Kaltes Plasma in der Lebensmittelverarbeitung: Design, Mechanismen und Anwendungen

Allergene (Ekezie et al., 2019b; Venkataratnam et al., 2019) in Lebensmitteln. Die CP-Behandlung ist jedoch noch ein neu entstehender Prozess in Bezug auf Nebenwirkungen in Lebensmitteln (z. In den letzten Jahren konzentrierten sich mehrere Studien auf die Verbesserung der CP-Behandlung durch die Entwicklung neuer Plasmageräte und das Testen verschiedener Prozessvariablen in vielen Situationen (Andrasch et al., 2017; Feizollahi et al., 2020; Misra und Jo, 2017; Zhao et al. , 2020; Ziuzina et al., 2016). Die wachsende Literatur enthält viele Übersichtsartikel, die die Konsequenzen der CP-Anwendung auf verschiedene Lebensmitteltypen diskutieren (Ekezie et al., 2017a; Feizollahi et al., 2020; Gavahian und Khaneghah, 2020; Muhammad et al., 2018b; Pan-kaj et al. , 2018). Es ist jedoch anzumerken, dass eine umfassende Bewertung der Parameter, die die CP-Erzeugung und deren Einfluss auf die Lebensmittelverarbeitung beeinflussen, wie Elektrodenmaterial, Systemgeometrie und -form, fehlt. Daher präsentiert dieser Review eine umfassende Analyse des aktuellen Stands der Technik bezüglich CP-Betriebsparameter und Anwendung im Lebensmittelbereich. Die wichtigsten Mechanismen und Faktoren, die die Plasmaeffizienz beeinflussen, werden vorgestellt und diskutiert, einschließlich ihrer Beziehung in den aufschlussreichsten Studien zum CP-Effekt in Lebensmitteln.

2. Kaltplasmaerzeugung: Mechanismus und Methoden
2.1. Townsend-Theorie und das Gesetz von Paschen Gasdurchbruch und Elektronenlawine beziehen sich auf die grundlegenden Mechanismen für die Umwandlung eines Gases von einem nichtleitenden in ein leitfähiges Medium für Elektronen. Die Bildung und Vermehrung der sogenannten Elektronenlawinen während des Gasdurchbruchs sind Kriterien für die Entladung aller Arten von Plasma, wie sie von der Townsend-Theorie beschrieben werden (Xiao, 2016). Nach Townsends Theorie, wie in Abb. 1a skizziert, (i) nimmt die kinetische Energie des Moleküls zu, wenn die zwischen zwei Elektroden angelegte Energie ausreichend ist, und Elektronen werden entgegen dem elektrischen Feld von der Kathodenoberfläche freigesetzt. Der elektrische Strom nimmt mit steigender Spannung zu und erreicht eine Sättigung, und (ii) ein Strom wird konstant. Die Elektronen werden zur Anode hin beschleunigt. Unter diesen Bedingungen sind die Stöße elastisch (ohne die innere Energie zu verändern), und die Elektronenenergie ist gering, um andere Moleküle zu ionisieren oder anzuregen. (iii) Die Elektronen kollidieren weiter, bis sie Energie zum Ionisieren von Atomen erhalten, mit den unelastischen Kollisionen, die für die Energieübertragung effizienter sind. Wenn die Kollisionen genug Energie haben, können sie die Moleküle und Atome dissoziieren und sie in Ionen und Elektronen umwandeln . Die Wanderung von Elektronen und Ionen bildet den Strom. (iv) Die gebildeten Elektronen werden im elektrischen Feld beschleunigt, kollidieren und ionisieren andere Atome und Moleküle, wodurch viele positive Ionen, Elektronen und die Elektronenlawine erzeugt werden. Aufgrund der geringeren Masse und der höheren Geschwindigkeit bewegen sich Elektronen (105–106 m/s) zum Lawinenkopf, während positive Ionen (50–500 m/s) den Schweif bilden. Die Ionen entziehen der Kathodenoberfläche neue Elektronen, die nachfolgende Lawinen bilden. Bei einer ausreichend intensiven Ionisation zerbricht das Gas vollständig und wird leitfähig (Bruggeman et al., 2017; Conrads und Schmidt, 2000; Misra et al., 2016b; Xiao, 2016). Eine Glimmentladung (GD) kann bei . erzeugt werden niedriger Druck in den Elektrodenspalt nach dem Durchbruch, wie Mikroentladungen. Bei Atmosphärendruck kann jedoch eine Streamer-Entladung mit einem fadenförmigen Aussehen erzeugt werden, wie in Fig. 1b gezeigt. Diese Art der Entladung tritt auf, wenn die (v)-Anode die Elektronen einfängt und ein Volumen positiver Ionen zwischen den Elektroden (Raumladung) bildet. Die Ionen rekombinieren mit freien Elektronen und Photonen werden emittiert, wodurch die Photoionisation des nahegelegenen Gases verursacht wird und mehr Elektronen erzeugt werden. Dadurch entstehen neue Lawinen (Sekundärlawinen). (vi) Die Sekundärlawinen schließen sich der Hauptlawine an, da die Elektronen mit ihren positiven Ionen rekombinieren. (vii) Es findet ein aufeinanderfolgender und schneller Prozess statt, bei dem Photonen freigesetzt und neue Lawinen gebildet werden, wodurch ein hochleitfähiger Kanal entsteht, der als Streamer-Entladung bekannt ist (Bruggeman et al., 2017; Xiao, 2016). Aus der Theorie von Townsend leitete der Lawinenzustand das Paschen-Gesetz ab, das traditionell zur Vorhersage von Gasausfällen verwendet wird (Garner et al., 2020). Das Gesetz von Paschen definiert, dass die Spannung, die zum Zünden eines Plasmas zwischen zwei Elektroden für ein bestimmtes Gas erforderlich ist, vom Produktdruck (p) und dem Elektrodenabstand (d) abhängt. Diese Spannung führt zu einem Gleichgewicht zwischen der Elektronenerzeugung, das volumetrische Elektronenlawinen und Sekundärelektronenemissionsprozesse mit Elektronenverlusten an den Oberflächen erzeugt (Garner et al., 2020). Bei niedrigen Werten des Produkts pd ist die Durchbruchspannung aufgrund der wenigen auftretenden Kollisionen hoch, und daher ist mehr Energie zur Plasmaerzeugung erforderlich. Bei hohen pd-Werten wird auch die Durchbruchspannung durch zahlreiche Kollisionen erhöht, die dazu führen, dass die Teilchen schnell Energie verlieren, was für die Erhöhung der zugeführten Energie unerlässlich ist (Nehra et al., 2008). Die Form der Kurve p vs. d für verschiedene Gase ist ähnlich und weist einen minimalen pd-Wert im Bereich von 130–1300 Pa cm auf (Bruggeman et al., 2017).2.2.Für Lebensmittelanwendungen geeignete CP-Quellen .Die Plasmaerzeugung Die für die Lebensmittelverarbeitung am häufigsten verwendeten Methoden werden in dielektrische Barriere-Entladung (DBD), Plasma-Jet (PJ), Korona-Entladung (CD), Hochfrequenz (RF) und Mikrowelle (MW) eingeteilt (Bermudez-Aguirre, 2020). Besonderheiten für jeden von ihnen werden im Folgenden angegeben und diskutiert.

