1. Введение
В последние два десятилетия технологии нетермической обработки привлекли широкое внимание пищевой промышленности, заинтересованной в мягких и эффективных процессах. Эти альтернативные технологии могут увеличить функциональность и срок хранения, уменьшая негативное влияние на питательные вещества и натуральный вкус пищи (Huang et al., 2017). Некоторые из наиболее успешных нетермических методов - это обработка под высоким давлением (Kalagaturet al., 2018), ультразвук (Pinon ˜ et al., 2020), импульсное электрическое поле (Clemente et al., 2020; Schottroff et al., 2020 ), ультрафиолетовый свет (Corrˆea et al., 2020), импульсный свет высокой интенсивности (Moraes and Moraru, 2018), гамма-излучение (Deshmukh et al., 2020) и, совсем недавно, холодная плазма (CP) (Govaert et al. ., 2020; Kim et al., 2020). Плазма может быть описана как ионизированный газ, содержащий активные формы кислорода (ROS: O, O2, озон (O3) и OH), активные формы азота (RNS: NO, NO2 и NOx), ультрафиолетовое излучение (УФ), свободные радикалы. , и заряженных частиц (Bourke et al., 2018; L. Han et al., 2016a, 2016b). Обычно плазма генерируется, когда электрическая энергия применяется к газу, присутствующему или протекающему между двумя электродами с высокой разностью электрических потенциалов, которая вызывает ионизацию газа (Mandal et al., 2018) из-за столкновения свободных электронов с этими молекулами газа. Когда ионизированный газ образован относительно низкой энергией (1–10 эВ) и электронной плотностью (до 1010 см − 3), его называют CP (Roualdes and Rouessac, 2017). В КП существует термодинамическое неравновесие между электронами и тяжелыми частицами. Следовательно, температура между ними разная, потому что электроны намного легче, чем ионы и нейтральные молекулы, и обменивается лишь небольшая часть общей энергии (Misra et al., 2018, 2019b). Таким образом, охлаждение ионов и незаряженных молекул более эффективно, чем передача энергии от электронов, и газ остается при низкой температуре (Misra et al., 2016b). Средняя энергия электронов CP, до 10 эВ, идеальна для возбуждения атомных и молекулярных частиц и разрыва химических связей (Eliasson and Kogelschatz, 1991). Все органические молекулы, имеющие близкие энергии ионизации и диссоциации от 3 до 6 эВ, могут легко разрушаться плазмой (Suhr, 1983). Технология CP используется во многих отраслях обрабатывающей промышленности, таких как медицинское оборудование, текстиль, автомобилестроение, авиакосмическая промышленность, электроника и упаковочные материалы (Bermudez-Aguirre, 2020; Olatunde et al., 2019a). Недавно CP был включен в пищевую промышленность для уменьшения количества микробов (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), разлагают микотоксины (Puligundla et al., 2020; Sen et al., 2019), инактивируют ферменты (Chutia et al., 2019; Kang et al., 2019) , увеличить концентрацию биологически активных соединений (Silveira et al., 2019), усилить антиоксидантную активность (X. Li et al., 2019a, 2019b) и уменьшить количество пестицидов (Phan et al., 2018; Toyokawa et al., 2018) и
аллергенов (Ekezie et al., 2019b; Venkataratnam et al., 2019) в пищевых продуктах. Однако лечение ХП все еще является новым процессом в отношении побочных эффектов в пищевых продуктах (например, окисления липидов), оценки безопасности и одобрения регулирующих органов. В последние годы несколько исследований были сосредоточены на улучшении лечения ХП путем разработки нового плазменного оборудования и тестирования различных переменных процесса во многих ситуациях (Andrasch et al., 2017; Feizollahi et al., 2020; Misra and Jo, 2017; Zhao et al. , 2020; Зюзина и др., 2016). В растущей литературе представлено множество обзоров, в которых обсуждаются последствия применения ХП для различных типов пищи (Ekezie et al., 2017a; Feizollahi et al., 2020; Gavahian and Khaneghah, 2020; Muhammad et al., 2018b; Pan-kaj et al. , 2018). Однако следует отметить отсутствие всесторонней оценки параметров, влияющих на образование CP и их влияния на обработку пищевых продуктов, таких как материал электродов, геометрия системы и форма. Таким образом, в данном обзоре представлен всесторонний анализ современного состояния дел в отношении рабочих параметров CP и их применения в пищевой промышленности. Представлены и обсуждены основные механизмы и факторы, влияющие на эффективность плазмы, в том числе их взаимосвязь в наиболее информативных исследованиях эффекта ХП в пищевых продуктах.
