کاربردهای صنعتی پلاسمای سرد در صنایع غذایی و بسته بندی

به تازگی در میان روش‌های متعددی که در صنایع غذایی مورد استفاده و توجه قرار می‌گیرند، پلاسمای سردتکنیکی نوین، دوست دار محيط زيست و اقتصادي است که افق‌های امید بخشی را برای بهبود کيفيت محصولات و خدمات در این حوزه ارائه داده است.

غالباً پس از جامد (خاک)، مایع (آب) و گاز (باد) از پلاسما(آتش) به عنوان عنصر چهارم طبیعت یاد می‌شود. پلاسما مجموعه‌اي از يون‌ها، الکترون‌ها، اتم‌هاي خنثي، رادیکال‌ها وگونه‌های برانگیخته است که با اعمال اختلاف ولتاژ بین دو الکترود تولید می‌شود. این تکنیک امروزه کاربرد فراوانی در بسیاری از شاخه های دانش و فناوری یافته است. در بین انواع پلاسما، پلاسمای سرد به علت کار در دمای پایین (حدود دمای اتاق) در کاربردهای بیولوژیکی و صنایع غذایی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

 

• چالش‌‌ها

مصرف، آماده سازی و ذخیره سازی مواد غذایی به صورتی ایمن و فاقد آلودگي‌هاي زيان بخش با حفظ مواد مغذي ‌یکی از مهم‌ترین حیطه‌ها در زمینه حفظ سلامتی و بهداشت می‌باشد. مصرف میوه‌ها و سبزیجات مخصوصاً به شکل خام و با حداقل پردازش به عنوان منابع پر اهمیت در سبد غذایی جوامع، لزوم توسعه روش‌هایی مطمئن و کارآمد در پردازش، نگهداری، بسته بندی و توزیع مواد غذایی را افزون می‌کند.

از سوی دیگر در بخش کشاورزی استفاده از فن آوری‌های پیشرفته و کارآمد به منظور افزایش بهره‌وری و کسب موقعیت اقتصادی بهتر بخصوص در ایران که با مشکل کمبود آب و دیگر نهاده‌ها مواجه است، ضرورتی اجتناب ناپذیر به شمار می‌رود.

پلاسمای سرد به عنوان تکنیکی نوین می­تواند در عرصه‌های مختلفی از صنایع غذایی و کشاورزی با ارائه راهکارهای مناسب و کارامد گامی مؤثر در جهت ارتقاء اهداف اين صنایع بردارد.

 

• ویژگی­های پلاسمای سرد در صنایع غذایی، کشاورزی و بسته بندی

از ویژگی‌های پلاسمای سرد می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• اصلاح سطح مواد (بذر، خشکبار و گیاهان دارویی) بدون تخریب حرارتی و بدون تغییر مورفولوژی ذاتی مواد
• میزان اثرگذاری بالا و طولانی مدت
• سادگی در به کارگیری فرآیند
• فرآیندی خشک و بدون استفاده از مواد شیمیایی سمی و یا آلوده کننده
• صرفه جویی در مصرف آب و انرژی
• امکان تیمار سطوح در فشار کم یا فشار محیط (اتمسفری)
• دارای استاندارد زیست محیطی بسیار بالا
• کاهش تولید گازهای گلخانه­ای، صرفه جویی در زمان ، کاهش هزینه های مواد و انرژی

 

 

• کاربردهای صنعتی و تجاری شده پلاسمای سرد در صنایع غذایی، بسته بندی و کشاورزی

امروزه رشد جمعیت و اهمیت تولید غذای سالم لزوم یافتن راه هایی نوین  در صنایع غذایی و کشاورزی را عیان ساخته است. بسیاری از کشورها بر بکارگیری و گسترش کاربرد پلاسمای سرد در صنایع غذایی، کشاورزی و صنایع وابسته به آن سرمایه گذاری کرده‌اند. افزایش روز افزون و چشمگیر مطالعات، طرح­های تحقیقاتی و تجاری در سال‌های اخیر بر موضوعات متعدد مربوط به این حوزه دلیل روشنی بر این مدعاست. تأثیر پلاسما در غیرفعال‌سازی میکرارگانیسم‌ها، تغییر خصوصیات سطحی مواد، ایجاد محیط شیمیایی فعال در پلاسما و برهم کنش آن با سطح مواد از جمله قابلیت‌های پلاسما است که سبب اقبال دست اندرکاران و شرکت‌های فعال در این حوزه برای استفاده از پلاسما در صنایع غذایی، بسته‌بندی و کشاورزی شده است.