2.2.1.Dielektrische Barriere-Entladung (DBD)

Die Plasmaherstellung mit DBD gewinnt aufgrund ihrer geringen Kosten im industriellen Maßstab immer mehr an Bedeutung. Diese Technologie ist eine der bequemsten Formen der Plasmaerzeugung, die aufgrund ihrer Konfiguration und Flexibilität für die Elektrodenform und das verwendete dielektrische Material mehrere Anwendungen bietet (Misra et al., 2019b; Ziuzina et al., 2013).DBD Plasma wird durch eine Hochspannung erzeugt, die zwischen zwei Metallelektroden (einer gespeisten Elektrode und einer Masseelektrode) angelegt wird. Eine oder beide Elektroden sind mit einem dielektrischen Material wie Polymer, Glas, Quarz oder Keramik bedeckt, das durch einen variablen Spalt von 0,1 mm bis zu mehreren Zentimetern getrennt ist (Abb. 2a) (Becker et al., 2005; Kogelschatz, 2003). Der typische Parameterbereich für den DBD-Betrieb ist (i) Gasdrücke zwischen 1 × 104 und 1 × 106 Pa, (ii) Frequenzband zwischen 10 und 50 MHz, (iii) Wechselstrom (AC) oder gepulster Gleichstrom (DC ) mit einer zwischen 1 und 100 kVrms oszillierenden Spannungsamplitude (Feizollahi et al., 2020). Eine Anwendung, die viele Möglichkeiten für das DBD-System eröffnet, ist die Lebensmittelbehandlung in der Verpackung mit CP-Erzeugung in der versiegelten Verpackung. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Einwirkungszeit der reaktiven Spezies auf Mikroorganismen zu verlängern und eine Kontamination nach dem Prozess zu verhindern. Ein Beispiel ist der von Ziuzina et al. entwickelte DBD-Reaktor. (2016) für den Industriebetrieb in der Lebensmittelproduktion. Dieser Prototyp verwendete ACP für die kontinuierliche Dekontamination von frischen Kirschtomaten in der Verpackung und bewertete die Anzahl von E. coli und L. innocua. Das Plasmasystem bestand aus zwei parallelen 1 m langen Elektroden mit einer angelegten Ausgangsspannung von 0–100 kV, einer einstellbaren Entladungsstrecke von bis zu 4,5 cm, einer maximalen Leistungsaufnahme von 900 W und einem Entladestrom von 2,2–5,0 A. Die Autoren beobachteten nach 150 s Behandlung eine Reduktion von 5 log bzw. 3,5 log der E. coli- und L. innocua-Zahlen. Ein weiteres Gerät im Pilotmaßstab wurde von Zhao et al. (2020); ihr ACP-DBD-Prototyp wurde verwendet, um S. aureus auf der Aprikosenoberfläche zu inaktivieren. Es bestand aus einem Kupfernetz als Hochspannungselektrode, einem Quarzrohr als dielektrische Barriere und einer geerdeten Kupferfolie. Ein gepulstes Gleichstromnetzteil trieb dieses Gerät. Die angelegte Spannung, Frequenz und Spannungsimpulsbreite betrugen 17 kV, 1 kHz bzw. 3 µs. Die Autoren beobachteten eine Reduktion von S. aureus um 1,57 log in 15 s Behandlung.