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

아픈 소로부터 나온 항생제 처리된 우유는 인간 소비용으로 판매될 수 없습니다. 이 "폐기 우유"는 심각한 문제를 야기합니다. 만약 이를 송아지에게 먹이면 미래의 약물에 저항하는 박테리아를 번식시킬 수 있고, 만약 그냥 버린다면 환경을 오염시킬 수 있기 때문입니다. 문제는 일반적인 가열 방식은 세균을 죽일 수는 있지만, 이러한 항생제 잔류물을 확실하게 파괴하지 못한다는 점입니다. 과학자들은 우유를 요리(가열)하지 않고도 깨끗하게 만들 방법을 찾아왔으며, 우유의 품질 손상을 최소화하면서 약물 분자를 분해할 수 있는 방법을 모색하고 있습니다. 한 가지 유망한 방안은 기체를 전기화하여 만드는 데서 비롯된, 흔히 제4의 상태라고 불리는 물질의 상태인 '대기압 저온 플라즈마'입니다. 네온사인이나 번개와 같은 플라사 unlike 달리, 이 버전은 만져도 될 정도로 차갑게 유지됩니다. 이는 화학 결합을 공격하여 끊어낼 수 있는 고도로 반응성이 높은 입자들로 채워져 있어, 온도를 높이지 않고도 액체 속의 오염 물질을 씻어내는 잠재적인 도구가 될 수 있습니다.

최근 연구에서 이란 시라즈 대학교의 연구진은 이 차갑고 전기를 띤 기체가 탈지유에서 흔한 항생제인 엔로플록사신(enrofloxacin)을 제거할 수 있는지 테스트했습니다. 그들은 중앙 금속 막을 둘러싼 작은 유리관들의 집합체처럼 보이는 특수 장치를 제작했습니다. 연구진이 이 유리관들을 통해 공기를 펌프질하고 고전압 전류를 가하자, 공기는 저온 플라즈마로 변했습니다. 이 플라즈마를 단순히 우유 표면에 불어넣는 대신, 그들은 컬럼 내부의 액체 속으로 직접 기포를 발생시켜 통과시켰습니다. 이러한 기포 작용은 전기에 의해 생성된 반응성 입자들이 우유와 철저히 혼합되어, 안쪽에서부터 항생제 분자를 공격하도록 보장했습니다. 연구팀은 우유 자체에 가해지는 손상을 최소화하면서 우유에서 항생제 성분을 제거하기 위해, 공기의 속도, 전기의 강도, 그리고 처리 시간을 조절하여 기계를 미세 조정할 수 있는지 확인하고자 했습니다.

결과는 이 방법이 항생제의 효력을 제거하는 데 매우 효과적임을 보여주었습니다. 특정 전압과 분당 700밀리리터의 공기 유량이라는 최적의 조건 하에서, 처리는 단 20분 만에 항생제의 박테리아 살상 능력을 95% 감소시켰습니다. 이를 확인하기 위해 연구진은 두 가지 다른 방식으로 우유를 관찰했습니다. 첫째, 그들은 처리된 우유 방울을 박테리아가 있는 플레이트에 놓는 생물학적 테스트를 실시했는데, 항생제가 파괴된 곳에서는 박테리아가 자유롭게 자라났습니다. 둘째, 그들은 분자의 지문 스캐너 역할을 하는 라만 분광법(Raman spectroscopy)이라는 레이저 기반 기술을 사용하여 실제 엔로플록사신 분자의 형태가 변했는지 확인했습니다. 이 스캐너는 약물 분자 자체가 약 84% 정도 분해되었음을 보여주었습니다. 생물학적 테스트와 분자 스캔 결과 사이의 밀접한 일치는 항생제가 단순히 숨겨지거나 가려진 것이 아니라, 화학적으로 해체되었음을 시사했습니다.

그러나 이 강력한 세척 과정에는 우유의 품질에 대한 대가가 따른다는 사실도 밝혀졌습니다. 플라즈마가 액체 속을 통과하며 지나갈 때, 그것은 항생제만을 목표로 삼는 것이 아니라 우유의 천연 성분들과도 상호작용했습니다. 우유는 눈에 띄게 산성화되었으며, pH는 중성인 6.38에서 5.53으로 떨어졌습니다. 우유의 당분인 유당(lactose)은 처리 후 첫 5분 만에 리터당 56.9그램에서 47.3그램으로 크게 감소했습니다. 또한 우유는 더 걸쭉해져서 점도가 1.61에서 약 2.05 밀리파스칼 초(millipascal-seconds)로 상승했고, 총 용존 고형물의 양은 감소했습니다. 시각적으로 우유는 색상이 변하여 황갈색 빛을 띠게 되었습니다. 이러한 갈변 현상은 반응성 입자들이 당을 분해하고, 그 당이 우유 단백질과 반응하여 새로운 화합물을 형성했기 때문에 발생했는데, 이는 열에 의해 토스트가 갈색으로 변하는 과정과 유사하지만, 여기서는 열이 아닌 플라즈마의 화학적 활동에 의해 유도되었습니다.

연구진은 기계의 설정이 매우 중요하다는 것을 발견했습니다. 만약 공기가 너무 느리게 흐르면 플라즈마가 우유를 효과적으로 세척할 만큼 충분한 반응성 입자를 생성하지 못했습니다. 반대로 공기가 너무 빠르게 흐르면 가스가 전기장에 머무는 시간이 너무 짧아 강력해지지 못하고, 기포가 너무 커져서 우유와 잘 섞이지 않게 되었습니다. 마찬가지로, 전기 전압을 일정 수준 이상으로 높이는 것도 효율성을 떨어뜨렸습니다. 전압이 높으면 더 많은 에너지를 생성하지만, 동시에 가스를 가열하여 반응성 입자들이 항생제에 도달하기도 전에 서로를 파괴하게 만듭니다. 최적의 지점은 8.6 킬로볼트의 중간 정도의 전압이었는데, 이는 반응성 입자를 낭비하거나 시스템을 과열시키지 않으면서도 약물을 분해할 수 있는 적절한 에너지 균형을 제공했습니다.

궁극적으로, 이 연구는 대기압 저온 플라즈마가 우유 내 항생제 잔류물을 중화하는 실행 가능한 비열적(non-thermal) 방법을 보여주며, 현재 다루기 어려운 폐기 우유를 관리하기 위한 잠재적인 해결책을 제시합니다. 이 기술은 엔로플록사신의 대부분을 성공적으로 파괴하여, 약물의 구조가 변화되고 생물학적 활성이 제거되었음을 증명했습니다. 그럼에도 불구하고, 우유의 화학적 성질, 질감 및 색상에 가해진 상당한 변화는 이 기술을 세심한 조정 없이 단순히 켤 수 없음을 의미합니다. 연구진은 이 방법이 효과적이긴 하지만, 오염 물질을 제거하는 동시에 우유의 자연스러운 특성을 보존할 수 있도록 과정을 미세 조정하는 데 향후 연구가 집중되어야 한다고 결론지었습니다. 이는 하나의 문제가 또 다른 문제를 만들어내지 않도록 하기 위함입니다.