Koud plasma: Interessant voor de voedings­in­dustrie?

De huidige chemische en thermische processen die worden gebruikt om de hygiëne en veiligheid van producten te borgen, kennen nadelen. Koud plasma kan een mild alternatief zijn bij de bestrijding van micro-organismen, microbiële sporen en virussen. Wat houdt deze technologie in en wat kan de voedingsindustrie ermee?

De laatste jaren verschijnen er veel wetenschappelijke publicaties van studies naar de toepassingen van niet-thermische plasmatechnologie (koud plasma) in de voedingsmiddelenindustrie. Onderzoekers hebben namelijk ontdekt dat plasma’s opererend bij atmosferische condities een inactiverende werking hebben op een breed scala aan micro-organismen; waaronder ziekte- en bederfveroorzakende bacteriën en schimmels, maar ook microbiële sporen en virussen. Deze werking vindt bij een relatief lage gastemperatuur plaats. Er zijn standaard bedrijfsgassen (perslucht, zuurstof, stikstof), water en energie voor nodig, en op het product vinden geen thermische degradatie-effecten plaats. Bovendien is het een droog en residu-vrij proces. Ondanks deze voordelen wordt plasmatechnologie in de voedingsmiddelenindustrie nog niet toegepast. Waarom niet? 

Is het veilig?

Deels komt dat door een gebrek aan apparatuur die op relevante schaal en op flexibele wijze op voedingstoepassingen kan opereren. Bovendien is er nog te weinig kennis over (1) de relatie tussen chemische samenstelling en de effectiviteit op het micro-organisme; en (2) de effecten van plasma-behandeling op de kwaliteit, nutritionele parameters en veiligheid van voedselproducten. Verder is het toepassen van plasmatechnologie op voedingsmiddelen nog niet wettelijk toegestaan. Een voorwaarde voor toelating is dat de veiligheid voldoende onderbouwd is voor de beoogde toepassing. Daarom werken veel onderzoeksgroepen aan plasmatechnologie waarmee gedetailleerde kennis wordt opgebouwd die nodig is voor de opbouw van een dossier; en daarmee tot de toekomstige implementatie in de voedingsmiddelenindustrie. Een van deze onderzoeksprojecten is het Nederlandse Plasma4Hygiene project, dat begin 2023 afloopt. 

Plasma4Hygiene project

Het Plasma4Hygiene project is een multidisciplinaire samenwerking tussen onderzoekers van TU/e-EES (met kennis van elektrische systemen en plasmachemie) en onderzoekers van Wageningen Food & Biobased Research (met kennis aan de product- en proceskant en voedselmicrobiologie). In het consortium nemen daarnaast bedrijven deel uit zowel de hightech- als levensmiddelensector. Het project is gefinancierd vanuit de Topsectoren AgriFood (projectcode AF17202) and HighTech systems en de bedrijven in het consortium. Binnen het project zijn een aantal plasma-productcombinaties onder de loep genomen. Doel van het onderzoek is meer duidelijkheid te verkrijgen over de mogelijkheden en beperkingen van deze technologie voor de voedingsmiddelensector. 

Bij de TU/e is binnen dit project een niet-thermische, laag vermogen plasma-jet ontwikkeld die een atmosferisch luchtplasma genereert. Met deze plasmabron zijn experimenten op producten bij Wageningen Food & Biobased Research uitgevoerd. Daarnaast is in Eindhoven gewerkt aan de ontwikkeling/verbetering van emissie spectroscopie als plasma diagnostiek. Hiermee kan de samenstelling, en dus ook de activiteit van het plasma, in kaart worden gebracht. Dit is belangrijk voor het monitoren, controleren en sturen van plasmaprocessen in toekomstige toepassingen op industriële schaal.  

Andere (al wel toegestane) toepassingen
Koude plasmatechnologie wordt nu hoofdzakelijk gebruikt in de halfgeleiderindustrie voor de productie van ‘wafers’. Daarnaast is er een sterke ontwikkeling om de technologie in te zetten voor de reiniging van rookgas, afbreken van vluchtige organische componenten en stank; voor oppervlaktemodificatie van kunststoffen en non-woven materialen; en in biomedische applicaties (ontsmetten en genezen van wonden, tandzorg en behandeling van kanker). 

Figuur 1. 

We kennen in het dagelijks leven drie verschijningsvormen van materie: vast, vloeibaar en gas. Maar er is nog een vierde toestand: plasma (Figuur 1). Het bestaat uit een mix van fotonen, neutrale, reactieve en geladen deeltjes die een collectief gedrag vertonen. Plasma is eigenlijk elektrisch geladen (geïoniseerd) gas. De overgang van een gas naar een plasma vindt geleidelijk plaats, met toenemende thermische energie.

