma. Sin embargo, el modelo Cerf para E. coli y S. Enteritidis mostró mayores errores en los parámetros del modelo (datos no mostrados). Este problema se resolvió ajustando los resultados experimentales al modelo de Geeraerd25.

Los datos sugirieron que los modelos explican satisfactoriamente los patrones de inactivación de los microorganismos probados obtenidos de diferentes plasmas; un valor de R2 ˃ 0,9 (Tabla 2). E. coli y S. Enteritidis parecieron ser más sensibles al tratamiento con plasma a base de aire ambiente (Fig. 4). El tratamiento durante 15 s redujo la población de E. coli y S. Enteritidis en 4,70 log10 y 4,81 log10, respectivamente. En comparación con la población inicial de B. subtilis (7,98 ± 0,087 log10 UFC/ml), el nivel de reducción microbiana de 3,59 log10 se alcanzó en 25 s de exposición de la muestra en plasma.

Para el análisis cinético, la fracción más grande de la población inicial se inactivó durante la primera parte del tratamiento. A partir de los modelos bifásicos de Cerf y Geeraerd, las tasas de inactivación (kmax1) y el tiempo de reducción decimal (D1) para subpoblaciones sensibles fueron similares entre las bacterias analizadas (Tabla 1). Por esta razón, el efecto antibacteriano del plasma del aire ambiente fue comparable en la primera fase de la curva de inactivación en la cepa bacteriana analizada. Además, las tasas de inactivación más altas para las subpoblaciones sensibles indicaron la inactivación más rápida de S. Enteritidis y B. subtilis en plasma de aire en comparación con el tratamiento con plasma a base de O2 y N2.

El tratamiento con plasma a base de O2 también dio como resultado un comportamiento de inactivación no lineal en todas las bacterias analizadas (Fig. 5), lo que indica la presencia de fracciones sensibles y más resistentes dentro de la población inicial. Sin embargo, según los valores D obtenidos del modelo Cerf, las bacterias estudiadas fueron ligeramente más resistentes al plasma a base de O2 que al tratamiento con plasma de aire (Tabla 1). E. coli presentó un valor D1 más bajo de las células sensibles y tasas de inactivación más altas para la fracción sensible (kmax1), lo que indica la sensibilidad más alta al tratamiento con plasma a base de O2 entre las bacterias analizadas. Después de 120 s de tratamiento, la población inicial de E. coli (8,67 ± 0,128) disminuyó en 4,43 log10. En comparación con la población inicial de S. Enteritidis (8,67 ± 0,020), el nivel de reducción microbiana de 3,92 log10 se logró en 120 s de exposición de la muestra en plasma. Los datos demostraron que B. subtilis era más resistente con bajas tasas de inactivación y los valores D más altos para la fracción sensible y resistente (Tabla 1). A pesar de una cinética de inactivación más lenta, el tratamiento con plasma basado en O2 redujo el número inicial de B. subtilis (7,79 ± 0,116) en 4,43 log10.

El tratamiento con plasma MSDBD utilizando N2 como gas de trabajo dio como resultado un comportamiento de inactivación diferente de las bacterias tratadas (Fig. 6). Nuestros resultados sugirieron similitud de comportamiento y capacidad de supervivencia de B. subtilis tratada con plasma de nitrógeno con el tratamiento con plasma de oxígeno (Tabla 1). Para el análisis cinético, la curva de inactivación de B. subtilis contenía una concavidad ascendente. La disminución de la curva de inactivación indica la presencia de fracciones sensibles y más resistentes dentro de la población inicial. B. subtilis mostró el nivel más alto de kmax1 y el nivel más bajo de valor D1 para la fracción sensible, lo que indica la cinética de desvitalización más rápida entre los microorganismos probados. Posteriormente, se mitigó la reducción de UFC de la fracción resistente. Las curvas de inactivación de E. coli y S. Enteritidis obtenidas mediante plasma a base de N2 se desarrollaron según un patrón lineal (Fig. 6), y los datos experimentales se ajustaron utilizando un modelo log-lineal23. Los valores altos de R2 y bajos de RMSSE mostraron la capacidad de ajuste adecuada de un modelo particular para describir los datos de inactivación de ambos patógenos (Tabla 2). A pesar de la cinética de inactivación más lenta de E. coli, el efecto del plasma de nitrógeno sobre las bacterias mencionadas fue comparable al de B. subtilis. En comparación con la población inicial de B. subtilis (7,91 ± 0,16 log10 UFC/g de muestra) y E. coli (8,39 ± 0,03 log10 UFC/g de muestra), el nivel de reducción microbiana de 4,27 log10 y 4,40 log10 se logró en 180 s de exposición de muestras en plasma. Por otro lado, S. Enteritidis mostró la mayor supervivencia celular en comparación con E. coli y B. subtilis. A los 180 segundos de tratamiento con plasma a base de N2, se observó una reducción de 2,04 log10 UFC. Según los datos, S. Enteritidis fue más resistente con una baja tasa de inactivación.

