کاربرد پلاسمای سرد در صنایع غذایی

پلاسمای سرد (CP) یک روش پیشنهادی و غیرحرارتی پردازش مواد غذایی است که با استفاده از مولکول‌ها و گونه‌های گازی باردار و بسیار واکنش‌پذیر، باکتری‌های آلوده را روی غذاها و مواد بسته‌بندی غیرفعال می‌کند.

استفاده از پلاسمای سرد در دهه‌های اخیر به عنوان ابزاری قدرتمند برای پردازش مواد غذایی غیرحرارتی، با کاربردهای گوناگون، تا صنایع غذایی گسترش یافته است.

تأثیر CP بر کیفیت مواد غذایی برای مقبولیت آن به عنوان یک فناوری جایگزین پردازش مواد غذایی بسیار مهم است.

از آنجایی که پلاسمای سرد دارای ویژگی‌های غیرحرارتی است، این می‌تواند ترکیبی عالی از واکنش‌پذیری بالا و دماهای متوسط باشد که می‌تواند برای محصولات حساس به گرما استفاده شود.

تیمارهای CP به دلیل ماهیت غیرحرارتی، تأثیری بر خواص شیمیایی، فیزیکی، حسی و تغذیه‌ای اقلام مختلف نداشته یا کم بوده است.

کاربردهای عملی

فرآوری مواد غذایی غیرحرارتی یک کاربرد نسبتاً جدید است که در حال افزایش است. به عنوان یک فناوری غیرحرارتی، پلاسمای سرد از نظر محیط زیست ایمن است و حداقل تغییرات را در محصولات تیمار شده ایجاد می‌کند.

پلاسمای سرد کاربردهای وسیعی در صنایع غذایی و زیست پزشکی دارد. استفاده از پلاسمای سرد برای استریل‌سازی سطحی محصولات غذایی و مواد بسته‌بندی مواد غذایی به دلیل پیشرفت‌های چشمگیر در علم پلاسما و مزایای آن نسبت به فناوری‌های استریل‌سازی مرسوم در حال پیشرفت است.

پارامترهای پلاسمای سرد چون ولتاژ، فرکانس، زمان درمان، فاصله فاصله الکترودها و ترکیب گاز بر نوع و غلظت گونه‌های پلاسمای فعال تأثیر می‌گذارند.

در نتیجه، آن‌ها کارایی CP را در گندزدایی میکروبی، غیرفعال‌سازی آنزیم‌ها، تخریب آفت‌کش‌ها و آلرژن‌ها، بهبود جنبه‌های تغذیه‌ای و اصلاح بسته‌بندی تعیین می‌کنند.

با این حال، ارزیابی ایمنی، حسی و نظارتی می‌تواند استفاده از CP را در بخش موادغذایی محدود کند. طراحی فرآیندهای ایمن مبتنی بر CP با حداقل تأثیر بر کیفیت، باید ترکیب مواد غذایی، ساختار مولکولی بسته‌بندی و میکروارگانیسم یا غلظت مولکول‌های هدف را در نظر بگیرد.

فناوری‌های پردازش غیرحرارتی

در دو دهه اخیر، فناوری‌های پردازش غیرحرارتی توجه گسترده‌ای را از سوی صنایع غذایی علاقه‌مند به فرآیندهای ملایم و مؤثر جلب کرده است. این فناوری‌های جایگزین ممکن است عملکرد و ماندگاری را افزایش داده و تأثیر منفی بر مواد مغذی غذا و طعم طبیعی را کاهش دهند.

برخی از موفق‌ترین روش‌های غیرحرارتی شامل پردازش فشار بالا، اولتراسوند، میدان الکتریکی پالسی، نور فرابنفش، نور پالسی با شدت بالا، تابش گاما و اخیراً پلاسمای سرد هستند.

پلاسما را می‌توان به عنوان گاز یونیزه‌شده حاوی گونه‌های اکسیژن فعال، ازن، گونه‌های نیتروژن فعال، اشعه ماوراء بنفش (UV)، رادیکال‌های آزاد توصیف کرد.

به طور معمول، پلاسما زمانی تولید می‌شود که انرژی الکتریکی به گاز موجود یا جریان بین دو الکترود با اختلاف پتانسیل الکتریکی بالا اعمال شده که باعث یونیزه شدن گاز می‌شود.

در CP، یک عدم تعادل ترمودینامیکی بین الکترون‌ها و گونه‌های سنگین وجود دارد. از این رو، دمای بین آن‌ها متفاوت است زیرا الکترون‌ها بسیار سبک‌تر از یون‌ها و مولکول‌های خنثی هستند و تنها بخش کوچکی از انرژی کل مبادله می‌شود.

بنابراین، سرد شدن یون‌ها و مولکول‌های بدون بار مؤثرتر از انتقال انرژی از الکترون‌ها است و گاز در دمای پایین باقی می‌ماند.

فناوری CP در بسیاری از صنایع تولیدی مانند دستگاه‌های پزشکی، منسوجات، خودروسازی، هوافضا، الکترونیک و مواد بسته‌بندی استفاده شده است.