در سال 2006 مجموعه ای متشکل از سی شرکت اروپایی طی پروژه‌ای تحت حمایت مالی اتحادیه اروپا (NovelQ) پلاسمای سرد به عنوان راه‌حلی نوآورانه در تولید و توزیع مواد غذایی سالم و با کیفیت بالا معرفی کرده و آن را در از بین بردن میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا از سطح مواد غذایی ، روشی برای ضدعفونی سطح و افزایش ماندگاری در صنایع غذایی مؤثر دانسته‌اند.

 

 

 

• اصلاح بذور کشاورزی به واسطه تیمار پلاسمایی
  •  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تصویر دستگاه شرکت Plasmas با توان 10 کیلو وات

 

شرکت روسیPlasmas از سال 1994 تحقیقات خود را در زمینه افزایش بهره وری و نرخ جوانه زنی بذر آغاز نموده است و از سال 1995 اقدام به تولید و فروش تجاری بذرهای اصلاح شده متنوعی با بهره گیری از فناوری پلاسما نموده است.

شرکت Plasmas برای بهبود کیفیت رشد دانه های سبزیجات، علوفه، غلات و حبوبات دستگاهی مبتنی بر فن آوری پلاسمای سرد فرکانس بالا و فشار پایین (توان 10 کیلووات و فرکانس 40 مگا هرتز) ارائه داده  است. این شرکت مواردی شامل

• سلامت بیشتر دانه و غلات و امکان ذخیره سازی طولانی مدت.
• افزایش بهره وری سبزیجات، علوفه، غلات
• بهبود کیفیت و ارزش غذایی محصول – افزایش محتوای ویتامین ها، پروتئین هاو … در میوه و اندام های گیاهی که از لحاظ اقتصادی ارزشمند است.
• کاهش نرخ  کاشت بذر و  کاهش و یا حتی به طور کامل حذف استفاده از مواد شیمیایی – قارچ کش، علف کش ها، آفت کش ها، حشره کش ها.
• اقتصادی بودن
• رویارویی با چالش های امنیت غذایی

را از جمله مزیت های پردازش دانه ها با پلاسما بر می شمارد.

 

میزان اثر  پلاسما  بر چند فاکتور بذر:

• ظرفیت جوانه­زنی بذر 10 تا 50 درصد و حتی بیشتر بهبود می­یابد (در مورد تمام بذرهای سبزیجات، محصولات علوفه­ای و گیاهان روغنی دارویی).
• انرژی سبز شدن و رشد بذر 10 تا 40 درصد بهبود می­یابد.
• ظرفیت باردهی گیاهان 20 تا 50 درصد و بیشتر از آن بهبود می­یابد (تحت شرایط وجود ماشین­آلات کشاورزی خوب، بهره­وری گوجه­فرنگی­ها 400 تا 600 درصد بهبود یافت).
• گیاهان جرم سبز علوفه­ای 20 تا 50 درصد افزایش می­یابد.
• نرخ بیماری گیاهان 30 تا 50 درصد و بیشتر کاهش می­یابد.
• در برگ­ها و سبزیجات و محصولات علوفه­ای محتوای اسید اسکوربیک(30 تا 60 درصد)، پروتئین (10 تا 15 درصد)، قند (30 تا 70 درصد)، اسید آلی (20 تا 70 درصد)، نیتروژن، فسفر و پتاسیم (15 تا 40 درصد) افزایش خواهند داشت.

 

 

نمونه هایی از پردازش دانه گیاهان مختلف توسط پلاسما (چپ) محصول بدون پردازش (راست) محصول پردازش شده[1].

