EFFECTS OF LOW-TEMPERATURE PLASMA ON PLANT PRODUCTS
Authors:
1.
East-Siberian State University of Technology and Management
2.
East-Siberian State University of Technology and Management
3.
Institute of Physical Material Science of the Siberian Branch of the RAS
4.
Institute of Physical Material Science of the Siberian Branch of the RAS
5.
Institute of Physical Material Science of the Siberian Branch of the RAS
Type:
Article
Pages:
from 129
to 134
Status:
Published
Received:
23.10.2017
Accepted:
23.10.2017
Published:
23.10.2017
Subject area:
UDK 537.523/ 579.678
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Argon plasma, microorganisms, low-current spark, microorganisms, food products, storage time
Abstract (English):
The aim of this research is to study the effect of low temperature (cold) argon plasma on inactivation of microorganisms and the potential use of plasma treatment of plant products with the purpose to increase storage time. Non-equilibrium plasma source based on plasma jets in a low-current spark discharge at atmospheric pressure has been developed as an experimental setup to generate low temperature (cold) argon plasma. Series of experiments have been conducted to select optimum parameters for inactivation of microorganisms. The results show a sterilizing ability of low-temperature plasma for different types of microorganisms. The reduction of the number of bacteria is observed for E. coli exposed within 60 seconds, and for B. subtilis, Aspergillus оryzae and Saccharomyces cerevisiae exposed within 300 sec. Products of plant origin processed with plasma demonstrate their integrity during storage without creating a specific climate (low temperature) up to 10 days for tuber and root crops and up to 2 days for leafy greens ensuring microbiological safety. These results allow us to conclude that the method of plant product processing with low-temperature plasma is effective for storage time increasing.
The aim of this research is to study the effect of low temperature (cold) argon plasma on inactivation of microorganisms and the potential use of plasma treatment of plant products with the purpose to increase storage time. Non-equilibrium plasma source based on plasma jets in a low-current spark discharge at atmospheric pressure has been developed as an experimental setup to generate low temperature (cold) argon plasma. Series of experiments have been conducted to select optimum parameters for inactivation of microorganisms. The results show a sterilizing ability of low-temperature plasma for different types of microorganisms. The reduction of the number of bacteria is observed for E. coli exposed within 60 seconds, and for B. subtilis, Aspergillus оryzae and Saccharomyces cerevisiae exposed within 300 sec. Products of plant origin processed with plasma demonstrate their integrity during storage without creating a specific climate (low temperature) up to 10 days for tuber and root crops and up to 2 days for leafy greens ensuring microbiological safety. These results allow us to conclude that the method of plant product processing with low-temperature plasma is effective for storage time increasing.
Keywords:
Argon plasma, microorganisms, low-current spark, microorganisms, food products, storage time
Argon plasma, microorganisms, low-current spark, microorganisms, food products, storage time
Разработка эффективных методов инактивации патогенов и химических токсикантов в газах, жидкости и на поверхностях являются одной из важ- нейших проблем в медицине, промышленности и сфере защиты окружающей среды. Как правило, для 129 стерилизации используют сухой и влажной жар, фильтрацию, обработку радиацией и химическими биоцидами. Однако эти методы являются низкопро- изводительными и дорогими, а также не всегда эко- логически безопасны. Другая проблема связана с повреждающим действием биопленок на промыш- ленные материалы. Микроорганизмы, составляющие биопленки, как известно являются очень устойчи- выми к обычным агентам стерилизации [1]. Особое место среди плазменных методов зани- мают исследования разрядов генерирующих низко- температурную (холодную) неравновесную