در سال‌های گذشته، چندین مطالعه بر بهبود درمان CP با طراحی تجهیزات پلاسما جدید و آزمایش متغیرهای فرآیند مختلف در بسیاری از موقعیت‌ها متمرکز شده‌اند

تولید پلاسمای سرد: مکانیسم و روش‌ها

نظریه تاونسند و قانون پاشن

شکست گاز و بهمن الکترون به مکانیسم‌های اساسی برای تبدیل گاز از غیر رسانا به یک محیط رسانا برای الکترون‌ها اشاره دارد. همان‌طور که توسط نظریه تاونسند توضیح داده شده است، تشکیل و تکثیر بهمن‌های الکترونی در طول تجزیه گاز معیارهایی برای تخلیه انواع پلاسما هستند.

طبق تئوری تاونسند، وقتی انرژی اعمال شده بین دو الکترود کافی باشد، انرژی جنبشی مولکول افزایش می‌یابد و الکترون‌ها از سطح کاتد در تقابل با میدان الکتریکی آزاد می‌شوند.

جریان الکتریکی با افزایش ولتاژ افزایش می‌یابد و به حد اشباع می‌رسد و یک جریان ثابت می‌شود. الکترون‌ها به سمت آند شتاب می‌گیرند.

در این شرایط، برخوردها الاستیک هستند (بدون تغییر انرژی داخلی) و انرژی الکترون برای یونیزه کردن یا تحریک مولکول‌های دیگر کم است.

الکترون‌ها تا زمانی که انرژی برای یونیزه کردن اتم‌ها به دست آورند، با برخوردهای غیرکشسانی که برای انتقال انرژی کارآمدتر هستند، به برخورد ادامه می‌دهند.

اگر برخوردها انرژی کافی داشته باشند، می‌توانند مولکول‌ها و اتم‌ها را جدا کرده و آن‌ها را به یون و الکترون تبدیل کنند.

مهاجرت الکترون‌ها و یون‌ها جریان را تشکیل می‌دهد، الکترون‌های تشکیل شده در میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند و اتم‌ها و مولکول‌های دیگر را یونیزه می‌کنند و یون‌های مثبت، الکترون‌ها و بهمن الکترونی را تولید می‌کنند.

به دلیل جرم کمتر و سرعت بیشتر، الکترون‌ها (105 تا 106 متر بر ثانیه) به سمت سر بهمن حرکت می‌کنند، در حالی که یون‌های مثبت (50 تا 500 متر بر ثانیه) دم هستند.

یون‌ها الکترون‌های جدیدی را از سطح کاتد استخراج می‌کنند که بهمن‌های بعدی را تشکیل می‌دهند. هنگامی که یونیزاسیون به اندازه کافی شدید رخ می‌دهد، گاز به طور کامل مختل شده و رسانا می‌شود.

یک تخلیه درخشش (GD) می‌تواند در فشار کم در شکاف الکترود پس از شکست ایجاد شود.

با این حال، یک تخلیه جریان با ظاهر رشته‌ای می‌تواند در فشار اتمسفر ایجاد شود. این نوع تخلیه زمانی اتفاق می‌افتد که آند (v) الکترون‌ها را جذب می‌کند و حجمی از یون‌های مثبت بین الکترودها را تشکیل می‌دهد (بار فضایی).

یون‌ها با الکترون‌های آزاد دوباره ترکیب می‌شوند و فوتون‌ها ساطع می‌شوند و باعث فوتیونیزاسیون گاز نزدیک می‌شوند و الکترون‌های بیشتری تولید می‌کنند.

بدین ترتیب بهمن‌های جدید تشکیل می‌شوند (بهمن‌های ثانویه). بهمن‌های ثانویه به بهمن اصلی می‌پیوندند، زیرا الکترون‌ها با یون‌های مثبت خود ترکیب می‌شوند

یک فرآیند متوالی و سریع رخ می‌دهد، با آزاد شدن فوتون‌ها و تشکیل بهمن‌های جدید، یک کانال بسیار رسانا  که به عنوان تخلیه جریان‌دهنده شناخته می‌شود، ایجاد می‌کند.

از تئوری تاونسند، شرایط بهمن از قانون Paschen مشتق شده است که به طور سنتی برای پیش‌بینی شکست گاز استفاده می‌شود.

قانون پاسچن تعریف می‌کند که ولتاژ لازم برای مشتعل کردن پلاسما بین دو الکترود برای یک گاز خاص به فشار محصول (p) و فاصله فاصله الکترود (d) بستگی دارد.

این ولتاژ منجر به تعادل بین تولید الکترون‌ها می‌شود که بهمن‌های الکترونی حجمی و فرآیندهای انتشار الکترون ثانویه را با تلفات الکترون‌ها در سطوح ایجاد می‌کند.

برای مقادیر کم محصول pd، ولتاژ شکست به دلیل برخوردهای اندکی که رخ می‌دهد بالا است و بنابراین انرژی بیشتری برای تولید پلاسما لازم است.

برای مقادیر بالای pd، ولتاژ شکست نیز به دلیل برخوردهای متعدد که باعث می‌شود ذرات به سرعت انرژی خود را از دست بدهند، افزایش می‌یابد که برای افزایش انرژی عرضه‌شده ضروری است.

منابع CP مناسب برای کاربردهای غذایی

روش‌های تولید پلاسما که بیشتر برای پردازش مواد غذایی به کار می‌روند به تخلیه سد دی الکتریک (DBD)، جت پلاسما (PJ)، تخلیه کرونا (CD)، فرکانس رادیویی (RF) و مایکروویو (MW) طبقه‌بندی می‌شوند. مشخصات هر یک از آن‌ها در ادامه آورده شده و مورد بحث قرار گرفته است.

