Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии
Мировой опыт применения нетермальной плазмы в агропромышленном комплексе
Петрухина Д.И., Карпенко Е.И.,
Шишко В.И., Помясова М.Г.
Аннотация
В статье представлены результаты обзора опубликованных исследований, посвященных применению нетермальной (холодной) плазмы - частично ионизованного, крайне реакционноспособного газа с температурой окружающей среды - в сельскохозяйственной и пищевой промышленности в качестве технологии для целей инактивации грибов и бактерий, повышения урожайности, деградации токсинов и др.
Ключевые слова: ОБРАБОТКА ПЛАЗМОЙ, НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА, ДЕКОНТАМИНАЦИЯ, ПРОДОВОЛЬСТВЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, УРОЖАЙНОСТЬ
Основная часть
В настоящее время возрос интерес к разработке и внедрению технологий низкотемпературной неравновесной плазмы атмосферного давления, что связано с открывающимися новыми возможностями применения этой плазмы в сельском хозяйстве и пищевой промышленности [1-3]. Сообщается, что разница между реальной и потенциальной урожайностями сельскохозяйственных культур может достигать 50-75 %, особенно в развивающихся странах, поэтому по-прежнему актуальны исследования по увеличению производительности сельского хозяйства в мире [4]. Однако при применении различных технологий в сельском хозяйстве, например, химических реагентов, часто не учитывается их воздействие на экосистему. В связи с этим представляется интересным повышать производительность сельского хозяйства с учетом защиты окружающей среды благодаря новым технологиям. Одна из них - использование нетермальной плазмы в сельском хозяйстве. Кроме того, было показано, что нетермальную плазму можно использовать и в пищевой промышленности, где она находит применение для обработки упаковочных материалов с целью улучшения их свойств или для обеззараживания [4, 5], а также для дезинфекции пищевых продуктов [6, 7], потому что термические процессы, широко используемые для санитарной обработки, могут влиять на органолептические свойства и пищевую ценность продуктов [8]. Нетермальная плазма в сельском хозяйстве применяется, в основном, для дезинфекции продуктов и сельскохозяйственных культур после сбора урожая. Согласно литературным данным, улучшение роста и прорастания семян и в целом обработка до сбора урожая находятся в фокусе интереса исследователей в настоящий момент [2].
В опубликованной литературе сообщается, что, начиная с 2010 г., количество выходящих статей по применению в сельском хозяйстве нетермальной плазмы постоянно увеличивается. Наибольший процент статей посвящен исследованиям деконтаминации, прорастанию семян и улучшению роста растений. В остальных статьях представлены разработки плазменных аппаратов и другие технологии применения, такие как удаление летучих химических соединений и восстановление почвы [2]. Кроме того, после анализа докладов, представленных на 1-ом и 2-ом Международных семинарах по использованию плазменных технологий в сельском хозяйстве IWOPA-1 и 2 (2016, 2018), можно выделить наиболее актуальные направления проводимых в настоящее время исследований: взаимодействие плазмы с жидкостью (Plasma-liquid interactions) и нетермальная плазма атмосферного давления (NTAP) [1].
Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически равны. Низкотемпературная плазма (плазма с температурой менее 1 млн.єК) является неравновесной, в ней температура электронов существенно превышает температуру ионов и нейтральных частиц, которые остаются относительно холодными (с температурой окружающей среды). NTAP-плазма характеризуется довольно малой степенью ионизации (до 1%), и, обобщая литературные данные, можно сказать, что она представляет собой смесь возбужденных и невозбужденных, ионизированных и нейтральных атомов и молекул газа, а также свободных электронов и квантов электромагнитного излучения [9].
Ионизацию плазмы чаще всего проводят электрическими полями, которые ускоряют электроны, что приводит к ионизации атомов [9]. Источниками NTAP-плазмы являются электрические разряды атмосферного давления, которые различаются между собой характерными свойствами и областями применения. Наиболее часто используются диэлектрический барьер (DBD) и plasma jet. Также применяются многие другие виды разрядов [10-17], из них можно выделить коронный, тлеющий и искровой разряды [18], gliding arc [19, 20], MW plasma torch [21-23], RF plasma [24].
Диэлектрический барьерный разряд (DBD) хорошо подходит для обработки обширных поверхностей. Его применяют, например, для дезинфекции продуктов перед упаковкой, некоторых продуктов в упакованном виде - в пластиковом контейнере или пакете, а также для стерилизации разделочных досок, ножей и другого оборудования в пищевой промышленности [16, 25-28].
