Ứng dụng khử khuẩn của plasma lạnh trong công nghệ thực phẩm, y tế

Trong những năm gần đây, ứng dụng của plasma lạnh trong khoa học sự sống đang nổi lên mạnh mẽ trên toàn thế giới. Plasma lạnh là một loại khí ion hóa trung tính có năng lượng cao bao gồm các phần tử có hoạt tính cao như ion dương, ion âm, các electron, các gốc tự do, các phân tử ở trạng thái kích thích hoặc không kích thích và các photon sẽ ức chế sự sống của một loạt các vi sinh vật, vi khuẩn, nấm, tảo và thậm chí cả các bào tử vi khuẩn.

Hình 1 – Các thành phần được tạo ra từ plama lạnh và sự tương tác của các thành phần với nhau tạo nên các gốc tự do, hoạt chất hóa học, ion dương và âm, các electrons tự do, photon UV…

Tính chất lạnh của plasma thể hiện ở chỗ, dòng plasma không sinh ra nhiệt, tồn tại ở áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng thông thường. Vì vậy, plasma lanh là một công nghệ đang rất được quan tâm trong việc khử khuẩn cho các bề mặt của vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ như thực phẩm tươi sống, hoa quả tươi hay làm đông máu vết thương mà không làm hỏng các bề mặt này.

Ví dụ trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm, vi sinh vật gây bệnh thực phẩm và vi sinh vật làm hỏng thực phẩm là các vi khuẩn đáng ngại do những rủi ro tới sức khỏe cộng đồng cũng như tác động kinh tế đáng kể của chúng. Có rất nhiều phương pháp khử trùng để loại bỏ các vi sinh vật này. Một trong những phương pháp này dựa vào xử lý nhiệt như khử trùng bằng hơi nước, hấp tiệt trùng, gia nhiệt …Công nghệ nhiệt có tác dụng phụ làm ảnh hưởng tới dinh dưỡng, cảm quan và chức năng của thực phẩm được xử lý nên trong những năm gần đây các phương pháp khử trùng thay thế như áp suất thủy tĩnh cao, từ trường dao động, chiếu xạ ion hóa và siêu âm công suất cao đã được phát triển và nghiên cứu. Các quy trình này giữ lại chất lượng của thực phẩm tốt hơn so với phương pháp thông thường nhưng chúng có chi phí cao, yêu cầu thiết bị chuyên dụng và nhân viên được đào tạo bài bản để có thể sử dụng thiết bị. Ngoài ra còn một số phương pháp đơn giản hơn như dùng tia cực tím UV, máy sục Ozone, hay biện pháp tiệt trùng truyền thống bằng nước muối. Tuy nhiên, các phương pháp khử khuẩn bằng tia cực tím UV hay Ozone đều có những hạn chế nhất định. Với phương pháp khử khuẩn dùng UV, nó có thể ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe con người do bức xạ tia UV có thể phá vỡ các liên kết của các mô bên trong làn da. Còn phương pháp khử khuẩn bằng nước Ozone lại cho thời gian khử khuẩn khá lâu, từ vài chục phút tới hàng giờ đồng hồ và hơn nữa việc sục Ozone lại tạo ra khí NO2 - rất hại tới hô hấp của người.

So sánh với các phương pháp khử khuẩn khác như dùng phát xạ tia cực tím, luồng plasma lạnh có thể đi sâu vào các hốc của các bề mặt gồ ghề phức tạp để làm sạch các bề mặt bên trong đó. Chính vì vậy, plasma lạnh cung cấp khả năng làm sạch đặc biệt và là lựa chọn thay thế hấp dẫn cho khử trùng, làm lành vết thương trong y tế hay khử khuẩnnha khoa. Với khả năng tạo ra các hoạt chất tự do có tính ô xy hóa cao, việc khử khuẩn của plasma lạnh rõ ràng có thể giúp giúp tránh sự lây lan của vi trùng kháng thuốc trong bệnh viện, hay có thể giúp kéo dài thời gian bảo quản cho thực phẩm tươi sống mà không làm thay đổi đặc tính và màu sắc của thực phẩm.