• تخلیه سد دی الکتریک (DBD)

تولید پلاسما با DBD به دلیل هزینه‌های پایین آن در مقیاس صنعتی در حال افزایش است. این فناوری یکی از راحت‌ترین اشکال تولید پلاسما است که به دلیل پیکربندی و انعطاف‌پذیری آن برای شکل الکترود و مواد دی‌الکتریک مورد استفاده، کاربردهای متعددی را ارائه می‌کند.

پلاسمای DBD توسط یک ولتاژ بالا که بین دو الکترود فلزی اعمال می شود (یک الکترود برق و یک الکترود زمین) تولید می‌شود. یک یا هر دو الکترود با یک ماده دی‌الکتریک مانند پلیمر، شیشه، کوارتز یا سرامیک پوشیده شده است که توسط یک شکاف متغیر از 0.1 میلی‌متر تا چندین سانتی‌متر از هم جدا شده است.

برنامه‌ای که امکانات زیادی را برای سیستم DBD باز می کند، درمان مواد غذایی در بسته است، این روش اجازه می‌دهد تا زمان عمل گونه‌های فعال بر روی میکروارگانیسم‌ها را افزایش داده و از آلودگی پس از فرآیند جلوگیری کند.

• جت پلاسما (PJ)

PJ تخلیه‌ای است که پیکربندی‌های مختلف را پوشش می‌دهد که در آن، پلاسما توسط منبع پلاسمایی دیگری تشکیل می‌شود. در میان امکانات طراحی متنوع، معمولی‌ترین آن‌ها از دو حلقه یا الکترودهای هم محور تشکیل شده است که در آن گاز بین جفت الکترود جریان دارد.

الکترود بیرونی زمین است و الکترود مرکزی توسط RF تحریک می‌شود، معمولاً 13.56 مگاهرتز، الکترون‌های آزاد را که با مولکول‌های گاز برخورد می‌کنند و گونه‌های واکنش‌پذیر مختلف را تشکیل می‌دهند، شتاب می‌دهد.

گازی که تحت سرعت جریان بالا جریان دارد، معمولاً یک گاز نجیب یا مخلوطی با یک گاز راکتیو، پلاسمای تشکیل شده را به خارج از ناحیه الکترود که به صورت جت پیش‌بینی می‌شود می‌راند و گونه‌های پلاسما را در محیط باز تخلیه می‌کند.

PJ یک تخلیه پایدار، همگن و یکنواخت در فشار اتمسفر ایجاد می‌کند، این پلاسما هنگام هدف‌گیری به یک منطقه بزرگ محدود است، اما آرایش چندین جت باید در این مورد اعمال شود.

•  ترشحات کرونا (CD)

CD به عنوان یک درخشش نورانی که در فضا نزدیک نقاط تیز، لبه‌ها یا سیم‌های نازک در یک میدان الکتریکی بسیار غیریکنواخت قرار دارد، شناسایی می‌شود. یک جفت الکترود نامتقارن این نوع تخلیه را مشخص می‌کند.

برای افزایش سطح اعمال شده در برنامه غذایی هدف‌گیری CD، پیکربندی الکترود چند نقطه‌ای به دلیل ظرفیت آن برای تولید پلاسمای پرانرژی و متراکم تر از DBD برجسته شده است که باعث ایجاد یک تخلیه منتشر با پوشش بسیار گسترده‌تر از سطح نمونه می‌شود.

• فرکانس رادیویی (RF)

سه نوع اصلی پلاسمای RF وجود دارد: پلاسمای جفت شده القایی (ICP)، پلاسمای جفت شده خازنی (CCP) و منابع موج هلیکن.

ICP و CCP  رایج‌ترین برای کاربردهای صنعتی هستند، پیکربندی CCP شامل دو الکترود موازی است که با یک شکاف چند سانتی‌متری در یک محفظه خلاء از هم جدا شده‌اند.

RF زمانی تولید می‌شود که یک ولتاژ متناوب بین دو الکترود اعمال شود، الکترودها توسط یک منبع توان RF تقریباً 1 کیلووات هدایت می‌شوند که در فرکانس معمولی 13.56 مگاهرتز کار می‌کند،  همچنین، می‌تواند در محدوده 1 تا 500 مگاهرتز کار کند، میدان الکترومغناطیسی نوسانی می‌تواند گاز را یونیزه کند و با در نظر گرفتن الکترون‌ها و یون‌ها، پلاسمایی با چگالی معمولی 1015-1016 m-3 تشکیل دهد. سیستم‌های ICP اغلب از دو منبع تغذیه RF استفاده می‌کنند: اولی یک سیم‌پیچ را به حرکت در می‌آورد که معمولاً خارج از پلاسما است و توسط یک پنجره دی الکتریک از آن جدا می‌شود. منبع تغذیه دوم برای بایاس نگهدارنده بستر و کنترل انرژی یون استفاده می‌شود.

•  مایکروویو (MW)

در ژنراتورهای پلاسمای مگاوات، امواج الکترومغناطیسی معمولاً با فرکانس 2.45 گیگاهرتز توسط یک مگنترون ساطع می‌شوند و برای تولید تخلیه‌های مایکروویو استفاده می‌شوند.

میدان الکتریکی مایکروویو الکترون‌های مولکول‌های گاز را شتاب می‌دهد و در نتیجه بدون الکترود، CP را تشکیل می‌دهد. این سیستم می تواند پلاسما را در فشار کم و اتمسفر تولید کند.

