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食品加工におけるコールドプラズマ：設計、メカニズム、およびアプリケーション

2021年8月10日

1.はじめに
過去20年間で、非熱処理技術は、穏やかで効果的なプロセスに関心のある食品業界から広く注目を集めてきました。これらの代替技術は、機能性と貯蔵寿命を向上させ、食品の栄養素と自然の風味への悪影響を減らす可能性があります（Huang et al。、2017）。最も成功した非熱的方法のいくつかは、高圧処理（Kalagaturet al。、2018）、超音波（Pinon〜et al。、2020）、パルス電場（Clemente et al。、2020; Schottroff et al。、2020）です。）、紫外線（Corrˆeaet al。、2020）、高強度パルス光（Moraes and Moraru、2018）、ガンマ線照射（Deshmukh et al。、2020）、そして最近ではコールドプラズマ（CP）（Govaert et al。。、2020; Kim et al。、2020）。プラズマは、反応性酸素種（ROS：O、O2、オゾン（O3）、およびOH）、反応性窒素種（RNS：NO、NO2、およびNOx）、紫外線（UV）、フリーラジカルを含むイオン化ガスとして説明できます。、および荷電粒子（Bourke et al。、2018; L.Han et al。、2016a、2016b）。通常、プラズマは、電気エネルギーが2つの電極間に存在する、または2つの電極間に流れるガスに適用され、それらのガス分子と衝突する自由電子によってガスイオン化を引き起こす高い電位差で生成されます（Mandal et al。、2018）。イオン化ガスが比較的低いエネルギー（1〜10 eV）と電子密度（最大1010 cm-3）で形成される場合、CPと呼ばれます（Roualdes and Rouessac、2017）。 CPでは、電子と重い化学種の間に熱力学的非平衡があります。したがって、電子はイオンや中性分子よりもはるかに軽く、全エネルギーのごく一部しか交換されないため、それらの間の温度は異なります（Misra et al。、2018,2019b）。したがって、イオンと非荷電分子の冷却は、電子からのエネルギー伝達よりも効果的であり、ガスは低温にとどまります（Misra et al。、2016b）。最大10eVのCPの平均電子エネルギーは、原子および分子種の励起と化学結合の切断に理想的です（Eliasson and Kogelschatz、1991）。 3〜6 eVの同様のイオン化および解離エネルギーを持つすべての有機分子は、プラズマによって簡単に破壊される可能性があります（Suhr、1983）。 CP技術は、医療機器、繊維、自動車、航空宇宙、電子機器、包装材料など、多くの製造業で使用されてきました（Bermudez-Aguirre、2020; Olatunde et al。、2019a）。最近、CPは微生物数を減らすために食品産業に組み込まれました（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）、マイコトキシンの分解（Puligundla et al。、2020; Sen et al。、2019）、酵素の不活性化（Chutia et al。、2019; Kang et al。、2019）、生物活性化合物の濃度を上げ（Silveira et al。、2019）、抗酸化活性を高め（X. Li et al。、2019a、2019b）、農薬を減らします（Phan et al。、2018; Toyokawa et al。、2018）と

食品中のアレルゲン（Ekezie et al。、2019b; Venkataratnam et al。、2019）しかし、CP治療は、食品への悪影響（脂質酸化など）、安全性評価、規制当局の承認に関して、依然として新たなプロセスです。過去数年間、いくつかの研究は、新しいプラズマ装置を設計し、多くの状況でさまざまなプロセス変数をテストすることによってCP治療を改善することに焦点を当てました（Andrasch et al。、2017; Feizollahi et al。、2020; Misra and Jo、2017; Zhao etal。、2020; Ziuzina et al。、2016）。増え続ける文献は、さまざまな食品タイプへのCP適用の結果を議論する多くのレビューを提示しています（Ekezie et al。、2017a; Feizollahi et al。、2020; Gavahian and Khaneghah、2020; Muhammad et al。、2018b; Pan-kaj etal。、2018）。ただし、CPの生成に影響を与えるパラメータと、電極の材質、システムの形状、形状など、食品加工への影響についての包括的な評価が不足していることに注意してください。したがって、このレビューは、CPの動作パラメータと食品部門でのアプリケーションに関する最新技術の包括的な分析を提示します。血漿効率に影響を与える主なメカニズムと要因が提示され、食品におけるCP効果の最も啓発的な研究におけるそれらの関係を含めて議論されています。

