1. 소개
지난 20년 동안 비열 처리 기술은 온화하고 효과적인 공정에 관심이 있는 식품 산업계에서 광범위한 관심을 받았습니다. 이러한 대체 기술은 기능과 저장 수명을 증가시켜 식품 영양소와 천연 풍미에 대한 부정적인 영향을 줄일 수 있습니다(Huang et al., 2017). 가장 성공적인 비열 방법 중 일부는 고압 처리(Kalagaturet al., 2018), 초음파(Pinon ~ et al., 2020), 펄스 전기장(Clemente et al., 2020; Schottroff et al., 2020)입니다. ), 자외선(Corrˆeaet al., 2020), 고강도 펄스광(Moraes and Moraru, 2018), 감마 조사(Deshmukh et al., 2020), 그리고 가장 최근에는 저온 플라즈마(CP)(Govaert et al.) ., 2020; Kim et al., 2020). 플라즈마는 반응성 산소종(ROS: O, O2, 오존(O3) 및 OH), 반응성 질소종(RNS: NO, NO2 및 NOx), 자외선(UV), 자유 라디칼을 포함하는 이온화된 가스로 설명할 수 있습니다. 및 하전 입자(Bourke et al., 2018; L. Han et al., 2016a, 2016b). 일반적으로 플라즈마는 가스 분자와 충돌하는 자유 전자로 인해 가스 이온화(Mandal et al., 2018)를 일으키는 높은 전위차를 가진 두 전극 사이에 존재하거나 흐르는 가스에 전기 에너지가 가해질 때 생성됩니다. 이온화된 가스가 상대적으로 낮은 에너지(1–10 eV)와 전자 밀도(최대 1010 cm-3)에 의해 형성될 때 CP(Roualdes and Rouessac, 2017)라고 합니다. CP에서는 전자와 무거운 종 사이에 열역학적 비평형이 있습니다. 따라서 전자는 이온 및 중성 분자보다 훨씬 가볍고 전체 에너지의 작은 부분만 교환되기 때문에 이들 사이의 온도가 다릅니다(Misra et al., 2018, 2019b). 따라서 이온과 전하를 띠지 않은 분자의 냉각은 전자로부터의 에너지 전달보다 더 효과적이며 가스는 낮은 온도를 유지합니다(Misra et al., 2016b). CP의 평균 전자 에너지는 최대 10eV이며 원자 및 분자 종의 여기와 화학 결합을 끊는 데 이상적입니다(Eliasson and Kogelschatz, 1991). 3-6 eV에서 유사한 이온화 및 해리 에너지를 갖는 모든 유기 분자는 플라즈마에 의해 쉽게 파괴될 수 있습니다(Suhr, 1983). CP 기술은 의료 기기, 섬유, 자동차, 항공 우주, 전자 및 포장재와 같은 많은 제조 산업에서 사용되었습니다(Bermudez-Aguirre, 2020; Olatunde et al., 2019a). 최근 CP는 미생물 수를 줄이기 위해 식품 산업에 통합되었습니다(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), 진균독을 분해(Puligundla et al., 2020; Sen et al., 2019), 효소 비활성화(Chutia et al., 2019; Kang et al., 2019) , 생리 활성 화합물의 농도 증가(Silveira et al., 2019), 항산화 활성 강화(X. Li et al., 2019a, 2019b), 살충제 감소(Phan et al., 2018; Toyokawa et al., 2018) 그리고
식품의 알레르겐(Ekezie et al., 2019b; Venkataratnam et al., 2019). 그러나 CP 처리는 식품의 부작용(예: 지질 산화), 안전성 평가 및 규제 승인과 관련하여 여전히 새로운 과정입니다. 지난 몇 년 동안 여러 연구에서 새로운 플라즈마 장비를 설계하고 다양한 상황에서 다양한 공정 변수를 테스트하여 CP 처리를 개선하는 데 중점을 두었습니다(Andrasch et al., 2017; Feizollahi et al., 2020; Misra and Jo, 2017; Zhao et al. , 2020, Ziuzina et al., 2016). 증가하는 문헌은 다양한 식품 유형에 대한 CP 적용의 결과를 논의하는 많은 리뷰를 제공합니다(Ekezie et al., 2017a; Feizollahi et al., 2020; Gavahian and Khaneghah, 2020; Muhammad et al., 2018b; Pan-kaj et al. , 2018). 그러나 CP 생성에 영향을 미치는 매개변수와 전극 재료, 시스템 형상 및 모양과 같은 식품 가공에 미치는 영향에 대한 포괄적인 평가가 부족하다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 이 검토에서는 식품 부문의 CP 운영 매개변수 및 적용과 관련된 최신 기술 상태에 대한 포괄적인 분석을 제공합니다. 식품에서 CP 효과에 대한 가장 계몽적인 연구에서의 관계를 포함하여 혈장 효율에 영향을 미치는 주요 메커니즘 및 요인이 제시되고 논의됩니다.
