1. Introducción
En las últimas dos décadas, las tecnologías de procesamiento no térmico han ganado la atención generalizada de la industria alimentaria interesada en procesos suaves y efectivos. Estas tecnologías alternativas pueden aumentar la funcionalidad y la vida útil, reduciendo el impacto negativo en los nutrientes de los alimentos y el sabor natural (Huang et al., 2017). Algunos de los métodos no térmicos más exitosos son el procesamiento a alta presión (Kalagaturet al., 2018), el ultrasonido (Pinon ˜ et al., 2020), el campo eléctrico pulsado (Clemente et al., 2020; Schottroff et al., 2020). ), luz ultravioleta (Corrˆea et al., 2020), luz pulsada de alta intensidad (Moraes y Moraru, 2018), irradiación gamma (Deshmukh et al., 2020) y, más recientemente, plasma frío (CP) (Govaert et al. ., 2020; Kim et al., 2020). El plasma se puede describir como un gas ionizado que contiene especies reactivas de oxígeno (ROS: O, O2, ozono (O3) y OH), especies reactivas de nitrógeno (RNS: NO, NO2 y NOx), radiación ultravioleta (UV), radicales libres y partículas cargadas (Bourke et al., 2018; L. Han et al., 2016a, 2016b). Por lo general, el plasma se genera cuando se aplica energía eléctrica a un gas presente o que fluye entre dos electrodos con una alta diferencia de potencial eléctrico que causa la ionización del gas (Mandal et al., 2018) debido a que los electrones libres chocan con esas moléculas de gas. Cuando el gas ionizado está formado por una energía relativamente baja (1-10 eV) y una densidad electrónica (hasta 1010 cm− 3), se denomina CP (Roualdes y Rouessac, 2017). En el CP, hay un desequilibrio termodinámico entre electrones y especies pesadas. Por lo tanto, la temperatura entre ellos es diferente porque los electrones son mucho más livianos que los iones y las moléculas neutras, y solo se intercambia una pequeña fracción de la energía total (Misra et al., 2018, 2019b). Por lo tanto, el enfriamiento de los iones y las moléculas sin carga es más efectivo que la transferencia de energía de los electrones y el gas permanece a baja temperatura (Misra et al., 2016b). La energía electrónica promedio de CP, hasta 10 eV, es ideal para la excitación de especies atómicas y moleculares y para romper los enlaces químicos (Eliasson y Kogelschatz, 1991). Todas las moléculas orgánicas que tienen energías de ionización y disociación similares de 3 a 6 eV pueden ser fácilmente destruidas por el plasma (Suhr, 1983). La tecnología CP se ha utilizado en muchas industrias manufactureras, como dispositivos médicos, textiles, automotriz, aeroespacial, electrónica y materiales de empaque (Bermudez-Aguirre, 2020; Olatunde et al., 2019a). Recientemente, la PC se ha incorporado a la industria alimentaria para reducir el recuento microbiano (Govaert et al., 2020; Kim et al., 2020; Mahnot et al., 2019; Moutiq et al., 2020; Olatunde et al., 2019a; Zhao et al., 2020; Zhou et al., 2019), degradan micotoxinas (Puligundla et al., 2020; Sen et al., 2019), inactivan enzimas (Chutia et al., 2019; Kang et al., 2019) , aumentar la concentración de compuestos bioactivos (Silveira et al., 2019), mejorar la actividad antioxidante (X. Li et al., 2019a, 2019b) y reducir los pesticidas (Phan et al., 2018; Toyokawa et al., 2018) y
alérgenos (Ekezie et al., 2019b; Venkataratnam et al., 2019) en productos alimenticios; sin embargo, el tratamiento con PC es todavía un proceso emergente en cuanto a efectos adversos en los alimentos (p. ej., oxidación de lípidos), evaluación de seguridad y aprobación regulatoria. En los últimos años, varios estudios se centraron en mejorar el tratamiento de la PC mediante el diseño de nuevos equipos de plasma y la prueba de diferentes variables de proceso en muchas situaciones (Andrasch et al., 2017; Feizollahi et al., 2020; Misra y Jo, 2017; Zhao et al. , 2020; Ziuzina et al., 2016). La creciente literatura presenta muchas revisiones que discuten las consecuencias de la aplicación de la PC a diferentes tipos de alimentos (Ekezie et al., 2017a; Feizollahi et al., 2020; Gavahian y Khaneghah, 2020; Muhammad et al., 2018b; Pan-kaj et al. , 2018). Sin embargo, debe tenerse en cuenta que existe una falta de evaluación integral sobre los parámetros que afectan la generación de PC y su impacto en el procesamiento de alimentos, como el material del electrodo, la geometría del sistema y la forma. Por lo tanto, esta revisión presenta un análisis exhaustivo del estado actual de la técnica en relación con los parámetros operativos y la aplicación de la PC en el sector alimentario. Se presentan y discuten los principales mecanismos y factores que influyen en la eficiencia del plasma, incluida su relación en los estudios más esclarecedores del efecto de la PC en los productos alimenticios.
