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

Milch, die zur Behandlung kranker Kühe mit Antibiotika behandelt wurde, darf nicht für den menschlichen Verzehr verkauft werden. Diese „Abfallmilch“ stellt ein ernstes Problem dar: Wenn sie an Kälber verfüttert wird, kann sie Bakterien züchten, die gegen zukünftige Medikamente resistent sind, und wenn sie entsorgt wird, kann sie die Umwelt belasten. Die Herausforderung besteht darin, dass Standarderhitzungsmethoden, die Keime abtöten, diese Antibiotikarückstände nicht zuverlässig zerstören. Wissenschaftler suchen nach einem Weg, diese Milch zu reinigen, ohne sie zu kochen, und suchen nach einer Methode, die die Wirkstoffmoleküle aufbrechen kann, während die Qualität der Milch so wenig wie möglich beeinträchtigt wird. Ein vielversprechender Weg ist das atmosphärische Kaltplasma, ein Aggregatzustand, der oft als der vierte Zustand der Materie bezeichnet wird und durch Elektrifizierung eines Gases erzeugt wird. Im Gegensatz zu dem Plasma in einer Neonröhre oder einem Blitzschlag bleibt diese Version kühl genug, um sie berühren zu können. Es ist gefüllt mit hochreaktiven Teilchen, die chemische Bindungen angreifen und aufbrechen können, was es zu einem potenziellen Werkzeug macht, um Verunreinigungen aus Flüssigkeiten zu entfernen, ohne deren Temperatur zu erhöhen.

In einer kürzlich durchgeführten Studie testeten Forscher der Shiraz University im Iran, ob dieses kühle, elektrisch geladene Gas Enrofloxacin, ein gängiges Antibiotikum, aus Magermilch entfernen kann. Sie bauten eine spezielle Vorrichtung, die wie ein Bündel winziger Glasröhren aussieht, die einen zentralen Metallstab umgeben. Wenn sie Luft durch diese Röhren pumpten und einen Hochstrom anlegten, verwandelte sich die Luft in ein Kaltplasma. Anstatt dieses Plasma nur über die Oberfläche der Milch zu blasen, ließen sie es direkt durch die Flüssigkeit in einer Säule aufsteigen. Dieses Blasen stellte sicher, dass sich die durch die Elektrizität erzeugten reaktiven Teilchen gründlich mit der Milch vermischten und das Antibiotikum von innen heraus angriffen. Das Team wollte sehen, ob sie die Maschine abstimmen konnten – indem sie die Geschwindigkeit der Luft, die Stärke der Elektrizität und die Dauer der Behandlung anpassten –, um die Milch ihrer antibiotischen Eigenschaften zu berauben, während sie gleichzeitig so wenig Schaden wie möglich an der Milch selbst anrichtete.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Methode bei der Entfernung der antibiotischen Wirkung bemerkenswert gut funktionierte. Unter den besten Bedingungen, die eine spezifische Spannung und eine Luftdurchflussrate von 700 Millilitern pro Minute beinhalteten, reduzierte die Behandlung die Fähigkeit des Antibiotikums, Bakterien abzutöten, nach nur 20 Minuten um 95 Prozent. Um dies zu bestätigen, nutzten die Forscher zwei verschiedene Wege, um die Milch zu untersuchen. Zuerst verwendeten sie einen biologischen Test, bei dem sie Tropfen der behandelten Milch auf eine Platte mit Bakterien gaben; die Bakterien wuchsen frei dort, wo das Antibiotikum zerstört worden war. Zweitens verwendeten sie eine laserbasierte Technik namens Raman-Spektroskopie, die wie ein molekularer Fingerabdruck-Scanner fungiert, um zu sehen, ob sich die tatsächliche Form der Enrofloxacin-Moleküle verändert hatte. Dieser Scanner zeigte, dass die Arzneimittelmoleküle selbst um etwa 84 Prozent abgebaut worden waren. Die enge Übereinstimmung zwischen dem biologischen Test und dem molekularen Scan deutete darauf darauf hin, dass das Antibiotikum nicht einfach nur verborgen oder maskiert wurde, sondern chemisch zerlegt wurde.

Die Studie offenbarte jedoch auch, dass dieser kraftvolle Reinigungsprozess mit einem Preis für die Milchqualität verbunden ist. Während das Plasma durch die Flüssigkeit blubberte, zielte es nicht nur auf das Antibiotikum ab; es interagierte auch mit den natürlichen Inhaltsstoffen der Milch. Die Milch wurde merklich saurer, wobei ihr pH-Wert von einem neutralen Wert von 6,38 auf 5,53 sank. Der Zucker in der Milch, bekannt als Laktose, nahm signifikant ab und fiel innerhalb der ersten fünf Minuten der Behandlung von 56,9 Gramm pro Liter auf 47,3 Gramm pro Liter. Die Milch wurde auch dicker, wobei ihre Viskosität von 1,61 auf etwa 2,05 Millipaskal-Sekunden anstieg, und die Menge der gelösten Feststoffe sank. Visuell veränderte die Milch ihre Farbe und nahm einen gelblich-braunen Ton an. Diese Bräunung geschah, weil die reaktiven Teilchen die Zucker abbauten, die dann mit den Proteinen der Milch reagierten, um neue Verbindungen zu bilden – ein Prozess, der dem Bräunungsprozess von Toast ähnelt, wenn dieser erhitzt wird, obwohl er hier durch die chemische Aktivität des Plasmas und nicht durch Hitze angetrieben wurde.

Die Forscher fanden heraus, dass die Einstellungen der Maschine eine große Rolle spielten. Wenn die Luft zu langsam floss, erzeugte das Plasma nicht genügend reaktive Teilchen, um die Milch effektiv zu reinigen. Wenn die Luft zu schnell floss, verbrachte das Gas zu wenig Zeit im elektrischen Feld, um wirksam zu werden, und die Blasen wurden zu groß, um sich gut mit der Milch zu vermischen. Ähnlich verhielt es sich beim Erhöhen der elektrischen Spannung über einen gewissen Punkt hinaus, was den Prozess weniger effizient machte. Während eine höhere Spannung mehr Energie erzeugt, erwärmt sie auch das Gas und lässt die reaktiven Teilchen einander zerstören, bevor sie das Antibiotikum erreichen können. Der ideale Punkt („Sweet Spot“) war eine moderate Spannung von 8,6 Kilovolt, die das richtige Gleichgewicht der Energie bot, um das Medikament abzubauen, ohne die reaktiven Teilchen zu verschwenden oder das System zu überhitzen.

Letztlich zeigt die Studie, dass atmosphärisches Kaltplasma eine praktikable, nicht-thermische Methode zur Neutralisierung von Antibiotikarückständen in Milch darstellt und eine potenzielle Lösung für die Handhabung von Abfallmilch bietet, die derzeit schwierig zu bewältigen ist. Die Technik zerstörte erfolgreich den Großteil des Enrofloxacins und bewies, dass die Struktur des Medikaments verändert und seine biologische Aktivität eliminiert wurde. Dennoch bedeuten die signifikanten Veränderungen in der Chemie, Textur und Farbe der Milch, dass diese Technologie nicht einfach ohne sorgfältige Anpassung eingeschaltet werden kann. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Methode zwar effektiv ist, die zukünftige Arbeit jedoch darauf fokussiert sein muss, den Prozess so fein abzustimmen, dass der Schadstoff entfernt wird, während die natürlichen Qualitäten der Milch erhalten bleiben, um sicherzustellen, dass die Lösung für ein Problem nicht ein neues schafft.