Validation of an In-Package High-Pressure CO₂ Process for Microbial Inactivation and Shelf-Life Extension of Ready-to-Eat Fish Products

Conventional high-pressure carbon dioxide (HPCD) pasteurization treats food in open vessels, requiring a subsequent packaging step that exposes the product to post-process recontamination and increases operational costs. A novel advanced high-pressure CO2-based process, here named HPMAP+ and recently patent-ed by the University of Padova, addresses this limitation by treating pre-packaged food inside a dedicated packaging material fitted with one-way valves that permit gas exchange. As a result, CO2 serves directly as the pressurization medium, treating the food within its final package and leaving a residual modified atmosphere that keeps acting throughout chilled storage. This work validates the HPMAP+ process on solid seafood matrices. Nine fish and shellfish matrices were screened for color response, which proved to be governed primarily by matrix composition rather than treatment intensity. On that basis, ready-to-eat (RTE) cooked shrimps were selected for the following phases. A 23 factorial design of experiment investigated the effect of pressure, temperature and time on microbial reduction and quality retention, assessing operative pressures of 60 and 90 bar, temperatures of 35 and 45 °C, and holding times of 0 and 10 min. The results established pressure as the dominant variable across mi-crobial inactivation, acidification and color change. Higher temperatures enhanced inactivation while miti-gating acidification, indicating that CO2 diffusivity and membrane permeabilization, rather than extracellular pH, constitute the operative lethal route for the tested matrix under the evaluated conditions. The experimental design identified 90 bar, 45 °C and 10 min as the most effective condition. Under these conditions, mesophiles were reduced by 2.91 log CFU/g and yeasts and molds by at least 3.37 log, with a color difference ΔE* equal to 7.97. When applied to a commercial seafood salad and stored at 4 °C alongside an untreated control under an identical 60:40 CO2: N2 atmosphere, the treatment lowered the initial meso-philic population by 2.8 log and induced a 1.4-day recovery lag, with the maximum population density plateauing at 4.13 log CFU/g. These values were well below the 7.0 log spoilage criterion, yielding extended stability against the 8.4 days for the control. Evaluation of Listeria innocua inactivation at the same condition revealed greater reductions at lower initial inoculum levels, achieving non-detectable counts (< 1.0 log CFU/g) when the food was inoculated at 3 log CFU/g. Within the tested operational range, HPMAP+ functions as an effective mild intervention for microbial reduction on solid RTE matrices while eliminating the recontamination risks inherent to open-vessel HPCD systems. Its contribution to shelf-life extension stems synergistically from the combination of an immediate microbial reduction and a prolonged recovery lag phase of surviving cells, rather than either mechanism acting alone. These findings highlight the significant potential of HPMAP+ to deliver non-thermal, pasteurization-grade microbial reductions in muscle foods, though its extension to other solid food matrices warrants further investigation.

La pastorizzazione convenzionale mediante anidride carbonica ad alta pressione (HPCD) tratta gli alimenti in recipienti aperti, rendendo necessaria una successiva fase di confezionamento che espone il prodotto al rischio di ricontaminazione post-processo e aumenta i costi operativi. Un nuovo processo avanzato basato su CO2 ad alta pressione, denominato HPMAP+ e recentemente brevettato dall’Università di Padova, supera tale limitazione mediante il trattamento di alimenti preconfezionati all’interno di uno specifico materiale di confezionamento dotato di valvole unidirezionali che consentono lo scambio gassoso. In questo modo, la CO2 agisce direttamente come mezzo di pressurizzazione, consentendo il trattamento dell’alimento nella sua confezione finale e lasciando un’atmosfera modificata residua che continua a esercitare la propria azione durante la conservazione refrigerata. Il presente lavoro ha validato il processo HPMAP+ su matrici solide di prodotti ittici. Nove matrici di pesce e molluschi sono state valutate in termini di risposta cromatica, risultata principalmente determinata dalla composizione della matrice piuttosto che dall’intensità del trattamento. Sulla base di tali risultati, sono stati selezionati gamberi cotti pronti al consumo (RTE, ready-to-eat) per le fasi successive. È stato applicato un disegno sperimentale fattoriale 23 per investigare l’effetto di pressione, temperatura e tempo sulla riduzione microbica e sul mantenimento della qualità, considerando pressioni operative di 60 e 90 bar, temperature di 35 e 45 °C e tempi di mantenimento di 0 e 10 min. I risultati hanno identificato la pressione come la variabile predominante nell’inattivazione microbica, nell’acidificazione e nelle variazioni cromatiche. Temperature più elevate hanno incrementato l’inattivazione, attenuando al contempo l’acidificazione, indicando che, nelle condizioni valutate, la diffusività della CO2 e la permeabilizzazione della membrana, piuttosto che il pH extracellulare, costituiscono il principale meccanismo letale operativo nella matrice esaminata. Il disegno sperimentale ha identificato 90 bar, 45 °C e 10 min come condizione più efficace. In tali condizioni, i microrganismi mesofili sono diminuiti di 2,91 log UFC/g e lieviti e muffe di almeno 3,37 log, con una ΔE* pari a 7,97. Applicato a un’insalata di prodotti ittici commerciale e conservata a 4 °C insieme a un controllo non trattato, entrambi in un’atmosfera identica CO2:N2 60:40, il trattamento ha ridotto la popolazione mesofila iniziale di 2,8 log e determinato un ritardo di 1,4 giorni nella ripresa della crescita, con una densità microbica massima pari a 4,13 log UFC/g. Tali valori sono risultati ampiamente inferiori al limite di deterioramento di 7,0 log, determinando una stabilità prolungata rispetto agli 8,4 giorni osservati nel con-trollo. La valutazione dell’inattivazione di Listeria innocua nelle medesime condizioni ha evidenziato riduzioni maggiori a livelli di inoculo iniziale inferiori, raggiungendo conteggi non rilevabili (<1,0 log UFC/g) quando l’alimento è stato inoculato a 3 log UFC/g. Nell’intervallo operativo esaminato, HPMAP+ si è dimostrato un trattamento delicato ed efficace per la riduzione microbica in matrici solide RTE, eliminando al contempo i rischi di ricontaminazione. Il contributo del processo all’estensione della shelf life deriva sinergicamente dalla combinazione di una riduzione microbica immediata e di una prolungata fase di recupero delle cellule sopravvissute, piuttosto che dall’azione indipendente di uno solo dei due meccanismi. I risultati evidenziano il significativo potenziale di HPMAP+ nel garantire riduzioni microbiche di livello pasteurizzante mediante un trattamento non termico in alimenti a base di tessuti muscolari, sebbene la sua applicazione ad altre matrici alimentari solide richieda ulteriori approfondimenti.