Sau đây, chúng tôi giới thiệu một số ứng dụng của plasma lạnh sử dụng trong bảo quản thực phẩm, y tế

BẢO QUẢN THỰC PHẨM

Các tác dụng khử khuẩn của plasma lạnh đã được biết đến và nghiên cứu [1]. Các nghiên cứu đã chỉ ra ba cơ chế cơ bản làm chết tế bào bằng plasma lạnh. Chúng bao gồm các cơ chế như bắn phá bề mặt tế bào do các hoạt chất hình thành khi tạo ra luồng plasma, bay hơi của các hợp chất và phát xạ quang nội tại của photon tia cực tím (UV) và sự phá hủy vật liệu di truyền. Các cơ chế ngừng hoạt động này gây ra một số phản ứng trong các tế bào vi khuẩn như lipid peroxidation các đa axit béo không bão hòa, quá trình oxy hóa axit amin và quá trình oxy hóa DNA [2-4]. Mặc dù, thành phần tia cực tím có mặt trong luồng plasma lạnh nhưng một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng bức xạ tia cực tím do plasma lạnh tạo ra không đóng vai trò quan trọng trong việc khử hoạt tính của vi sinh vật [5]. Thay vào đó, tác nhân chính là làm chết các tế bào vi khuẩn là do các loại hoạt chất tạo ra từ luồng plasma lạnh như O^., O₂, O₃, OH, NO^., NO₂ gây ra các tác động oxy hóa trên bề mặt bên ngoài của các tế bào vi sinh vật. Tác dụng của plasma đối với các vi sinh vật khác nhau có thể hoàn toàn chọn lọc, có nghĩa là nó có thể gây hại cho các vi sinh vật gây bệnh mà không làm hỏng vật chủ hoặc nó có thể kích hoạt các con đường khác nhau trong các sinh vật khác nhau [6].

Hình 2 – Các thiết kế khác nhau của APPJ điều khiển bởi RF: luồng plasma rộng (trên trái); APPJs tạo luồng plasma nhỏ (trên phải); thiết bị cầm tay INPLAT (dưới trái) và một thiết bị gồm sáu luồng APPJs(dưới phải).

Đặc tính hấp dẫn của plasma lạnh là khả năng khử khuẩn nhận được rất nhiều quan tâm trong việc xử lý thực phẩm, đặc biệt là sản phẩm tươi sống. Đối với ứng dụng này, plasma lạnh cho thấy ưu điểm trong việc xử lý khử khuẩn mà không làm hỏng hay ảnh hưởng có hại tới chất lượng sản phẩm. Theo đó, công nghệ này có thể làm giảm nguy cơ mắc bệnh do thực phẩm hỏng hoặc kéo dài thời hạn sử dụng của trái cây và rau quả. Phương pháp sử dụng luồng plasma trong khí argon tại áp suất khí quyển được điều khiển bởi RF (APPJ) chống lại một số mầm gây bệnh bao gồm các chủng như vi khuẩn Staphylococcus Aureus, bào tử Bacillus atrophaeus hay enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) [7] đã được thực hiện thành công (Hình 2). Perni và công sự trong [8] đã nghiên cứu hiệu quả khử khuẩn của plasma lạnh được tạo ra bởi điện áp xoay chiều (biến 12 - 16 kV) trên màng ngoài của dưa và xoài được tiêm bởi Sacchearomyces cerevisae, Pantoea agglomerans, Gluconacetobacter liquidefacien.

Luồng plasma với nồng độ oxy cao sẽ làm tăng mức độ ức chế các vi sinh vật do tồn tại các nhiều hoạt chất chứa oxy như oxy nguyên tử hay ozon [9]. Việc phá hủy các màng protein hoặc các màng chất béo xảy ra do ứng suất oxy hóa. Các hoạt chất sinh ra trong quá trình phóng plasma như hydroxyl (OH), oxy nguyên tử, ozon hay hay các gốc tự do sẽ khởi tạo quá trình oxy hóa chất béo để tạo ra các chuỗi axit béo ngắn hơn làm tăng tính lưu động của màng dẫn đến dễ phá vỡ cấu trúc toàn vẹn của màng [10,11]. Các nghiên cứu sâu hơn tiếp tục được tiến hành để tìm ra sự liên quan giữa việc xử lý của plasma lạnh đối với mức độ an toàn và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.

Gần đây, plasma lạnh còn được ứng dụng trong việc bảo quản lưu trữ hạt giống hoặc xử lý trước khi gieo trồng. Plasma lạnh có thể ngừa nấm mốc và thối hạt nhưng mặt khác nó còn có thể cải thiện tỷ lệ nảy mầm và thúc đẩy sự tăng trưởng của cây con [12].

Như vậy có thể thấy, công nghệ plasma lạnh có tiềm năng ứng dụng cho chuỗi giá trị trong nông nghiệp từ hạt mầm cho tới làm sạch thực phẩm trên bàn ăn.