2. 저온 플라즈마 생성: 메커니즘 및 방법
2.1. Townsend 이론과 Paschen의 법칙 가스 파괴 및 전자 눈사태는 비전도성에서 전자를 위한 전도성 매체로 가스를 변환하는 기본 메커니즘을 나타냅니다. 타운센드 이론(Xiao, 2016)에 설명된 바와 같이 가스 분해 전반에 걸친 소위 전자 눈사태의 형성과 증식은 모든 종류의 플라즈마를 방전하는 기준입니다. Townsend의 이론에 따르면, 그림 1a에 스케치된 바와 같이, (i) 두 전극 사이에 인가된 에너지가 충분하면 분자 운동 에너지가 증가하고 전기장과 반대로 음극 표면에서 전자가 방출됩니다. 전압이 증가함에 따라 전류가 증가하여 포화에 도달하고 (ii) 전류가 일정해집니다. 전자는 양극쪽으로 가속됩니다. 이러한 조건에서 충돌은 탄성적이며(내부 에너지를 변경하지 않음) 전자 에너지는 다른 분자를 이온화하거나 여기시키기에 거의 없습니다. (iii) 전자는 에너지를 전달하는 데 더 효율적인 비탄성 충돌과 함께 원자를 이온화하는 에너지를 얻을 때까지 계속 충돌합니다. 충돌에 충분한 에너지가 있으면 분자와 원자를 해리하여 이온과 전자로 변환할 수 있습니다. . 전자와 이온의 이동은 전류를 형성합니다. (iv) 형성된 전자는 전기장에서 가속되어 다른 원자와 분자와 충돌하고 이온화하여 많은 양이온, 전자 및 전자 눈사태를 생성합니다. 더 적은 질량과 더 빠른 속도로 인해 전자(105–106 m/s)는 눈사태 헤드로 이동하고 양이온(50–500 m/s)은 꼬리로 이동합니다. 이온은 음극 표면에서 새로운 전자를 추출하여 후속 눈사태를 형성합니다. 충분히 강렬한 이온화가 발생하면 가스가 완전히 파괴되고 전도성이 됩니다(Bruggeman et al., 2017; Conrads and Schmidt, 2000; Misra et al., 2016b; Xiao, 2016). 글로우 방전(GD)은 다음에서 생성될 수 있습니다. 미세 방전과 같은 고장 후 전극 간극에 낮은 압력. 그러나 그림 1b와 같이 대기압에서 필라멘트 모양의 스트리머 방전이 발생할 수 있습니다. 이러한 유형의 방전은 (v) 양극이 전자를 포착할 때 발생하며 전극 사이에 다량의 양이온을 형성합니다(공간 전하). 이온은 자유 전자와 재결합하고 광자가 방출되어 근처의 가스 광이온화를 일으키고 더 많은 전자를 생성합니다. 따라서 새로운 눈사태가 형성됩니다(2차 눈사태). (vi) 2차 눈사태는 전자가 양이온과 재결합함에 따라 주 눈사태에 합류한다. (vii) 연속적이고 빠른 프로세스가 발생하며 광자 방출과 새로운 눈사태가 형성되어 스트리머 방전으로 알려진 전도성이 높은 채널을 생성합니다(Bruggeman et al., 2017; Xiao, 2016). Townsend의 이론에서 눈사태 상태는 Paschen의 법칙을 파생시켰으며, 이는 전통적으로 가스 분해를 예측하는 데 사용됩니다(Garner et al., 2020). Paschen의 법칙은 특정 가스에 대해 두 전극 사이의 플라즈마를 점화하는 데 필요한 전압이 제품 압력(p)과 전극 간격 거리(d)에 따라 달라진다고 정의합니다. 이 전압은 표면에서 전자 손실과 함께 체적 전자 눈사태를 생성하는 전자 생성과 2차 전자 방출 과정 사이의 평형을 이끕니다(Garner et al., 2020). 제품 pd의 값이 낮으면 발생하는 충돌이 적기 때문에 항복 전압이 높으므로 플라즈마를 생성하기 위해 더 많은 에너지가 필요합니다. 높은 pd 값의 경우 입자가 빠르게 에너지를 잃도록 하는 수많은 충돌로 인해 항복 전압이 높아져 공급된 에너지를 증가시키는 데 필수적입니다(Nehra et al., 2008). 다른 가스에 대한 곡선 p 대 d의 모양은 130–1300 Pa cm 범위의 최소 pd 값을 나타냄(Bruggeman et al., 2017).2.2.식품 응용에 적합한 CP 소스 .플라즈마 생성 식품 가공에 가장 많이 적용되는 방법은 유전체 장벽 방전(DBD), 플라즈마 제트(PJ), 코로나 방전(CD), 무선 주파수(RF) 및 마이크로파(MW)로 분류됩니다(Bermudez-Aguirre, 2020). 각각에 대한 세부 사항은 다음에서 제공되고 논의됩니다.
