Plasma lạnh - công nghệ tiên tiến, độc đáo, mới nổi trong xử lý khử khuẩn dược liệu và chiết xuất hoạt chất có lợi

Cây thuốc và cây thơm (medicinal and aromatic plants, MAP) là tài nguyên thiên nhiên vô giá được sử dụng cho loài người, nếu không có nó thì sự tồn tại của loài người/động vật là không thể tin được. Có rất nhiều loài thực vật được sử dụng để làm thuốc, chăm sóc sắc đẹp và ẩm thực. Việc trồng các cây thuốc quan trọng về mặt thương mại đang có nhu cầu cao khi cộng đồng toàn cầu đang phát triển theo hướng tiếp cận xanh và thảo dược. [1] Cây thuốc là nguồn cung cấp sinh học phong phú nhất của thuốc cho các hệ thống y học cổ truyền, thuốc hiện đại, dược phẩm, thực phẩm bổ sung, thuốc dân gian, dược phẩm trung gian và các thực thể hóa học cho các thuốc tổng hợp. Cây thơm là nguồn cung cấp nước hoa, hương liệu, mỹ phẩm, đồ uống sức khỏe và tecpen hóa học. Cây thuốc và cây thơm (MAP) được buôn bán với số lượng lớn từ nhiều nước đang phát triển để tăng thêm giá trị ở các nước phát triển. Bước đầu tiên trong việc gia tăng giá trị của nguồn sinh học MAP là sản xuất các chế phẩm thuốc thảo dược (tức là chiết xuất), sử dụng nhiều phương pháp từ công nghệ truyền thống đơn giản đến kỹ thuật chiết xuất tiên tiến. [2]

Ít nhất 70% dân số của các nước đang phát triển trực tiếp dựa vào y học cổ truyền để chăm sóc sức khỏe ban đầu. Tương tự, các quốc gia công nghiệp phát triển gián tiếp dựa vào cây thuốc cho các sản phẩm dược phẩm của họ. Ước tính có khoảng 25% dược liệu hiện đại và 18% trong số 150 loại thuốc kê đơn hàng đầu có nguồn gốc từ thực vật. Trung Quốc và Ấn Độ là hai đối tác quốc tế lớn từ châu Á trong lĩnh vực này. Cây thuốc châu Á chiếm khoảng 50% số lượng xuất khẩu và 45% thu nhập toàn cầu từ thuốc cổ truyền. Chúng được sử dụng ở cấp độ hộ gia đình và cho thương mại. [3]

Các loại dược thảo ở đây có thể bao gồm bất kỳ sản phẩm nào từ thực vật ở dạng nguyên liệu bao gồm các mảnh nhỏ, hạt hoặc thậm chí bột, có nghĩa là bao gồm các loại gia vị. Các loại dược thảo như vậy có thể được sản xuất từ các bộ phận khác nhau của riêng cây hoặc trộn với nhau theo dạng kết hợp-như vậy từ lá hoặc thân; từ hoa, ngũ cốc hoặc hạt; từ trái cây và quả mọng, rễ hoặc vỏ cây, v.v. Chúng có thể được cắt nhỏ thành từng miếng, nghiền nát hoặc xay hoặc tán thành bột. Trước hoặc sau khi cắt hoặc nghiền như vậy, v.v., các loại dược thảo có thể được chế biến, ví dụ bằng cách sao hoặc sấy khô hoặc bất kỳ chế biến nào khác.

Các loại dược thảo có thể được cung cấp và/hoặc tiêu thụ tương đối tươi, trong vòng vài giờ hoặc vài ngày sau khi thu hoạch, hoặc, bổ sung hoặc cách khác, có thể được cung cấp và/hoặc tiêu thụ vài tuần hoặc vài tháng sau khi thu hoạch (tiêu thụ ở đây bao gồm ăn, uống, hút, hít và bất kỳ cách khác để khai thác và tiêu thụ các loại dược thảo cho mục đích cá nhân).

Các loại dược thảo có thể (nhưng không nhất thiết) được tiêu thụ sau khi được chế biến, chẳng hạn như để tạo điều kiện cho việc đóng gói, bảo quản hoặc tiêu thụ, v.v ... Việc chế biến như vậy trước khi tiêu thụ (do nhà sản xuất hoặc nhà cung cấp hoặc người tiêu dùng thực hiện) có thể bao gồm bất kỳ một hoặc sự kết hợp của sấy khô, nướng, nấu, xay hoặc nghiền nhỏ để đặt tên cho một số loại. Do phương pháp sản xuất của họ, các loại dược thảo và gia vị thường bị nhiễm nhiều loại vi sinh vật, một số có thể được coi là mầm bệnh cho con người.

