Ozone technology for sanitization and product quality in the dairy supply chain
Author(s)
Eramo, Vanessa
Date Issued
July 11, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The doctoral research explores the use of ozone technology as an innovative and sustainable approach for sanitization and quality improvement in the dairy supply chain. It focuses on an industrial doctoral project within the PON "Research and Innovation" 2014-2020 program, investigating the application of gaseous ozone to control microbial proliferation and pests (mites in Pecorino) during the aging of traditional cheeses: Pecorino Foggiano and Toma Piemontese PDO. The study is developed on two main levels: laboratory scale and industrial pilot-scale experiments.
Laboratory-scale trials demonstrated that gaseous ozone effectively controls and reduces the growth of mites in Pecorino and molds, yeasts, and bacteria (in Pecorino and Toma), thus improving food safety with a potential extension of product shelf life. Optimal ozone concentrations were determined through preliminary testing, showing that treatments with low concentrations, in the range of 200-400 ppb (0.428-0.856 mg/m³) during aging, preserved the sensory and chemical properties of the cheeses. Advanced analytical techniques, including GC-MS-FID, e-nose, and 1H NMR spectroscopy, were employed to understand better the potential effects of ozone on the quality of Toma Piemontese, confirming that ozone preserves the aromatic profile of this cheese and key metabolites such as butanone and glutamate. The laboratory studies suggest the potential integration of ozone as an eco-friendly technology in the production of aged cheeses
An industrial pilot-scale study, carried out within the NODES project (S-O3-SDairy, I TESORI DELLA TERRA s.c.a.s. ONLUS, Cervasca, Italy) - supported by an automated prototype plant for gaseous ozone treatment - evaluated the scalability, cost-effectiveness, and efficiency of this technology, yielding promising results. The pilot test involved using low gaseous ozone concentrations (400 ppb) during the aging of Toma cheese, achieving a microbiologically and visually enhanced product with good overall quality. The environmental impacts of the innovative ripening system were assessed using the LCA method. The results demonstrated that ozone improves environmental performance per cheese lifespan unit, extends shelf life, enhances food safety, reduces waste, and increases profitability. The overall impact of the innovative ripening system is lower due to an attempted operational design, which also reduces energy impacts by 8.2% per unit of operating profit, lowering costs and highlighting the need for renewable energy integration.
In conclusion, the adoption of ozone technology could represent a sustainable and advantageous solution, providing ecological, social, and economic benefits, particularly for raw milk cheeses.
La ricerca di dottorato esplora l’uso della tecnologia dell'ozono come approccio innovativo e sostenibile per la sanitizzazione e il miglioramento della qualità nella filiera lattiero-casearia. Si focalizza su un progetto di dottorato industriale nell'ambito del programma PON "Ricerca e Innovazione" 2014-2020, investigando l'applicazione dell'ozono gassoso per controllare la proliferazione microbica e i parassiti (acari in Pecorino) durante la stagionatura di formaggi tradizionali: Pecorino Foggiano e Toma Piemontese DOP. Lo studio si sviluppa su due livelli principali: esperimenti su scala di laboratorio e su scala pilota industriale.
Le prove su scala di laboratorio hanno dimostrato che l'ozono gassoso controlla e riduce efficacemente la crescita degli acari in Pecorino e di muffe, lieviti e batteri (in Pecorino e Toma), migliorando così la sicurezza alimentare con una possibile estensione della shelf life del prodotto. Le concentrazioni ottimali di ozono sono state determinate attraverso test preliminari, evidenziando che trattamenti a basse concentrazioni, nell'intervallo di 200-400 ppb (0,428-0,856 mg/m³) durante la stagionatura, preservano le proprietà sensoriali e chimiche dei formaggi. Tecniche analitiche avanzate, tra cui GC-MS-FID, naso elettronico e spettroscopia 1H NMR, sono state impiegate per comprendere meglio i potenziali effetti dell’ozono sulla qualità del formaggio Toma Piemontese, confermando che l’ozono preserva il profilo aromatico di questo formaggio e metaboliti chiave come butanone e glutammato. Gli studi di laboratorio suggeriscono la possibile integrazione dell’ozono come tecnologia ecosostenibile nella produzione di formaggi stagionati.
Uno studio su scala pilota industriale, condotto nell’ambito del progetto NODES (S-O3-SDairy, I TESORI DELLA TERRA s.c.a.s. ONLUS, Cervasca, Italia) e supportato da un impianto prototipale automatizzato per il trattamento con ozono gassoso, ha valutato la scalabilità, la sostenibilità economica e l’efficacia di questa tecnologia, ottenendo risultati promettenti. Il test pilota ha previsto l’utilizzo di basse concentrazioni di ozono gassoso (400 ppb) durante la stagionatura del formaggio Toma, ottenendo un prodotto microbiologicamente e visivamente migliorato, con una buona qualità complessiva. Gli impatti ambientali del sistema innovativo di stagionatura sono stati valutati attraverso il metodo LCA. I risultati hanno dimostrato che l’ozono migliora le prestazioni ambientali per unità di vita utile del formaggio, prolunga la shelf life, aumenta la sicurezza alimentare, riduce gli sprechi e migliora la redditività. L’impatto complessivo del sistema innovativo di stagionatura risulta inferiore grazie a un’ottimizzazione operativa, che riduce anche gli impatti energetici dell’8,2% per unità di profitto operativo, abbattendo i costi e sottolineando la necessità di integrare fonti di energia rinnovabile.
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In conclusione, l'adozione della tecnologia dell'ozono potrebbe rappresentare una soluzione sostenibile e vantaggiosa, offrendo benefici ecologici, sociali ed economici, in particolare per i formaggi a base di latte crudo.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze, Tecnologie e Biotecnologie per la Sostenibilità