El modelado matemático del crecimiento microbiano o la cinética de inactivación es uno de los elementos esenciales de la exposición cuantitativa y la evaluación de riesgos. Además, se pueden utilizar modelos predictivos para comparar la eficacia de diferentes tecnologías de procesamiento a la hora de reducir las poblaciones microbianas27.

Para establecer condiciones adecuadas de tratamiento con plasma, es esencial aplicar un modelo cinético confiable para la inactivación microbiana19.

En el presente estudio, se ha probado con éxito la descarga de barrera dieléctrica de superficie multihueca (MSDBD) para la inactivación de E. coli, S. Enteritidis y B. subtilis, dependiendo del gas de trabajo.

Las especies reactivas (ROS, RNS, ozono, etc.) se consideran un factor crucial responsable del efecto del plasma a baja temperatura en las células vivas28. Dependiendo del sistema plasmático y de los parámetros operativos aplicados, se forman mezclas complejas de diferentes componentes que pueden contribuir a la inactivación de los microorganismos7,28. Como se ve en las figuras 2 A y B, el MSDBD generado en el aire ambiente proporciona una amplia variedad de especies bioactivas de nitrógeno y oxígeno. En comparación con las geometrías DBD estándar (coplanar, de superficie o de volumen)3, el plasma MSDBD generado en el aire ambiente también muestra una eficiencia significativamente mayor en la producción de ozono debido al efecto de enfriamiento de las especies activas producidas por un flujo de gas de trabajo, las propiedades de la cerámica y la geometría. del sistema de electrodos. Además, la presencia de agua como humedad del aire conduce a la formación de HNO2 y HNO3 a partir de óxidos de nitrógeno y radicales hidroxilo, uno de los ROS más activos. El DBD coplanar encendido en vapor de agua genera plasma con una concentración de radicales OH 10 veces mayor que la descarga en aire húmedo10. Según Eto et al.29, los radicales OH podrían producirse por la reacción química entre el ozono y el vapor de agua y desempeñar un papel en la inactivación de las esporas de Geobacillus stearothermophilus. Además, el plasma de aire generado fue una fuente de especies de nitrógeno y fotones UV (Fig. 2A).

Las curvas de inactivación de E. coli, S. Enteritidis y B. subtilis en varios plasmas mostraron colas significativas (Fig. 4 y 5) con la excepción del plasma de nitrógeno para E. coli y S. Enteritidis (Fig. 6). Los datos de inactivación medidos se equiparon con tres modelos cinéticos de primer orden, incluidos los modelos Bigelow-log lineal23, bifásico Cerf22 y Geeraerd25. El modelo bifásico suele utilizarse para curvas de inactivación como consecuencia de una actividad distinta de cero durante tratamientos prolongados19,27. Por otro lado, el modelo de Geeraerd describe la población sensible y resistente, que no está inactivada25. R2 (˃ 0,9) indicó la idoneidad de los modelos utilizados para describir la cinética de inactivación (Tabla 2). Los resultados sugirieron que los patógenos eran más susceptibles a la exposición al plasma del aire ambiente, ya que sus recuentos iniciales se redujeron considerablemente después de tiempos de tratamiento más cortos en comparación con los plasmas a base de O2 y N2. Durante los plasmas a base de aire y O2, los comportamientos de inactivación de las bacterias analizadas fueron similares en la forma de las curvas; a una tasa de inactivación más rápida al comienzo del tratamiento con plasma le siguió la cola (Figs. 4 y 5). La forma de los datos de inactivación sugirió la presencia de una población sensible al plasma y una población resistente al plasma (Tabla 1). Excepto por los diferentes mecanismos de inactivación involucrados durante el tratamiento4, la aparición de relaves también podría explicarse por los procesos fisicoquímicos que ocurren durante la inactivación. Las células inactivas podrían crear una barrera mecánica y podrían ser un objetivo preferido para las partículas activas. También se debe tener en cuenta el grado de saturación de las partículas activas, así como los mecanismos de reparación adoptados debido al estrés oxidativo de RONS. Como se muestra en las Figs. 4 y 5, E. coli y S. Enteritidis fueron más susceptibles a los tratamientos con plasma a base de aire y O2 en comparación con B. subtilis. Este fenómeno podría estar relacionado con las diferencias en las estructuras, composiciones químicas y organizaciones moleculares de las paredes celulares entre bacterias grampositivas y gramnegativas27. Las bacterias grampositivas podrían ser resistentes al tratamiento con plasma frío atmosférico debido a una membrana externa más gruesa que puede reducir la difusión de especies reactivas del plasma a través de la pared celular bacteriana1. En el caso de los modelos elegidos, las tasas de inactivación de las bacterias probadas fueron comparables durante la primera fase de inactivación, lo que fue evidente a partir de los valores kmax1 y D1 (Tabla 1).

