к.т.н., доцент, кафедра технологического оборудования и систем жизнеобеспечения, ул. Московская, д. 2, г. Краснодар, Краснодарский край 350072, Россия
Cand. Sci. (Engin.), assistant professor, technological equipment and life support systems department, 2, Moskovskaya Str., 350072, Krasnodar, Russia
лаборант-исследователь, лаборатория передовых электрофизических технологий и новых материалов, ул. Московская, д. 2, г. Краснодар, Краснодарский край 350072, Россия
laboratory research assistant, Advanced technologies and new materials laboratory, 2, Moskovskaya Str., 350072, Krasnodar, Russia
лаборант-исследователь, лаборатория передовых электрофизических технологий и новых материалов, ул. Московская, д. 2, г. Краснодар, Краснодарский край 350072, Россия
laboratory research assistant, Advanced technologies and new materials laboratory, 2, Moskovskaya Str., 350072, Krasnodar, Russia
Исследовано воздействие низкотемпературной атмосферной плазмы на микро и макроструктуру свежеубранного эфирномасличного сырья с анализом структурных изменений. В качестве объекта исследования было выбрано эфирномасличное сырье листьев лавра, лепестков розы и розмарина, содержащих целевой компонент во внутренних эфирномасличных вместилищах. Методами сканирующей электронной микроскопии показано, что поток заряженных частиц низкотемпературной плазмы позволяет сформировать развитую объемную структуру за счет электропорации растительных мембран и разрушения воскового поверхностного слоя. Целевое воздействие на мембраны эфирномасличных глобул приводит к изменению капиллярно-пористой структуры материала с формированием дополнительных, образованных плазменным разрядом пор, ориентированных вдоль направления напряженности электрического поля в объеме материала. Характерный размер формируемых электрических пор варьируется от 10-1000 мкм и зависит от влагосодержания исходного сырья и удельной интенсивности обработки. По результатам экспериментальных исследований показано, что с помощью обработки низкотемпературной плазмой существует возможность кратно ускорять массообменные процессы экстракции за счет формирования развитой структуры эфирномасличного сырья. В работе представлена экспериментальная установка для генерации низкотемпературной атмосферной плазмы на основе термоэлектронной эмиссии с использованием функционального генератора Agilent 33220А и высоковольтного усилителя Matsusada 20B20, позволяющая формировать выходное напряжение на аноде до 20 кВ. Установлено, что характер потока низкотемпературной плазмы формирует два основных эффекта: поверхностный эффект в виде «протравливания» и проникающий эффект с образованием сквозных каналов. Для листьев лабра (исходная влажность выше) диаметр плазменного канала достигал 400 мкм, тогда как для розмарина (более низкая влажность) — лишь 25 мкм, что объясняется различиями в диэлектрических свойствах и электропроводности тканей. На поверхности лепестков розы обработка приводит к сглаживанию микрорельефа (адаксиального эпидермиса, состоящего из микропапилляров), что свидетельствует о доминировании эффекта протравливания над эффектом проникновения. Механизм воздействия включает окисление липидов, электропорацию мембран, денатурацию белка и деградацию хлорофилла, что подтверждается потемнением обработанных листьев лавра через час после обработки вследствие взаимодействия кислородосодержащих реактивных частиц плазмы с тканями. Полученные данные формируют гипотезу о переходе эфирного масла из связанной формы в свободную при плазменной обработке, что открывает перспективы для создания новой энергоэффективной технологии переработки эфирномасличного сырья с сокращением продолжительности экстракции и повышением выхода целевых компонентов.
The effect of cold atmospheric plasma on the micro and macrostructure of freshly harvested essential oil raw materials with the analysis of structural changes has been studied. The essential oil raw materials of laurel leaves, rose petals and rosemary containing the target component in internal essential oil receptacles were chosen as the object of the study. Scanning electron microscopy has shown that the flow of charged particles in a low-temperature plasma makes it possible to form a developed volumetric structure due to electroporation of plant membranes and destruction of the wax surface layer. The targeted effect on the membranes of essential oil globules leads to a change in the capillary-porous structure of the material with the formation of additional pores formed by plasma discharge, oriented along the direction of the electric field strength in the volume of the material. The characteristic size of the formed electrical pores varies from 10-1000 microns and depends on the moisture content of the feedstock and the specific intensity of processing. According to the results of experimental studies, it has been shown that using low-temperature plasma treatment, it is possible to multiply the mass-exchange extraction processes by forming a developed structure of essential oil raw materials. The paper presents an experimental setup for generating low-temperature atmospheric plasma based on thermionic emission using an Agilent 33220A functional generator and a Matsusada 20B20 high-voltage amplifier, which allows generating an output voltage at the anode up to 20 kV. It is established that the nature of the low-temperature plasma flow forms two main effects: the surface effect in the form of "etching" and the penetrating effect with the formation of through channels. For labra leaves (the initial humidity is higher), the diameter of the plasma channel reached 400 microns, whereas for rosemary (lower humidity) it was only 25 microns, which is explained by differences in the dielectric properties and electrical conductivity of the tissues. On the surface of the rose petals, the treatment leads to a smoothing of the microrelief (adaxial epidermis consisting of micropapillaries), which indicates the dominance of the etching effect over the penetration effect. The mechanism of action includes lipid oxidation, membrane electroporation, protein denaturation, and chlorophyll degradation, which is confirmed by the darkening of treated laurel leaves an hour after treatment due to the interaction of oxygen-containing reactive plasma particles with tissues. The data obtained form a hypothesis about the transition of essential oil from a bound form to a free one during plasma treatment, which opens up prospects for creating a new energy-efficient technology for processing essential oil raw materials with a shorter extraction time and an increased yield of target components.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.