امواج توسط یک موجبر به محفظه تصفیه هدایت می‌شوند و در آنجا به الکترون‌های گاز می‌رسند. الکترون‌ها، امواج مایکروویو را جذب می‌کنند و با برخوردهای غیرالاستیک واکنش‌های یونیزاسیون را ایجاد می‌کنند و انرژی را به صورت فوتون‌های UV و نور مرئی آزاد می‌کنند.

مزایای معمولی شامل افزایش چگالی الکترون در گاز یونیزه شده و راندمان بالا در تولید گونه‌های فعال هست.

اگرچه، این سیستم همچنین برای استریل‌کردن سطح یا ضدعفونی‌کردن کار می‌کند. با این حال، به دلیل قیمت آن و مراقبت‌های لازم برای عملکرد آن، هنوز کم استفاده می‌شود.

 تنظیم عملیاتی پلاسمای سرد

توانایی واکنش پلاسما توسط انرژی الکترون‌ها کنترل می‌شود و به ترکیب شیمیایی گاز مربوط می‌شود. با این حال، انرژی الکترون به میدان الکتریکی اعمال شده و توزیع بار فضایی نیز بستگی دارد که یک چالش در توسعه سیستم پلاسما است.

ویژگی‌های پلاسما به ترتیب‌های بزرگی گونه‌های باردار و فعال در اندازه، مقیاس زمانی، دما و چگالی مرتبط است، چگالی الکترون نوع تخلیه پلاسما و دما را تعیین می‌کند. از آنجایی که چگالی الکترون در تخلیه استریمر زیاد است، تبدیل آن به تخلیه قوس آسان است که منجر به گرمایش گاز و آسیب الکترود می شود.

بنابراین، تخلیه قوس الکتریکی نامطلوب است و طراحی یک راکتور پلاسما که از توسعه آن جلوگیری کند، ضروری است.

از تخلیه‌های حرارتی (مانند قوس‌ها) در CP با استفاده از روش‌های تحریک پلاسما و هندسه‌های الکترود مناسب اجتناب می‌شود. گازهای نجیب رسانایی حرارتی بالاتر و ولتاژ اولیه کمتری نسبت به بیشتر گازهای مولکولی دارند.

بنابراین، آن‌ها می‌توانند گرمایش گاز را به حداقل برسانند. از طرف دیگر، گرمایش گاز را می‌توان با کنترل جریان گاز، افزایش نسبت سطح به حجم پلاسما و عملکرد گذرا تخلیه کاهش داد.

•  تاثیر ترکیب گاز

ترکیب گاز، گونه‌های واکنشی را که با یونیزاسیون تشکیل شده‌اند، مشخص می‌کند و بر راندمان پلاسما و عمل آن تأثیر می‌گذارد. گازهای متعددی را می توان از نظر فنی در CP اعمال کرد که هر کدام دارای ویژگی‌های خاص خود هستند.

پایداری CP به ناخالصی‌ها یا مواد افزودنی گاز بسیار حساس است. مقادیر کمی از گاز مخلوط شده با گاز اصلی می‌تواند باعث تغییرات ولتاژ شکست قابل توجهی شود که اندازه‌گیری دقیق ولتاژ شکست گاز خالص را دشوار می‌کند.

هنگامی که یک الکترون به سرعت بالایی برای ایجاد یونیزاسیون در یک برخورد نمی‌رسد، اتلاف انرژی در برخورد با مولکول‌های گاز زیاد است و میدان الکتریکی برای وقوع شکست زیاد است. هرچه پتانسیل یونیزاسیون گاز بیشتر باشد، پتانسیل شکست بیشتر و میدان الکتریکی مورد نیاز کمتر است.

گازهای اصلی مورد استفاده در کاربردهای غذایی CP شامل آرگون، هلیم و هوا هستند.

هوا به دلیل هزینه کم و سهولت عملیاتی بودن دارای مزایایی است. با این حال، در معرض تغییراتی در ترکیب است که ممکن است بر تجزیه گاز و تشکیل گونه‌های فعال به طور متوالی در نتیجه کاربرد تأثیر بگذارد.

بنابراین، آگاهی از ترکیب و جریان گاز کار ضروری است. گاز باید با دقت انتخاب شود زیرا گونه‌های واکنش‌پذیر حالت‌های عمل متفاوتی دارند و بسته به کاربرد، بازده متفاوتی نیز دارند.

به عنوان مثال، ROS و RNS در CP گونه‌های فعال اصلی گزارش‌شده در غیرفعال‌سازی میکروبی هستند، با این حال، آن‌ها گونه‌های اکسیداتیو هستند که باعث تغییرات نامطلوب در غذاهای تیمار شده مانند اکسیداسیون لیپید و تجزیه فنلی می‌شوند.

•  تأثیر رطوبت نسبی (RH)

در هوایی با محتوای بخار آب نسبتاً زیاد، الکترون‌ها و مولکول‌های آب یون‌های منفی تشکیل می‌دهند.

یون‌های منفی سرعت کمی در میدان الکتریکی دارند و به دلیل کاهش تعداد الکترون‌ها برای تشکیل بهمن، احتمال یونیزاسیون را کاهش می‌دهند و به ولتاژ شکست بالاتر نیاز دارند.

در غلظت‌های کم بخار آب، ولتاژ شکست کمتر است، مولکول‌های آب به گازهای هیدروژن (H2) و اکسیژن (O2) تجزیه می‌‌شوند.

