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

含有抗生素的奶牛病牛奶水不能用于人类消费。这种“废奶”造成了一个严重的问题：如果喂给小牛，它会滋生对未来药物产生抗性的细菌；如果倾倒掉，则会污染环境。挑战在于，标准的加热方法（虽然能杀死细菌）并不能可靠地破坏这些抗生素残留。科学家们一直在寻找一种无需烹饪即可清洗牛奶的方法，试图寻找一种既能分解药物分子，又能最大限度减少对牛奶品质损伤的方法。一个极具前景的方向是常压冷等离子体，这是一种通常被称为“第四态”的物质状态，通过使气体带电产生。与霓虹灯或闪电中的等离子体不同，这个版本的等离子体保持在可以触摸的凉爽温度。它充满了高度活跃的粒子，这些粒子可以攻击并打破化学键，使其成为在不升高液体温度的情况下清除污染物的一种潜在工具。

在最近的一项研究中，伊朗设拉子大学的研究人员测试了这种冰冷的、带电的气体是否可以去除脱脂牛奶中的恩诺沙星（一种常见的抗生素）。他们制造了一个特殊的装置，看起来像是一组围绕着中心金属棒的微型玻璃管簇。当他们向这些玻璃管中泵入空气并施加高压电流时，空气就变成了冷等离子体。研究人员并没有只是将这种等离子体吹过牛奶表面，而是将其直接通过柱状容器内的液体进行气泡喷射。这种气泡作用确保了由电产生的活性粒子能在牛奶内部充分混合，从而从内而外地攻击抗生素分子。团队希望观察他们是否可以通过调节机器——调整空气流速、电流强度和处理持续时间——来剥离牛奶的抗生素特性，同时尽可能减少对牛奶本身的损伤。

结果显示，该方法在去除抗生素效力方面表现得非常出色。在最佳条件下（涉及特定的电压和每分钟 700 毫升的空气流速），处理 20 分钟后，抗生素杀灭细菌的能力降低了 95%。为了证实这一点，研究人员使用了两种不同的观察方式。首先，他们使用了一种生物学测试，将处理后的牛奶滴落在含有细菌的培养皿上；在抗生素被破坏的地方，细菌得以自由生长。其次，他们使用了一种名为拉曼光谱的激光技术，这种技术就像是一个分子指纹扫描仪，用以观察恩诺沙星分子的实际形状是否发生了变化。扫描显示，药物分子本身被分解了约 84%。生物学测试与分子扫描之间的高度吻合表明，抗生素不仅仅是被隐藏或掩盖了，而是被化学性地拆解了。

然而，研究也揭示了这种强大的清洁过程是以牺牲牛奶品质为代价的。随着等离子体在液体中冒泡，它不仅针对抗生素，还与牛奶的天然成分发生了相互作用。牛奶变得明显更加酸性，其 pH 值从中性的 6.38 下降到了 5.53。牛奶中的糖（即乳糖）显著减少，在处理的前五分钟内，从每升 56.9 克下降到了 47.3 克。牛奶也变得更稠了，其黏度从 1.61 上升到约 2.05 毫帕·秒，且总溶解固体量有所下降。在视觉上，牛奶颜色发生了变化，呈现出一种黄褐色的色调。这种褐变是因为活性粒子分解了糖类，随后这些糖类与牛奶蛋白质反应生成了新化合物，这一过程类似于面包在加热时变棕的过程，只不过在这里是由等离子体的化学活性而非热量驱动的。

研究人员发现，机器的设置至关重要。如果空气流动太慢，等离子体产生的活性粒子不足以有效清洁牛奶；如果空气流动太快，气体在电场中的停留时间过短，导致其不够强效，且气泡变得过大，无法与牛奶充分混合。同样，将电压提高到一定程度后，效率会降低。虽然高电压会产生更多能量，但它也会加热气体，导致活性粒子在接触到抗生素之前就相互抵消。理想的平衡点是 8.6 千伏的中等电压，它提供了足够的能量来分解药物，同时不会浪费活性粒子或导致系统过热。

最终，这项研究证明了常压冷等离子体是一种有效的非热力学方法，可以中和牛奶中的抗生素残留，为目前难以处理的废奶问题提供了潜在的解决方案。该技术成功地破坏了绝大部分的恩诺沙星，证明了药物结构已被改变且生物活性已消失。然而，由于牛奶的化学性质、质地和颜色发生了显著变化，这意味着这项技术不能仅仅简单地开启，而必须进行仔细调整。研究人员得出结论，虽然该方法行之有效，但未来的工作重点必须放在精细化调节过程上，以便在去除污染物的同时保留牛奶的天然品质，确保解决一个问题的同时不会创造出另一个问题。