علم پلاسما
پلاسما:تعریف، فیزیک و شیمی
درسال 1922،دانشمند آمریکایی Irving Langmuir پیشنهاد کرد که الکترون ها،یون ها و مواد بی اثر در یک گاز یونیزه شده، میتوانند به عنوان ماده ذره دار در نظر گرفته شوند که در بعضی از انواع محیط سیالی حمل می شوند و این محیط حامل را پلاسما نامید که مشابه پلاسما بود که یک فیزیولوژیست چک به نام Jan Evangelista Purkinje معرفی کرده بود و یک سیال شفاف بود که پس از خارج کردن همه مواد ذره دار از خون، به جا می ماند. با اینکه بعد مشخص شد که هیچ محیط سیال سبب حمل شدن الکترون ها، یون ها و مواد بی اثر در یک گاز یونیزه شده نمیشود (Bellan 2006)،اما این نام باقی ماند.
اصطلاح پلاسما به گازهایی اطلاق می شود که به صورت جزئی یا کلی یونیزه شده باشند و ضرورتا از فوتون ها، یون ها و الکترون های آزاد و همچنین اتم ها در حالت های اساسی یا برانگیخته خود تشکیل شده اند و دارای شارژ خنثی خالص هستند . پلاسما دارای شارژ خالص و خنثی است چون تعداد شارژهای مثبت و منفی که حمل می کند با هم برابرند (Kudra and Mujumdar 2009) .الکترون ها و فوتون های موجود در گازها اغلب با عنوان گونه های سنگین ،نامیده شده اند.پلاسما به دلیل خواص ویژه ای که دارد اغلب به عنوان حالت چهارم ماده اطلاق می شود . شکل نشان می دهد که چگونه سطح انرژی افزایش یافته و از حالت جامد به مایع و بعد به گاز و در نهایت به پلاسما می رسد.
انواع پلاسما
بر اساس شرایطی که پلاسما در آن تولید می شود، دو طبقه بندی برای آن به نام حرارتی و غیر حرارتی (Non-thermal plasma (NTP))وجود دارد . طبقه بندی پلاسما بر اساس سطوح دارای انرژی نسبی در الکترون ها و گونه های سنگین پلاسما است. NTP (در دماهای نزدیک به دمای اتاق در حدود 60-30 درجه سانتی گراد)، در فشارهای اتمسفری یا فشار های کاهش یافته (خلا) به دست می آید و نیاز به قدرت کمتر دارد. وجه مشخصه NTP ها در این است که دمای الکترون بسیار بالاتر از گاز (دمای ماکروسکوپیک ) است و در نتیجه یک تعادل ترمودینامیکی محلی (منطقه ایی)ارائه نمی دهند. NTP میتواند بوسیله یک دشارژ الکتریکی در یک گاز در فشار پایین و یا با استفاده از مایکروویو تولید شود.
شکل 1 – انواع پلاسما |
کاربرد های پلاسما در صنعت غذا
تاثیر پلاسما بر میکروارگانیسم ها
استفاده از خواص استریلیزاسیونی پلاسما در ابتدا در اواخر دهه 1960 معرفی شد و در سال 1968 به صورت پتنت در آمد (Menashi 1968) و اولین بار در سال 1989 کار با پلاسما تولید شده از اکسیژن ، پیشنهاد شد . بعد از آن ، تحقیقات قابل توجهی در مورد مکانیسم غیر فعال سازی میکروبی توسط مواد پلاسمایی ارائه گردید.مواد پلاسماییبا واکنش با مواد بیولوژیکی در از بین بردن میکروارگانیسم ها شرکت مینمایند . نلسون و برگر (1989) نشان دادند که پلاسما اکسیژن می تواند برای کشتن زیستی باکتری ها کارآیی زیادی داشته باشد. تیمار با پلاسما میتواند به صورت موثری ، رنج وسیعی از میکروارگانیسم ها از جمله اسپور ها و ویروس ها را غیرفعال سازد.