Trong những năm gần đây đã ghi nhận các vi khuẩn và nấm truyền nhiễm nguy hại đã phát triển đáng kể trên các loại dược thảo. Betts (Vệ sinh Thực phẩm Quốc tế, Tập 25 số 1 (2015) P 11, http://www.positiveaction.info/pdfs/article/fh25_lp9. pdf) trích dẫn một báo cáo cho Ủy ban Cố vấn Vương quốc Anh về An toàn Vi sinh vật trong Thực phẩm năm 2008, báo cáo rằng tỷ lệ nhiễm khuẩn salmonella trong các loại dược thảo và gia vị khô có thể từ 0,6% đến 14%, với các mẫu ở Vương quốc Anh bị nhiễm với tỷ lệ 1%. 
Đảm bảo chất lượng vi sinh luôn là một chủ đề quan trọng trong sản xuất, kinh doanh và tiêu thụ cây thuốc và cây thơm (MAP). Hầu hết các MAP có đặc tính chữa bệnh và dinh dưỡng do sự hiện diện của các hoạt chất như tinh dầu (essential oils), flavonoid, alkaloid, ... Tuy nhiên, MAP có thể bị nhiễm vi sinh vật do điều kiện vệ sinh kém trong quá trình canh tác và sau thu hoạch. Vấn đề này làm giảm thời hạn sử dụng và các thành phần hiệu quả của sản phẩm.

1. Tình trạng kỹ thuật xử lý cây thuốc và cây thơm hiện nay

MAP, giống như các sản phẩm nông nghiệp khác, có thể tiếp xúc với nhiều loại chất gây ô nhiễm, chẳng hạn như thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ, kim loại nặng, ô nhiễm sinh học, hydrocacbon thơm đa vòng và các chất gây ô nhiễm môi trường khác. Sự ô nhiễm sinh học đối với MAP như nấm, men, vi rút, vi khuẩn và bào tử của chúng, và côn trùng (sống hoặc chết) có thể xảy ra ở bất kỳ giai đoạn nào trong quá trình sản xuất và tiếp thị. [4] Các yếu tố dẫn đến sự gia tăng các chất gây ô nhiễm này bao gồm sự chậm trễ trong thời gian sấy, sấy không đúng cách, quá trình sau thu hoạch, tiếp xúc với bề mặt bị ô nhiễm, vận chuyển không thích hợp và hút ẩm trong quá trình bảo quản. Điều kiện bảo quản và xử lý về cơ bản quyết định chất lượng của các MAP cuối cùng.

Những vấn đề này phổ biến hơn ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, vì nhiệt độ và độ ẩm cao thuận lợi cho sự phát triển của nấm và sản sinh độc tố. Ô nhiễm vi sinh vật đối với MAP là một chủ đề quan trọng đối với sự an toàn của người tiêu dùng, tác động tiêu cực đến các hoạt chất và đặc tính dinh dưỡng của các loại thực vật này, xuất khẩu của chúng và tiêu chuẩn chất lượng của các nước nhập khẩu. Ngoài ra, nó làm giảm thời hạn sử dụng của sản phẩm và tích tụ độc tố nấm mốc

Độc tố nấm mốc là chất chuyển hóa thứ cấp được hình thành bởi nhiều loại nấm gây ô nhiễm trong nhiều loại thực phẩm và nông sản trên khắp thế giới và có khả năng gây nguy hiểm cho sức khỏe con người.

Do đó, phải giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn tải lượng vi sinh vật trong sản phẩm. Mặc dù việc sử dụng các biện pháp phòng ngừa như thực hành sản xuất tốt (GMP) và hướng dẫn về thực hành nông nghiệp và thu hái tốt (GACP) có thể kiểm soát các chất gây ô nhiễm này, nhưng cơ sở hạ tầng cần thiết vẫn chưa được cung cấp ở nhiều khu vực trên thế giới.

Xét rằng các loại cây thuốc và gia vị được thu hái từ các khu vực khác nhau trên thế giới, việc kiểm soát chất lượng và an toàn vi sinh vật của chúng đóng một vai trò quan trọng trong việc buôn bán và tiêu thụ của chúng. Rất nhiều thiết bị và kỹ thuật đã được sử dụng để khử nhiễm các cây thuốc và cây thơm và các sản phẩm có nguồn gốc từ chúng. Các phương pháp thương mại phổ biến nhất để khử nhiễm MAP là ethylene oxide và methyl bromide, xử lý nhiệt và chiếu xạ gamma. [5]

Khử trùng bằng ethylene oxide và methyl bromide hiện bị cấm ở Hoa Kỳ và Liên minh Châu Âu do tạo ra các sản phẩm phụ độc hại và gây ung thư. Trong phương pháp chiếu xạ gamma, liều lượng tối đa được sử dụng không được vượt quá 10 kGy, vì nó gây nguy hiểm cho sức khỏe của người tiêu dùng và cũng có thể gây hư hỏng cấu trúc của sản phẩm thực phẩm như, mùi, màu, hương vị và giảm các hợp chất bay hơi liên quan đến những công nghệ này. Ngoài ra, chi phí cao của quá trình khử nhiễm, sự hình thành chất phóng xạ trong các sản phẩm đóng gói và sự chấp nhận của người tiêu dùng đối với thực phẩm dễ bị kích ứng đã được báo cáo.