2.2.1.유전체 장벽 방전(DBD)
DBD를 사용한 플라즈마 생산은 산업적 규모에서 비용이 저렴하기 때문에 그 중요성이 커지고 있습니다. 이 기술은 전극 모양과 사용되는 유전체 재료에 대한 구성과 유연성으로 인해 여러 응용 분야를 제공하는 가장 편리한 플라즈마 생성 형태 중 하나입니다(Misra et al., 2019b; Ziuzina et al., 2013).DBD 플라즈마는 두 개의 금속 전극(전원 전극과 접지 전극) 사이에 인가된 고전압에 의해 생성됩니다. 하나 또는 두 개의 전극은 폴리머, 유리, 석영 또는 세라믹과 같은 유전 물질로 덮여 있으며 0.1mm에서 수 센티미터 범위의 가변 간격으로 분리됩니다(그림 2a)(Becker et al., 2005; Kogelschatz, 2003). DBD 작동을 위한 매개변수의 일반적인 범위는 (i) 1 × 104 ~ 1 × 106 Pa 사이의 가스 압력, (ii) 10MHz와 50MHz 사이에서 변하는 주파수 대역, (iii) 교류(AC) 또는 펄스 직류(DC)입니다. ) 전압 진폭이 1~100kVrms 사이에서 진동합니다(Feizollahi et al., 2020). DBD 시스템에 대한 많은 가능성을 열어주는 응용 프로그램은 밀봉된 패키지 내부에 CP 생성과 함께 패키지 내 식품 처리입니다. 이 절차를 통해 미생물에 대한 반응성 종의 작용 시간을 연장하고 공정 후 오염을 방지할 수 있습니다. 한 예로 Ziuzina et al.에 의해 개발된 DBD 반응기가 있습니다. (2016) 식품 생산의 산업 운영을 위해. 이 프로토타입은 E. coli 및 L. innocua 수를 평가하여 신선한 체리 토마토의 지속적인 패키지 내 오염 제거를 위해 ACP를 사용했습니다. 플라즈마 시스템은 0-100kV의 인가된 출력 전압, 최대 4.5cm의 조정 가능한 방전 간격, 900W의 최대 소비 전력 및 2.2-5.0A의 방전 전류를 갖는 2개의 병렬 1m 길이 전극으로 구성되었습니다. 저자는 치료 150초 후 E. coli 및 L. innocua 수가 각각 5 log 및 3.5 log 감소하는 것을 관찰했습니다. 파일럿 규모의 또 다른 장비는 Zhao et al.에 의해 제안되었습니다. (2020); ACP-DBD 프로토타입을 사용하여 살구 표면에서 S. aureus를 비활성화했습니다. 그것은 고전압 전극으로 구리 메쉬, 유전체 장벽으로 석영 튜브 및 접지된 구리 호일로 구성됩니다. 펄스 DC 전원 공급 장치가 이 장치를 구동했습니다. 인가된 전압, 주파수 및 전압 펄스 폭은 각각 17kV, 1kHz 및 3μs였다. 저자는 치료 15초 동안 S. aureus의 1.57 로그 감소를 관찰했습니다.
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