تاثیر پلاسما می تواند کاملا انتخابی باشد که به این معنی است که به میکروارگانیسم های بیماری زا بدون صدمه به میزبان صدمه بزند یا در میکروارگانیسم های متفاوت ، مسیرهای متفاوتی را فعال نماید (ِDobrynin et al.2009)
تیمار فرآورده های خام و خشک شده
اشرشیا کولی ، سالمونلا تیفی موریوم، استافیلو کوکوس آرئوس ، لیستریا مونو سیتوژنز و انتروکوکوس فکالیس میکروبهای بیماری زا با منشاء غذایی هستند که سبب بیماری های شدید و در برخی موارد مرگ می شوند (Yun et al.2010) به طور سنتی، روش های استریلیزاسیون مانند گرما، محلول های شیمیایی و گازها (به عنوان مثال اتیلن اکسید، هیدرژن پراکسید) برای آلودگی زدایی سطحی از میوه ها، ادویه ها، دانه های روغنی و غیره به کار برده می شوند و اغلب زمان بر هستند، سبب ایجاد صدمه می شوند و یا این که دارای باقیمانده های سمی هستند (Muranyi et al.2007). اثرات پلاسمای سرد بر غیر فعال سازی بیماری زاها، به صورت بالقوه ای یک مرحله تیمار برای فرآورده های تازه برای کاهش بار میکروبیولوژیکی بدون تاثیر معکوس بر خواص تغذیه ای و سایر که به عنوان یک جانشین 10911 ارائه می دهند. در مطالعه ای در مورد اشرشیا کولی ،خواص کلیدی ماده غذایی غیر بیماری زا برای گونه ای از سالمونلا در داخل بادام تلقیح شده بود، گزارش شد که کاهش شمارش میکروبی معادل 4 سیکل لگاریتمی در میلی لیتر رخ داد (Deng et al,2006). در این مطالعه با قرار دادن بادام ها در یک حفره 10 میلی لیتری بین دو الکترود دشارز پلاسما و سپس تیمار کردن به مدت 30 ثانیه در 25 کیلو ولت و 2 کیلوهرتز،استریزاسیون رخ داد. به طور مشابه دانشمندان دیگری Niemira and Sites با استفاده از پلاسمای سرد که در یک جرقه مالشی تولید میشد توانستند جمعیت سالمونلا و اشرشیا کولی زنده که در روی سطح سیب تلقیح شده بودند را به صورت قابل ملاحظه ایی کاهش دهند.
کنترل بیوفیلم ها و آلودگی زدایی از سطوح فرایند
بیوفیلم ها در صنایع غذایی به خصوص در بخش هایی مانند تهیه آبجو، فرآیند های لبنی، مواد تازه، فرآیندهای طیور و فرآیندهای گوشت قرمز بسیار مشکل آفرین هستند. تکنولوژی پلاسما می تواند به عنوان یکی از کاربردهای ممکن برای مبارزه با بیوفیلم ها که بر سطوح فرآیند تشکیل می شوند ، به کار گرفته شود . یک پتنت در آمریکا اختراع دانشمندان (denes et al.) برای غیرفعال کردن بیوفیلم های باکتریال در سطوحی که در معرض عملیات پلاسما سرد قرار گرفته بودند، را توصیف کرد. این پتنت ادعا نمود که اگر سطوح فرآیند مواد غذایی که دارای آلودگی بیولوژیکی است در معرض پلاسما اکسیژن قرار بگیرد سبب استریلیزاسیون خواهد شد و آلودگی بیولوژیکی به شکلی در خواهد آمد که بعد مقاوم به چسبیدن باکتری ها و سایر مواد زیستی خواهد شد و تمیز کردن و استریلیزاسیون در سطوحی انجام خواهد شد که با بیوفیلم ها پوشیده نخواهند بود. این مخترعین سپس پیشنهاد نمودند که مرحله بعدی می تواند اینطور ادامه یابد که پلاسما واسطه ایجاد یک فیلم ضد کف گردد و با استفاده از اجزائی یک شبکه ای از ماکرومولکول ها با ساختمان مطلوب که مقاوم به چسبیدن باکتری ها است فراهم نماید.
آلودگی زدایی سطحی از تخم مرغ
گونه های سالمونلا برای مصرف کنندگان تخم مرغ یک خطر بالقوه به شمار می روند. منابع علمی چندین راه غیرگرمایی برای آلودگی زدایی از پوسته تخم مرغ را که شامل روش های اکسیداسیون پیشرفته(َAOPs)مانند تکنولوژی پالس های نوری (Hierro et al.2009) ،ازن،اشعه ماورا بنفش و آب کمی اسیدی شده الکترولیز شده (Cao et al.2009 )می شوند ،پیشنهاد نموده است. این روش ها به دلیل عدم کارایی تکنیک های سنتی در تمیز کردن سطوح پوست تخم مرغ بوجود آمده است. دانشمندان (Ragni and co-workers .2010) بر روی کارآیی پلاسما با دشارز سد مقاومتی (RBD) برای آلودگی زدایی از سطوح پوسته تخم مرغ تحقیق نمودند. روش آنها ، سبب کاهش حداکثر 2.2 تا 2.5 سیکل لگاریتمی از شمارش کلی سالمونلا انتریتیدیس پس از 60 تا 90 دقسقه تیمار در رطوبت نسبی 35 درصد در پوسته تخم مرغ شد.