Y TẾ

Trong hơn 10 năm trở lại đây, một lĩnh vực nghiên cứu độc lập hoàn toàn mới trong y tế là plasma y tế đang nổi lên trên toàn thế giới. Plasma y tế chính là sử dụng plasma lanh để điều trị làm lành các vết thương trên cơ thể người [13]. Mục tiêu chính của các ứng dụng plasma lạnh trong y tế là chữa lành vết thương cũng như điều trị nhiễm trùng, viêm da. Với sự trợ giúp của plasma lạnh, nhiều loại vi sinh vật, bao gồm cả vi khuẩn đa kháng, chẳng hạn như MRSA có thể bị vô hiệu hóa. Hơn nữa, các nghiên cứu khoa học chứng minh rằng plasma cũng hỗ trợ chữa lành vết thương tự nhiên thông qua kích thích hình thành mô mới. Các thiết bị plasma lạnh đầu tiên đã nhận được sự chấp thuận của thị trường theo quy định. Một trong các thiết bị đó là thiết bị tạo luồng plasma ở áp suất khí quyển, kINPen® MED (được chứng nhận CE năm 2013 là sản phẩm y tế Class IIa) (Hình 3), được phát triển tại INP, đang được sử dụng thành công trong điều trị da liễu [14]. Các kết quả nghiên cứu mới nhất cho thấy khả năng vô hiệu hóa các tế bào trong khối u. Điều này mang lại hy vọng về những quan điểm mới trong điều trị ung thư.

Hình 3- Thiết bị plasma lạnh kinpen MED được cấp chứng chỉ CE y tế.

Sự phát triển của nguồn plasma làm việc ở nhiệt độ mà mô có thể chịu đựng được là một yêu cầu cơ bản để điều trị mô sống mà không gây nguy hiểm đến tính mạng [15]. Thách thức trong việc phát triển thiết bị plasma y tế là việc điều chỉnh các thông số plasma liên quan để có được các điều khiển hiệu quả và an toàn điều trị các mô sống. Các hoạt động nghiên cứu trong những năm gần đây tập trung vào nghiên cứu cơ bản để hiểu và giải thích các cơ chế tác động sinh học bằng cách sử dụng các công nghệ rất tiên tiến của sinh học phân tử và sinh học tế bào. Bằng cách cung cấp các hoạt chất chứa oxy và nito của plasma, plasma lạnh kích thích hoặc ức chế các sự phát triển của tế bào và kích hoạt quá trình phát triển giống như hormone trong các tế bào của động vật có vú. Plasma lạnh tạo ra tác động sinh học đáng kể lên tế bào do plasma làm thay đổi môi trường chất lỏng của tế bào và các quá trình này bị chi phối bởi sự oxy hóa khử của các hoạt chất chứa oxy và nito (ROS, RNS) được tạo ra hoặc chuyển thành pha lỏng. Dựa trên những kết quả nghiên cứu cơ bản về tác dụng của plasma lạnh lên tế bào sống và mô, plasma y tế đang có những thành công bước đầu trên con đường thử nghiệm lâm sàng [16,17].

Một lĩnh vực quan trọng khác của plasma lạnh là khả năng ứng dụng rất lớn trong điều trị nha khoa. Bên cạnh việc chữa lành vết thương, khử trùng tủy răng cũng như điều trị cấy ghép nha khoa là lĩnh vực ứng dụng đầy hứa hẹn. Ưu điểm chính của trị liệu bằng plasma lạnh là nhờ các thành phần hoạt tính chính được tạo ra trong phạm vi vùng cần điều trị và chúng chỉ tồn tại trong thời gian cần thiết của từng ứng dụng cụ thể thông qua năng lượng nguồn điện cung cấp cho luồng khí (argon, helium, oxy, nitơ, không khí hoặc hỗn hợp của chúng). Tuy nhiên, mặc dù có nhiều kết quả nghiên cứu trong những năm qua nhưng ứng dụng thực tế của plasma lạnh trong nha khoa vẫn chưa được biết đến.

KẾT LUẬN

Plasma lạnh là một công nghệ mới về khử khuẩn, làm sạch mà không làm hỏng bề mặt của các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ. Chính khả năng này của công nghệ plasma lạnh làm cho nó có khả năng ứng dụng rất to lớn trong công nghệ thực phẩm như kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm tươi sống, hoa quả và trong lĩnh vực y tế như làm lành vết thương hở, điều trị nha khoa. Các nghiên cứu về plasma lạnh cần tiếp tục và mở rộng để có thể hiểu rõ hơn về các cơ chế của sự tương tác giữa các thành phần khác nhau được tạo ra trong plasma lạnh tới hoạt động của các vi sinh vật, tế bào và chất lỏng để từ đó có được sự thành công khi chuyển giao chúng thành các sản phẩm công nghiệp và thương mại.