به طور متوالی، مقدار کم H2 ولتاژ شکست را کاهش می‌دهد این نیز در H2 مخلوط با نیتروژن N2 رخ می‌دهد. کاهش ولتاژ با توجه به غلظت H2 به فشار و فاصله بین الکترودها (محصول pd) بستگی دارد.

به گفته فالکنشتاین و کوگان (1997)، بخار آب، رادیکال‌های هیدروکسیل (OH) تولید می‌کند اما تعداد تخلیه میکرو را کاهش می‌دهد و حجم پلاسمای واکنشی سیستم را کاهش می‌دهد.

سد دی‌الکتریک بخار آب را جذب می‌کند و سطح دی‌الکتریک را می‌پوشاند که مقاومت آن را کاهش می‌دهد و ظرفیت دی‌الکتریک موثر را افزایش می‌دهد و  افزایش رطوبت گاز باعث کاهش همگنی تخلیه می‌شود.

بخار آب موجود در هوا برای سنتز O3، اکسیدهای نیتریک کمتری با سطوح اکسیداسیون پایین (مانند NO و NO2) تولید کرده و گونه‌های NOx بسیار اکسیدشده (مانند N2O3 و N2O5) را تولید می‌کند. هنگامی که RH افزایش می‌یابد، NOx به HNO3 تبدیل می‌شود و بازده O3 کاهش می‌یابد.

بنابراین، کیفیت CP هنگام اعمال در شرایط محیطی به دلیل عدم قطعیت RH هوا، تغییرپذیری نشان می‌دهد، بنابراین، به ویژه برای کاربردهای بیولوژیکی، RH باید شناخته و کنترل شود.

• تأثیر الکترود و سد دی‌الکتریک

الکترودها و سد دی‌الکتریک راکتورهای پلاسما موادی هستند که به طور گسترده در حوزه آیرودینامیک استفاده می‌شوند. جستجو برای راکتورهایی با کارایی بیشتر مستمر است، در حالی که در مواد غذایی و کشاورزی، آن‌ها هنوز کمی مورد کاوش قرار می گرفته و به طور کلی مورد غفلت قرار می‌گیرند.

مواد، هندسه و وضعیت سطح الکترود و سد دی‌الکتریک به شدت بر خواص شیمیایی پلاسما، انتشار الکترون، یونیزاسیون اتم، چگالی پلاسما، دما و شکست ولتاژ تأثیر می‌گذارد.

درک عمیق‌تر از اینکه چگونه الکترودها و موانع دی‌الکتریک بر ویژگی‌های CP تأثیر می‌گذارند، به بهبود سیستم‌های تولید پلاسما، مانند راندمان انرژی کمک می‌کند. علاوه بر این، امکان پیش‌بینی و کاهش عدم قطعیت در کاربرد پلاسما را فراهم می‌کند زیرا الکترودها و موانع دی‌الکتریک در طول زمان دچار پیری می‌شوند و ویژگی‌های تخلیه را تغییر می‌دهند.

• مواد الکترود

برای درک اثر مواد الکترود بر تولید CP، برخی از پژوهشگران، الکترودهای مبتنی بر فولاد، آلومینیوم، برنج، آهن و مس را مقایسه کردند. نویسندگان مشاهده کردند که فولاد ضدزنگ و آلومینیوم تا 123 درصد بازده انرژی بیشتری دارند.

با این وجود، حتی اگر یک ماده الکترود بهترین شرایط انرژی را ارائه دهد، انتخاب ماده به عوامل دیگری مانند دمای مورد نظر نیز بستگی دارد که ممکن است بر کیفیت محصول غذایی تأثیر بگذارد.

الکترودهایی که به دمای بالا دست می یابند می‌توانند برخورد ذرات بیشتری را افزایش دهند. با این حال، تجزیه ذرات تشکیل شده می‌تواند سریعتر باشد، مواد الکترود همچنین بر کارایی غیرفعال‌سازی میکروبی تأثیر می‌گذارد.

• هندسه و شکل الکترود

در مقایسه با الکترود صفحه-صفحه سنتی، تنظیمات چند نقطه‌ای و مش ولتاژ شکست را کاهش می‌دهد، توزیع تخلیه را بهبود می‌بخشد و پتانسیل را در کاربردهای صنعتی افزایش می‌دهد.

در صنعت بسته‌بندی، الکترودهای صفحه مشبک پوشش‌های مبتنی بر متیل متاکریلات را از نظر ضخامت، مورفولوژی و ترکیب شیمیایی یکنواخت‌تر از الکترودهای صفحه‌ای که ناهموار، خشن‌تر و دارای عملکرد کمتر هستند تولید می‌کنند.

• سایش الکترود

تعامل با تخلیه الکتریکی و سطح الکترودها منجر به سایش مواد می‌شود و می‌تواند تخلیه را تغییر دهد. فرآیندهای اصلی سایش الکترودها فرسایش و اکسیداسیون هستند.

گونه‌های واکنش‌پذیر پلاسما می‌توانند تمام فلزات الکترود را اکسید کنند و یک لایه لایه‌ای تشکیل دهند و فرسایش سطحی ایجاد کنند.

معمولاً الکترود آند (الکترود غیرفعال) الکترون‌های حامل جریان را از تخلیه می‌گیرد. الکترود کاتد جایی است که الکترون‌ها استخراج می‌شوند (الکترود فعال) و شدت انرژی و شار ذرات بیشتر از محیط اطراف است، به همین دلیل، سایش اصلی روی الکترود کاتد رخ می‌دهد.

