Atmospheric Cold Plasma Treatment of Skim Milk for Enrofloxacin Reduction Using a Multiple Plasma Jet–Bubble Column Reactor

لا يمكن بيع الحليب الذي عولج بالمضادات الحيوية بسبب بقرة مريضة للاستهلاك البشري. ويشكل هذا "الحليب الضائع" مشكلة خطيرة: فإذا أُطعم للعجول، يمكن أن يتسبب في تكاثر بكتيريا تقاوم الأدوية في المستقبل، وإذا تم التخلص منه، يمكن أن يلوث البيئة. وتكمن المشكلة في أن طرق التسخين القياسية، التي تقتل الجراثيم، لا تدمر بقايا المضادات الحيوية بشكل موثوق. وقد بحث العلماء عن طريقة لتنظيف هذا الحليب دون طهيه، بحثاً عن وسيلة يمكنها تفكيك جزيئات الدواء مع تقليل الضرر الذي يلحق بجودة الحليب. وأحد المسارات الواعدة هو البلازما الباردة عند الضغط الجوي، وهي حالة من حالات المادة تُسمى غالباً الحالة الرابعة للمادة، وتنتج عن طريق تزويد الغاز بشحنة كهربائية. وبخلاف البلازما الموجودة في مصابيح النيون أو البرق، تظل هذه النسخة باردة بما يكفي للمسها. وهي مليئة بجسيمات عالية التفاعل يمكنها مهاجمة وتفكيك الروابط الكيميائية، مما يجعلها أداة محتملة لتنقية السوائل من الملوثات دون رفع درجة حرارتها.

في دراسة حديثة، اختبر باحثون في جامعة شيراز في إيران ما إذا كان هذا الغاز المشحون كهربائياً والبارد يمكنه إزالة الإينروفلوكساسين، وهو مضاد حيوي شائع، من حليب منزوع الدسم. لقد صمموا جهازاً متخصصاً يشبه مجموعة من الأنابيب الزجاجية الصغيرة التي تحيط بقضيب معدني مركزي. وعندما ضخوا الهواء عبر هذه الأنابيب وطبقوا تياراً كهربائياً عالي الجهد، تحول الهواء إلى بلازما باردة. وبدلاً من مجرد نفخ هذه البلازما فوق سطح الحليب، قاموا بضخها مباشرة عبر فقاعات داخل السائل داخل عمود. وقد ضمنت عملية الفقاعات هذه أن الجسيمات التفاعلية الناتجة عن الكهرباء تختلط جيداً مع الحليب، مما يؤدي إلى مهاجمة جزيئات المضاد الحيوي من الداخل إلى الخارج. أراد الفريق معرفة ما إذا كان بإمكانهم ضبط الآلة — عبر تعديل سرعة الهواء، وقوة الكهرباء، ومدة المعالجة — لتجريد الحليب من خصائصه المضادة للميكروبات مع إحداث أقل قدر ممكن من الضرر للحليب نفسه.

أظهرت النتائج أن الطريقة نجحت بشكل ملحوظ في إزالة قوة المضاد الحيوي. وتحت أفضل الظروف، والتي تضمنت جهداً معيناً ومعدل تدفق هواء قدره 700 ملليلتر في الدقيقة، قللت المعالجة من قدرة المضاد الحيوي على قتل البكتيريا بنسبة 95 بالمائة بعد 20 دقيقة فقط. وللتأكد من ذلك، استخدم الباحثون طريقتين مختلفتين لفحص الحليب. أولاً، استخدموا اختباراً بيولوجياً حيث وضعوا قطرات من الحليب المعالج على طبق يحتوي على بكتيريا؛ حيث نمت البكتيريا بحرية في المكان الذي تم فيه تدمير المضاد الحيوي. ثانياً، استخدموا تقنية تعتمد على الليزر تسمى مطيافية رامان، والتي تعمل مثل ماسح للبصمة الجزيئية، لمعرفة ما إذا كان شكل جزيئات الإينروفلوكساسين قد تغير بالفعل. وأظهر هذا الماسح أن جزيئات الدواء نفسها قد تفككت بنسبة 84 بالمائ% تقريباً. وقد أشارت المطابقة الوثيقة بين الاختبار البيولوجي والمسح الجزيئي إلى أن المضاد الحيوي لم يتم إخفاؤه أو حجبه فحسب، بل تم تفكيكه كيميائياً.