плазму при атмосферном давлении [2-5]. В качестве ис- точников низкотемпературной неравновесной плазмы атмосферного давления рассматриваются различные типы газовых разрядов, среди которых можно отметить скользящий, коронный, барьерный и импульсные разряды атмосферного давления. Не смотря на широкий круг работ [6, 7], посвященных исследованиям различных характеристик разрядов, и доказанную высокую эффективность использова- ния разрядов в биомедицинских целях в лаборатор- ном масштабе, обработка холодной плазмой при атмосферном давлении с целью уничтожения мик- роорганизмов в настоящее время еще не получила широкого применения. Это связано, во-первых, с тем, что источники холодной плазмы представляют собой технически сложное оборудование с низкой экономической эффективностью, и во-вторых, для обработки биологических объектов используются разряды атмосферного давления при высоком напряжении (10-40 кВ), что требует обеспечения высокого уровня безопасности. Цель данной работы: исследование воздействия низкотемпературной (холодной) аргоновой плазмы, генерируемой слаботочными высоковольтными разрядами, на инактивацию микроорганизмов и изучение возможности использования плазменной обработки продуктов растительного происхожде- ния для увеличения сроков хранения. Объекты и методы исследования Объектами исследований являлись продукты растительного происхождения - клубнеплоды (кар- тофель), корнеплоды (морковь) и листовые овощи (петрушка). Для генерации низкотемпературной (холодной) аргоновой плазмы на основе слаботочных высоко- вольтных разрядов использовался способ, базируе- мый на получении плазменных струй слаботочного искрового разряда атмосферного давления, форми- руемых в потоке аргона [8, 9]. Для оценки чувствительности микроорганизмов к холодной аргоновой плазме, генерируемой плаз- менными струями слаботочного искрового разряда, использовали методику, основанную на измерении диаметров зон поражения засеянного газона. Для этого засевали газон тест-микроорганизма: 100 мкл рабочей суспензии вносили на чашку Петри с агари- зованной средой ГРМ и тщательно растирали шпа- телем. Чашки с засеянным газоном помещали в га- зоразрядную камеру под плазменные струи. Плаз- менной струей подвергали чашки Петри с засеянными микроорганизмами и затем выращивали в тер- мостате при температуре 37 ºС в течение 24 часов для бактериальных культур и 28 ºС в течение 48 ча- сов для дрожжей и мицелиальных грибов [10]. Время обработки опытных образцов овощей ва- рьировалось от 1 до 5 минут (образец 1 - 1 мин, образец 2 - 3 мин, образец 3 - 5 минут для каждого пищевого продукта), ток разряда от 200 мкА до 1 мА, расстояние от сопла генератора до поверх- ности образцов равнялось 5 мм. Гигиеническая экспертиза микробиологической флоры исследуемых объектов проводилась по по- казателям содержания мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов и плесневых грибов (ТР ТС 021/2011 «О безопас- ности пищевой продукции») по общепринятой ме- тодике. Результаты и их обсуждение Для генерации низкотемпературной (холодной) аргоновой плазмы разработан источник неравно- весной плазмы на основе плазменных струй слабо- точного искрового разряда [10-12] при атмосфер- ном давлении в виде экспериментальной установки. На рис. 1 представлена фотография генератора хо- лодной аргоновой плазмы на основе плазменных струй слаботочного искрового разряда. а б Рис. 1. Генератор холодной аргоновой плазмы на основе плазменных струй: а - инактивация микроорганизмов в чашке Петри, б - вид разряда с торца Время обработки чашек плазменными струями слаботочного искрового разряда варьировалось от 5 с до 5 мин. Расстояние от источника плазмы до поверхности, на которой росли микроорганизмы, составляло от 0,5 до 3 см. Бактерицидные свойства плазменных струй сла- боточного искрового разряда исследовались по воздействию на вегетативную форму штаммов Escherichia coli. Культура Escherichia coli была вы- ращена на агаризованной богатой среде в виде га- зона. Опытные купоны с Escherichia coli подверга- ли воздействию плазменных струй. Cила тока (I), mA 100 100 150 150 200 Поток газа (GA), м3/ч 200 300 500 600 600 Расстояние