2.コールドプラズマの生成：メカニズムと方法
2.1。タウンゼント理論とパッシェンの法則ガス破壊と電子なだれは、ガスを非導電性から電子の導電性媒体に変換するための基本的なメカニズムを指します。タウンゼント理論（Xiao、2016）で説明されているように、ガス分解全体でのいわゆる電子なだれの形成と増殖は、あらゆる種類のプラズマを放出するための基準です。タウンゼントの理論によれば、図1aに示すように、（i）2つの電極間に加えられるエネルギーが十分である場合、分子の運動エネルギーが増加し、電界に対抗して電子がカソード表面から放出されます。電流は電圧が増加するにつれて増加し、飽和に達し、（ii）電流は一定になります。電子はアノードに向かって加速されます。これらの条件下では、衝突は弾性的であり（内部エネルギーを変更することなく）、電子エネルギーは他の分子をイオン化または励起することはほとんどありません。（iii）電子は、原子をイオン化するエネルギーを獲得するまで衝突し続け、非弾性衝突はエネルギーを伝達するのにより効率的です。衝突に十分なエネルギーがある場合、それらは分子と原子を解離し、それらをイオンと電子に変換することができます。電子とイオンの移動が電流を形成します。（iv）形成された電子は電場で加速され、他の原子や分子と衝突してイオン化し、多くの陽イオン、電子、および電子なだれを生成します。質量が小さく速度が速いため、電子（105〜106 m / s）は雪崩の頭に移動し、陽イオン（50〜500 m / s）は尾になります。イオンはカソード表面から新しい電子を抽出し、それがその後のなだれを形成します。十分に強いイオン化が発生すると、ガスは完全に破壊されて導電性になります（Bruggeman et al。、2017; Conrads and Schmidt、2000; Misra et al。、2016b; Xiao、2016）。微小放電など、破壊後の電極ギャップへの低圧。ただし、図1bに示すように、フィラメント状の外観のストリーマ放電は大気圧で生成できます。このタイプの放電は、（v）アノードが電子を捕捉し、電極間に正イオンのボリュームを形成するときに発生します（空間電荷）。イオンは自由電子と再結合し、光子が放出されて、近くのガスの光イオン化を引き起こし、より多くの電子を生成します。したがって、新しいなだれが形成されます（二次なだれ）。（vi）電子が正イオンと再結合するため、2次アバランシェがメインアバランシェに加わります。（vii）連続的かつ迅速なプロセスが発生し、光子の放出と新しいなだれの形成により、ストリーマー放電として知られる導電性の高いチャネルが作成されます（Bruggeman et al。、2017; Xiao、2016）。タウンゼントの理論から、雪崩状態はパッシェンの法則を導き出しました。パッシェンの法則は、ガスの分解を予測するために伝統的に使用されています（Garner et al。、2020）。パッシェンの法則は、特定のガスに対して2つの電極間でプラズマを点火するために必要な電圧は、製品の圧力（p）と電極のギャップ距離（d）に依存することを定義しています。この電圧は、体積電子なだれを引き起こす電子の生成と、表面での電子損失を伴う二次電子放出プロセスとの間の平衡につながります（Garner et al。、2020）。積pdの値が低い場合、衝突がほとんど発生しないため絶縁破壊電圧が高くなるため、プラズマを生成するためにより多くのエネルギーが必要になります。高いpd値の場合、粒子がエネルギーを急速に失う原因となる多数の衝突のために絶縁破壊電圧も高くなり、供給されるエネルギーを増やすために不可欠です（Nehra et al。、2008）。さまざまなガスの曲線p対dの形状は類似しており、130〜1300 Pa cmの範囲の最小pd値を示します（Bruggeman et al。、2017）.2.2。食品用途に適したCPソース。プラズマ生成食品加工に最も適用される方法は、誘電体バリア放電（DBD）、プラズマジェット（PJ）、コロナ放電（CD）、高周波（RF）、およびマイクロ波（MW）に分類されます（Bermudez-Aguirre、2020）。それらのそれぞれの特異性は、以下に与えられ、議論されます。

2.2.1。誘電体バリア放電（DBD）

DBDを使用したプラズマ製造は、工業規模での低コストのために重要性を増しています。この技術は、使用される電極形状と誘電体材料の構成と柔軟性により、いくつかのアプリケーションを提供するプラズマ生成の最も便利な形式の1つです（Misra et al。、2019b; Ziuzina et al。、2013）。DBDプラズマは、2つの金属電極（給電電極と接地電極）の間に高電圧を印加することによって生成されます。一方または両方の電極は、ポリマー、ガラス、石英、セラミックなどの誘電体で覆われ、0.1 mmから数センチメートルの範囲の可変ギャップで分離されています（図2a）（Becker et al。、2005; Kogelschatz、 2003）。 DBD動作のパラメータの一般的な範囲は、（i）1×104〜1×106 Paのガス圧、（ii）10〜50 MHzの周波数帯域、（iii）交流（AC）またはパルス直流（DC）です。）電圧振幅が1〜100 kVrmsの間で振動する場合（Feizollahi et al。、2020）DBDシステムの多くの可能性を開くアプリケーションは、密封されたパッケージ内でCPを生成するパッケージ内の食品処理です。この手順により、微生物に対する反応種の作用時間を延長し、プロセス後の汚染を防ぐことができます。例として、Ziuzinaらによって開発されたDBDリアクターがあります。（2016）食品生産における産業運営のため。このプロトタイプは、新鮮なチェリートマトの継続的なパッケージ内除染にACPを使用し、大腸菌とL.イノクアの数を評価しました。プラズマシステムは、0〜100 kVの印加出力電圧、最大4.5 cmの調整可能な放電ギャップ、900 Wの最大消費電力、および2.2〜5.0Aの放電電流を備えた2つの平行な長さ1mの電極で構成されていました。著者らは、150秒間の処理後、大腸菌とL.innocuaの数がそれぞれ5logと3.5log減少することを観察しました。パイロット規模の別の機器がZhaoらによって提案されました。（2020）;彼らのACP-DBDプロトタイプは、アプリコット表面の黄色ブドウ球菌を不活化するために使用されました。それは、高電圧電極としての銅メッシュ、誘電体バリアとしての石英管、および接地された銅箔で構成されていました。パルスDC電源がこのデバイスを駆動しました。印加電圧、周波数、電圧パルス幅は、それぞれ17 kV、1 kHz、3μsでした。著者らは、15秒間の治療で黄色ブドウ球菌が1.57対数減少することを観察しました。