علاوه بر این، ناخالصی‌ها یا زبری سطح کاتد می‌تواند به طور قابل توجهی بر تولید پلاسما تأثیر بگذارد. به طور خاص، تغییرات ایجاد شده در دینامیک تخلیه‌های ریز می‌تواند همگنی پردازش را تغییر داده و بر واکنش‌های بیولوژیکی و شیمیایی در کاربردهای غذایی تأثیر بگذارد.

علاوه بر این، اصلاح مورفولوژیکی الکترود به طور قابل‌توجهی بر طول عمر سلول تخلیه تأثیر می‌گذارد و می‌تواند تأثیر غیرمنتظره‌ای بر کاربردها داشته باشد.

• تاثیر مواد دی‌الکتریک

هدف اصلی سد دی‌الکتریک تجمع بار و محدود کردن جریان تخلیه برای جلوگیری از انتقال به قوس است. تجمع بار به ترکیب و خواص مواد دی‌الکتریک بستگی دارد. بنابراین ثابت دی‌الکتریک و ضخامت آن با بازده پلاسما مرتبط است. انتخاب مواد مناسب برای پلاسمای DBD برای تولید تخلیه یکنواخت و کارآمد ضروری است.

کاربردهای مرتبط با غذا از پلاسمای سرد

غیرفعال‌سازی میکروبی

اثر ضد میکروبی CP به پارامترهای مختلفی مانند عوامل محیطی (دما و RH)، خواص مواد غذایی (محتوای رطوبت، pH، ترکیب محصول، خواص سطح و نسبت سطح به حجم)، پارامترهای پردازش (ولتاژ، فرکانس، ترکیب گاز)، سرعت جریان، زمان درمان، نوع الکترود، شکاف بین الکترود، فضای سر و زمان الگوی نوردهی و ویژگی‌های میکروارگانیسم‌ها بستگی دارد.

علاوه بر این، اندازه سیستم پلاسما و هندسه عوامل اساسی تغییر اثر ضد میکروبی CP هستند. حجم زیاد تراکم گونه‌های واکنش‌پذیر پلاسما را کاهش می‌دهد که بر پس‌درمان تأثیر می‌گذارد و به دلیل طولانی‌تر شدن زمان واکنش گونه‌های واکنش‌پذیر با باکتری‌ها مهم است.

به طور کلی، فرآیند CP در pH پایین به دلیل دناتوره شدن جزئی ساختارهای پروتئینی و نشت سلولی، کارایی بالایی دارد.

علاوه بر این، H2O2 تشکیل شده در اثر بخار آب در فاز گاز، یک اکسیدکننده قوی است و ساختار بیرونی سلول را با اکسیداسیون تحت تاثیر قرار می‌دهد و منجر به مرگ سلول می‌شود.

اگرچه CP در ضدعفونی‌سازی میکروبی مواد غذایی موفق عمل می‌کند، اما مواد غذایی به دلیل ترکیبات مختلف (نشاسته، پروتئین، لیپیدها، ویتامین‌ها، مواد معدنی، آب و بسیاری از ریز اجزای دیگر) ماتریس‌های پیچیده‌ای هستند.

بنابراین، توجه دقیق به نوع غذا، فرمولاسیون و پارامترهای فرآیند می‌تواند اثرات منفی فیزیکوشیمیایی و حسی را برای محصول، مانند اکسیداسیون لیپید در کاربرد ACP به حداقل برساند.

• مکانیسم‌ها و پارامترهای غیرفعال‌سازی باکتری‌ها

مکانیسم‌های متعددی برای غیرفعال‌سازی باکتری توسط CP پیشنهاد شده‌اند و به دلیل پیچیدگی‌های شیمی پلاسما و سیستم‌های میکروبی هنوز مشخص نیستند.

مخلوط گازهای حاوی هوا یا O2 مورد استفاده در سیستم ACP گونه‌های فعال (RNS و ROS) را تولید می‌کند که با حمله به دیواره سلولی میکروبی نقش غیرفعال‌کننده مهمی را ایفا می‌کنند که منجر به پارگی سلول و اکسیداسیون پپتیدوگلیکان یا لیپوپلی‌ساکاریدها می‌شود.

اجزای درون سلولی، گونه‌های فعال با پراکسیداسیون لیپیدی، غیرفعال شدن آنزیم، دناتوره‌سازی پروتئین، اکسیداسیون اسیدهای آمینه و برش دی‌اکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) باعث ایجاد استرس اکسیداتیو و پارگی غشای سلولی می‌شوند.

آسیب DNA ممکن است تکثیر سلولی را به تاخیر بیندازد، همچنین، رادیکال‌هایی که در اثر شکسته شدن پیوندهای دوگانه لیپیدهای غیراشباع غشای سلولی ایجاد می‌شوند، می‌توانند ضایعات سلولی سطحی (اچ کردن) را تحریک کنند.

• مکانیسم‌‌ها و پارامترهای غیرفعال‌سازی اسپور باکتریایی

مکانیسم‌های مسئول غیرفعال‌سازی اسپور باکتریایی به دلیل ساختار سلولی و ویژگی‌های مقاومت مختلف به طور کامل شناخته نشده‌اند. مکانیسم‌های دفاعی زیادی در برابر روش‌های غیرفعال‌سازی مانند اسپورزایی، حفاظت و ترمیم DNA و کاهش سطح آب هسته وجود دارد.