 

شرکت هندی Dr. Seed Company, Ltd   که در زمینه تولید، توسعه، بازاریابی، واردات و صادرات دانه های گیاهی به کشورهای مختلف دنیا در آفریقا، اروپا، آمریکای لاتین فعالیت گسترده ای دارد، راه حل هایی بر اساس فن آوری های نوین  از جمله پلاسما را برای افزایش بازده محصولات کشاورزی درچرخه تولید معرفی می کند.

 

دستگاه ساخته شده در شرکت Dr. Seed Company, Ltd برای بهبود بازده محصولات کشاورزی.

نتایج تحقیق و توسعه شرکت در شرکت Dr. Seed Company, Ltd برای اثر پلاسما بر جوانه زنی، میزان رشد و مقاومت در برابر خشکسالی محصولات.

 

این شرکت میزان افزایش محصول را برای گیاهان مختلف تحت تأثیر پلاسما مطابق جدول زیر برآورد کرده است؛

نوع محصول	افزایش بازدهی (%)
ذرت، جو، برنج، گندم	8-12
سویا، بادام زمینی	10-15
سبزیجات	15-25

 

 

 

• میکروب زدایی سطوح مواد غذایی

پلاسمای سرد با یک فرآیند غیرحرارتی می­تواند سبب کاهش بار میکروبی از سطح مواد خام کشاورزی و فراوری شده شود. پلاسما به واسطه حضور ذرات باردار الکترون و یون، اشعه فرابنفش، رادیکال‌های آزاد و گونه­های فعال شیمیایی می‌تواند سبب تغییراتی را در دیواره سلولی، مورفولوژی و یا خصوصیات ژنتیکی میکروارگانیسم­ها شود و باعث مرگ آنها گردد.

Anacail، یک شرکت وابسته به دانشگاه گلاسکو استفاده از ازن تولید شده در محیط پلاسمای سرد در داخل بسته‌بندی‌های میوه تازه تکنیکی سریع و ایمن را برای کاهش بار میکروبی آن‌ها و افزایش زمان ماندگاری توسعه داده است. این روش در زمانی بسیار کوتاه (حدود 6/0 ثانیه) کاهش 2 تا 3 مرتبه­ای در میزان باکتری‌ها را نشان داده است.

 

شرکت Wageningen UR – FBR از پلاسمای RF برای استریل کردن داخل ظروف PET  بهره گرفته است.

 

• بهبود قابلیت چاپ پذیری بسته بندی

استفاده از پلاسمای کرونا برای چسبندگی در فیلم­های پلاستیکی و یا ورقه­های فلزی پیش از چاپ، لمینیت و یا پوشش ضروری است. این روش می­تواند به عنوان تکنیکی بسیار موثر و مقرون به صرفه در خط تولید به‌کار گرفته شود.

شرکت vetaphone با استفاده از پلاسمای کرونا چسبندگی در فیلم های پلاستیکی و یا ورقه های فلزی پیش از چاپ، لمینیت و یا پوشش را افزایش داده است. این روش می تواند به عنوان تکنیکی بسیار موثرو مقرون به صرفه در خط تولید به‌کار گرفته شود.

شرکت plasmatreat از تکنولوژی پلاسمای سرد با عنوان  Openair®Plasma برای افزایش چاپ پذیری درب بطری‌ها و بسته بندی مواد غذایی استفاده نموده است.

 

 

• بسته بندی‌های ضدتعریق

شرکت فرانسوی CPI با همکاری شرکت vetaphone  فن آوری جدید و پیشرفته EASI برای تغییر خصوصیات سطح توسط پلاسما سرد را برای خرید در دسترس قرار داده است. با استفاده از این فن آوری طیف گسترده ای از تغییرات در خصوصیات سطح  مانند لایه نشانی، خواص ضد تعریق، آب دوست کردن و آب گریز کردن سطح امکان پذیر است.