2. Генерация холодной плазмы: механизм и методы.
2.1. Теория Таунсенда и закон Пашена. Пробой газа и электронная лавина относятся к фундаментальным механизмам преобразования газа из непроводящей среды в проводящую среду для электронов. Формирование и размножение так называемых электронных лавин во время пробоя газа являются критериями для разряда всех видов плазмы, как описано в теории Таунсенда (Xiao, 2016). Согласно теории Таунсенда, как показано на рис. 1a, (i), когда энергия, приложенная между двумя электродами, достаточна, кинетическая энергия молекулы увеличивается, и электроны высвобождаются с поверхности катода в противовес электрическому полю. Электрический ток увеличивается по мере увеличения напряжения, достигая насыщения, и (ii) ток становится постоянным. Электроны ускоряются к аноду. В этих условиях столкновения являются упругими (без изменения внутренней энергии), а энергия электронов мала для ионизации или возбуждения других молекул. (iii) Электроны продолжают сталкиваться до тех пор, пока не приобретут энергию для ионизации атомов, с неупругими столкновениями, которые более эффективны для передачи энергии. Если столкновения имеют достаточно энергии, они могут диссоциировать молекулы и атомы, превращая их в ионы и электроны. . Миграция электронов и ионов образует ток. (iv) Образованные электроны ускоряются в электрическом поле, сталкиваются и ионизируют другие атомы и молекулы, генерируя множество положительных ионов, электронов и электронную лавину. Из-за меньшей массы и большей скорости электроны (105–106 м / с) движутся к голове лавины, а положительные ионы (50–500 м / с) - к хвосту. Ионы извлекают новые электроны с поверхности катода, которые впоследствии образуют лавины. Когда происходит достаточно интенсивная ионизация, газ полностью разрушается и становится проводящим (Bruggeman et al., 2017; Conrads and Schmidt, 2000; Misra et al., 2016b; Xiao, 2016). Тлеющий разряд (GD) может возникать при низкое давление в межэлектродном зазоре после пробоя, например, микроразряды. Однако стримерный разряд с нитевидным внешним видом может возникать при атмосферном давлении, как показано на рис. 1b. Этот тип разряда возникает, когда (v) анод захватывает электроны и образует объем положительных ионов между электродами (объемный заряд). Ионы рекомбинируют со свободными электронами, и излучаются фотоны, вызывая фотоионизацию соседнего газа и генерируя больше электронов. Таким образом, образуются новые лавины (вторичные лавины). (vi) Вторичные лавины присоединяются к основной лавине, поскольку электроны рекомбинируют со своими положительными ионами. (vii) Происходит последовательный и быстрый процесс с высвобождением фотонов и образованием новых лавин, создающих канал с высокой проводимостью, известный как стримерный разряд (Bruggeman et al., 2017; Xiao, 2016). Из теории Таунсенда условие лавины получило закон Пашена, который традиционно используется для прогнозирования пробоя газа (Garner et al., 2020). Закон Пашена определяет, что напряжение, необходимое для зажигания плазмы между двумя электродами для определенного газа, зависит от давления продукта (p) и расстояния между электродами (d). Это напряжение приводит к равновесию между генерацией электронов, которая создает объемные электронные лавины, и процессами вторичной электронной эмиссии с потерями электронов на поверхностях (Garner et al., 2020). При низких значениях произведения pd напряжение пробоя является высоким из-за небольшого количества столкновений, которые происходят, и, следовательно, требуется больше энергии для генерации плазмы. При высоких значениях pd напряжение пробоя также увеличивается из-за многочисленных столкновений, которые вызывают быструю потерю энергии частицами, что необходимо для увеличения подводимой энергии (Nehra et al., 2008). Форма кривой p от d для разных газов аналогична, представляя минимальное значение pd в диапазоне 130–1300 Па · см (Bruggeman et al., 2017). 2.2. Источники ЦП, пригодные для использования в пищевых продуктах. Генерация плазмы. Методы, наиболее часто применяемые в пищевой промышленности, подразделяются на диэлектрический барьерный разряд (DBD), плазменную струю (PJ), коронный разряд (CD), радиочастотный (RF) и микроволновый (MW) (Bermudez-Aguirre, 2020). Ниже даны и обсуждаются особенности каждого из них.
