Definicja i składniki niskotemperaturowej plazmy

Pojęcie plazmy wprowadził w 1928 roku amerykański fizykochemik Irving Langmuir, noblista z 1932 roku [1]. Plazma, zwana czwartym i najpowszechniej występującym we Wszechświecie stanem skupienia materii, to zjonizowany gaz mogący przewodzić ładunki elektryczne. Wyróżniamy plazmę wysokotemperaturową - „gorą­cą”, będącą składnikiem gwiazd i powstającą podczas wybuchu bomby wodorowej oraz niskotemperaturową - „zimną” (ang. non-thermal plasma lub cold plasma) – powstającą w znacznie niższych temperaturach. np. pokojowej. Plazma niskotemperaturowa może składać się z mieszaniny zarówno zjonizowanych, jak i niezjonizowanych cząsteczek, atomów w stanie podstawowym i wzbudzonych, wolnych rodników, w tym tlenu (ang. reactive oxygen species, ROS) i azotu (ang. reactive nitrogen species – RNS), ozonu oraz elektronów i promieniowania UV [2].

Rys. 1. Główne składniki plazmy [3]

Mechanizm inaktywacji drobnoustrojów

Zarówno biologiczne, jak i medyczne zastosowania plazmy ni­skotemperaturowej opierają się na jej przeciwdrobnoustrojowych właściwościach – szereg badań wykazał skuteczność działania zimnej plazmy przeciw komórkom wegetatywnym i sporom bakterii, a także drożdżom, pleśniom i wirusom [4-6]. To właśnie szereg reaktywnych cząsteczek chemicznych jest odpowiedzialny za uszkodzenie komórek mikroorganizmów. Uszkodzenia te mogą dotyczyć:  

- ściany i błony komórkowej - dezintegracja struktur powierzchniowych zachodzi na skutek bombardowania komórek reaktywnymi składnikami plazmy (O₂, O₃, OH·, H₂O₂, NO· i NO₂), przy czym najbardziej letalne działanie wykazuje tlen atomowy i rodnik hydroksylowy), co może prowadzić do przerwania ich ciągłości i lizy komórek,

-  DNA - ze względu na promienie UV powstające podczas jej wytwarzania, plazma prowadzi także do degradacji DNA mikroorganizmów – promienie UV charakteryzują się wysoką wartością energetyczną i dużym stopniem absorbancji przez czą­steczki DNA i RNA, co prowadzi do powstania dimerów tyminy i fragmentacji nukleoidu [1, 2, 7]

Rys. 2. Efekt działania reaktywnych plazmy na komórki mikroorganizmów [8]

Zastosowanie w obróbce żywności

Wykorzystanie zimnej plazmy w oczyszczaniu produktów żywnościowych z mikroorganizmów niesie ze sobą szereg zalet – w porównaniu do tradycyjnych metod dekontaminacji żywności, takich jak obróbka termiczna, plazma praktycznie nie zmienia struktury ani właściwości odżywczych bądź sensorycznych produktów – wartości smakowe czy zapachowe pozostają takie same, jak w przypadku próbek nie poddanych działaniu plazmy. Zastosowanie zimnej plazmy do zabijania drobnoustrojów w żywności zostało zbadane przy wykorzystaniu wielu różnych produktów, takich jak warzywa i owoce [9, 10], mięso [11], przyprawy [12], nasiona [13] czy soki [14], a głównymi czynnikami decydującymi o skuteczności metody jest typ oczyszczanego produktu, a także rodzaj mikroorganizmów występujących na jego powierzchni.

Plazma w stomatologii i medycynie

Prowadzone badania nad zastosowaniem zimnej plazmy w stomatologii i medycynie koncentrują się przede wszystkim na działaniu plazmy na stan fizjologiczny komórek prawidłowych i nowotwo­rowych, hamowaniu rozwoju nowotworów, przyspie­szeniu leczenia trudno gojących się ran, a także usuwaniu mikroorganizmów z powierzchni biologicznych oraz sprzętu medycznego. Działanie plazmy na komórki organizmów wyższych, w tym człowieka, zależy od jej dawki – wykazano, że małe dawki powodują zabicie bak­terii nie mając wpływu na komórki ssaków. Przy średnich dawkach, zachodzi proces przyspieszenia gojenia ran, zwiększenia proliferacji komórek, zwiększenia wydzie­lania czynnika wzrostu oraz apoptozy komórek nowo­tworowych, natomiast wysokie dawki plazmy są szkodliwe i mogą powodować śmierć komórek ssaków [15].

Wykorzystanie plazmy w stomatologii opiera się głównie na walcę z bakteriami bytującymi na powierzchni zębów w postaci trudnych do zwalczenia biofilmów, które powodują zakażenia ust, zębów czy dziąseł [16].

Podsumowanie

Nietermiczny charakter, brak toksycznych produktów ubocznych, wysoka skuteczność przeciwko wielu rodzajom mikroorganizmów – to tylko niektóre z zalet wykorzystania zimnej plazmy w przetwórstwie żywności, medycynie i stomatologii, jednak przed wdrożeniem jej do rutynowego zastosowania we wspomnianych dziedzinach niezbędne są dalsze badania i optymalizacja.