پنج مکانیسم فیزیکی ممکن مانند گونه‌های فعال، ذرات باردار، فوتون‌های UV، میدان الکتریکی و گرما مسئول غیرفعال‌شدن میکروارگانیسم هستند.

مکانیسم‌های اصلی پیشنهادشده برای غیرفعال کردن هاگ‌ها توسط CP شامل تابش اشعه ماوراء بنفش ساطع شده است که می‌تواند باعث آسیب DNA شود و پیوندهای شیمیایی در مواد میکروارگانیسم را بشکند.

• مکانیسم‌ها و پارامترهای غیرفعال‌سازی قارچی

CP پتانسیل غیرفعال‌سازی قارچی و سم‌زدایی مایکوتوکسین را دارد. پژوهشگران، مکانیسم عمل گونه‌های واکنش‌دهنده CP را علیه سلول‌های قارچی پیشنهاد کردند که منجر به غیرفعال شدن آن‌ها (از دست دادن عملکرد و ساختار و مرگ سلولی) بر اساس تغییر شکل نوک میسلیوم، آپوپتوز سلولی، تخریب پروتئین سلولی، قطعه قطعه شدن و آزاد شدن DNA و در نهایت از دست دادن نفوذپذیری و نشت سلولی می‌شود.

تاثیر بر اجزای غذا

درمان CP می‌تواند تأثیر مثبت یا منفی بر اجزای غذا و خواص تغذیه‌ای آن‌ها داشته باشد. در مطالعه‌ای، نشان داده شد که غلظت اسید اسکوربیک تغییرات قابل توجهی در تکه‌های پیاز در معرض تبخیر رطوبت همراه با تیمار DBD با استفاده از گاز He را نشان نمی دهد. سطوح گونه‌های فعال و فوتون های UV ممکن است برای تجزیه اسید اسکوربیک کافی نبوده باشد.

در آب آلبالو، نتایج مطالعه نشان داد که افزایش محتوای O2، شدت میدان و زمان قرار گرفتن در معرض پلاسما باعث کاهش محتوای ویتامین C به دلیل رادیکال‌های اکسیژن می‌شود.

البته تحقیقات بیشتری در مورد تعامل گونه‌های واکنش‌دهنده CP با اجزای غذا در سطح مولکولی برای درک تأثیرات مختلف بر خواص حسی، شیمیایی، تغذیه‌ای و عملکردی محصول غذایی مورد نیاز است.

مشاهدات مهم دیگر این است که سلول‌های گیاهی می‌توانند اثرات مضر ROS را با بسط سیستم دفاع آنتی‌اکسیدانی متشکل از جاذب‌کننده‌های آنزیمی و غیرآنزیمی ROS، مانند متابولیت‌های آبدوست (آسکوربات و گلوتاتیون) و متابولیت‌های چربی‌دوست (آلفا توکوفرول و کاروتنوئیدها) به حداقل برسانند. با این حال، یک محتوای ROS کنترل شده یک عامل کلیدی در کاهش اثرات منفی تغذیه‌ای مواد غذایی درمان پلاسما است.

•  غیرفعال شدن آنزیم

آنزیم‌ها نقش کلیدی در نگهداری مواد غذایی دارند زیرا واکنش‌هایی را کاتالیز می‌کنند که باعث کاهش ویژگی‌های غذایی و حسی غذا می‌شود.

غیرفعال یا مهار آنزیم می‌تواند از واکنش‌های قهوه‌ای نامطلوب در میوه‌ها و سبزیجات جلوگیری کند یا باعث واکنش‌های آلرژیک در بدن انسان شود.

بنابراین، درک تأثیر منابع مختلف پلاسما و پارامترهای کنترل کننده مانند زمان، قدرت تصفیه و نوع گاز بر غیرفعا‌ل‌شدن آنزیم بسیار مهم است.

مکانیسم مخالف غیرفعال‌سازی آنزیم در درجه اول با گسترش ساختار ثانویه مرتبط است که به طور کلی پایدارترین بخش پروتئین‌ها را نشان می‌دهد.

اصلاح پروتئین عمدتاً توسط واکنش‌های هم‌افزایی با ROS و RNS ایجاد می‌شود و  می‌تواند پیوندهای پپتیدی اسیدهای آمینه در پروتئین‌ها از جمله سیستئین، فنیل‌آلانین، تیروزین و تریپتوفان را بشکند و ساختار ثانویه پروتئین را به دلیل کاهش و افزایش ساختار مارپیچ α در ساختار ورقه β تغییر دهد. علاوه بر این، فوتون‌های UV می‌توانند باعث تخریب اسیدهای آمینه معطر مانند تیروزین و تریپتوفان شوند.

• مهار آلرژی‌زایی پروتئین

مکانیسم CP در غیرفعال شدن پروتئین آلرژ‌ زا مشخص نیست. مکانیسم شناخته شده اولیه شامل تغییرات مولکولی در ساختار پروتئین به دلیل واکنش‌های شیمیایی بین پروتئین و گونه‌های فعال پلاسما است.

در برخی مطالعات مشاهده شده است که کاهش آنتی‌ژنی به زمان درمان بستگی دارد. پژوهشگران، کاهش آنتی‌ژنی بادام زمینی را 43.0 درصد برای کل بادام زمینی و 9.3 درصد برای آرد بادام زمینی بدون چربی خشک و کاهش آلفا-مارپیچ (بخش آلرژن ساختار ثانویه Ara h1) با افزایش زمان درمان پلاسما مرتبط کرد.

