Введение

Продукты с низким содержанием влаги (зерно и продукты переработки, орехи, специи, семена, сухие корма) относятся к категории сырья и товаров длительного хранения, однако риск грибной контаминации и накопления микотоксинов для них сохраняется. Загрязнение микотоксинами рассматривается как значимая проблема безопасности пищевых продуктов и кормов и, по данным современных обзоров, требует внедрения технологически осуществимых и экологически ориентированных подходов  контроля [1]. Формирование микотоксинного загрязнения возможно на разных стадиях движения продукции — при послеуборочной обработке, транспортировке и хранении. Основными продуцентами микотоксинов являются токсигенные микромицеты родов Aspergillus, Penicillium и Fusarium, а среди наиболее значимых загрязнителей выделяют афлатоксины, охратоксин А, дезоксиниваленол и зеараленон [2].  По оценкам, проблема носит глобальный характер: обсуждается валидность широко цитируемой оценки ФАО о доле контаминированного продовольствия, при этом подтверждается высокая распространенность микотоксинов в сельскохозяйственном сырье и продуктах [3]. Существенны также последствия для экономики и продовольственной безопасности, что подчёркивается в современных аналитических обзорах [4]. Сложность управления рисками обусловлена высокой устойчивостью контаминантов. Споры плесневых грибов отличаются выраженной резистентностью к факторам внешней среды, а многие микотоксины сохраняют стабильность при воздействии температуры и давления, что ограничивает эффективность стандартных способов обеззараживания и детоксикации [5,6]. Следовательно, технологические решения должны обеспечивать снижение микробной нагрузки и микотоксинов без существенного ухудшения показателей качества и безопасности продукта. Применяемые стратегии условно разделяют на термические и нетермические. Термические воздействия могут быть результативными, однако нередко сопровождаются нежелательными изменениями качества и пищевой ценности, что отмечается в работах, анализирующих негативные аспекты инновационных методов обработки [7]. Нетермические подходы рассматриваются как более щадящие, но их эффективность зависит от свойств продукта и условий процесса; кроме того, сохраняются ограничения масштабирования и воспроизводимости результатов [8].  В качестве перспективного направления все чаще рассматривается обработка холодной плазмой, демонстрирующая потенциал инактивации микроорганизмов и снижения содержания ряда микотоксинов при минимальном использовании химических реагентов[9]. Эффект связывают с действием УФ-компоненты, радикалов и долгоживущих реакционноспособных форм кислорода и азота, а также с особенностями переноса активных частиц и поверхностных реакций на границе «газ–продукт» [10,11]. Отдельно подчёркивается, что сопоставимость данных между исследованиями затрудняется из‑за различий в источниках плазмы, газовых средах, режимах воздействия и характеристиках обрабатываемых матриц, что актуализирует необходимость систематизации подходов и параметров [12].

Цель исследования – обобщить современные данные о применении холодной плазмы для инактивации плесневых грибов и снижения содержания микотоксинов в сельскохозяйственной продукции с низким содержанием влаги, а также определить ключевые факторы процесса и свойства продукта, влияющие на эффективность и воспроизводимость обработки.

Материалы и методы исследования

Настоящая работа выполнена в формате обзорной статьи и основана на анализе публикаций, посвящённых применению холодной (атмосферной и низкого давления) плазмы для инактивации плесневых грибов и снижения содержания микотоксинов в низковлажных агроматрицах. Поиск литературы проводили в базах Scopus, PubMed и Google Scholar за период 2015–2026 гг. по комбинациям ключевых слов на русском и английском языках, включая: cold plasma, atmospheric cold plasma, dielectric barrier discharge (DBD), plasma jet, mold/fungi, mycotoxin, aflatoxin, ochratoxin A, deoxynivalenol, zearalenone, grain, nuts, spices, low-moisture, decontamination/detoxification.

В обзор включали статьи и обзоры, содержащие экспериментальные данные по обработке низковлажной сельскохозяйственной продукции (зерно и продукты переработки, орехи, специи, семена, сухие корма) холодной плазмой с указанием типа источника и параметров процесса, а также результатов по микробиологическим показателям (инактивация/подавление плесневых грибов) и/или по содержанию микотоксинов. Публикации, не содержащие описания условий обработки или не относящиеся к низковлажным матрицам, исключали. Для сопоставления результатов из каждой работы извлекали сведения о: типе плазменного источника (например, DBD, плазменная струя, разряд низкого давления), составе газа/газовой смеси, режимах воздействия (мощность/напряжение, длительность экспозиции, расстояние до поверхности, способ обработки), а также о свойствах матрицы (влажность, a_w ,пористость и шероховатость), определяющих неоднородность воздействия. Анализ выполняли методом качественного сравнительного обобщения с группировкой данных по виду сырья, целевым контаминантам (плесени/микотоксины) и параметрам обработки. Количественный мета‑анализ не проводили ввиду выраженной неоднородности дизайнов исследований, условий плазменной обработки и оцениваемых показателей эффективности.