объекта от ис- точника плазмы (L), см 1 1 0,5 0,5 0,5 Время воздействия (t), сек 5 10 15 30 60 Зона стерильности - - - - + Таблица 1 Режимы плазмы на воздействие E.coli. Для подбора оптимальных параметров инакти- вации микроорганизмов были проведены серии опытов. В табл. 1 показаны режимы воздействия при разных параметрах для E. coli. Полная гибель клеток грамотрицательных бактерий E.coli заре- гистрирована через 180 с обработки на расстоянии 1 см (сила тока - 200 мкА, поток газа - 600 м3/ч). На рис. 2 видно, что зона стерильности Escherichia coli составляет 3,4 см. Рис. 2. Escherichia coli: а - контроль; б - опыт Таблица 2 Режимы плазмы на воздействие B. subtilis Cила тока (I), mA 0,5 1 1 1,5 1,5 Поток газа (GA), м3/ч 600 650 700 750 750 Расстояние объекта от источника плазмы (L), см 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Время воздействия (t), с 30 30 120 120 300 Зона стерильности - - - - + Для грамположительных бактерий Bacillus subtilis инактивация низкотемпературной плазмой в отличие от E. coli увеличивается во времени - 300 с, уменьшении расстояния воздействия - 0,5 см, так как B. subtilis оказались более устойчивы к аргоновой плазме (сила тока составляет 1,5 мкА, а поток газа - 750 м3/ч). В табл. 2 также представле- ны серии опытов для получения оптимальных па- раметров воздействия для B. subtilis. На рис. 3 представлена зона стерильности Bacillus subtilis. - 2,8 мм. тимальных параметров воздействия для Aspergillus Oryzae и Saccharomyces cerevisiae соответственно. Таблица 3 Режимы плазмы на воздействие Saccharomyces cerevisiae Cила тока (I), mA 0,5 1 1 1,5 1,5 Поток газа (GA), м3/ч 600 650 700 750 750 Расстояние объекта от источника плазмы (L), см 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Время воздействия (t), с 30 30 120 120 300 Зона стерильности - - - - + Таблица 4 Режимы плазмы на воздействие Aspergillus Oryzae Cила тока (I), mA 0,5 1 1 1,5 1,5 Поток газа (GA), м3/ч 600 650 700 750 750 Расстояние объекта от источника плазмы (L), см 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Время воздействия (t), с 30 30 120 120 300 Зона стерильности - - - - + На рис. 4 видно, что зона стерильности у Aspergillus Oryzae - 4 см, у Saccharomyces cerevisiae - 3,1 см. Saccharomyces cerevisiae: а - контроль; б - опыт Aspergillus Oryzae: а - контроль; б - опыт Рис. 4. Saccharomyces cerevisiae и Aspergillus Oryzae Рис. 3. Bacillus subtilis: а - контроль; б - опыт Для грибов Aspergillus Oryzae и дрожжей Saccharomyces cerevisiae время воздействия состав- ляет 360 с (сила тока - 1,5 мкА, поток газа - 750 м3/ч) на одинаковом расстоянии 1 см. В табл. 3 и 4 представлены серии опытов для получения оп- 131 Исследования показали, что уменьшение коли- чества бактерий наблюдается для E.coli при экспо- зиции в пределах 60 с, для B. Subtilis, Aspergillus оryzae и Saccharomyces cerevisiae - 300 с. В сельскохозяйственной и пищевой промыш- ленностях немаловажную роль играет сохранение урожая и пищевых продуктов растительного про- исхождения, в которых протекают разнообразные процессы, вызывающие изменения качества при хранении. Овощи, в отличие от других продуктов питания, могут сохранять свои свойства достаточно длительное время при соблюдении определенных условий. Нормируемые потери в этом случаи составляют до 10 %. Однако в действительности возможны отклонения температуры и влажности при хранении, а также закладка овощей с механи- ческими повреждениями. Все это способствует увеличению микрофлоры, и как следствие - сокра- щение сроков хранения продуктов. Одним из решений данной проблемы возможна предварительная обработка овощей низкотемпера- турной плазмой для уменьшения микробной обсе- мененности, способствующей порче продуктов в процессе хранения. Обработка плазмой проводилась по площади среза у картофеля и моркови и по полной поверх- ности листа у петрушки. Признаки порчи фиксиро- вали на протяжении нескольких дней хранения при температуре 20-25 °С в условиях повышенной влажности. Экспертизу порчи органолептических показате- лей (внешний вид, цвет, запах) моркови и картофе- ля проводили визуально. Контрольный образец картофеля начал прояв- лять признаки