ومع ذلك، كشفت الدراسة أيضاً أن عملية التنظيف القوية هذه تأتي بتكلفة على جودة الحليب. فبينما كانت البلازما تتدفق عبر السائل، لم تستهدف المضاد الحيوي فحسب، بل تفاعلت أيضاً مع مكونات الحليب الطبيعية. أصبح الحليب أكثر حموضة بشكل ملحوظ، حيث انخفضت درجة الحموضة (pH) من 6.38 إلى 5.53. وانخفض السكر في الحليب، المعروف باسم اللاكتوز، بشكل كبير، حيث هبط من 56.9 جراماً لكل لتر إلى 47.3 جراماً لكل لتر خلال الدقائق الخمس الأولى من المعالجة. كما أصبح الحليب أكثر كثافة، حيث ارتفعت لزوجته من 1.61 إلى حوالي 2.05 ميلي باسكال ثانية، وانخفض إجمالي كمية المواد الصلبة الذائبة. وبصرياً، تغير لون الحليب، حيث اكتسب مسحة بنية مائلة للاصفرار. حدث هذا التلون البني لأن الجسيمات التفاعلية فككت السكريات، والتي تفاعلت بعد ذلك مع بروتينات الحليب لتكوين مركبات جديدة، وهي عملية تشبه كيف يتحول الخبز المحمص إلى اللون البني عند تسخينه، وإن كان ذلك هنا مدفوعاً بالنشاط الكيميائي للبلازما بدلاً من الحرارة.

وجد الباحثون أن إعدادات الآلة كانت مهمة للغاية. فإذا تدفق الهواء ببطء شديد، فلن تولد البلازما ما يكفي من الجسيمات التفاعلية لتنظيف الحليب بفعالية. وإذا تدفق الهواء بسرعة كبيرة، فسيقضي الغاز وقتاً قصيراً جداً في المجال الكهربائي ليصبح قوياً، وستصبح الفقاعات كبيرة جداً بحيث لا تختلط جيداً مع الحليب. وبالمثل، فإن زيادة الجهد الكهربائي بعد نقطة معينة تجعل العملية أقل كفاءة. فرغم أن الجهد العالي يخلق طاقة أكبر، إلا أنه يسخن الغاز ويؤدي إلى تدمير الجسيمات التفاعلية لبعضها البعض قبل أن تصل إلى المضاد الحيوي. وكانت "النقطة المثالية" هي جهد متوسط قدره 8.6 كيلو فولت، مما وفر التوازن الصحيح من الطاقة لتفكيك الدواء دون إهدار الجسيمات التفاعلية أو رفع حرارة النظام.

في نهاية المطاف، تثبت الدراسة أن البلازما الباردة عند الضغط الجوي هي وسيلة فعالة وغير حرارية لتحييد بقايا المضادات الحيوية في الحليب، مما يوفر حلاً محتملاً لإدارة الحليب الضائع الذي يصعب التعامل معه حالياً. نجحت التقنية في تدمير الغالبية العظمى من الإينروفلوكساسين، مما أثبت أن بنية الدواء قد تغيرت ونشاطه البيولوجي قد انتهى. ومع ذلك، فإن التغييرات الكبيرة في كيمياء الحليب وقوامه ولونه تعني أن هذه التكنولوجيا لا يمكن تشغيلها ببساطة دون ضبط دقيق. وخلص الباحثون إلى أنه بينما تعد الطريقة فعالة، يجب أن يركز العمل المستقبلي على ضبط العملية بدقة لإزالة الملوث مع الحفاظ على الخصائص الطبيعية للحليب، لضمان ألا يؤدي الحل لمشكلة ما إلى خلق مشكلة أخرى.