Recent advances in pulsed electric field and non-thermal plasma treatments for food and biorefinery applications

Abstract

In the last decays pulsed electric field techniques gained increasing importance in biotechnology and food production. Application of electric pulses to cells leads to increased permeability and conductivity of cell membranes and formation of pores in cell membrane - phenomenon called electroporation. Electroporation could be a very suitable technique for improvement of extraction or dying in both food processing and biorefinery. Non-thermal plasma treatment generates reactive species in the samples causing damage of the cell membrane and could be used for wastewater treatment, microbial inactivation and as a treatment prior to open fermentations on complex substrates. In this study, recent advances in pulsed electric field treatment of food, algal biomass and hospital wastewater as well as role of non-thermal plasma treatment in bio-decontamination of complex substrates will be addressed. Also, some environmental and economic aspects of these novel techniques in comparison to conventional treatments will be discussed.

U toku poslednjih nekoliko decenija tretman pulsnim električnim poljem dobija sve više na značaju u oblasti biotehnologije i proizvodnje hrane. Izlaganjem humanih, biljnih ili mikrobnih ćelija pulsnom električnom polju povećava se pemeabilnost i provodljivost ćelijske membrane što vodi stvaranju pora u membrani, pa se ovaj fenomen naziva elektroporacija. Elektroporacija može biti veoma korisna tehnika za unapređenje ekstrakcije ili sušenja u oblasti proizvodnje i prerade hrane (ekstrakcija šećera iz šećerne repe, unapređenje osmotskog sušenja, sušenja smrzavanjem itd.), ali i u biorafinerijskim postupcima poput ekstrakcije vrednih supstanci iz mikroalgi, iskorišćenja otpadnih voda, ekstrakcije iz biljne biomase, itd.Kao rezultat tretmana netermalnom plazmom nastaju slobodni radikali u uzorku koji dovode do oštećenja ćelija, uključujući ćelijske membrane, smanjenjuje se pH vrednost u medijumu, a UV zračenje izvora plazme može dodatno uticati na mikrobnu inaktivaciju u tretiranom uzorku. Zato se tretman netermalnom plazmom može efikasno koristiti za sterilizaciju površina i mikrobnu inaktivaciju u voćnim sokovima u prehrambenoj industriji, biodekontaminaciju složenih otpadnih supstrata ili mikrobnu inaktivaciju u otpadnim vodama kako bi se unapredili postupci otvorene fermentacije.U ovom radu su detaljnije predstavljene mogućnosti ptimene pulsnog električnog polja u tretmanu hrane, ektrakciji mikroalgi i smanjenju problema širenja multirezistentnih bakterija iz otpadnih voda iz bolnica. Takođe, analizirane su neke mogućnosti primene tretmana netermalnom plazmom u biodekontaminaciji otpadnih voda, kao i ekonomski i ekološki aspekti ovih novih tehnika u odnosu na konvencionalne postupke.