 

• تغییر خصوصیت آب‌دوستی و آب‌گریزی سطوح

 

• افزایش چسبندگی

شرکت BOBST PLASMA TREATER با بیش از 120 سال تجربه ماشین آلات، راه حل­ها و تخصص فنی در زمینه تامین کارتن تاشو از تکنولوژی پلاسما برای بهبود کیفیت چسب بر روی فلز گالوانیزه، روکش و جعبه­های پلاستیکی و کاهش مصرف چسب در بسته بندی‌ها استفاده می­کند.

شرکت مواد غذایی Krones از مشتریان شرکت plasma treat  است که  تکنولوژی   Openair®Plasma Generator  و پلاسمای سرد را در فرایند  بسته بندی و چسباندن پوشش امنیتی دور بسته بندی مواد غذایی به خدمت گرفته است.

• نشاندن پوشش‌ بر سطوح ظروف بسته بندی مواد غذایی برای کنترل انتقال گازها

عمر مفید نوشابه در بطری پلی اتیلن ترفتالات (PET) تا حد زیادی به خواص گذردهیPET بستگی دارد. اگر نشت CO₂ از بسته بندی محدود شده و یا از نفوذ اکسیژن را از خارج جلوگیری شود عطر و طعم و کیفیت نوشابه تغییر نخواهد داشت. شرکت plasmatreat با استفاده از فرایند نوآورانه و مقرون به صرفه PlasmaPlus® وبا اعمال یک پوشش نانویی در هر دو در داخل و خارج از بسته بندی به این هدف دست یافته است.

• استریل ابزار آلات و ماشین آلات

در یک مطالعه از پلاسمای سرد برای میکروب زدایی سطح چاقوی دوار در حین کار برای کاهش انتقال میکروب استفاده شده است.

 

 

• تجربه های موفق استفاده از پلاسمای سرد در صنایع غذایی و کشاورزی در ایران

خوشبختانه در ایران نیز گروه های علمی و صنعتی بر روی این حوزه کاربردی – صنعتی پلاسما تمرکز و سرمایه گذاری نموده اند.

 

شرکت دانش بنیان رضوان DBR^™

• کاهش بار میکروبی گیاهان دارویی، خشکبار و زعفران

گیاهان دارویی : گیاهان دارویی به سبب محیطی که در آن رشد می کنند قابلیت میزبانی بالایی از آلودگی های میکروبی را دارند و مأوای قارچ ها، باکتری ها، ویروس ها هستند و متأسفانه در بعضی موارد باقی مانده سموم کشاورزی هم گزارش شده است. شرکت دانش بنیان رضوان DBR)) طی سال های متمادی با همکاری جمعی از متخصصین حوزه گیاهان دارویی با هدف حل این معضل فراگیر و ارتقاءکیفیت گیاهان دارویی کشور بر اساس استانداردهای WHO سیستم پلاسمایی مدل حسنا 300 که مبتنی بر فناوری پلاسمای سرد (فشار پایین و در فرکانس 8 مگا هرتز) به ظرفیت 300 کیلوگرم در ساعت را ارائه داده است و هم اکنون در حال خدمات به صادر کنندگان این حوزه می باشد .

خشکبار : با توجه به اینکه صادرات خشکبار یکی از عمده ترین اقلام صادرات غیر نفتی کشور محسوب می شوند لذا کاهش بار میکروبی، بخصوص کپک اسپارژیلوس که منجر به تولید سم مهلک افلاتوکسین در خشکبار می گردد را می توان بعنوان یکی از اولویت های مهم اقتصادی برشمارد.

شرکت دانش بنیان رضوان با استفاده از سیستم پلاسمایی موفق به کاهش بار میکروبی خشکبار در حد مجاز استانداردهای اروپا و ژاپن گردیده است.

زعفران : شرکت دانش بنیان رضوان با استفاده از سیستم های پلاسمایی مدل  اسماء 100 (فشار پایین و فرکانس 20 کیلو هرتز) به ظرفیت 15 کیلوگرم در ساعت موفق به کاهش بار میکروبی زعفران در حد استاندارد اروپا با حفظ مواد موثره (از قبیل کروسین، کروستین، سافرانال گردیده) و هم اکنون در حال خدمات به یکی از معتبرترین برندهای صادراتی  کشور می باشد.