Een plasma ontstaat door inkoppeling van elektrische energie in een gas via energetische elektronen. Door effectieve botsingen krijgen de gasdeeltjes (atomen en moleculen) tijdelijk een hoger energieniveau en verliezen ook electronen, waarbij een zeer reactief gasvormig medium ontstaat, bestaande uit energetische moleculen en atomen, radicalen, ionen en UV straling. Atmosferische plasma’s in lucht produceren naast reactief zuurstof (bv. hydroxylradicalen en ozon) ook reactief stikstof (stikstofoxides, stikstofoxyzuren), die onder meer tot inactivering van pathogene micro-organismen, dus desinfectie, leiden. Bombardementen van energetische ionen (electroporatie) en inwerking van UV fotonen dragen hier ook aan bij.
Bij koude plasmatechnologie blijft de temperatuur van de zware gasdeeltjes (de neutrale deeltjes en ionen) heel laag, waardoor er op energetisch efficiënte wijze reactieve deeltjes kunnen worden geproduceerd. De temperatuur van het behandelde oppervlakte blijft daarbij laag. Hoewel in het wetenschappelijke onderzoek een breed scala aan gassen wordt gebruikt om plasma te genereren, zijn voor toepassingen in de voedingsmiddelenindustrie alleen lucht en stikstof economisch haalbaar.

Indeling 

Plasmatechnologieën zijn in dit project op verschillende manieren ingedeeld (Figuur 2):

Bij directe plasmabehandelingen is het plasma in direct contact met het oppervlak. Een voorbeeld hiervan is surface Dielectric Barrier Discharge Plasma (sDBD) (Figuur 3). In het plasma domineren hoog-reactieve, kortlevende zuurstof- en stikstofdeeltjes. Omdat de levensduur van de actieve deeltjes kort is, is deze toepassing vooral geschikt voor gladde, regelmatige oppervlakken waar een korte afstand tussen bron en te behandelen oppervlakte mogelijk is. Een mogelijke toepassing voor sDBD is desinfectie van oppervlakken van bewerking-, transport- en opslagsystemen die met voedsel in contact komen

Bij een remote behandeling zijn de plasmageneratie en het te behandelen oppervlak fysiek gescheiden. Een voorbeeld is de plasma-jet opstelling (Figuur 4), waarbij het plasma-effluent op relatief korte afstand op het product is gericht. Het voedselsubstraat ontvangt nu slechts nog energetische, kortlevende deeltjes (metastabielen). Dit toont aan dat plasmatechnologie voor toepassing op kaas interessant kan zijn. Dit wordt nog verder onderzocht.

Bij een indirecte behandeling kan water als intermediaire tussenstap fungeren. Het wordt geactiveerd met thermische ontladingen; na activatie ook wel Plasma Activated Water (PAW) genoemd (Figuur 5). Het antimicrobiële effect van PAW kan, indien gekoeld en donker bewaard, vrij lang (tot wel enkele dagen) behouden blijven. Omdat PAW zuur is, zijn toepassingen beperkt tot producten die dit kunnen verdragen.

Afhankelijk van de manier en tijd waarop het plasma en het product interacteren, kunnen alle drie de methoden potentieel effectief zijn.

Figuur 2: Werkgebied van de type plasma’s in dit onderzoek. Figuur 3: Schematische weergave van een directe plasma techniek - sDBD. Figuur 4: Schematische weergave van een remote plasma techniek - Plasma jet. Figuur 5: Schematische weergave van een indirecte plasma techniek – PAW.

Resultaten 

In het project is met zowel gasplasma (stikstof of lucht) als PAW getest op diverse voedselgerelateerde micro-organismen. Uit het onderzoek bleek dat sporen van Penicillium discolor (een bederfschimmel die van kaas geïsoleerd kan worden) zeer gevoelig zijn voor behandeling met stikstof of lucht-gas plasma op een modeloppervlak, maar niet voor PAW. De luchtplasma-jet ontwikkeld door TUe bleek ook actief op de kaasmatrix geënte schimmelsporen; die werden daar geïnactiveerd. Dit toont aan dat plasmatechnologie voor toepassing op kaas interessant kan zijn. Dit wordt nog verder onderzocht.

De complexiteit van de voedselmatrix kan een knelpunt zijn voor een aantal toepassingen. Zo waren veelbelovende resultaten, behaald op een modeloppervlak in het lab, niet altijd te vertalen naar een echt product. Dit gebeurde bijvoorbeeld bij kipproducten (kippenbout en kippenvlees). Om het effect van de matrix op plasmabehandeling beter te begrijpen, ontwikkelde Wageningen Food & Biobased Research voor dit project een miniatuur kipmatrix, waarmee de onderzoekers de samenstelling (verhouding vleeseiwit en vetrijke kippenhuid) kunnen variëren, echter zonder de complexiteit van de 3D structuur (plooien en poriën) waarin bacteriën zich kunnen verbergen.

