Zimna plazma atmosferyczna – sposób na mykotoksyny w ziarnach

Zanieczyszczenie ziarna mykotoksynami jest jednym z największych problemów przemysłu spożywczego, prowadzącym do utraty jakości pokarmu, problemów zdrowotnych ludzi i zwierząt oraz znacznych strat finansowych. Zimna plazma atmosferyczna to wschodząca technologia nietermiczna z potencjałem degradacji mykotoksyn. Warto sprawdzić, jak działa ta nowatorska metoda oraz jakie wyzwania przed nią stoją.

tekst: Mateusz Uciński, na podstawie All about feed

Każdego roku ponad 25% zbóż produkowanych na całym świecie jest zanieczyszczonych mykotoksynami. Konwencjonalne i zaawansowane techniki odkażania, takie jak łagodna obróbka cieplna i obróbka mikrofalowa, mają ograniczenia, w tym termiczne uszkodzenia smaku i wartości odżywczych, niską skuteczność, szkodliwy wpływ na zdrowie ludzi i środowisko, niską wykonalność i odporność na ciepło. Dlatego potrzebne są bardziej skuteczne i praktyczne metody, takie jak obróbka zimną plazmą atmosferyczną, aby utrzymać wysoką jakość ziarna, świeży wygląd i wydłużyć okres przydatności do spożycia paszy dla zwierząt.

Czym jest technologia zimnej plazmy atmosferycznej?

Zimna plazma atmosferyczna to nowa technologia nietermiczna, która może degradować mykotoksyny bez wpływu na jakość żywności. Po zwiększeniu energii wewnętrznej ciało stałe zamienia się w ciecz, następnie w gaz, a ostatecznie w stan zjonizowany. Ten zjonizowany stan gazu, który składa się z wolnych elektronów, atomów i fotonów, jest określany jako „plazma”. Plazma dzieli się na termiczną i nietermiczną. Plazma nietermiczna lub zimna plazma ma temperaturę niższą niż 60°C.

Dwa główne skuteczne składniki w procesie plazmy atmosferycznej to reaktywne formy tlenu (ozon, tlen singletowy, nadtlenek, nadtlenek i rodniki hydroksylowe) i reaktywne formy azotu (rodniki azotu i tlenku azotu), które odgrywają ważną rolę w degradacji mykotoksyn. Jak zatem dokonuje się atmosferyczna produkcja zimnej plazmy?

Wyładowanie z barierą dielektryczną jest bezpieczną i opłacalną metodą stosowaną do generowania zimnej plazmy atmosferycznej poprzez wytwarzanie wyładowania plazmowego między dwoma równoległymi elektrodami, gdzie obie elektrody lub co najmniej jedna z nich jest owinięta dielektrykiem. W zimnej plazmie atmosferycznej z barierą dielektryczną wyładowanie jest blokowane przez warstwę bariery dielektrycznej, takiej jak tlenek glinu, szkło, szkło krzemionkowe lub materiały ceramiczne. Ponadto cienka warstwa emalii lub polimeru pokrywa jedną lub obie elektrody, aby uniknąć iskry lub wyładowania łukowego.

Proces, produkt i czynniki mikrobiologiczne wpływają na skuteczność obróbki zimną plazmą atmosferyczną z wyładowaniem bariery dielektrycznej w środowiskach otwartych i zamkniętych. Czynniki procesowe obejmują napięcie, częstotliwość, aktualny rodzaj gazu, wilgotność względną, temperaturę i natężenie przepływu, materiał, grubość i rozstaw elektrod i bariery, czas obróbki, przestrzeń roboczą, typ wzorca ekspozycji oraz siłę pola elektrycznego. Z kolei czynniki produktu definiują rodzaj i skład produktu, charakterystykę powierzchni i zawartość wody. Nie mniej ważne są także czynniki mikrobiologiczne, do których możemy zaliczyć rodzaj patogenu, jego początkową ilość i fazę wzrostu.