порчи на второй день появлением потемнения поверхности среза. На третьи сутки клубень начал подсыхать вследствие потери влаги. Образцы 1-3, обработанные плазмой, в течение 9 дней сохранили внешний вид без изменений, на 11 день наблюдалось незначительное потемнение и увядание клубня. Микробиологические исследования проводи- лись по определению общего микробного числа (ОМЧ), значение которого в контрольном образце сохранилось в пределах допустимого только в те- чение одних суток. К исходу вторых суток срез клубня покрылся пушистым налетом, что свиде- тельствует о развитии плесневых грибов. ОМЧ на третьи и пятые сутки подтверждает значительный и стабильный рост микроорганизмов, превышающий нормируемые показатели, поэтому дальнейшие исследования контрольного образца не проводили. Образцы, обработанные плазмой, имели низкое значение ОМЧ в течение 5 суток. Микробиологи- ческая безопасность картофеля образца 2 сохрани- лась до 7 суток, а образца 3 до 9 суток. На 11-е сут- ки у всех образцов наблюдается высокое содержа- ние ОМЧ (рис. 5). Особенностями моркови, влияющими на сохра- няемость, являются тонкие покровные ткани, низ- кая водоудерживающая способность, вследствие чего морковь при хранении легко увядает и пора- жается микроорганизмами. Наряду с этим тканям корнеплодов моркови присуща высокая воздухо- проницаемость. Результаты наблюдения показали, что контроль моркови начал портиться на 10 день (наблюдалось почернение и высыхание), а на 15 день появилась плесень. Образцы 1 и 2 сохраняли хороший внеш- ний вид и на 15 день, тогда как в образце 3 на 14-е сутки наблюдалось почернение. Количество микроорганизмов в контрольном и обработанных образцах моркови в течение 3 суток практически не изменялось, увеличение наблюда- лось только по истечению трех суток. После 10 дней хранения рост микроорганизмов в контрольном об- разце превышало допустимых значений, в образце 3 - после 14 суток, тогда как в образцах 1 и 2 ОМЧ на 15-е сутки находилось пределах нормы (рис. 6). КМАФАнМ, КОЕ/г*10^4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 3 5 7 9 11 14 15 сутки контроль 1 мин 3 мин 5 мин Рис. 6. Влияние режимов обработки низкотемпературной плазмы на количество микроорганизмов моркови Из полученных результатов можно предложить обработку моркови низкотемпературной плазмой в течение 2 или 3 мин. Обработка плазмой листьев петрушки позволи- ло сохранить ее в первозданном виде более дли- тельное время, чем контроль (рис. 7). КМАФАнМ,. КОЕ/г*10^4 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 а б 1 3 5 7 9 11 11 сутки контроль 1 мин 3 мин 5 мин Рис. 5. Влияние режимов обработки низкотемпературной плазмы на количество микроорганизмов картофеля в г Рис. 7. Обработка листа петрушки низкотемпературной плазмой: а - образец 1; б - образец 2; в - образец 3; г - контроль Из рис. 7 видно, что лист петрушки, обработанный в течение 5 минут, после 2 суток практически не изменил внешний вид, тогда как другие образцы повяли, а контроль еще и пожелтел, но при этом все образцы сохранили свойственный петрушке аромат. Количество бактерий в листьях петрушки, обра- ботанных плазмой, на 2 день составило в 3 раза меньше, чем в контроле, и в 1,2 раза меньше нор- мируемого показателя (ТР ТС 021/2011). После уборки картофеля и овощей в них не пре- кращаются процессы жизнедеятельности и биохи- мические изменения, от направленности и интен- сивности прохождения которых зависит лежкость продукции. Ферментативное потемнение является одним из самых ограничивающих факторов на срок хранения овощей из-за изменения цвета. Ес- тественная убыль массы овощей в большей степени зависит от потери воды, чем от убыли сухих ве- ществ. Потери воды обусловлены интенсивностью прохождения как биохимических (дыхание), так и физических процессов (испарение влаги). При по- тере растительными клетками влаги резко снижает- ся устойчивость их к различным микроорганизмам. Результаты исследования показали стерилизу- ющую способность низкотемпературной плазмы для разных видов микроорганизмов и возможность использования ее как эффективного способа обра- ботки продуктов растительного происхождения для увеличения сроков их хранения.
