Когда бактерии прикрепляются к поверхности пищи, они могут извлекать питательные вещества и продолжать размножаться в виде «биопленок».«Бактериальные биопленки на пищевых продуктах и поверхностях пищевой промышленности снижают качество и безопасность пищевых продуктов.
Но источники плазмы способны убивать такие бактерии, как Salmonella и E.coli на яблоках, а также другие виды микроорганизмов, вызывающих порчу манго и дынь, и листерии на мясе.
Исследователи из китайского Шанхайского университета Цзяо Тонг и Хуачжунского университета науки и технологий на этой неделе сообщают в журнале Physics of Plasmas от AIP Publishing о своем компьютерном исследовании взаимодействия воздушной плазмы с бактериальными биопленками на поверхности яблока, что позволяет предположить, что плазменная технология может быть использован для обеззараживания пищевых продуктов в будущем.
Фундаментальная концепция, лежащая в основе работы команды, заключается в использовании реактивных частиц, генерируемых плазмой, для уничтожения бактериальных биопленок, которые, как известно, трудно уничтожить.
«Биопленка состоит из групп микроорганизмов, в которых клетки прилипают друг к другу, и эти клетки часто прикрепляются к поверхности», — объяснил Ксинпей Лу, профессор Колледжа электротехники и электронной техники Университета науки и технологий Хуачжун. «Эти прилипшие клетки часто встроены в самопроизведенную матрицу внеклеточного полимерного вещества, которое принимает различные формы и защищает бактерии."
Для этой работы команда смоделировала, как структура биопленки влияет на динамику разряда, а затем сосредоточила внимание на том, как реактивные частицы, генерируемые плазмой, распределяются на поверхности биопленки, потому что позже они могут убить бактерии в биопленке.
«Плазма образуется, когда к газу добавляется достаточно энергии, чтобы« освободить »электроны от значительного числа атомов или молекул», — сказал Лу. «Этот процесс, известный как« ионизация », создает смесь положительно заряженных частиц, отрицательно заряженных частиц и различных незаряженных частиц."
Среди этих частиц часто присутствуют высокие концентрации так называемых свободных радикалов — очень химически активных атомных или молекулярных фрагментов.
«Эти свободные радикалы могут быстро преодолеть естественную защиту живых организмов, что приводит к их разрушению», — добавил он.
Поскольку плазма может легко производить более триллиона свободных радикалов на кубический сантиметр объема, она может служить эффективным средством дезактивации.
«Свободные радикалы — это один из типов агентов, убивающих микробы, генерируемых с помощью плазмы», — отметил Лу. "Плазма также производит другие агенты, такие как ультрафиолетовый свет, который стерилизует, вызывая повреждение ДНК."
Ученые ранее наблюдали, что мембраны бактериальных клеток иногда разрываются при воздействии плазмы.
Это может быть вызвано тем, что заряженные частицы прикрепляются к внешней поверхности ячейки, вызывая электростатическую силу, которая может преодолеть предел прочности на разрыв мембраны ячейки, разрывая ее.
Поэтому команда решила изучить, как плазма взаимодействует с биопленками и как реактивные частицы, генерируемые плазмой, могут проникать в полость биопленки.
«Технически мы хотели смоделировать разряд (в миллиметровом расстоянии зазора), одновременно улавливая эффект грибовидной формы биопленки (в пределах микрометрового диапазона) — чрезвычайно сложная задача», — сказал Лу.
Что они нашли?
«Мы обнаружили, что структура биопленки приводит к неравномерному распределению активных веществ в течение периода включения плазмы», — пояснил он. "Средняя длина свободного пробега заряженных частиц в микронном масштабе позволила плазме проникнуть в полость биопленки. Это означает, что, хотя плотность реактивных частиц снизилась на 6-7 порядков, диффузия вызвала равномерное распределение реактивных частиц внутри полости в течение периода ее отсутствия."
Что касается приложений, работа команды показывает, что воздушную плазму можно использовать для уничтожения бактерий в биопленках, что может «значительно продлить время, в течение которого фрукты остаются съедобными», — сказал Лу.
Такой метод может появиться на рынке в течение нескольких лет, "как только будет разработан недорогой источник плазмы."
Следующим шагом к использованию низкотемпературной плазменной технологии для обеззараживания фруктов является «создание однородной плазмы на неровной поверхности фруктов или использование плазменной струи для сканирования поверхности фруктов», — отметил Лу. "В настоящее время мы работаем над последним методом для достижения этой цели."