Cold atmospheric pressure plasma pretreatment as a novel tool to tailor the functional properties of quince seed mucilage biopolymer-based edible films

في العالم الحديث، تُعد أغلفة البلاستيك والحاويات التي تحافظ على نضارة طعامنا سلاحاً ذا حدين. فبينما تحمي وجباتنا من التلف، إلا أنها مصنوعة من مواد لا تتحلل بسهء، مما يترك أثراً دائماً على البيئة ويثير مخاوف بشأن تسرب المواد الكيميائية السامة إلى طعامنا. لطالما بحث العلماء عن طريقة أفضل، متوجهين نحو مواد الطبيعة نفسها. وأحد المرشحين الواعدين هو مادة لزجة تشبه الهلام توجد في بذور ثمرة السفرجل، وهي عضو من فصيلة الكمثرى التي تنتمي إلى الفصيلة الوردية. عندما تنقع هذه البذور في الماء، تطلق مادة هلامية (مخاطية) سميكة، وهي بوليمر طبيعي يمكن تجفيفه في شكل رقائق رقيقة صالحة للأكل. تمتلك هذه الرقائق القدرة على استبدال البلاستيك الاصطناعي، لكنها تواجه عقبة كبيرة: فهي في حالتها الطبيعية غالباً ما تكون هشة جداً بحيث يصعب التعامل معها، ومسامية للغاية بحيث لا تمنع دخول الرطوبة بفعالية، مما يجعلها مرشحة ضعيفة لحماية الطعام.

ولحل هذه المشكلة، لجأ الباحثون إلى أداة تبدو كأنها من الخيال العلمي ولكنها في الواقع تقنية صناعية دقيقة: البلازما الجوية الباردة. تخيل شعاعاً من الجسيمات غير المرئية والنشطة التي يمكنها ملامسة سطح ما دون حرقه. تسمح هذه التكنولوجيا للعلماء بقصف سطح المادة بذرات وجزيئات مشحونة، مما يعيد ترتيب هيكلها على المستوى المجهري دون استخدام الحرارة أو المواد الكيميائية القاسية. والهدف هو أخذ الغشاء الطبيعي الهش المصنوع من بذور السفرجل وتقويته، لجعله أكثر متانة وأفضل في حجب بخار الماء. اختبر فريق من الباحثين مؤخاً هذه الفكرة، حيث قاموا بمعالجة الخليط السائل لمخاط بذور السفرجل باستخدام هذه البلازما قبل تحويله إلى غشاء، آملين في إيجاد التوازن المثالي بين الوقت والطاقة لتحويل مادة طبيعية رقيقة إلى مادة تغليف متينة.

بدأ الباحثون بجمع بذور السفرجل ومعالجتها بشعاع البلازما البارد. لم يقوموا فقط بالتخمين في الإعدادات؛ بل قاموا بتغيير قوة الشعاع وطول مدة تعرض البذور له بشكل منهجي. لقد اختبروا ثلاثة مستويات مختلفة من الطاقة وثلاث مدد زمنية مختلفة، مما خلق شبكة من الاحتمالات لمعرفة أي تركيبة تعمل بشكل أفضل. بمجرد معالجة البذور، استخلص الفريق المادة المخاطية، وخلطها مع كمية صغيرة من الجلسرين للحفاظ على مرونتها، ثم صب المحلول في أطباق لتجف في شكل رقائق رقيقة. ثم أخضعوا هذه الرقائق الجديدة لسلسلة من الاختبارات، حيث قاسوا كل شيء بدءاً من سمكها وصولاً إلى مدى قدرتها على صد الماء ومدى القوة التي يمكن أن تتحملها قبل أن تنكسر.

كان أحد أول الأشياء التي اكتشفها الفريق هو أن معالجة البلازما لم تغير سمك الرقائق. فسواء تمت معالجة البذور أم لا، ظلت الأوراق الناتجة بسمك ثابت قدره 0.70 ملم. كان هذا اكتشافاً مهماً لأنه يعني أن المعالجة تغير خصائص المادة دون تغيير أبعادها الفيزيائية الأساسية. ومع ذلك، تغير سطح الرقائق بشكل كبير. فعندما قاس الباحثون كيف تستقر قطرات الماء على السطح، وجدوا أن المعالجة جعلت الرقائق أكثر مقاومة للماء. وجاءت أفضل نتيجة من معالجة البذور بمستوى طاقة معين لمدة ثلاث دقائق بالضبط. في هذه الحالة، تجمعت قطرات الماء بشكل أكبر مما كانت عليه في أي عينة أخرى، مما يشير إلى أن السطح أصبح أكثر كرهًا للماء (hydrophobic). وهذه سمة حاسمة لتغليف الطعام، لأنها تساعد في منع الغشاء من أن يصبح رطباً ويفقد قوته في البيئات الرطبة.