2.2.1. Диэлектрический барьерный разряд (ДБР)
Производство плазмы с помощью DBD приобретает все большее значение из-за его низкой стоимости в промышленных масштабах. Эта технология является одной из наиболее удобных форм генерации плазмы, которая имеет несколько применений благодаря своей конфигурации и гибкости в зависимости от формы электрода и используемого диэлектрического материала (Misra et al., 2019b; Ziuzina et al., 2013). DBD Плазма создается за счет высокого напряжения, приложенного между двумя металлическими электродами (активный электрод и заземляющий электрод). Один или оба электрода покрыты диэлектрическим материалом, таким как полимер, стекло, кварц или керамика, разделенные переменным зазором от 0,1 мм до нескольких сантиметров (рис. 2а) (Becker et al., 2005; Kogelschatz, 2003). Типичный диапазон параметров для работы DBD: (i) давление газа от 1 × 104 до 1 × 106 Па, (ii) диапазон частот от 10 до 50 МГц, (iii) переменный ток (AC) или импульсный постоянный ток (DC). ) с амплитудой напряжения, колеблющейся от 1 до 100 кВ среднекв. (Feizollahi et al., 2020). Приложение, которое открывает много возможностей для системы DBD, - это обработка пищевых продуктов в упаковке с генерацией CP внутри герметичной упаковки. Эта процедура позволяет продлить время действия реактивных веществ на микроорганизмы и предотвратить загрязнение после обработки. Примером может служить реактор DBD, разработанный Зюзиной и др. (2016) для промышленного производства пищевых продуктов. В этом прототипе использовался ACP для непрерывной дезинфекции свежих помидоров черри в упаковке с подсчетом количества бактерий E. coli и L. innocua. Плазменная система состояла из двух параллельных электродов длиной 1 м с приложенным выходным напряжением 0–100 кВ, регулируемым разрядным промежутком до 4,5 см, максимальной потребляемой мощностью 900 Вт и разрядным током 2,2–5,0 А. Авторы наблюдали снижение количества E. coli и L. innocua на 5 log и 3,5 log соответственно после 150 с лечения. Другой образец оборудования в пилотном масштабе был предложен Zhao et al. (2020); их прототип ACP-DBD был использован для инактивации S. aureus на поверхности абрикоса. Он состоял из медной сетки в качестве высоковольтного электрода, кварцевой трубки в качестве диэлектрического барьера и заземленной медной фольги. Это устройство приводило в действие импульсный источник питания постоянного тока. Приложенное напряжение, частота и ширина импульса напряжения составляли 17 кВ, 1 кГц и 3 мкс соответственно. Авторы наблюдали снижение количества S. aureus на 1,57 log за 15 с лечения.
RU 
EN 
DE 
JA 
FR 
KO 
ES 
ZH