Xử lý bằng hơi nước cũng có ảnh hưởng xấu đến chất lượng lý hóa, tính chất dinh dưỡng và các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm. Hơn nữa, nó yêu cầu một bước xử lý nhiệt do bề mặt của sản phẩm bị ẩm, điều này đòi hỏi mức tiêu thụ năng lượng cao. Điều này đòi hỏi cần phải có một công nghệ khử nhiễm mới có thể làm giảm ô nhiễm sinh học và giảm thiểu tổn thất chất lượng thực phẩm một cách hiệu quả.

Trong những năm gần đây, các phương pháp mới bao gồm: phương pháp vật lý (tia cực tím UV, plasma lạnh CP), phương pháp hóa học (ozone) và phương pháp nhiệt (hồng ngoại IR, vi sóng MW và tần số vô tuyến RF) hoặc kết hợp chúng (kết hợp hai hoặc nhiều công nghệ để đạt được hiệu ứng hiệp đồng) đã được sử dụng bởi nhà nghiên cứu. Các công nghệ mới để khử nhiễm đã thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà sản xuất thực phẩm.

Chiếu xạ gamma. Cơ chế chính của chiếu xạ gamma trong việc bất hoạt vi sinh vật là làm hỏng DNA của tế bào. Nhược điểm có những bất lợi như tác động tiềm tàng đến chất lượng của MAP, chi phí cao của quá trình, sự hình thành các chất phóng xạ trong các sản phẩm đóng gói và nói chung là người tiêu dùng không chấp nhận sản phẩm.

Gia nhiệt bằng hơi nước. Cơ chế hoạt động của hệ thống gia nhiệt bằng hơi nước được thực hiện trên cơ sở sử dụng hơi nước ở nhiệt độ 100-200 °C. Nhược điểm như tiêu tốn nhiều năng lượng, phức tạp của thiết bị, thay đổi màu sắc và cảm quan, giảm các hợp chất dễ bay hơi.

Phun ôzôn (O3). Sử dụng ozone như một phương pháp an toàn, để bất hoạt vi sinh vật, đã được gia tăng trong ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là đối với thực phẩm dạng lỏng. Nhược điểm chính của kỹ thuật này là độc tính tiềm tàng của các phân tử ozone đối với người vận hành.

Chiếu xạ tia cực tím (UV). Tia cực tím là một công nghệ không nhiệt sử dụng phổ điện từ (100-400 nm) để bất hoạt vi sinh vật, có thể bất hoạt vi khuẩn một cách mạnh mẽ và gần đây đã được sử dụng thành công để giảm tải lượng vi sinh vật trong các mẫu thực phẩm rắn. Sự bất hoạt vi sinh vật là do khả năng tia cực tím xuyên qua màng tế bào và làm hỏng DNA hoặc RNA của vi sinh vật, do đó ngăn cản sự sinh sôi của chúng. Nhược điểm chính của chiếu xạ tia cực tím là toàn bộ bề mặt sản phẩm không tiếp xúc với các hoạt động khử nhiễm bằng tia cực tím và tiếp xúc không đồng đều.

Chiếu tia hồng ngoại (IR). IR là một vùng phổ điện từ có bước sóng trong khoảng 0,76 μm–1 mm giữa tia tử ngoại và vi sóng. Cơ chế bất hoạt bằng tia hồng ngoại diễn ra thông qua sự hấp thụ năng lượng của các hợp chất hữu cơ trong thực phẩm và làm hỏng DNA, RNA và protein trong tế bào vi sinh vật. Cơ chế bất hoạt bằng tia hồng ngoại diễn ra thông qua sự hấp thụ năng lượng của các hợp chất hữu cơ trong thực phẩm và làm hỏng DNA, RNA và protein trong tế bào vi sinh vật. Hiệu quả khử nhiễm bằng tia hồng ngoại phụ thuộc vào các thông số như nhiệt độ khử nhiễm, công suất tia hồng ngoại, khoảng cách từ nguồn. Nhược điểm chính của chiếu tia hồng ngoại là hạn chế sử dụng đối với dược thảo dễ tổn thương ở nhiệt độ cao, đặc biệt là dược thảo có chứa tinh dầu, có thể dẫn đến bỏng và gây ra các vấn đề về mắt, bao gồm tổn thương giác mạc và võng mạc, đục thủy tinh thể và tổn thương thấu kính mắt khi làm việc lâu với tia IR.

Gia nhiệt bằng vi sóng. Vi sóng là một loại bức xạ không ion hóa của sóng điện từ có bước sóng và tần số lần lượt trong khoảng 1 mm–1 m và 300 MHz– 30 GHz. Nói chung, hai tần số, 915 và 2450 MHz, đã được sử dụng cho các ứng dụng y tế, công nghiệp và khoa học. Hiệu quả của xử lý bằng vi sóng phụ thuộc vào các yếu tố như thời gian xử lý, hình dạng sản phẩm, loại vi sinh vật, nguồn điện và dải tần làm việc. Tuy nhiên, gia nhiệt bằng vi sóng có những nhược điểm bao gồm làm nóng không đồng đều và hình thành các điểm lạnh bên trong thực phẩm, điều này đã hạn chế việc sử dụng phương pháp này trong công nghiệp để khử trùng.