استریلیزه کردن مواد بسته بندی
مواد بسته بندی مواد غذایی هم به عنوان نگهدارنده و هم به عنوان محافظت کننده از فساد و آلودگی خارجی یا صدمه در طی توزیع و انبارداری در نظر گرفته می شوند. اگر مواد بسته بندی در شرایط مناسب نگهداری نشوند، می توانند با میکروارگانیسم ها آلوده شوند. این مواد آلوده کننده از طریق بسته بندی به ماده غذایی منتقل می شوند و رشد آنها در ماده غذایی به دلیل فساد می تواند منتج به ضایعات اقتصادی گردد(Turtoi and nicolau) به علاوه امکان دارد که سبب مسائلی در مورد سلامت جامعه گردند . به طور کلی،استریلیزاسیون درخطوط پر کردن در شیشه بوسیله مایعات شیمیایی اکسیده کننده ضد جرم مانند پراکسید هیدرژن ، پر استیک اسید، آب ازنه شده و.. ( با یا بدون تیمار گرمایی ملایم) انجام می شود. کاربردهای اخیر پلاسما بیشتر محدود به صنایع بسته بندی می شود و شامل استریلیزاسیون سطوح غیر تا شونده و قابل چاپ و کاهش نفوذ پذیری پلیمرها برای دی اکسید کربن و اکسیژن است(Schneider et al.2005 , Basaran et al.2008) استریلیزاسیون با پلاسمای گازی با دمای پایین سبب استریلیزاسیون سریع و ایمن در مواد بسته بندی مانند شیشه های پلاستیکی،درب ها و فیلم ها می شود بدون اینکه تاثیر معکوس بر خواص مواد بگذارد و هیچ گونه باقیمانده ای به جا بگذارد.
تیمار فاضلاب ( آب های اضافی)
یک روش بالقوه برای تولید پلاسما در مایعات ، با کاربرد پالسهای با ولتاژ بالا در مایع تزریق شده با گاز یا دارای ذرات جامد است تا این آبهای اضافی در صنایع غذایی مانند آبهای شستشوی طیور ، تیمار شوند(Rowan et al.2007 ) این کار می تواند با ترکیبی از میدان الکتریکی پالسی و پلاسمای سرد انجام شود و سبب تولید رادیکال های آزاد ، الکترون های آزاد ، نور ماورای بنفش، امواج آکوستیک و شوکی، و میدان های الکتریکی در میزان های 10-40 کیلوولت در سانتیمر گردد(Espie et al.2001)
مزایا و نگرانی های مرتبط با کاربرد پلاسما
تیمار مواد غذایی با پلاسمای سرد یک تکنولوژی امیدبخش است که به سرعت عمل می کند، بر روی بخش های فرآیند شده و در گازهای خارج شده از خود باقیمانده های سمی به جای نمی گذارد و افزایش دما می تواند درسطح قابل قبول نگه داشته شود(Selcuk et al.2008)
به علاوه ،برخلاف پالسهای نوری و اشعه گاما ،با استفاده از گاز پلاسما تاثیر تدریجی به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد چون نمونه های واکنش دار در کل محفظه تولید می شوند. .)اما مطالعات در مورد تاثیر پلاسما غیر حرارتی بر اجزاء مواد غذایی در منابع بسیار کم است. برای ارزیابی کامل این روش، باید مسائلی در مورد کیفیت ماده غذایی مانند تغییرات در مواد مغذی، رنگ، کیفیت بافتی، باقیمانده های سمی و سایر تغییرات شیمیایی در نظر گرفته شود(Vleugels et al . 2005) قبل از اینکه استفاده از تکنیک های پلاسما مستقیم در صنایع غذایی معمول گردد ، باید تحقیقاتی در مورد قیمت فرآیند برای مقادیر زیاد ماده غذایی و همچنین سلامت گازها در نظر گرفته شود(basaran et al.2008)
نتایج کلی
تکنولوژی پلاسما سرد،یک روش ضدعفونی بسیار جدید است که برای کاهش جمعیت میکروبی در فرآورده های خام یا تازه و مواد بسته بندی،یک زمینه غیر حرارتی تکمیلی یا حتی جایگزین و جدید ارائه می دهد. گونه های متفاوت پلاسما با واکنش با سلول های بیولوژیکی ، سبب تغییرات دائم در سطح مولکولی و مورفولوژیکی و درنتیجه غیر فعال سازی آنها می شوند. اگرچه تکنولوژی پلاسما سرد هنوز در مقیاس وسیع در سطح تجاری مورد استفاده ندارد اما تجهیزات آن باید ساخته شود. سیستم هایی برای تیمار پلاسما سرد در مواد غذایی و فرآورده های مرتبط در مقیاس وسیع هنوز در حال پیشرفت و بهبود هستند که نیاز به منابع انرژی گوناگون و روش هایی مانند( چند تایی کردن مگنترون های مایکروویو ) دارند. این تکنولوژی به صورت فزاینده ای در میان فرآیند کنندگان مواد غذایی برای استریلیزاسیون سطحی و جلوگیری از تشکیل بیوفیلم مورد پذیرش قرار گرفته است. تاثیر پلاسما سرد بر اجزاء حساس در ماده غذایی ، به خصوص لیپیدها ، ویتامین ها و .. مسائلی هستند که هنوز نیاز به آزمایشات بیشتر دارند و با انجام آن این تکنولوژی کاربرد ها و پذیرش وسیع تری در بین صاحبان صنایع غذایی خواهد یافت.
