Argon cold atmospheric pressure plasma-induced effects on carbohydrates

Cold atmospheric pressure (CAP) plasma is being investigated as a promising technique for microbial inactivation in food commodities, with the ultimate goal of extending its shelf life. If several papers focused on the antibacterial efficacy of CAP plasma treatments, only a few examined their impact on the nutritional content of food. In fact, reactive species within the plasma discharge may act as oxidising agents, altering the chemical structure of macro and micronutrients. The aim of this research is the assessment of CAP plasma-induced effects on foodstuff, with special emphasis on a set of carbohydrates, namely glucose, saccharose and starch. Plasma treatments were performed using an argon DiscJet plasma device, whose discharge environment was characterised via Optical Emission Spectroscopy. Small amounts of each sample underwent plasma treatments with increasing durations, up to 16 minutes. ATR-FTIR spectrum of each sample was recorded thereafter, from which the intensity evolution of meaningful bands over time was inferred. Finally, those results were crosschecked via XPS. Following the analysis, the opening of glucopyranose and fructopyranose ring was detected in glucose and saccharose, suggesting their degradation following CAP plasma treatments. On the contrary, polymerisation of starch and diminution of its hygroscopicity was noted. Furthermore, reactive oxygen and nitrogen species in the plasma discharge caused the formation of C=O and C=N bonds in every nutrient. The amount of sample which oxidised into a carbonyl or imino-compound ranged between 20% and 30%, depending on the nutrient.

Il plasma non termico a pressione atmosferica è oggetto di indagine in letteratura come dispositivo per l’inattivazione microbica negli alimenti, con l’obiettivo ultimo di estendere il loro periodo di conservazione. Se molti articoli hanno focalizzato l’attenzione sull’efficacia antibatterica dei trattamenti al plasma non termico a pressione atmosferica, solamente pochi hanno esaminato il loro impatto sul valore nutrizionale dei cibi. Infatti, specie altamente reattive all’interno della scarica di plasma posso fungere da agenti ossidanti, alterando la struttura chimica di macro e micronutrienti. Lo scopo di questa ricerca è la valutazione degli effetti dei trattamenti al plasma non termico a pressione atmosferica sugli alimenti, con particolare enfasi su un insieme di carboidrati, vale a dire glucosio, saccarosio e amido. I trattamenti al plasma sono stati eseguiti utilizzando un dispositivo chiamato DiscJet, che utilizza come gas di processo l’argon. La composizione chimica della scarica di plasma è stata determinata mediante spettroscopia ottica di emissione. Piccole quantità di ogni campione sono state sottoposte a trattamenti al plasma di durata crescente, fino ad un massimo di 16 minuti. Successivamente, lo spettro infrarosso di ogni campione è stato registrato e l’evoluzione dell’intensità delle regioni più significative in funzione del tempo è stata calcolata. Infine, un controllo incrociato dei risultati è stato effettuato con spettroscopia di emissione a raggi X. A seguito dell’analisi, l’apertura dell’anello di glucopiranosio e fruttopiranosio è stata rilevata nel glucosio e nel saccarosio, suggerendone la degradazione a seguito dei trattamenti. Al contrario, è stato notato un aumento del livello di polimerizzazione dell’amido e una diminuzione della sua igroscopicità. Inoltre, specie altamente reattive a base di ossigeno e azoto hanno causato la formazione di legami C=O e C=N in ognuno dei nutrienti. La quantità di campione che è stata ossidata in un composto carbonilico o imminico è compresa tra il 20% e 30%, in base al nutriente in esame.