Gia nhiệt bằng tần số vô tuyến RF. Tần số vô tuyến là một loại gia nhiệt điện môi, có khả năng làm nóng đồng đều và nhanh chóng các mẫu rắn và bán rắn. Tần số vô tuyến là một phần của sóng điện từ có tần số trong khoảng 30 kHz– 300 MHz. Thông thường, ba tần số 13,56, 27,27 và 40,68 MHz được sử dụng trong chế biến thực phẩm. Trong phương pháp này, không giống như gia nhiệt bằng vi sóng, dẫn truyền ion là cơ chế chính của nhiệt được tạo ra bên trong sản phẩm (Dev và cộng sự, 2012). Sự dịch chuyển của các ion mang điện tích trái dấu khi có điện trường xoay chiều dẫn đến tăng động năng của các phân tử và do đó làm tăng nhiệt độ của sản phẩm. Trong quá trình gia nhiệt bằng tần số vô tuyến, nhiệt tạo ra bên trong thực phẩm do bức xạ tần số vô tuyến được hấp thụ bởi DNA của vi sinh vật, và sau đó nó dẫn đến sự thay đổi cấu trúc vật lý và giảm chức năng của chúng. Tuy nhiên, việc xử lý bằng tần số vô tuyến đã làm giảm đáng kể màu sắc và hương vị của sản phẩm. [5]

Plasma lạnh (CP). Plasma là một loại khí tương đối ion hóa được kết hợp từ các nguồn năng lượng như phóng điện corona (hào quang), phóng điện rào cản điện môi (DBD), phóng điện vi sóng, phóng điện xung, phóng điện tần số cao với môi trường khí như nitơ, oxy, không khí, hydro, halogen, argon, hoặc sự kết hợp của chúng. Cơ chế bất hoạt vi sinh vật: Phản ứng của các hợp chất khác nhau trong plasma như gốc tự do, hạt tích điện, photon tử ngoại, ion và nhiệt dẫn đến quá trình oxy hóa màng tế bào vi sinh vật, biến đổi DNA, và do đó làm bất hoạt vi sinh vật. Hiệu quả khử nhiễm bằng plasma phụ thuộc chủ yếu vào loại khí, điện áp, nguồn năng lượng, thành phần khí, thời gian xử lý, loại sản phẩm và độ ẩm tương đối. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy công nghệ plasma lạnh có những ưu điểm là xử lý khử trùng loại bỏ nấm mốc, nấm men trên bề mặt hầu hết các dược thảo (cây thuốc, cây thơm, gia vị) với các hình dạng khác nhau ở thể rắn, lỏng, hạt, bột, v.v. ở nhiệt độ thường 30-60 oC, áp suất khí quyển. Về nguyên liệu đầu vào, chỉ sử dụng không khí hoặc một số loại khí như oxy, nitơ, argon, …và nước, điện; không dùng hóa chất, không gây ô nhiễm thứ cấp, có thể loại bỏ dư lượng thuốc trừ sâu, thuốc diệt có, thuốc bảo quản; thời gian xử lý nhanh (3-5-10 phút), hoàn toàn an toàn với sản phẩm dược thảo và con người. Về cơ bản, xử lý bằng plasma lạnh cho phép giữ nguyên mầu sắc và hương vị của dược thảo. Tuy nhiên, plasma lạnh là công nghệ mới nổi, còn phải tiếp tục nghiên cứu sâu ở nhiều khía cạnh, đặc biệt phải triển khai chế tạo các thiết bị plasma lạnh có thể tạo ra môi trường plasma giàu hàm lượng các loài (hạt) phản ứng (ví dụ như loài oxy và nitơ phản ứng RONS) ở diện rộng, thể tích lớn, cho phép ở quy mô công nghiệp, quy mô thương mại.
Trên thế giới, hiện nay chưa xuất hiện thiết bị plasma lạnh xử lý khử trùng dược thảo ở quy mộ thường mại, mặc dầu đã có nhiều công trình nghiên cứu và hàng chục patent về khử trùng dược thảo.

Thiết bị plasma lạnh nguyên mẫu ở quy mô công nghiệp để xử lý bảo quản trái cây và thực phẩm do VinIT tạo ra năm 2020 là xuất phát từ kết quả chiến dịch nghiên cứu và chế tạo thành công buồng khử khuẩn, diệt Covid-19 bằng plasma lạnh vào tháng 4/2020, mà bản chất của phát mình này là VinIT đã tạo ra được môi trường khí ion plasma có hoạt tính cao, mật độ các loài khí phản ứng cao, đặc biệt là (ROS, RNS), cho phép có thể khử khuẩn, khử trùng, diệt các loại virut trong đó có Covid-19, ở diện rộng, thể tích lớn hàng nhiều mét khối, trong khi ở các nước công nghiệp phát triển hàng đầu như Mỹ, Đức vẫn đang ở trong giai đoạn phòng thí nghiệm (diện tích, thể tích xử lý ở quy mô hàng chục cm3 trong đó có Israel cũng chỉ thử nghiệm áp dụng plasma lạnh trong chân không để xử lý lượng nhỏ bột thảo dược ở quy mô thí nghiệm, ví dụ US20210220500A1.

