Plasma froid dans la transformation des aliments : conception, mécanismes et applications

allergènes (Ekezie et al., 2019b; Venkataratnam et al., 2019) dans les produits alimentaires. Cependant, le traitement de la PC est encore un processus émergent concernant les effets indésirables dans les aliments (par exemple, l'oxydation des lipides), l'évaluation de la sécurité et l'approbation réglementaire. Au cours des dernières années, plusieurs études se sont concentrées sur l'amélioration du traitement de la PC en concevant de nouveaux équipements plasma et en testant différentes variables de processus dans de nombreuses situations (Andrasch et al., 2017 ; Feizollahi et al., 2020 ; Misra et Jo, 2017 ; Zhao et al. , 2020 ; Ziuzina et al., 2016). La littérature croissante présente de nombreuses revues discutant des conséquences de l'application de la PC à différents types d'aliments (Ekezie et al., 2017a ; Feizollahi et al., 2020 ; Gavahian et Khaneghah, 2020 ; Muhammad et al., 2018b ; Pan-kaj et al. , 2018). Cependant, il convient de noter qu'il y a un manque d'évaluation complète sur les paramètres affectant la génération de CP et leur impact sur la transformation des aliments, tels que le matériau des électrodes, la géométrie du système et la forme. Par conséquent, cette revue présente une analyse complète de l'état actuel de l'art concernant les paramètres de fonctionnement du CP et son application dans le secteur alimentaire. Les principaux mécanismes et facteurs influençant l'efficacité du plasma sont présentés et discutés, y compris leur relation dans les études les plus éclairantes sur l'effet CP dans les produits alimentaires.

2. Génération de plasma froid : mécanisme et méthodes
2.1. La théorie de Townsend et la loi de Paschen Le claquage du gaz et l'avalanche d'électrons font référence aux mécanismes fondamentaux pour transformer un gaz non conducteur en un milieu conducteur pour les électrons. La formation et la multiplication des avalanches d'électrons tout au long du claquage du gaz sont des critères de décharge de toutes sortes de plasma, comme décrit par la théorie de Townsend (Xiao, 2016). Selon la théorie de Townsend, esquissée sur la figure 1a, (i) lorsque l'énergie appliquée entre deux électrodes est suffisante, l'énergie cinétique de la molécule augmente et des électrons sont libérés de la surface de la cathode en opposition au champ électrique. Le courant électrique augmente à mesure que la tension augmente, atteignant la saturation, et (ii) un courant devient constant. Les électrons sont accélérés vers l'anode. Dans ces conditions, les collisions sont élastiques (sans altérer l'énergie interne), et l'énergie des électrons est faible pour ioniser ou exciter d'autres molécules. (iii) Les électrons continuent à entrer en collision jusqu'à acquérir de l'énergie pour ioniser les atomes, avec les collisions inélastiques, qui sont plus efficaces pour le transfert d'énergie. Si les collisions ont suffisamment d'énergie, elles peuvent dissocier les molécules et les atomes, les transformant en ions et électrons . La migration des électrons et des ions forme le courant. (iv) Les électrons formés sont accélérés dans le champ électrique, entrant en collision et ionisant d'autres atomes et molécules, générant de nombreux ions positifs, des électrons et l'avalanche d'électrons. En raison d'une masse moindre et d'une vitesse plus élevée, les électrons (105-106 m/s) se déplacent vers la tête d'avalanche, tandis que les ions positifs (50-500 m/s) constituent la queue. Les ions extraient de nouveaux électrons de la surface de la cathode, qui formeront des avalanches subséquentes. Lorsqu'une ionisation suffisamment intense se produit, le gaz se perturbe complètement et devient conducteur (Bruggeman et al., 2017 ; Conrads et Schmidt, 2000 ; Misra et al., 2016b ; Xiao, 2016). Une décharge luminescente (GD) peut être générée à basse pression dans l'espace entre les électrodes après le claquage, telles que les micro-décharges. Cependant, une décharge de flûte avec un aspect filamenteux peut être générée à pression atmosphérique, comme le montre la figure 1b. Ce type de décharge se produit lorsque l'anode (v) capte les électrons et forme un volume d'ions positifs entre les électrodes (charge d'espace). Les ions se recombinent avec des électrons libres et des photons sont émis, provoquant la photoionisation du gaz à proximité et générant plus d'électrons. Ainsi, de nouvelles avalanches se forment (avalanches secondaires). (vi) Les avalanches secondaires rejoignent l'avalanche principale, car les électrons se recombinent avec leurs ions positifs. (vii) Un processus consécutif et rapide se produit, avec la libération de photons et la formation de nouvelles avalanches créant un canal hautement conducteur, connu sous le nom de décharge de streamer (Bruggeman et al., 2017 ; Xiao, 2016). De la théorie de Townsend, la condition d'avalanche dérive de la loi de Paschen, qui est traditionnellement utilisée pour prédire la décomposition du gaz (Garner et al., 2020). La loi de Paschen définit que la tension nécessaire pour allumer un plasma entre deux électrodes pour un gaz spécifique dépend de la pression du produit (p) et de la distance entre les électrodes (d). Cette tension conduit à un équilibre entre la génération d'électrons qui crée des avalanches d'électrons volumétriques et des processus d'émission d'électrons secondaires, avec des pertes d'électrons sur les surfaces (Garner et al., 2020). Pour de faibles valeurs du produit pd, la tension de claquage est élevée en raison du peu de collisions qui se produisent, et donc plus d'énergie pour générer du plasma est nécessaire. Pour des valeurs pd élevées, la tension de claquage est également augmentée en raison de nombreuses collisions qui font perdre rapidement de l'énergie aux particules, ce qui est essentiel pour augmenter l'énergie fournie (Nehra et al., 2008). La forme de la courbe p vs. d pour différents gaz est similaire, présentant une valeur pd minimale comprise entre 130 et 1300 Pa cm (Bruggeman et al., 2017). les méthodes les plus appliquées pour la transformation des aliments sont classées en décharge à barrière diélectrique (DBD), jet de plasma (PJ), décharge corona (CD), radiofréquence (RF) et micro-ondes (MW) (Bermudez-Aguirre, 2020). Les spécificités de chacun d'entre eux sont données et discutées ci-après.

