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

Il latte che è stato trattato con antibiotici per una mucca malata non può essere venduto per il consumo umano. Questo "latte di scarto" pone un serio problema: se viene somministrato ai vitelli, può favorire la proliferazione di batteri resistenti ai futuri medicinali, e se viene scaricato, può inquinare l'ambiente. La sfida è che i metodi di riscaldamento standard, che uccidono i germi, non distruggono in modo affidabile questi residui di antibiotici. Gli scienziati stanno cercando un modo per pulire questo latte senza cucinarlo, cercando un metodo che possa scomporre le molecole del farmaco minimizzando al contempo i danni alla qualità del latte. Una via promettente è il plasma freddo atmosferico, uno stato della materia spesso chiamato quarto stato della materia, che viene creato elettrificando un gas. A differenza del plasma di un'insegna al neon o di un fulmine, questa versione rimane abbastanza fredda da poter essere toccata. È ricco di particelle altamente reattive che possono attaccare e spezzare i legami chimici, rendendolo uno strumento potenziale per detergere i contaminanti dai liquidi senza aumentarne la temperatura.

In uno studio recente, i ricercatori dell'Università di Shiraz, in Iran, hanno testato se questo gas freddo ed elettricamente carico potesse rimuovere l'enrofloxacina, un comune antibiotico, dal latte scremato. Hanno costruito un dispositivo specializzato che assomiglia a un gruppo di minuscoli tubi di vetro che circondano un'asta centrale di metallo. Quando hanno pompato aria attraverso questi tubi e applicato una corrente elettrica ad alta tensione, l'aria si è trasformata in un plasma freddo. Invece di limitarsi a soffiare questo plasma sulla superficie del latte, lo hanno fatto gorgogliare direttamente attraverso il liquido all'interno di una colonna. Questa azione di gorgogliamento ha garantito che le particelle reattive generate dall'elettricità si mescolassero accuratamente con il latte, attaccando le molecole dell'antibiotico dall'interno verso l'esterno. Il team voleva vedere se potessero regolare la macchina — regolando la velocità dell'aria, la forza dell'elettricità e la durata del trattamento — per privare il latte delle sue proprietà antibiotiche causando al contempo il minor danno possibile al latte stesso.

I risultati hanno mostrato che il metodo ha funzionato sorprendentemente bene nel rimuovere il potere dell'antibiotico. Nelle migliori condizioni, che prevedevano una specifica tensione e una velocità di flusso dell'aria di 700 millilitri al minuto, il trattamento ha ridotto la capacità dell'antibiotico di uccidere i batteri del 95 percento in soli 20 minuti. Per confermare ciò, i ricercatori hanno utilizzato due modi diversi per esaminare il latte. Per prima cosa, hanno utilizzato un test biologico in cui hanno posto gocce di latte trattato su una piastra con batteri; i batteri sono cresciuti liberamente dove l'antibiotico era stato distrutto. In secondo luogo, hanno utilizzato una tecnica basata sul laser chiamata spettroscopia Raman, che agisce come uno scanner di impronte digitali molecolari, per vedere se la forma reale delle molecole di enrofloxacina fosse cambiata. Questo scanner ha mostrato che le molecole del farmaco erano state scomposte di circa l'84 percento. La stretta corrispondenza tra il test biologico e la scansione molecolare ha suggerito che l'antibiotico non fosse solo nascosto o mascherato, ma che fosse stato chimicamente smantellato.

Tuttavia, lo studio ha anche rivelato che questo potente processo di pulizia comporta un costo per la qualità del latte. Mentre il plasma gorgogliava attraverso il liquido, non prendeva di mira solo l'antibiotico; interagiva anche con gli ingredienti naturali del latte. Il latte è diventato sensibilmente più acido, con il suo pH che scendeva da un valore neutro di 6,38 a 5,53. Lo zucchero nel latte, noto come lattosio, è diminuito significativamente, passando da 56,9 grammi per litro a 47,3 grammi per litro entro i primi cinque minuti di trattamento. Il latte è anche diventato più denso, con la sua viscosità che saliva da 1,61 a circa 2,05 millipascal-secondi, e la quantità totale di solidi disciolti è diminuita. Visivamente, il latte è cambiato colore, assumendo una tonalità giallo-marrone. Questo imbrunimento è avvenuto perché le particelle reattive hanno decomposto gli zuccheri, che poi hanno reagito con le proteine del latte per formare nuovi composti, un processo simile a come il pane diventa marrone quando viene tostato, sebbene qui fosse guidato dall'attività chimica del plasma piuttosto che dal calore.

I ricercatori hanno scoperto che le impostazioni della macchina contano molto. Se l'aria fluiva troppo lentamente, il plasma non generava abbastanza particelle reattive per pulire efficacementamente il latte. Se l'aria fluiva troppo velocemente, il gas trascorreva troppo poco tempo nel campo elettrico per diventare potente, e le bolle diventavano troppo grandi per mescolarsi bene con il latte. Allo stesso modo, aumentare la tensione elettrica oltre un certo punto rendeva il processo meno efficiente. Sebbene una tensione più alta crei più energia, essa riscalda anche il gas e causa la distruzione reciproca delle particelle reattive prima che possano raggiungere l'antibiotico. Il punto ottimale era una tensione moderata di 8,6 kilovolt, che forniva il giusto equilibrio di energia per scomporre il farmaco senza sprecare le particelle reattive o surriscaldare il sistema.

In definitiva, lo studio dimostra che il plasma freddo atmosferico è un modo efficace e non termico per neutralizzare i residui di antibiotici nel latte, offrendo una potenziale soluzione per la gestione del latte di scarto che attualmente è difficile da gestire. La tecnica ha distrutto con successo la stragrande maggioranza dell'enrofloxacina, provando che la struttura del farmaco è stata alterata e la sua attività biologica eliminata. Tuttavia, i cambiamenti significativi alla chimica, alla consistenza e al colore del latte significano che questa tecnologia non può essere semplicemente accesa senza una regolazione attenta. I ricercatori hanno concluso che, sebbene il metodo sia efficace, il lavoro futuro deve concentrarsi sull'affinamento del processo per rimuovere il contaminante preservando al contempo le qualità naturali del latte, assicurando che la soluzione a un problema non ne crei un altro.