Trong giai đoạn hiện tại này, VinIT đang thiết kế thiết bị plasma lạnh áp suất khí quyển áp dụng cho khử trùng cây thuốc, cây thơm và gia vị với thể tích buồng xử lý khoảng 200-500 lít.

2. Đặc tính và giá trị của cây thuốc & cây thơm (MAP)

Cây thuốc & cây thơm (MAP) là nguyên liệu thực vật, còn được gọi là thuốc thảo dược chủ yếu được sử dụng cho mục đích chữa bệnh, tạo hương thơm và/hoặc ẩm thực, cũng như các thành phần của mỹ phẩm, sức khỏe, sản phẩm thuốc và các sản phẩm chăm sóc sức khỏe tự nhiên khác. Cây thuốc và cây thơm tạo thành một bộ phận quan trọng của hệ thực vật, cung cấp nguyên liệu thô để sử dụng trong dược phẩm, sản phẩm chăm sóc sắc đẹp và công nghiệp sản xuất thuốc.

Sự khác nhau giữa cây thuốc và cây thơm, cây thuốc còn được gọi là dược thảo, có thể được định nghĩa là những loại cây có đặc tính chữa bệnh hoặc có tác dụng dược lý đối với cơ thể người hoặc động vật. Cây thơm cung cấp các sản phẩm được sử dụng rộng rãi như gia vị, chất tạo hương và trong nước hoa và y học. Ngoài ra, chúng còn cung cấp nguyên liệu để sản xuất nhiều loại hóa chất công nghiệp quan trọng.

Thực vật có đặc tính làm thuốc hoặc chất thơm được sử dụng trong dược phẩm và/hoặc nước hoa thường được định nghĩa là cây thuốc và cây thơm; tuy nhiên, cây thuốc, cây thơm và mỹ phẩm sẽ là một thuật ngữ tốt hơn vì nhiều cây thuốc và cây thơm cũng được sử dụng trong mỹ phẩm. Cây thơm là những cây có chứa các hợp chất thơm - về cơ bản là tinh dầu dễ bay hơi ở nhiệt độ phòng. Các loại tinh dầu này là các hợp chất có mùi, dễ bay hơi, kỵ nước và có nồng độ cao. Chúng sẽ được lấy từ hoa, chồi, hạt, lá, cành cây, vỏ cây, gỗ, quả và rễ. [1-5]

Tinh dầu là hỗn hợp phức tạp của các chất chuyển hóa thứ cấp bao gồm phenylpropenes và tecpen có điểm sôi thấp. Tinh dầu có hương vị và đặc tính thơm đặc trưng, có các hoạt tính sinh học và được ứng dụng rộng rãi trong liệu pháp hương thơm và chăm sóc sức khỏe, bổ sung cho nhiều ngành công nghiệp như mỹ phẩm, hương liệu và hương thơm, gia vị, thuốc trừ sâu và chất xua đuổi, cũng như đồ uống dược thảo. Theo thống kê của Hiệp Hội Tinh Dầu Việt Nam (VOCA) thì hiện nay nước ta đang có khoảng 300 loại cây có thể dùng chiết xuất tinh dầu và trong đó có 50 loại được sử dụng nhiều nhất. Đặc biệt, những loại cây này lại rất dễ trồng và không mất quá nhiều thời gian để chăm sóc cũng như ít sâu bệnh hơn các loại cây khác, chưa kể giá trị kinh tế mà chúng mang lại vô cùng tiềm năng.

Cây thuốc là cơ sở điều trị các bệnh khác nhau trong y học cổ truyền. Hầu hết các cây thuốc mạnh đều không có tác dụng phụ hay độc hại khi con người sử dụng. Ý nghĩa của cây thuốc và cây thơm là các hỗn hợp trong cây thuốc và cây thơm giữ lại sức khỏe con người cho đến nay, chẳng hạn như thuốc, thực phẩm, chữa bệnh và giải trí. Một trong những lợi thế to lớn từ cây thuốc và cây thơm là có thể vượt qua nhiều bệnh tật hiểm nghèo như bệnh truyền nhiễm, bệnh ung thư và bệnh AIDS/HIV. [6,8]

3. Phương pháp tạo plasma lạnh

Thiết bị phóng điện phổ biến để tạo ra plasma lạnh được thể hiện trong Hình sau [9].