Plasma jet представляют собой тонкую струю нетермальной плазмы на основе маломощного (несколько десятков Вт) разряда в аргоне или в гелии. Тонкая стабильная струя плазмы длиной до нескольких сантиметров обычно используется для прямой обработки объектов [16, 29-36].
1. Обеззараживание
1.1 Введение
В последние годы все чаще стали появляться научные работы, посвященные де-контаминации и инактивации т.е. уничтожению микроорганизмов или разрушению их активных структур с целью обеззараживания продуктов.
Из литературных данных видно, что наиболее часто в качестве газа для генерирования плазмы используют воздух [10-12, 18-23, 26-28, 32-34], а также используют воздух с добавлением кислорода [16, 17, 24, 25]. Кроме того, применяют азот [15, 31] и азот с добавлением кислорода [15], а также гелий [15, 35], гелий с добавлением кислорода [14, 15] и аргон [13, 29, 30, 36]. Отмечается, что плазма благородных газов не такая реактивная, как воздушная, а потому авторами проводятся исследования возможностей применения смеси благородного газа с небольшим процентом реактивных газов (O2, СО2, N2 или воздуха) [9].
Если рассматривать продукты, которые наиболее часто используются авторами в своих исследованиях по обеззараживанию, то это, прежде всего, салат 10-13, 16, 18, 21, 22, 24, 29-31], яблоки [16, 18, 20-23], томаты [13, 16, 23, 24], морковь [13, 21, 23, 33], огурцы [16, 23, 33], шпинат [24, 25], картофель [24, 31] и клубника [21, 31]. Намного реже авторами исследуются другие продукты, например, черный перец [36], порошок из красного перца [15], семена риса и лимона [26], нарезанный бекон [14], нарезанный сыр чеддер [28], свиная и говяжья вырезки [27], черника [32], мускусная дыня [18], груши [33], капуста [11] и зерно [22]. Помимо непосредственной обработки сельскохозяйственных и пищевых продуктов, авторами проводятся обработки воды [17, 19, 35] и воздуха [16, 34].
Патогены, против которых проводится обработка с использованием нетермальной плазмы, это, прежде всего, E. coli [13, 14, 16-20, 23, 25, 27-30, 35], Salmonella [10, 14, 18, 20, 24, 27, 28, 31, 33, 36] и Listeria [11, 14, 18, 27, 28], а также фоновая микрофлора [10, 15, 23, 32]. Кроме того, исследователями были проведены эксперименты по борьбе с B. subtilis (споры), B. atrophaeus (споры) [36], B. cereus (споры) [15], Aeromonas hydrophila [12], Aspergillus flavus [15], Aspergillus (споры) [26], P. digitatum (споры) [16, 26], Fusarium fujikuroi, Burkholderia plantarii [34], M. domestica, F. ananassa, V. locusta, D. carota subsp. sativus [21], P. marginalis, P. carotovorum, L. innocua [22].
Таким образом, по результатам литературного исследования можно сказать, что нетермальная атмосферная плазма имеет потенциал как технология обезвреживания против нескольких пищевых патогенных микроорганизмов: Aspergillus spp., Salmonella spp. (в частности, Salmonella typhimurium), Listeria monocytogenes, E. coli [7, 37]. По мнению авторов, актуальными пищевыми патогенами и объектами дальнейших исследований являются Shigella spp., Campylobacter, Yersinia enterocolitica, Staphylococcus aureus, Clostridium spp., и Vibrio spp. [7].
1.2 Прямая обработка плазмой
Авторами исследований проводится обработка объектов путем непосредственного воздействия плазмы на образцы либо обработкой образцов жидкостями, облученными плазмой, так называемой активированной жидкостью. Согласно анализу литературных источников, для дезактивации микроорганизмов при обработке объектов в газовой фазе (на воздухе), в основном, используют DBD, plasma jet и MW plasma torch.