Atmosferyczne mechanizmy działania zimnej plazmy

Nagromadzenie ładunku powierzchniowego tworzy całkowitą siłę elektryczną przekraczającą całkowitą siłę rozciągającą na membranie, co z kolei prowadzi do rozerwania elektrostatycznego i śmierci komórki. Ponadto wyładowanie gazowe wytwarza energetyczne jony, rodniki i reaktywne związki, które powodują utlenianie i uszkadzają błonę komórkową lub składniki komórkowe. Reaktywne formy tlenu z zimnej plazmy atmosferycznej oddziałują z lipidami, białkami i DNA oraz zmieniają funkcje błon biologicznych i biomolekuł komórkowych. Co więcej, intensywne pole elektryczne zimnej plazmy atmosferycznej rozbija błonę komórkową i powoduje wyciek komórek bakteryjnych i utratę funkcjonalności komórek. Rozkład mykotoksyn po zderzeniu z elektronami i jonami oraz światło UV przyczyniają się do rozszczepiania mykotoksyn przez obróbkę zimną plazmą atmosferyczną. Podczas tej obróbki temperatura próbki nie wzrasta powyżej 60°C, w związku z czym nie uzyskuje się termicznej degradacji mykotoksyny.

Jakie wyzwania stoją przed branżą spożywczą?

Istnieją pewne ograniczenia w stosowaniu obróbki zimną plazmą atmosferyczną z barierą dielektryczną w przypadku miękkiej paszy ze względu na powstawanie zlokalizowanych gorących wstęg, które pozostawiają widoczne ślady; jednak ta metoda jest przydatna do obróbki twardych pokarmów stałych, takich jak orzechy. Ponadto ten typ obróbki ma silne działanie utleniające, które wpływa na bioaktywne związki i składniki, w tym lipidy i białka w paszach dla zwierząt gospodarskich, ograniczając w ten sposób jej potencjał w przypadku wysokotłuszczowej żywności wysokobiałkowej. Biorąc pod uwagę integralną złożoność obróbki zimną plazmą atmosferyczną i dodatkową złożoność produktów spożywczych o różnych składnikach, rozmiarach, kształtach i właściwościach powierzchni, wymagane jest opracowanie specjalnie zaprojektowanych systemów wyładowań z barierą dielektryczną do zastosowań w odkażaniu produktów spożywczych. Ponadto charakterystyka powierzchni podłoży wpływa na przeżywalność drobnoustrojów podczas obróbki zimną plazmą atmosferyczną. Dlatego potrzebna jest dalsza wiedza na temat chemii zimnej plazmy atmosferycznej i mechanizmów inaktywacji drobnoustrojów przez poszczególne składniki tej plazmy, aby zoptymalizować obróbkę dla określonych produktów. Zaleca się skoncentrowanie badań na lepszym zrozumieniu mechanizmów reakcji, szlaków antybakteryjnych, wpływu zimnej plazmy atmosferycznej na jakość i bezpieczeństwo żywności, aby uniknąć prawdopodobnych skutków ubocznych dla zdrowia zwierząt.

Podsumowując, trzeba przyznać, że zimna plazma atmosferyczna jest obiecującą technologią, stosowaną w przemyśle spożywczym dla zwierząt gospodarskich do degradacji mykotoksyn ze względu na jej właściwości przeciwdrobnoustrojowe, rodniki i gatunki reaktywne oraz minimalny wpływ na cechy jakości żywności. Może być stosowana na liniach produkcyjnych i przetwórczych różnych ziaren, aby zachować wysoką jakość, świeży wygląd i wydłużyć okres przydatności do spożycia. Jednakże ta metoda nie może całkowicie zastąpić konwencjonalnych procesów sterylizacji stosowanych w przemyśle spożywczym ze względu na ograniczenia technologiczne. Zdecydowanie konieczne są dalsze badania, aby zrozumieć wpływ różnych parametrów procesu oraz ich interakcji na skuteczność degradacji mykotoksyn przez zimną plazmę atmosferyczną. 