2. Generación de plasma frío: mecanismo y métodos
2.1. La teoría de Townsend y la ley de Paschen La ruptura del gas y la avalancha de electrones se refieren a los mecanismos fundamentales para transformar un gas de no conductor en un medio conductor de electrones. La formación y multiplicación de las llamadas avalanchas de electrones a lo largo de la degradación del gas son criterios para la descarga de todo tipo de plasma, tal y como describe la teoría de Townsend (Xiao, 2016). Según la teoría de Townsend, como se muestra en la figura 1a, (i) cuando la energía aplicada entre dos electrodos es suficiente, la energía cinética de la molécula aumenta y los electrones se liberan de la superficie del cátodo en oposición al campo eléctrico. La corriente eléctrica aumenta a medida que aumenta el voltaje, alcanzando la saturación y (ii) una corriente se vuelve constante. Los electrones se aceleran hacia el ánodo. En estas condiciones, las colisiones son elásticas (sin alterar la energía interna), y la energía de los electrones es poca para ionizar o excitar otras moléculas. (iii) Los electrones continúan colisionando hasta adquirir energía para ionizar átomos, con las colisiones inelásticas, que son más eficientes para transferir energía, si las colisiones tienen suficiente energía, pueden disociar las moléculas y átomos transformándolos en iones y electrones. . La migración de electrones e iones forma la corriente. (iv) Los electrones formados se aceleran en el campo eléctrico, chocando e ionizando otros átomos y moléculas, generando muchos iones positivos, electrones y la avalancha de electrones. Debido a la menor masa y la mayor velocidad, los electrones (105-106 m / s) se mueven hacia la cabeza de la avalancha, mientras que los iones positivos (50-500 m / s) son la cola. Los iones extraen nuevos electrones de la superficie del cátodo, que formarán avalanchas subsecuentes. Cuando se produce una ionización suficientemente intensa, el gas se interrumpe por completo y se vuelve conductor (Bruggeman et al., 2017; Conrads y Schmidt, 2000; Misra et al., 2016b; Xiao, 2016). baja presión en el espacio del electrodo después de la ruptura, como microdescargas. Sin embargo, se puede generar una descarga de serpentina con apariencia filamentosa a presión atmosférica, como se muestra en la Fig. 1b. Este tipo de descarga ocurre cuando el ánodo (v) captura los electrones y forma un volumen de iones positivos entre los electrodos (carga espacial). Los iones se recombinan con electrones libres y se emiten fotones, lo que provoca la fotoionización del gas cercano y genera más electrones. Así, se forman nuevas avalanchas (avalanchas secundarias). (vi) Las avalanchas secundarias se unen a la avalancha principal, ya que los electrones se recombinan con sus iones positivos. (vii) Se produce un proceso rápido y consecutivo, con la liberación de fotones y la formación de nuevas avalanchas que crean un canal altamente conductor, conocido como descarga serpentina (Bruggeman et al., 2017; Xiao, 2016). De la teoría de Townsend, la condición de avalancha derivó de la ley de Paschen, que se usa tradicionalmente para predecir la descomposición del gas (Garner et al., 2020). La ley de Paschen define que el voltaje necesario para encender un plasma entre dos electrodos para un gas específico depende de la presión del producto (p) y la distancia entre los electrodos (d). Este voltaje conduce a un equilibrio entre la generación de electrones que crea avalanchas volumétricas de electrones y procesos de emisión de electrones secundarios, con pérdidas de electrones en las superficies (Garner et al., 2020). Para valores