4. Thành phần của plasma lạnh áp suất khí quyển (CAP)

Plasma có thể được mô tả như một loại khí ion hóa có chứa các loài oxy phản ứng (ROS: O, O2, ozone (O3) và OH), các loài nitơ phản ứng (RNS: NO, NO2 và NOx), bức xạ tia cực tím (UV), các gốc tự do, và các hạt mang điện. [7-9]

Các loài oxy phản ứng (ROS)	Các loài nitơ phản ứng (RNS)
Gốc hydroxyl (OH*) Ion peoxit (O2*) Ôxy đơn (1O2) Ôxy nguyên tử (O) Gốc hydroperoxyl (HO2*) Hydro peroxit (H2O2) Ôzôn (O3) Hydronium (H3O+) Gốc hữu cơ (RO, ROO*) (OH*)	NOx (NO*, NO2*, N2O, N2O5) Peroxynitrite (ONOO, ROONO) Nitơ kích thích (N2*(A)) Nitơ nguyên tử (N) Axit nitric (HNO3)

5. Nguyên lý và cơ chế khử trùng dược thảo (cây thuốc, cây thơm và gia vị) bằng plasma lạnh áp suất khí quyển

Về cơ bản, cơ chế khử trùng dược thảo (cây thuốc, cây thơm và gia vị) bằng plasma lạnh áp suất khí quyển cũng tương tự như trong xử lý khử trùng trái cây, hoa quả và thực phẩm. Khi các chất gây ô nhiễm trên bề mặt dược thảo tiếp xúc với các loài phản ứng tạo ra bởi plasma sẽ có sự tích tụ lực tĩnh điện tại nơi có dòng năng lượng cao. Dòng năng lượng tiếp tục gây ra hành động bắn phá gốc và do đó xảy ra quá trình ly giải tế bào. Tác động bắn phá tận gốc gây ra các tổn thương trên bề mặt khiến tế bào vi sinh vật bất lực trong việc sửa chữa nhanh chóng dẫn đến phá hủy tế bào. Hiện tượng này được gọi là "sự ăn mòn bằng plasma". Sự ăn mòn bằng plasma gây ra sự biến tính DNA và các liên kết hóa học, do đó tạo ra tác dụng kháng khuẩn trên tế bào. [10-11]

Cơ chế các loài phản ứng bất hoạt, tiêu diệt mầm bệnh, vi khuẩn như sau:
-    Protein & enzyme: Biến tính protein, oxy hóa axit amin, bất hoạt enzym;
-    Axit nucleic: Làm hỏng DNA và RNA, giảm sự sao chép của tế bào;
-    Lipid & axit béo: Pereoxit hóa lipid màng thông qua sản xuất anion superpxide và hydrogen pereoxide;
-    Thành tế bào: Phá vỡ các liên kết hóa học, xói mòn do các radical bắn phá;
-    Màng tế bào: Làm tổn thương và tạo lỗ thủng ở màng (ăn mòn), khuyếch tán các loài phản ứng và do đó làm tỏn thương cục bộ.

Công nghệ khử trùng dược thảo bằng plasma lạnh áp suất khí quyển (CAP) ở nhiệt độ 30-60 oC là công nghệ khử trùng tiên tiến, mới nổi cho cây thuốc, cây thơm và gia vị. Các electron năng lượng cao bị kích thích bởi plasma va chạm với các phân tử khí để tạo ra nhiều loài hạt hoạt tính, có hiệu quả rõ ràng trong việc xử lý bảo quản các loại dược thảo. Biểu hiện nổi bật của nó là: có thể loại bỏ thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ, bất hoạt vi sinh vật, loại bỏ nấm men và nấm mốc độc hại cho việc lưu trữ và bảo quản dược thảo, tăng thời gian bảo quản; có tác dụng phòng trừ tương đối mạnh đối với các bệnh nấm và vi khuẩn, cũng có tác dụng ức chế và tiêu diệt nhất định đối với virus. Quan trọng nhất là trong quá trình xử lý khử trùng bằng CAP là duy trì được hương vị, cảm quan, màu sắc và hàm lượng tinh dầu trong sản phẩm, đặc biệt chỉ dùng không khí, nước và điện, không có chất gây ô nhiễm nào được đưa vào, và các loại dược thảo (cây thuốc, cây thơm và gia vị) sau xử lý là sản phẩm hoàn toàn xanh.

Vì thuốc dược thảo thường tồn tại ở 2 dạng nguyên liệu ban đầu và dạng bột.

1) Các loại nguyên liệu dược thảo như vậy có thể được sản xuất từ các bộ phận khác nhau của riêng cây hoặc trộn với nhau theo dạng kết hợp-như vậy từ lá hoặc thân; từ hoa, ngũ cốc hoặc hạt; từ trái cây và quả mọng, rễ hoặc vỏ cây, v.v. Chúng có thể được cắt nhỏ thành từng miếng, trước hoặc sau khi cắt nghiền nát, các loại dược thảo có thể được chế biến, ví dụ bằng cách sao hoặc sấy khô hoặc bất kỳ chế biến nào khác.

2) Thuốc dược thảo dang bột là sản phẩm được bảo chế thu được sau khi xay hoặc tán nguyên liệu dược thảo ban đầu thành bột. Trước hoặc sau khi xay, tán hoặc nghiền như vậy, các loại dược thảo có thể được chế biến, ví dụ bằng cách sao hoặc sấy khô hoặc bất kỳ chế biến nào khác.

