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

病気の牛に対して抗生物質で処理された牛乳は、食用として販売することができません。この「廃棄乳」は深刻な問題を引き起こします。もしこれを仔牛に与えれば、将来の薬に対する耐性を持つ細菌を繁殖させることになり、もし廃棄すれば、環境を汚染することになるからです。課題は、細菌を死滅させる標準的な加熱方法では、これらの抗生物質の残留物を確実に破壊できないという点にあります。科学者たちは、牛乳を調理（加熱）することなく、その品質へのダメージを最小限に抑えながら、薬物の分子を分解する方法を求めて、この牛乳を洗浄する方法を模索してきました。一つの有望な手段は、ガスに電気を流すことで作られる、しばしば「第四の状態」と呼ばれる物質の状態である「大気圧低温プラズマ」です。ネオンサインや落雷のプラズマとは異なり、このバージョンは触れても大丈夫なほど低温に保たれています。これは、化学結合を攻撃して切り離すことができる非常に反応性の高い粒子で満たされており、温度を上げることなく液体から汚染物質を洗浄するための潜在的なツールとなります。

最近の研究において、イランのシラーズ大学の研究者たちは、この冷たく電気を帯びたガスが、一般的な抗生物質であるエンロフロキサシンを脱脂乳から除去できるかどうかをテストしました。彼らは、中央の金属棒を囲む小さなガラス管のクラスターのような、特殊な装置を製作しました。これらの管の中に空気を送り込み、高電圧の電流をかけると、空気が低温プラズマへと変化します。このプラズマを単に牛乳の表面に吹き付けるのではなく、彼らはカラム内の液体の中に直接バブリング（泡立て）させました。このバブリング動作により、電気によって生成された反応性粒子が牛乳の中に徹底的に混ざり合い、内側から抗生物質の分子を攻撃することを確実にしました。研究チームは、牛乳自体のダメージをできる限り少なくしながら、牛乳から抗生物質の特性を取り除くために、空気の速度、電気の強さ、および処理時間を調整して、機械を微調整できるかどうかを確認したいと考えました。

結果は、この手法が抗生物質の力を除去する上で極めてうまく機能したことを示しました。最適な条件下（特定の電圧と毎分700ミリリットルの空気流量を含む条件）では、わずか20分間で、抗生物質の細菌殺菌能力を95パーセント減少させました。これを確認するために、研究者たちは2つの異なる方法で牛乳を観察しました。第一に、生物学的テストとして、処理された牛乳の滴を細菌のプレート上に置きました。抗生物質が破壊された場所では、細菌は自由に増殖しました。第二に、分子の指紋スキャナーのように機能するラマン分光法と呼ばれるレーザー技術を用い、エンロフロキサシンの分子の実際の形状が変化したかどうかを確認しました。このスキャナーは、薬物分子自体が約84パーセント分解されたことを示しました。生物学的テストと分子スキャンの一致は、抗生物質が単に隠されたり覆い隠されたりしているのではなく、化学的に解体されていることを示唆していました。

しかし、この強力な洗浄プロセスには、牛乳の品質に対する代償が伴うこともこの研究によって明らかになりました。プラズマが液体の中を泡立ちながら通過する際、それは抗生物質だけを標的にするのではなく、牛乳の天然成分とも相互作用しました。牛乳は目に見えて酸性化し、pHは中性の6.38から5.53へと低下しました。牛乳の糖分である乳糖は大幅に減少し、処理開始から5分以内に1リットルあたり56.9グラムから47.3グラムへと減少しました。また、牛乳はより粘り強くなり、粘度は1.61から約2.05ミリパスカル秒へと上昇し、全溶存固形分は減少しました。視覚的にも、牛乳は色を変え、黄色がかった茶色の色調を帯びました。この褐変は、反応性粒子が糖を分解し、それが牛乳のタンパク質と反応して新しい化合物を形成したために起こりました。これは、加熱によってトーストが茶色くなるプロセスに似ていますが、ここでは熱ではなく、プラズマの化学的活動によって引き起こされました。

研究者たちは、機械の設定が極めて重要であることを発見しました。もし空気の流れが遅すぎると、プラズマは牛乳を効果的に洗浄するための反応性粒子を十分に生成できませんでした。もし空気の流れが速すぎると、ガスが電気場の中に留まる時間が短すぎて強力にならず、また泡が大きくなりすぎて牛乳との混合がうまくいかなくなりました。同様に、電気電圧を一定以上に上げると、プロセスは効率が悪くなりました。高電圧はより多くのエネルギーを生み出しますが、同時にガスを加熱し、反応性粒子が抗生物質に到達する前に互いに破壊し合う原因にもなります。理想的なポイントは、8.6キロボルトという適度な電圧であり、これは、反応性粒子を無駄にしたりシステムを過熱させたりすることなく、薬物を分解するための適切なエネルギーのバランスを提供しました。

結局のところ、この研究は、大気圧低温プラズマが牛乳中の抗生物質残留物を中和するための、熱を用いない実行可能な方法であることを実証しており、現在対処が困難となっている廃棄乳の管理に対する潜在的な解決策を提示しています。この技術は、抗生物質の構造を変化させ、生物学的活性を排除することに成功し、抗生物質の大半を破壊したことを証明しました。しかしながら、牛乳の化学組成、質感、および色に対する著しい変化は、この技術が注意深い調整なしに単にスイッチを入れるだけで使えるものではないことを意味しています。研究者たちは、この手法は効果的である一方で、将来の研究は、ある問題の解決策が別の問題を生み出すことのないよう、汚染物質を除去しながら牛乳本来の性質を維持することに焦点を当てなければならないと結論付けました。