1. Plasma medicine: an introductory review / M.G. Kong, A.V. Kroesen, G. Morfill [et al.] // New Journal of Physics. - 2009. - V. 11. - P. 115012.
2. Atmospheric-pressure plasma sources:Prospective tools for plasma medicine / K.D. Weltmann, E. Kindell, T. Woedtke [et al.] // Pure Appl. Chem. - 2010. - V. 82. - no. 6. - P. 1223-1237. DOI:https://doi.org/10.1351/PAC-CON-09-10-35.
3. Lu, X. On atmospheric-pressure non-equilibrium plasma jets and plasma bullets / X. Lu, M. Laroussi, V. Puech // Plasma Sources Sci. and Technol. - 2012. - V. 21. - no. 3. - P. 034005.
4. DC atmospheric pressure glow microdischarges in the current range from microamps up to amperes / V.I. Arkhipenko, A.A. Kirillov, Ya.A. Safronau [et al.] // Eur. Phys. J. D. - 2010. - V. 60. - 455 p.
5. Primenenie plazmennoy strui tleyuschego razryada atmosfernogo davleniya na postoyannom toke dlya inaktivacii Staphylococcus Aureus / A.A. Kirillov, A.V. Pavlova, E.A. Safronov [i dr.] // Prikladnaya fizika, 2013. - № 5. - S. 52-55.
6. Morent R., De Geyter N. Biomedical Engineering - Frontiers and Challenges. Chapter 2. Inactivation of Bacteria by Non-Thermal Plasmas / In Tech, 2011. 374 r.
7. Machala Z., Hensel K., Akishev Yu. Plasma for Bio-Decontamination, Medicine and Food Security / NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology. 2012. XVII, 479 r.
8. Baldanov, B.B. O povyshenii predel'nogo toka tleyuschego razryada atmosfernogo davleniya v potoke argona / B.B. Baldanov, C.V. Ranzhurov // ZhTF. - 2014. - T. 84. - Vyp. 4. - S. 152-154.
9. Inaktivaciya mikroorganizmov v holodnoy argonovoy plazme atmosfernogo davleniya / B.B. Baldanov, C.V. Ranzhurov [i dr.] // Vestnik VSGUTU. 2015. T. 55. № 4. S. 56-60.
10. Baldanov, B.B. Dva tipa tokovyh pul'saciy slabotochnogo iskrovogo razryada v neodnorodnom elektricheskom pole / B.B. Baldanov // ZhTF. - 2011. - T. 81. - Vyp. 4. - S. 135.
11. Netrusov, A.I. Praktikum po mikrobiologii / A.I. Netrusov, M.A. Egorova, L.M. Zaharchuk. - M.: Akademiya, 2005. - 608 s.
12. Vozdeystvie nizkotemperaturnoy argonnoy plazmy slabotochnyh vysokovol'tnyh razryadov na mikroorganizmy / A.P. Semenov, B.B. Baldanov [i dr.] // Prikladnaya fizika. - 2014. - № 3. - S. 47-49.