Ưu điểm của thuốc dược thảo dang bột

1. Liều lượng nhỏ hơn;
2. Toàn bộ thuốc đã được tiêu thụ, không phải chiết xuất;
3. Các loại thuốc khác nhau không thể được trang bị hoặc chiết xuất bằng rượu;
4. Thích hợp nhất cho các loại thuốc đắt tiền;
5. Hiệu quả về chi phí;
6. Dễ dàng cho bệnh nhân uống;
7. Dễ dàng chuẩn bị và lưu giữ;
8. Thuốc được nếm;
9. Thân thiện hơn với môi trường.

Vì vậy, kỹ thuật khử trùng nguyên liệu dược thảo bằng plasma lạnh áp suất khí quyển tương tự như kỹ thuật khử trùng trái cây và rau củ, thực phẩm rắn.

Còn kỹ thuật khử trùng thuốc dược thảo dạng bột bằng plasma lạnh áp suất khí quyển, cần lưu ý phải chú ý áp dụng phương pháp & dụng cụ trộn đều bột thuốc trong quá trình xử lý khử trùng bằng plasma trong buồng xử lý sao cho các loài phản ứng (RONS, các gốc, các chất hoạt tính, v.v.) có thể thâm nhập và tiếp xúc đều với bề mặt toàn bộ lượng bột thuốc được khử trùng.

6. Ứng dụng plasma lạnh áp suất khí quyển (CAP) trong chiết xuất các hợp chất có lợi của cây thuốc, cây thơm

Nhân sâm là một cây thuốc khá cổ xưa và cũng được coi là một loại thực phẩm chức năng. Nó rất phổ biến ở cả phương Đông và phương Tây. Trong số đó, saponin, ginsenoside là hoạt chất sinh học được biết đến rộng rãi nhất. Ginsenosides là các hợp chất chính trong hầu hết các cơ quan của nhân sâm, có nhiều đặc tính dược lý và được biết đến là có khả năng điều trị hiệu quả bất kể cơ quan nào trong con người và do đó có giá trị cao. Ginsenosides có cấu trúc khác nhau. Ít nhất 114 loại ginsenoside đã được tìm thấy. Các hoạt động dược lý của mỗi loại ginsenosides là khác nhau, bao gồm chống oxy hóa mạch máu, chống oxy hóa và chống viêm, chống ung thư, chống chứng hay quên và chống lão hóa.

Các phương pháp chiết xuất khác nhau được sử dụng để tách ginsenosides từ Panax ginseng và Panax quinquefolius. Các kỹ thuật chiết xuất thông thường, chẳng hạn như chiết xuất Soxhlet, SAE và UAE, đã được sử dụng rộng rãi trong chiết xuất saponin từ nhân sâm, mặc dù chúng có nhược điểm là tốn thời gian và dung môi. Nhiều kỹ thuật mới khác nhau, bao gồm MAE, SFE và PLE, đã được phát triển để chiết xuất ginsenoside từ nhân sâm Hàn Quốc và Mỹ nhằm rút ngắn thời gian chiết xuất, giảm tiêu thụ dung môi và tăng năng suất chiết xuất. HRE, chiết xuất hồi lưu nhiệt; MAE, chiết xuất có hỗ trợ vi sóng; PLE, chiết chất lỏng có áp suất; SFE, chiết chất lỏng siêu tới hạn; UAE, chiết xuất có sự hỗ trợ của siêu âm. [12]

Trong 5 năm gần đây, một số nước như Hàn Quốc, Đài Loan, v.v. bắt đầu nghiên cứu sử dụng những ưu điểm của plasma lạnh (nhiệt độ thấp, thời gian chiết xuất nhanh, năng suất cao và hiêu quả cao) trong chiết xuất saponin, ginsenosides từ nhân sâm.

Bước S101: Nhân sâm dược xử lý bằng plasma lạnh lần thứ nhất trong điều kiện xác định trước bằng plasma tạo ra bới khí phản ứng;
Bước S102: Sấy khô nhân sâm đã sơ chế;
Bước S103: Nhân sâm khô được xử lý bằng plasma lạnh lần thứ hai;
Bước S104: Chiết xuất nhân sâm để thu được ginsenosit.

Việc xử lý bằng plasma lạnh áp suất khí quyển trước hoặc sau quá trình sấy khô có thể làm tăng độ cứng tối đa và gây ra nhiều lỗ hổng và làm hỏng cấu trúc của bề mặt sâm, có lợi cho sự xâm nhập của dung môi chiết xuất vào cấu trúc của nhân sâm. Ngoài ra, còn gia tăng tốc độ chiết xuất của các chất chiết xuất thô và ginsenosides.

7. Ưu điểm của công nghệ khử trùng thảo dược bằng plasma lạnh

-    Hiệu quả bất hoạt vi khuẩn và nấm có thể đạt được ở nhiệt độ thấp (30 - 60 oC);
-    Thích hợp để xử lý các nguyên liệu thảo mộc như cây thuốc, cây thơm, nhạy cảm ở các dạng khác nhau;
-    Thích hợp để xử lý các loại thuốc thảo mộc, gia vị dạng bột;
-    Không làm thay đổi tính chất cảm quan, mùi vị, màu sắc, hợp chất, tinh dầu của nguyên liệu thảo mộc;
-    Loại bỏ dư lượng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc bảo vệ thực vật;
-    Có thể tiêu diệt ấu trùng, côn trùng gây hại;
-    Không dùng hóa chất, là phương pháp sấy khử trùng khô, hoàn toàn an toàn với môi trường, con người và vật phẩm được xử lý;
-    Cho phép xử lý phi tập trung với quy mô khác nhau: hộ gia đình, hợp tác xã, công ty bào chế, rất linh hoạt;
-    Thời gian xử lý nhanh;
-    Cầu hình thiết bị và vận hành đơn giản, chi phí bảo trì thấp.