Tài liệu tham khảo

1. J. Ehlbeck, U. Schnabel, M. Polak, J. Winter, Th. von Woedtke, R. Brandenburg, T. von dem Hagen, K.-D.Weltmann., “Low temperature atmospheric pressure plasma sources for microbial decontamination”.Journal ofPhysics D: Applied Physics 2011, 44: 18 pp
2. Korachi M, Gürol C, Aslan N. Atmospheric plasma discharge sterilization effects on whole cell fatty acid profiles of Escherichia coli and Staphylococcus aureus. Journal of Electrostatics. 2010; 68: 508-512.
3. Moisan M, Barbeau J, Crevier MC, Pelletier J, Philip N, Saoudi B. Plasma sterilization: Methods and Mechanisms. Pure Applied Chemistry. 2002; 74:349-358.
4. Moisan M, Barbeau J, Moreau S, Pelletier J, Tabrizian M, Yahia LH. Low-temperature sterilization using gas plasmas: A review of the experiments and an analysis of the inactivation mechanisms. International Journal of Pharmaceutics. 2001; 226:
5. Korachi M, Aslan N. The Effect of Atmospheric Pressure Plasma Corona Discharge On pH, Lipid Content and DNA of Bacterial Cells. Plasma Science and Technology. 2011; 13: 99-105.
6. Dobrynin D FG, Fridman A. Physical and biological mechanisms of direct plasma interaction with living tissue. New J Phys.11:115020
7. K-D Weltmann, R Brandenburg, T von Woedtke, J Ehlbeck, R Foest, M Stieber and E Kindel., “Antimicrobial treatment of heat sensitiveproducts by miniaturized atmosphericpressure plasma jets (APPJs)”, J. Phys. D: Appl. Phys.41(2008), 194008, 6pp.
8. Perni S, Liu DW, Shama G, Kong MG. Cold Atmospheric Plasma Decontamination of the Pericarps of Fruit. Journal of Food Protection 174, 2008;71(2):302-8
9. Kuzmichev AI, Soloshenko IA, Tsiolko VV, Kryzhanovsky VI, Bazhenov VY, Mikhno IL, Khomich VA. Feature of sterilization by different type of atmospheric pressure discharges. Proceedings on International Symposium on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry. 2000; 2: 402–406.
10. Mead J. Free radical mechanisms of lipid damage and consequences for cellular membranes. In: Pryor WA, ed. Free radicals in biology. New York, NY: Academic Press; 1976: 51-68.
11. McElhaney R. The effects of membrane lipids on permeability and transport in prokaryotes. In: Benga G, ed. Structure and properties of cell membranes. Boca Raton: CRC Press; 1985: 75-91
12. Nevena Puač,Matteo Gherardi,Masaharu Shiratani,. “Plasma agriculture: A rapidly emerging field”, Plasma Processes and Polymers, Wiley Online Library.
13. Th.von Woedtke, S.Reuter, K.Masur, K.-D.Weltmann., “ Plasma for medicine”, Physics Reports, Vol.530, Iss.4, 2013, pp.291-320.
14. https://neoplas-tools.eu/en/kinpen-med.html
15. Th. von Woedtke and K.-D. Weltmann., “Basic requirements for plasma sources in medicine”, Eur. Phys.J. Appl. Phys. 55, 13807 (2011).
16. Tiede, R., Hirschberg, J., Daeschlein, G., von Woedtke, T., Vioel, W. and Emmert, S. (2014) Plasma Applications: A Dermatological View. Contributions to Plasma Physics, 54, 118-130.
17. G. Isbary, J.L. Zimmermann, T. Shimizu, Y.-F. Li,G.E. Morfill, H.M. Thomas, B. Steffes, J. Heinlin, S. KarrerandW. Stolz.,Clinical Plasma Medicine,1, 19(2013)

* Thông tin về tác giả:

TS. Phan Thanh Hòa hiện đang công tác tại Viện Công nghệ HaUI, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 1999, chuyên ngành: Điện tử - Viễn Thông. Tốt nghiệp Thạc sỹ năm 2003 tại trường Đại học Ritsumeikan – Nhật Bản và đạt học vị Tiến sỹ chuyên ngành Điện tử - Viễn thông tại trường Đại học Ritsumeikan – Nhật Bản năm 2012.

Hướng nghiên cứu chính hiện nay: Công nghệ plasma lạnh và ứng dụng, cảm biến quán tính (vận tốc góc và gia tốc góc) kích cỡ nhỏ MEMS, mạng cảm biến không dây, phân bố tài nguyên mạng di động tốc độ cao.