Voor de Escherichia coli bacterie, die model staat voor fecale besmetting, werd op de basismatrix (zonder toevoeging van kippeneiwit en kippenhuid) binnen 15 seconden meer dan 4 log eenheden (factor 10,000) geïnactiveerd met de atmosferische luchtplasma. Werd er aan de matrix ook kippeneiwit of vetrijke kippenhuid als ingrediënt toegevoegd, dan was de reductie amper 1 log. Een verklaring kan zijn dat de reactieve deeltjes uit het plasma hier weggevangen worden door de vet- en eiwitdeeltjes. Dit betekent dat producten met een hoog eiwit- of vetgehalte waarschijnlijk minder geschikt zullen zijn voor behandeling met dit type plasma.      

Er is in het project ook onderzoek uitgevoerd naar het effect van PAW op Listeria monocytogenes op versproducten, zoals champignons, waar een wasstap wordt toegepast. De Listeria bacterie blijkt erg gevoelig voor het PAW zelf. Op de champignon kon 1 log reductie aangetoond worden. Er werd echter ook een verhoging van nitriet afkomstig uit het PAW gemeten na behandeling van de champignon. Nitrietopname is ook gemeten in andere producten met een open structuur of snijvlak, zoals gesneden andijvie en geschrapte worteltjes. Voor cherrytomaten, waarbij de schil een waterbarrière vormt, werd geen toename van nitriet gemeten. Door de opname van nitriet is de toepassing van PAW dus beperkt tot producten met een waterbarrière. Hier is in de toekomst ruimte voor verbetering. De vorming van nitriet is namelijk te sturen met de energiedichtheid en gassamenstelling. 

Conclusie

Koud plasma biedt mogelijkheden om de microbiologische houdbaarheid en veiligheid van producten te verbeteren. Of plasmatechnologie daarmee interessant is voor de voedingsmiddelenindustrie blijft de vraag. Het is belangrijk om per applicatie de effecten op het product in kaart te brengen en het proces te optimaliseren. 

Natuurlijk speelt ook het kostenaspect mee. De operationele kosten van plasmatechnologie hangen af van de gebruikte techniek, het design en de toepassing. Uit experimenten met een industriële proefopstelling zal de plasma energiedichtheid bepaald moeten worden die vereist is voor het behalen van de gewenste reductie van pathogenen en/of bederf-veroorzakende micro-organismen. Op basis daarvan kan met de geldende prijzen voor elektriciteit, water, perslucht en stikstof een schatting gemaakt worden van de operationele kosten. 

Er is nog geen industriële apparatuur beschikbaar, maar de elektrische systemen voor het genereren van plasma’s zijn in principe wel schaalbaar. Afhankelijk van het te behandelen product, de dimensies en doorloopsnelheid, kan het benodigde vermogen verkregen worden door koppeling van modulaire basisvoedingen. Hierdoor kan er opgeschaald worden naar een hoog volume, wat interessant is voor de industrie. 

Een bijkomend voordeel is de intelligentie van deze elektrische systemen. Afhankelijk van de lijnsnelheid van het product, kan het plasmavermogen dusdanig geregeld worden dat de gewenste energie per oppervlak constant blijft. Bij stagnatie van de doorstroom wordt het plasmavermogen uitgeschakeld, om productbeschadiging te voorkomen en energie te besparen. 

Wageningen Food & Biobased Research

Duurzame innovatie in gezond voedsel, versketens en biobased producten door toegepast onderzoek. Daarvoor staat Wageningen Food & Biobased Research, onderdeel van Wageningen University & Research. Bij het onderzoeksinstituut is veel expertise aanwezig op het snijvlak van voedselveiligheid, productkwaliteit, logistieke ketens en levensmiddelenwetgeving.
www.wur.nl

TU/e-EES

Binnen de faculteit Electrical Engineering van de Technische Universiteit Eindhoven verricht de capaciteitsgroep Electrical Engineering Systems fundamenteel en toegepast onderzoek op gebied van elektrische componenten en diagnostieken, Power Quality, Elektromagnetische Compatibiliteit, vermogenselektronica van elektriciteitsnetten, digitale vermogens- en energiesystemen, intelligente netten en netwerk planning, optimalisatie en elektriciteitsmarkten, gepulste vermogenstechnologie en elektrische gasontladingen.
www.tue.nl

Over de auteurs
Dr.ir. Masja Nierop Groot is Expertiseleider Applied Food Microbiology bij Wageningen Food & Biobased Research.
Dr.ir. Wilfred F.L.M. Hoeben is Universitair Docent Chemistry & Physical Chemistry of Plasmas, Technische Universiteit Eindhoven, faculteit Electrical Engineering, groep Electrical Engineering Systems.
Ir. Marco C. de Peuter is Promovendus plasmatechnologie voor toepassingen in de agricultuur, Technische Universiteit Eindhoven, faculteit Electrical Engineering, groep Electrical Engineering Systems.