2.2.1.Décharge à barrière diélectrique (DBD)

La production de plasma avec DBD prend de l'importance en raison de ses faibles coûts à l'échelle industrielle. Cette technologie est l'une des formes les plus pratiques de génération de plasma qui offre plusieurs applications en raison de sa configuration et de sa flexibilité pour la forme de l'électrode et le matériau diélectrique utilisé (Misra et al., 2019b; Ziuzina et al., 2013).DBD le plasma est généré par une haute tension appliquée entre deux électrodes métalliques (une électrode alimentée et une électrode de masse). Une ou les deux électrodes sont recouvertes d'un matériau diélectrique, tel qu'un polymère, du verre, du quartz ou de la céramique, séparés par un espace variable allant de 0,1 mm à plusieurs centimètres (Fig. 2a) (Becker et al., 2005 ; Kogelschatz, 2003). La gamme typique de paramètres pour le fonctionnement du DBD est (i) des pressions de gaz comprises entre 1 × 104 et 1 × 106 Pa, (ii) une bande de fréquence variant entre 10 et 50 MHz, (iii) un courant alternatif (AC) ou un courant continu pulsé (DC ) avec une amplitude de tension oscillant entre 1 et 100 kVrms (Feizollahi et al., 2020). Une application qui ouvre de nombreuses possibilités pour le système DBD est le traitement alimentaire in-pack, avec génération de CP à l'intérieur de l'emballage scellé. Cette procédure permet d'allonger le temps d'action des espèces réactives sur les micro-organismes et évite la contamination post-traitement. Un exemple est le réacteur DBD développé par Ziuzina et al. (2016) pour l'exploitation industrielle dans la production alimentaire. Ce prototype a utilisé l'ACP pour la décontamination continue des emballages de tomates cerises fraîches, évaluant les dénombrements d'E. coli et de L. innocua. Le système plasma se composait de deux électrodes parallèles de 1 m de long avec une tension de sortie appliquée de 0 à 100 kV, un écart de décharge réglable jusqu'à 4,5 cm, une puissance consommée maximale de 900 W et un courant de décharge de 2,2 à 5,0 A. Les auteurs ont observé une réduction de 5 log et 3,5 log du nombre d'E. coli et de L. innocua, respectivement, après 150 s de traitement. Un autre équipement à l'échelle pilote a été proposé par Zhao et al. (2020); leur prototype ACP-DBD a été utilisé pour inactiver S. aureus sur la surface de l'abricot. Il se composait d'un treillis de cuivre comme électrode haute tension, d'un tube de quartz comme barrière diélectrique et d'une feuille de cuivre mise à la terre. Une alimentation CC pulsée alimentait cet appareil. La tension appliquée, la fréquence et la largeur d'impulsion de tension étaient de 17 kV, 1 kHz et 3 s, respectivement. Les auteurs ont observé une réduction de 1,57 log de S. aureus en 15 s de traitement.