وأظهرت القدرة على حجب الرطوبة، والمعروفة بنفاذية بخار الماء، نمطاً مشابهاً. فالرقائق التي عولجت لمدة ثلاث دقائق كانت الأفضل في منع مرور بخار الماء، بغض النظر عن مستوى الطاقة المستخدم. ويشير هذا التحسن إلى أن معالجة البلازما ساعدت جزيئات الغشاء على التكدس معاً بشكل أكثر إحكاماً، مما خلق حاجزاً أكثر كثافة لا تستطيع جزيئات الماء اختراقه بسهولة. ومع ذلك، وجد الباحثون أيضاً حداً واضحاً لهذه العملية؛ فعندما مددوا وقت المعالجة إلى خمس دقائق، أصبحت الرقائق في الواقع أسوأ في حجب الرطوبة مقارلة بالرقائق غير المعالجة. بدأت التعرض الطويل لشعاع البلازما في إتلاف بنية المادة المخاطية، مما خلق مسارات صغيرة لهروب الماء. وقد أشار هذا إلى أنه بينما يمكن لهذه التكنولوجيا أن تحسن المادة، فإن الإفراط فيها يكون مدمراً، حيث يفكك الشبكة التي كان العلماء يحاولون تقويتها.

تغير سطح الرقائق أيضاً من حيث الملمس. وباستخدام مجهر عالي القدرة يمكنه استشعار السطح على المستوى المجهري، وجد الفريق أن المعالجة لمدة دقيقة واحدة جعلت السطح أكثر خشونة. وقد نتجت هذه الخشونة عن قيام شعاع البلازما بنحت أجزاء صغيرة من السطح بلطف. ومن المثير للاهتمام أنه عندما استمرت المعالجة لفترة أطول، أصبح السطح أكثر نعومة وتجانساً مرة أخرى. وهذا يشير إلى أنه بعد الخشونة الأولية، امتلكت الجزيئات وقتاً لإعادة ترتيب نفسها في بنية أكثر تماسكاً وتنظيماً. واتبعت القوة الميكانيكية للرقائق قاعدة "الأقل هو الأكثر" ذاتها. فقد تم إنتاج أقوى الرقائق وأكثرها مرونة من خلال معالجة قصيرة لمدة دقيقة واحدة عند مستوى طاقة منخفض. استطاعت هذه الرقائق التمدد لمسافة أبعد وتحمل وزن أكبر قبل الانكسار مقارنة بالعينات غير المعالجة. ولكن مرة أخرى، أدت المعالجة الطويلة جداً أو القوية جداً إلى جعل الرقائق هشة وضعيفة، مما أفقدها الخصائص التي تجعلها مفيدة.

وحكت مقاومة الحرارة للرقائق قصة توازن أيضاً. فعندما قام الباحثون بتسخين الرقائق لاختبار مدى صمودها تحت الضغط، وجدوا أن العينات المعالجة بشكل مثالي يمكنها تحمل درجات حرارة أعلى قبل أن تتحلل. ويشير هذا إلى أن معالجة البلازما ساعدت الجزيئات على الارتباط ببعضها البعض بقوة أكبر، مما خلق بنية أكثر استقراراً. ومع ذلك، أظهرت الرقائق التي عولجت لمدة خمس دقائق علامات عدم الاستقرار، حيث تحللت عند درجات حرارة أقل. وقد أكد هذا أن التعرض الطويل قد أضر بالسلاسل الجزيئية، مما جعل المادة أقل متانة. وأظهر التحليل الكيميائي للرقائق أن البنية الأساسية لمخاط بذور السفرجل ظلت سليمة، ولكن كيمياء السطح قد تغيرت. ومن المرجح أن شعاع البلازما قد خلق روابط جديدة بين الجزيئات وغير طريقة تفاعل السطح مع الماء، كل ذلك دون تدمير المادة الأساسية.

تخلص الدراسة إلى أن البلازما الجوية الباردة هي أداة قوية لتحسين تغليف الطعام الطبيعي، ولكنها تتطلب لمسة دقيقة. فقد وجد الباحثون أن التعرض القصير والمحكم يمكن أن يحول غشاءً هشاً وحساساً للماء إلى مادة أقوى وأكثر مقاومة للماء. وكان المفتاح هو إيجاد "النقطة المثالية" حيث تقوي البلازما الروابط بين الجزيئات دون تمزيقها. وبدت معالجة البذور لمدة ثلاث دقائق عند مستوى طاقة متوسط هي الأفضل في الأداء العام، حيث حسنت قدرة الغشاء على حجب الرطوبة وقوته ومقاومته للحرارة. ومع ذلك، فإن تمديد المعالجة إلى خمس دقائق عكس هذه الفوائد، مما أثبت أن هناك نقطة لـ "تناقص العوائد" حيث تصبح التكنولوجيا ضارة. يسلط هذا العمل الضوء على أنه بينما توفر الطبيعة المواد الخام للتغليف المستدام، يمكن استخدام تقنيات متقدمة مثل البلازما الباردة لضبط هذه المواد بدقة، مما يجعلها بدائل قابلة للتطبيق للبلاستيك الذي يهيمن حالياً على رفوفنا. إن مستقبل تغليف الطعام قد يعتمد على إيجاد هذه اللحظات الدقيقة من التدخل، حيث تحول لمسة قصيرة من الطاقة مستخلص بذور بسيط إلى درع واقٍ لطعامنا.