 

• اصلاح بذرهای کشاورزی

تامین بذر سالم و اصلاح شده بدون تغییرات ژنتیکی اهمیت بی بدیلی در تامین امنیت غذایی ، حفظ محیط زیست ، افزایش عملکرد در واحد سطح و مقابله با کم آبی درکشور را دارا میباشد . بدین منظور شرکت دانش بنیان رضوان(DBR) از سال 1389 تحقیقات وسیعی با همکاری اساتید بذورکشاورزی بعمل اورده  و در نهایت دستگاه پلاسمایی مدل حسنا 700 که مبتنی بر فناوری فرکانس بالا وفشار پایین (توان 12 کیلووات و فرکانس 40 مگا هرتز) در دمای محیط به ظرفیت 300 کیلو گرم در ساعت ارائه داده  است.

این شرکت میزان افزایش محصول را برای گیاهان مختلف تحت تأثیر پلاسما مطابق جدول زیر برآورد کرده است :

 

نام محصول	افزایش عملکرد در واحد سطح %
غلات  (ذرت، جو، گندم)	15- 10
صیفی و سبزیجات (پیاز، فلفل، کاهو، بامیه، چغندر)	30 -18
دانه های روغنی (کلزا، پنبه، سویا)	18 -12
گیاهان علوفه ای (ذرت علوفه ای، شبدر، یونجه)	45 -30
گیاهان دارویی (پیاز زعفران، گل راعی، نعنا فلفلی، گل مغربی)	25 -20

 

سمت راست تصویر: بدون پیش پردازش پلاسمایی

سمت چپ تصویر: پردازش پلاسمایی با متغیرهای مختلف

 

شرکت کاوش یاران فن پویا

شرکت کاوش یاران فن پویا، دستگاه های مدل Enhancedthech-16I و Plasmatech-15A را برای تحقیقات صنایع غذایی طراحی و آماده به کار نموده است. در دستگاه  Enhancedthech-16I، حالت های مختلف تولید پلاسمای سرد برای یافتن شرایط بهینه برای کاربرد در صنعت تعبیه شده است. امکان تغییر فاصله الکترودهای مولد پلاسما تا اندازه حدود 3 سانتی متر، قابلیت تولید پلاسما در فرکانس های مختلف، قابلیت تغییر دامنه ولتاژ، قابلیت تعیین زمان تیمار به صورت تناوبی و پیوسته برخی از امکانات این دستگاه است که شرایط را برای تعیین میزان کارایی پلاسما سرد تولید شده در کاربردهای صنایع غذایی فراهم می کند.

دستگاه Plasmatech-15A با تولید پلاسمای سرد با دمش گاز یونیزه پلاسما قابلیت پویش سطح مواد غذایی و پردازش آن ها را برای اهداف مختلفی چون کاهش بار میکروبی، سم زدایی و جوانه زنی و … را مهیا می کند.

ب                                                                 الف

تصاویر دستگاه الف) Enhancedthech-16 I مولد پلاسمای سرد اتمسفری برای تحقیقات صنایع غذایی و ب) Plasmatech-15A

 

• تحقیقات در حوزه کاهش بار میکروبی خشکبار

شرکت کاوش یاران فن پویا، کاهش بار میکروبی سبزیجات خشک شامل شوید و نعناع خشک و ادویه جات مانند زردچوبه توسط پلاسمای سرد اتمسفری، تا حدود 2 لوگ  در نتایج اولیه بررسی مشاهده نموده است.

کاهش بار میکروبی توسط سیستم Enhancedthech-16 I است.

کاهش بار میکروبی سبزی خشک نعناع تحت تأثیر پلاسما؛  (سمت چپ) نمونه کنترل و (سمت راست) نمونه تیمار شده

 

 

• افزایش جوانه زنی بذر

با مولد پلاسمای سرد اتمسفری  برای بذر عدس تحت تأثیر پلاسمای حاصل از دستگاه Plasmatech-15A به اندازه 10% حاصل گردید. شکل زیر تأثیرگذاری پلاسما در افزایش جوانه زنی دانه کلزا را به تصویر می کشد. افزایش جوانه زنی و پارامترهای رشد گیاه تحت تأثیر پلاسما در این تصاویر به وضوح مشهود است.