bajos del producto pd, la tensión de ruptura es alta debido a las pocas colisiones que se producen y, por tanto, se necesita más energía para generar plasma. Para valores de pd altos, la tensión de ruptura también se eleva debido a numerosas colisiones que provocan que las partículas pierdan energía rápidamente, siendo fundamental aumentar la energía suministrada (Nehra et al., 2008). La forma de la curva p frente a d para diferentes gases es similar, presentando un valor de pd mínimo en el rango de 130-1300 Pa cm (Bruggeman et al., 2017). 2.2 Fuentes de CP adecuadas para la aplicación alimentaria. Los métodos más aplicados para el procesamiento de alimentos se clasifican en descarga de barrera dieléctrica (DBD), chorro de plasma (PJ), descarga de corona (CD), radiofrecuencia (RF) y microondas (MW) (Bermudez-Aguirre, 2020). Las especificidades para cada uno de ellos se dan y se discuten a continuación.
2.2.1 Descarga de barrera dieléctrica (DBD)
La producción de plasma con DBD está creciendo en importancia debido a sus bajos costos a escala industrial. Esta tecnología es una de las formas más convenientes de generación de plasma que proporciona varias aplicaciones debido a su configuración y flexibilidad para la forma del electrodo y el material dieléctrico utilizado (Misra et al., 2019b; Ziuzina et al., 2013). el plasma se genera mediante un alto voltaje aplicado entre dos electrodos metálicos (un electrodo motorizado y un electrodo de tierra). Uno o ambos electrodos están cubiertos con un material dieléctrico, como un polímero, vidrio, cuarzo o cerámica, separados por un espacio variable que varía de 0.1 mm a varios centímetros (Fig.2a) (Becker et al., 2005; Kogelschatz, 2003). El rango típico de parámetros para el funcionamiento de DBD es (i) presiones de gas entre 1 × 104 y 1 × 106 Pa, (ii) banda de frecuencia que varía entre 10 y 50 MHz, (iii) corriente alterna (CA) o corriente continua pulsada (CC ) con amplitud de voltaje que oscila entre 1 y 100 kVrms (Feizollahi et al., 2020). Una aplicación que abre muchas posibilidades para el sistema DBD es el tratamiento de alimentos en el paquete, con generación de CP dentro del paquete sellado. Este procedimiento permite extender el tiempo de acción de las especies reactivas sobre los microorganismos y evita la contaminación posproceso. Un ejemplo es el reactor DBD desarrollado por Ziuzina et al. (2016) para la operación industrial en la producción de alimentos. Este prototipo utilizó ACP para la descontaminación continua en el paquete de tomates cherry frescos, evaluando los recuentos de E. coli y L. innocua. El sistema de plasma constaba de dos electrodos paralelos de 1 m de longitud con un voltaje de salida aplicado de 0 a 100 kV, un espacio de descarga ajustable de hasta 4,5 cm, una potencia máxima consumida de 900 W y una corriente de descarga de 2,2 a 5,0 A. Los autores observaron una reducción de 5 log y 3,5 log en los recuentos de E. coli y L. innocua, respectivamente, después de 150 s de tratamiento. Zhao et al. Propusieron otro equipo a escala piloto. (2020); su prototipo ACP-DBD se utilizó para inactivar S. aureus en la superficie del albaricoque. Consistía en una malla de cobre como electrodo de alto voltaje, un tubo de cuarzo como barrera dieléctrica y una lámina de cobre conectada a tierra. Una fuente de alimentación de CC pulsada impulsó este dispositivo. El voltaje, la frecuencia y el ancho de pulso de voltaje aplicados fueron de 17 kV, 1 kHz y 3 μs, respectivamente. Los autores observaron una reducción logarítmica de 1,57 de S. aureus en 15 s de tratamiento.
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