Por otro lado, el uso de plasma a base de N2 condujo a otros comportamientos de inactivación de E. coli y S. Enteritidis; las curvas de inactivación mostraron linealidad (Fig. 6). A pesar de la ausencia de una fracción resistente, S. Enteritidis fue más resistente con bajas tasas de inactivación en comparación con E. coli y B. subtilis. Hertwig et al.5 también informaron un menor efecto de inactivación del tratamiento con plasma de nitrógeno en Salmonella Enteritidis PT 30. Esto podría estar relacionado con la resistencia de Salmonella spp. al tratamiento UV30. Los espectros OES y FTIR obtenidos (Fig. 2A y B) mostraron que el plasma basado en N2 emite radiación UV, lo que podría desempeñar un papel.

El estudio presentado demostró que el tratamiento con plasma MSDBD inactivó eficazmente los patógenos que deterioran los alimentos, incluidos E. coli, S. Enteritidis y B. subtilis. Al cambiar los gases de trabajo, fue posible generar plasmas de diversas composiciones con diferentes niveles de inactivación. Entre los gases de trabajo utilizados, el plasma del aire ambiente fue el más eficaz para inactivar los patógenos mencionados. Las especies reactivas de oxígeno y nitrógeno (RONS) generadas en el plasma son los principales agentes responsables del efecto de descontaminación en el caso del tratamiento con plasma a base de aire ambiente. Además, la inactivación podría estar relacionada con el ozono, cuya eficiencia de producción con plasma MSDBD es sustancialmente mayor que con geometrías DBD ordinarias (volumen, superficie o coplanar). Además, el agua en forma de humedad atmosférica provocó la formación de radicales hidroxilo, uno de los ROS más potentes, y HNO2 y HNO3 a partir de óxidos de nitrógeno.

Según los resultados de este estudio, el plasma MSDBD generado en diferentes gases de trabajo es una tecnología potencial para inactivar patógenos como E. coli, S. Enteritidis y B. subtilis. Para determinar las condiciones de tratamiento adecuadas para la inactivación más eficaz, el modelado de la cinética de inactivación es valioso para ayudar a comprender el comportamiento de los microorganismos probados bajo diversos tratamientos con plasma. El modelo bifásico proporcionó parámetros adecuados kmax1 y kmax2, así como f, que tienen importancia práctica y, finalmente, confirmó la presencia de dos subpoblaciones de microorganismos probados con diferentes sensibilidades al tratamiento con plasma. Sin embargo, dado que se trata de resultados preliminares, se requiere más investigación, especialmente en lo que respecta a las interacciones entre microorganismos, productos alimenticios y plasma.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente, [SM], previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por la Agencia Eslovaca de Subvenciones Nos. 1/0515/21, 1/0688/22 y la Agencia Eslovaca de Investigación y Desarrollo bajo el contrato No APVV-21-0147.

Departamento de Nutrición y Evaluación de la Calidad de los Alimentos, Facultad de Química y Tecnología de los Alimentos, Universidad Tecnológica de Eslovaquia, Radlinského 9, Bratislava, 811 07, República Eslovaca

Silvia Mošovská, Ľubomír Valík y Anna Mikulajová

Departamento de Física Experimental, Facultad de Matemáticas, Física e Informática, Mlynská Dolina F1, Bratislava, 842 48, República Eslovaca

Veronika Medvecká y Anna Zahoranová

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Conceptualización, redacción: preparación y revisión del borrador original: SM, VM, Ľ.V., AM y AZ; análisis de datos: SM, VM y Ľ.V.; adquisición de financiación: SM, VM y AZ

Correspondencia a Silvia Mošovská.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Mošovská, S., Medvecká, V., Valík, Ľ. et al. Modelado de la cinética de inactivación de Escherichia coli, Salmonella Enteritidis y Bacillus subtilis tratados con un plasma de descarga de barrera dieléctrica de superficie multihueca. Informe científico 13, 12058 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38892-2

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Recibido: 16 de febrero de 2023

Aceptado: 17 de julio de 2023

Publicado: 25 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38892-2

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