8. Kết luận

Đảm bảo chất lượng vi sinh luôn là một chủ đề quan trọng trong sản xuất, kinh doanh và tiêu thụ cây thuốc và cây thơm (MAP). Tuy nhiên, những công nghệ khử trùng hiện nay có những nhược điểm như hình thành các sản phẩm phụ độc hại, sự chấp nhận của người tiêu dùng thấp, hoặc có thể có ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng của MAP. Điều này đòi hỏi nhu cầu về công nghệ khử trùng mới có thể làm giảm ô nhiễm sinh học một cách hiệu quả và giảm thiểu tổn thất chất lượng của MAP.

Với những ưu điểm vượt trội, công nghệ plasma lạnh áp suất khí quyển (CAP) là ứng cử viên sáng giá, có tiềm năng to lớn trong xử lý khử trùng, tiêu diệt nấm mốc độc hại trong nguyên liệu, sản phẩm MAP và thuốc thảo mộc ở các dạng khác nhau, trong đó có dược thảo ở dạng bột. Đột phá của VinIT trong nghiên cứu và phát triển công nghệ CAP năm 2020, và những cải tiến, hoàn thiệt gần đây đã tạo ra những đầu phát plasma có chất lượng vượt trội cho phép VinIT nhanh chóng tạo ra những nguyên mẫu, thiết bị khử trùng cây thuốc, cây thơm ở quy mô công nghiệp, thậm chí đang mở rộng sang giai đoạn công nghiệp hóa, thương mại hóa để kịp thời đưa vào thị trường đáp ứng kỳ vọng của người tiêu dùng, và VinIT sẽ trở thành đơn vị đi tiên phong trên thế giới trong việc chế tạo thiết bị khử trùng nguyên liệu và thuốc thảo mộc bằng plasma.

Tài liệu tham khảo

[1] Gopal Shukla, Bidhan Roy, Sumit Chakravarty, Medicinal and Aromatic Plants Utilization and Conservation Techniques, ‎ NEW INDIA PUBLISHING AGENCY- NIPA, India (June 10, 2020);
[2] Sukhdev Swami Handa, Suman Preet Singh Khanuja, Gennaro Longo, Dev Dutt Rakesh, Extraction Technologies for Medicinal and Aromatic Plants, INTERNATIONAL CENTRE FOR SCIENCE AND HIGH TECHNOLOGY, India, 2008;
[3] Sri Astutik, Jurgen Pretzsch and Jude Ndzifon Kimengsi, Asian Medicinal Plants’ Production and Utilization Potentials: A Review, Indonesia, 2019; 
[4] Chmielewski, A., & Migdat, W. (2005). Radiation decontamination of herbs and spices. Nukleonika, 50(4), 179-184. 
[5] Edris Rahmati, Mohammad Hadi Khoshtaghaza, Ahmad Banakar, Mohammad-Taghi Ebadi, Decontamination technologies for medicinal and aromatic plants. A review, Iran, 2022;
[6] Radu Claudiu Fierascu, Irina Fierascu, Anda Maria Baroi and Alina Ortan, Selected Aspects Related to Medicinal and Aromatic Plants as Alternative Sources of Bioactive Compounds, Romania, 2021; 
[7] Efterpi Christaki, Eleftherios Bonos, Ilias Giannenas and Panagiota Florou-Paneri, Aromatic Plants as a Source of Bioactive Compounds, Greece, 2012;
[8] Mária Domonkos, Petra Tichá, Jan Trejbal and Pavel Demo, Applications of Cold Atmospheric Pressure Plasma Technology in Medicine, Agriculture and Food Industry, Department of Physics, Faculty of Civil Engineering, Czech Technical University in Prague, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, Czech Republic, 2021;
[9] Shashi Kishor Pankaj and Kevin M. Keener, Cold plasma processing of fruit juices, 2018, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128022306000266;
[10] Sachin K Sonawane, Marar T and Sonal Patil, Non-thermal plasma: An advanced technology for food industry, 2020, https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/1082013220929474;
[11] Pushpam AK, Green JAM, Mariyatra MB, Shajan XS. Cold plasma technology in agriculture and food industry- a, An International Science Journal. 2018; 9(2):15-32.
[12] Younmi Lee, Young Yoon Lee, Young Soo Kim, Kotnala Balaraju, Young Sun Mok, Suk Jae Yoo, Yongho Jeon, Enhancement of Seed Germination and Microbial Disinfection on Ginseng by Cold Plasma Treatment, Korea, 2021;