•  تخریب آفت‌کش‌ها

بیشتر آفت‌کش‌های مورد استفاده در محصولات کشاورزی شامل دیازینون، کلرپیریفوس، سیپرمترین، پاراتیون، پاراکسون، امتوات، دی کلرووس، مالاتیون، آزوکسی استروبین، سیپرودینیل و فلودیوکسونیل هستند که باقیمانده آن‌ها در موادغذایی می‌تواند برای سلامت انسان و محیط‌زیست خطرناک باشد.

CP می‌تواند انرژی را از الکترون‌ها تامین کند تا گاز خوراکی یا مولکول‌های آفت‌کش را جدا کند و رادیکال‌های آزاد و گونه‌های برانگیخته تولید کند.

تخریب آفت‌کش‌ها به دلیل فعل و انفعالات گونه‌های واکنش‌پذیر پلاسما رخ می‌دهد که باعث گسست باند شیمیایی و واکنش‌های مختلف اکسیداسیون می‌شود.

 اصلاح مواد بسته‌بندی مواد غذایی

تیمارهای CP برای افزایش انرژی سطح پلیمر، تغییر سطح و افزایش چسبندگی، قابلیت چاپ، ترشوندگی، آب‌بندی و مقاومت استفاده می‌شوند.

گونه‌های یونیزه شده با سطح فعال شده واکنش می‌دهند یا با زنجیره‌های پلیمری سطحی پیوندهای عرضی ایجاد می‌کنند.

سطح تحت درمان با پلاسما می‌تواند تغییرات فیزیکی و شیمیایی ایجاد کند. افزایش زبری سطح، تغییر فیزیکی اصلی ناشی از بمباران ذرات پرانرژی پلاسما بر روی سطح پلیمر است.

گونه‌های فعال همچنین می‌توانند از نظر شیمیایی به زنجیره پلیمر بچسبند و پیوند ثانویه یا ترکیب شیمیایی سطحی را تغییر دهند.

CP همچنین به تحقیقات قابل توجهی برای درک مکانیسم‌های واکنش بهتر، مسیرهای ضد باکتریایی و اثرات منفی و محدودیت‌ها بر روی خواص بصری، شیمیایی، تغذیه‌ای و عملکردی محصولات غذایی نیاز دارد.

تحقیقات گسترده‌ای باید با استفاده از منابع مختلف پلاسما، پیکربندی‌ها و گازهای عامل انجام شود. برای هر شرایط، گونه‌های پلاسما با توجه به نوع و غلظت گونه‌های واکنش‌دهنده مشخص می‌شوند.

این اطلاعات می‌تواند برای مقایسه اثر فرآیندهای مختلف در یک غذای خاص بسیار مفید باشد.

علاوه بر این، هدف گذاری در مقیاس بزرگ در شیوه های صنعتی، پارامترهای عملیاتی، الکترودها، و پیکربندی تخلیه مانع، مواد، هندسه، شکل و سایش آن‌ها باید با دقت برای هر موقعیت مطالعه و مورد بحث قرار گیرد. این بررسی اطلاعات مفیدی را خلاصه می‌کند که می‌تواند به مهندسان و فن‌آوران مواد غذایی در این سفر کمک کند، و همانطور که نشان داده شد، CP ابزاری قدرتمند برای کمک به صنایع غذایی است که محصولات بهتر و ایمن‌تری را به‌طور پایدارتر ارائه دهند.

سمیت پلاسمایی سرد

تعداد کمی از محققان در حال بررسی تشکیل ترکیبات سمی در غذاها پس از درمان CP هستند. پژوهشگران فیلم خوراکی مبتنی بر سویا را با پلاسمای سرد درمان کردند نتایج نشان داد که فیلم خوراکی تیمار شده دارای سمیت بسیار کم، بدون هیچ گونه اثرات سم شناسی قابل توجهی است.

این فناوری بین مولکول‌های نشاسته تأثیر می‌گذارد اما عناصر جدیدی را در آن‌ها ترکیب نمی‌کند و این نشان می‌دهد که پلاسما می‌تواند یک تکنیک بی‌خطر و بدون مواد شیمیایی مفید برای اصلاح نشاسته باشد.

ارتباط صنعتی

نمونه‌هایی از CP در کارخانه‌های آزمایشی وجود دارد که به تصفیه مواد غذایی اختصاص داده شده است. در نمونه‌ای، این سیستم CP مبتنی بر یک راکتور DBD است که در محیط باز جوی با یک الکترود 1 متری بالای تسمه نقاله، شکاف تخلیه قابل تنظیم (تا 4.5 سانتی متر) و ولتاژ اعمال‌شده از 0 تا 100 کیلو ولت کار می‌کند.

امروزه برخی از شرکت‌ها در سراسر جهان تجهیزات CP را با کاربردهای بالقوه برای بخش مواد غذایی توسعه داده‌اند. شرکت Henniker Plasma (https://plasmatreatment.co.uk) طیف گسترده‌ای از تجهیزات تصفیه پلاسما، مانند پوشش پلاسما، برای تغییر سطح مواد و اچ پلاسما برای حذف انتخابی لایه‌های سطح، فعال‌سازی سطح پلاسما برای بهبود ارائه می‌دهد

+

 بیوچار چیست؟ / تاثیر ترسیب کربن در کاهش انتشار اکسید نیتروژن