Development of advanced methods to evaluate microbiological shelf-life of fresh fruit products stored in innovative active packaging
Author(s)
Poscente, Valeria
Date Issued
December 17, 2024
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Food safety and spoilage control are critical concerns in the food industry, especially with the growing demand for minimally processed and fresh products. Traditional antimicrobial treatments often impact product quality or have limited efficacy against biofilm formation on food matrices and along food processing environments, leading to ongoing research for mild effective alternatives. This thesis addresses this challenge by investigating the antimicrobial and antibiofilm efficacy of different mild technologies for controlling foodborne pathogens and spoilage microorganisms. Through advanced detection methods, the study explores natural antimicrobial agents and aims to develop innovative antimicrobial packaging solutions.
Firstly, the thesis aims to provide an in-depth in vitro evaluation of the antimicrobial and antibiofilm activity of selected mild treatments - including mild-heat, essential oils and their components, lactic acid bacteria (LAB), postbiotics (i.e. nisin) and gallium (III) nitrate hydrate – against targeting key microbial model strains such as Escherichia coli ATCC 25922, Listeria monocytogenes 56 LY, Pseudomonas fluorescens ATCC 13525, and Lactiplantibacillus plantarum DSM 20174. Furthermore, the research optimised a combined analytical approach, integrating traditional culture-based methods with flow cytometry to detect viable but non-culturable cells (VBNC) and to monitor the real-time effects on microbial populations physiology. Lastly, in vitro findings are applied to the functionalization of antimicrobial packaging, with the development of absorbent PADs incorporating antimicrobial agents like nisin, carvacrol, and chitosan at different concentrations, enclosed in recycled PET (rPET) trays. The efficacy of these packaging solutions is validated through microbiological assays on fresh Italian Favette strawberries, and chemical analyses are conducted to confirm compliance with EU overall and specific migration standards.
Results indicate that mild treatments and essential oil combinations exhibit synergistic antimicrobial effects, and flow cytometry provides a powerful tool for assessing microbial viability beyond conventional culture-based methods. Additionally, specific combinations such as carvacrol with LAB biofilms and nisin, show significant antibiofilm efficacy. Together, these findings suggest that mild antimicrobial strategies, integrated into eco-friendly packaging, can effectively extend product shelf-life while maintaining food quality. This research thus contributes to advancing food safety and spoilage prevention, offering sustainable solutions for the food industry.
La sicurezza e la prevenzione del deterioramento degli alimenti rappresentano aspetti cruciali nell'industria alimentare, soprattutto in relazione alla crescente domanda di prodotti freschi e minimamente processati. I trattamenti antimicrobici tradizionali spesso compromettono la qualità del prodotto o presentano un’efficacia limitata contro la formazione di biofilm nelle matrici e negli ambienti di trasformazione alimentare, determinando un crescente interesse verso alternative meno invasive ma allo stesso tempo efficaci. Questa tesi affronta tale sfida indagando l’efficacia antimicrobica e antibiofilm di diverse tecnologie “mild” per il controllo di patogeni alimentari e microrganismi responsabili del deterioramento. Attraverso metodi avanzati di rilevamento, il presente lavoro mira ad investigare l’azione di agenti antimicrobici naturali con l’obiettivo di sviluppare soluzioni innovative di confezionamento antimicrobico.
In primo luogo, la tesi si propone di fornire una valutazione approfondita in vitro dell’attività antimicrobica e antibiofilm di trattamenti “mild” tra cui trattamenti termici blandi, oli essenziali e loro componenti, batteri lattici (LAB), postbiotici (ad esempio, nisina) e nitrato di gallio (III) idrato. Questi trattamenti sono stati testati su ceppi microbici modello come Escherichia coli ATCC 25922, Listeria monocytogenes 56 LY, Pseudomonas fluorescens ATCC 13525 e Lactiplantibacillus plantarum DSM 20174. Inoltre, la ricerca ha ottimizzato un approccio analitico combinato, integrando metodi coltivabili tradizionali con la citometria a flusso per il rilevamento e lo studio di cellule vitali ma non coltivabili (VBNC) e per il monitoraggio in tempo reale dei cambiamenti nella fisiologia cellulare in risposta ai trattamenti testati. Infine, i risultati in vitro sono stati applicati per lo sviluppo di imballaggi antimicrobici che consistono in PAD assorbenti funzionalizzati con antimicrobici naturali come nisina, carvacrolo e chitosano a diverse concentrazioni, posti all’interno di vaschette in PET riciclato (rPET). L'efficacia di queste soluzioni di imballaggio è stata valutata su fragole fresche italiane della varietà Favette e sono state condotte analisi chimiche per verificarne la conformità con gli standard di migrazione globale e specifica come previsto dalla regolamentazione Europea.
I risultati indicano che la combinazione di trattamenti “mild” e oli essenziali presenta effetti antimicrobici sinergici e che la citometria a flusso si rivela uno strumento potente per valutare la vitalità microbica, oltrepassando i limiti dei metodi tradizionali basati sulla coltivabilità. Inoltre, specifiche combinazioni, come il carvacrolo con biofilm di LAB e nisina, dimostrano un’efficace attività antibiofilm. Nel complesso, questi risultati suggeriscono che strategie antimicrobiche “mild” integrate in imballaggi eco-sostenibili, possono prolungare efficacemente la shelf-life dei prodotti preservandone la qualità. Questa ricerca contribuisce così al progresso della sicurezza alimentare e alla prevenzione del deterioramento, offrendo soluzioni sostenibili per l’industria alimentare.
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Dottorato di ricerca in Scienze delle Produzioni Vegetali e Animali
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