Проводятся исследования по созданию упаковок для пищевых продуктов, в которых могла бы проводиться обработка с помощью DBD, а также влияния такой обработки в запечатанных упаковках на физические свойства продуктов [38]. В то же время, согласно опубликованной информации, plasma jet и MW plasma torch имеют плотность радикалов ионизированного газа выше, чем DBD, и поэтому могут использоваться для быстрого обеззараживания объектов. Например, в работах исследователей Leibniz Institute for Plasma Science and Technology (Германия) использовалась MW плазменная горелка для обеззараживания воздуха, который после обработки был эффективен против некоторых микроорганизмов, а также спор Bacillus atrophaeus. Эта технология обработки была успешно применена к сельскохозяйственным продуктам, таким как яблоки, салат, клубника и морковь, для инактивации фитопатогенных микроорганизмов (вызывающих порчу этих продуктов) [21, 22, 39]. В другом исследовании проводили изучение прямого воздействия струи нетермальной плазмы для обеззараживания миндаля, искусственно зараженного Salmonella и E. coli. Время экспозиции и расстояние варьировались, а результаты исследования показали, что кратковременное воздействие значительно уменьшило количество обоих патогенов [37]. Прямое воздействие также изучали в цикле работ других авторов, например, скоропортящиеся листья салата обрабатывали плазмой на расстоянии 17 мм до струи. Исследование показало, что листья можно обрабатывать до 60 сек. при фиксированной мощности (8 Вт) и расходе 5 л/мин аргона в смеси с 0,1% кислорода. Температура поверхности на листьях никогда не превышала 35,2°С. Антибактериальные тесты, проведенные на салате, а также огурцах, яблоках и помидорах, показали инактивацию искусственно засеянной Escherichia coli [16, 29, 30]. В другом исследовании ягоды черники обрабатывали плазмой на расстоянии 7,5 см, в результате чего наблюдали значительное снижение микробной обсемененности (КОЕ/г) [32]. Также был предложен метод инактивации спор грибов Penicillium digitatum с помощью аргонной plasma jet [40], который был успешно использован для подавления двух заболеваний проростков риса, а именно грибкового патогена Fusarium fujikuroi и бактериального -- Burkholderia plantarii, путем облучения зараженных семян риса plasma jet [34]. В этом исследовании семена помещали на дно стакана и облучали плазмой в течение 10 мин на расстоянии 10 см, переворачивая семена во время облучения встряхиванием с интервалами 2 мин. Прорастание семян и рост проростков не были ингибированы в обработанных плазмой здоровых семенах, а индекс тяжести болезни и процент растений с симптомами болезни были снижены [34].
Согласно литературным источникам, в качестве практически применяемого метода обеззараживания в будущем будет активнее использоваться обработка сельскохозяйственных продуктов в жидкости, поскольку, используя жидкость, можно обрабатывать продукты большого объема и с более сложной формой. По мнению авторов, для осуществления данной технологии обработки может быть использована плазма c gliding arc, поскольку жидкости имеют большую теплоемкость, и применение этой плазмы позволит получить в конечном итоге относительно низкие температуры жидкости [2].
Например, авторы исследования наблюдали снижение прорастания грибковых спор возбудителя Fusarium oxysporum после воздействия плазмы и одновременное увеличение транскрипции генов, связанных с патогенезом, в корнях восприимчивого сорта томата (растения-хозяина Solanum lycopercicum) после той же самой обработки плазмой, используемой при грибковой инактивации [41]. В исследовании прорастание грибковых спор, взвешенных в физиологическом растворе, снижалось с течением времени после воздействия аргоновой плазмы в течение 10 мин. На основании этих данных авторы предполагают, что нетермальная плазма может быть эффективно применена для борьбы с грибковыми заболеваниями растений путем инактивации грибковых патогенов и усиления механизмов устойчивости хозяина.
1.3 Обработка жидкостью, активированной плазмой
Активированная плазмой жидкость, как отмечается многими исследователями, может успешно применяться для обработки сельскохозяйственных продуктов сложной формы и для обработки в больших объемах. Согласно литературным данным, для активации жидкостей используют различные источники плазмы, такие как gliding arc, DBD и plasma jet. Например, в исследовании авторы применяли плазму с gliding arc для очистки воды, загрязненной Staphylococcus aureus, Salmonella и Penicillium [42]. После обработки наблюдали удовлетворительное обеззараживание без образования побочных продуктов. В опубликованной литературе приводятся данные об успешной инактивации Erwinia spp., Hafnia alvei, Saccharomyces cerevisiae, E. coli и Staphylococcus aureus и др. с помощью активированной плазмой воды, а также описаны механизмы плазменно-жидкостных взаимодействий [43, 44].
2. Стимулирующая обработка
2.1 Введение
Согласно данным из опубликованных работ, для обеззараживания семян при хранении, а также для улучшения прорастания семян растений, довольно часто используют плазму низкого давления [2, 4]. В опубликованных исследованиях было показано, что обработка плазмой способствовала увеличению процента всхожести семян (зерновых, бобовых, капустных, а также семян деревьев) [4]. Низкотемпературную плазму несложно генерировать при пониженном давлении (10-15 % от атмосферного), и ее широкое применение началось уже в 70-х гг. XX в., сначала в компьютерной индустрии [9].