تاثیر پلاسما در افزایش چوانه­زنی و ریشه­زایی بذر کلزا الف) پردازش شده با پلاسما ب) نمونه کنترل

 

• افزایش چاپ پذیری بسته بندی مواد غذایی

شرکت کاوش یاران فن پویا تمرکز مناسبی در حوزه افزایش چاپ پذیری بسته بندی مواد غذایی نموده است.

در زمینه بسته بندی مواد غذایی دستگاه Plasmatech-15B قابلیت افزایش چاپ پذیری و رنگ پذیری سطوح پلیمری نظیر پلی پروپیلن(PP) و پلی اتیلن(PE) و پلی اتیلن ترفتالات ( PET) را به خوبی به اثبات رسانده است. این دسته از پلیمرها بسیار در بسته بندی مواد غذایی به کار گرفته می شوند.

تصاویر زیر نمونه درب بطری و بطری پردازش شده با پلاسما را نمایش می دهد.

چاپ پذیری نمونه های بطری و درب بطری پردازش نشده و پردازش شده با پلاسمای سرد

 

در نمونه هایی که سطح درب بطری یا بطری با پلاسما پردازش شده اند چسبندگی رنگ به سطح بسیار بیشتر از نمونه های پردازش نشده می باشد. این روش با توجه به آنکه تنها مستلزم مصرف انرژی برق است و نیازی به استفاده از مواد شیمیایی و گاز ندارد می تواند به عنوان روشی به صرفه و دوستدار محیط زیست جایگزین روش های متداول کنونی گردد.

 

پیام مدیریتی

به کارگیری فناوری نوین پلاسمای سرد می تواند بسیاری از موانع و مشکلات حوزه صنایع غذایی و کشاورزی را به خوبی مرتفع نماید؛ برخی از مواردی که می توان به آنها اشاره نمود:

• حل و یا کاهش معضلات صادراتی خشکبار غذایی به جهت بالا بودن میزان بار میکروبی و یا سموم آفاتی و میکروبی
• افزایش قدرت جوانه زنی و انرژی رشد بذرها اعم از غلات، دانه های روغنی، جالیزی، علوفه، سبزیجات، گیاهان تزئینی، قارچ و غیره
• افزایش مقاومت گیاهان در برابر قارچ ها و آفات میکروبی
• افزایش سلامت بذر و دانه در هنگام ذخیره سازی بلند مدت
• افزایش محصول گیاهان

در فناوری پلاسمای سرد، عوامل متنوعی اعم از تابش پرتوهای فرابنفش، عناصر فعال پلاسمای گازی شامل یون ها، الکترون ها، رادیکال های آزاد، اوزون، اکسیژن اتمی و ذرات برانگیخته ایفای نقش می کنند و به این ترتیب آثار مخرب و عوارض جانبی موجود در سایر روش ها (مکانیکی، شیمیایی، الکترومغناطیسی، نوری) و ترکیبات شیمیایی مضر در این فناوری بسیار کم اهمیت بوده و جایگاهی ندارند.

ستاد ویژه توسعه فناوری نانو به عنوان یک بنگاه حمایتی دولتی ، تلاش مضاعفی جهت ایفای نقش حلقه گمشده ارتباط بین صنعت و فناوری را در حوزه نانو و پلاسما دارد؛ لذا امید آن می رود تا با مساعدت بازیگران عرصه صنعت و پذیرش فناوری نوین پلاسمای سرد، امکان توسعه و بهره مندی از این فناوری را در کشور عزیزمان ایران شاهد باشیم.

 

[1] http://plasmas.spb.ru/en/plasma-seeds/

 

 

————————————————–

تهیه و تنظیم:

• گروه صنعت و بازار با همکاری بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================