Результаты исследования

1. Параметры, влияющие на эффективность воздействия холодной плазмы

По данным рассмотренных публикаций, холодная плазма представляет собой многокомпонентную реакционную среду, включающую заряженные частицы, фотохимическую (УФ) составляющую и реакционноспособные формы кислорода и азота. Итоговый эффект обеззараживания и детоксикации формируется как последовательность стадий: «генерация активных агентов → их перенос к поверхности продукта → взаимодействие с компонентами матрицы и контаминантами» [13,14,15,16]. В связи с этим расхождения результатов между исследованиями чаще всего объясняются различиями: (а) в типе источника и параметрах разряда, (б) в условиях обработки (газовая среда, влажность, давление), (в) в свойствах обрабатываемого продукта (микрорельеф, пористость, форма частиц и активность воды), которые определяют доступность микроорганизмов и микотоксинов для активных агентов плазмы [17,18].

Тип источника плазмы. В исследованиях низковлажных пищевых матриц наиболее часто применяются диэлектрический барьерный разряд и его модификации (включая поверхностный диэлектрический барьерный разряд), а также плазменная струя; реже — коронный разряд и низкодавленческие радиочастотные/микроволновые конфигурации [15,16,19,20]. С инженерной точки зрения диэлектрический барьерный разряд обычно удобен для относительно равномерной обработки доступной поверхности в режиме «слой/лента», тогда как плазменная струя эффективна при направленном воздействии на локальные зоны и сложный рельеф, но при обработке больших площадей требует масштабирования зоны покрытия (массив сопел, сканирование, мультиструйные решения) [16,20].

Интенсивность воздействия (условная «доза»). В обобщённом виде увеличение напряжения/мощности и/или времени экспозиции повышает вероятность выраженной инактивации плесневых грибов и снижения уровней микотоксинов. Однако усиление режима одновременно повышает риск нежелательных изменений качества, прежде всего окислительных процессов и сдвигов сенсорных характеристик (цвет, аромат), а для мучных и зерновых продуктов — функциональных свойств белково‑углеводного комплекса. Поэтому ключевым практическим требованием является продукт‑специфическая оптимизация режима в пределах «окна процесса», где санитарный эффект достигается без неприемлемых потерь качества [17,18,19,21].

Газовая среда. Состав газа определяет профиль активных агентов и доминирующие пути окисления. Воздух и кислородсодержащие смеси привлекательны доступностью и высокой реакционной способностью, тогда как инертные газы (аргон, гелий) нередко повышают стабильность разряда и уменьшают тепловую нагрузку, но увеличивают стоимость процесса. Выбор газа должен зависеть от матрицы и приоритета обработки: преимущественно обеззараживание (инактивация спор/мицелия) или преимущественно детоксикация (трансформация микотоксинов) [16,18,22].

Прямой и непрямой режимы: различия по задачам

В литературе обычно выделяют прямой режим (образец располагается в зоне разряда) и непрямые схемы (обработка в послесвечении, транспорт активных агентов потоком газа, применение плазменно‑активированных сред). В целом прямое воздействие чаще обеспечивает более выраженный спороцидный эффект и подавление роста вследствие участия короткоживущих радикалов и фотохимической составляющей. Непрямые подходы рассматриваются как более «щадящие» и потенциально масштабируемые, но их эффективность существенно зависит от переноса активных агентов и параметров среды, что усложняет перенос режимов между различными установками и линиями [17,18,23].

 Влажность. Влияние влажности часто носит нелинейный характер. С одной стороны, повышенная влажность может снижать устойчивость работы отдельных конфигураций диэлектрического барьерного разряда; с другой — изменять плазмохимию и тем самым усиливать спороцидное действие. Эти эффекты связывают с переходами режимов разряда и изменением состава активных агентов при различной влажности [24,25,26]. Практически это означает необходимость контролировать влажность (как воздуха, так и поверхностного слоя продукта) для обеспечения воспроизводимости результатов.

Давление. Выбор атмосферного или низкого давления влияет на контролируемость разряда и доставку активных агентов к поверхности. Низкодавленческие системы обычно позволяют более предсказуемо управлять воздействием, однако усложняют аппаратурное оформление и интеграцию в поточные линии. Атмосферные решения проще внедрять в существующие технологические схемы, но они более чувствительны к геометрии продукта, толщине слоя и локальным условиям обработки [27,28,29].

Влияние вида и состава обрабатываемого сырья (матричный эффект)

Для низковлажных продуктов одним из главных ограничителей выступает экранирование на шероховатых и пористых поверхностях: микроорганизмы и токсины, локализованные в микротрещинах и порах, получают меньшую эффективную «дозу» активных агентов. Дополнительно компоненты матрицы могут частично «поглощать» реакционноспособные частицы (матричная защита), снижая долю активных агентов, доступных для воздействия на контаминанты [30]. В результате эффект холодной плазмы часто имеет преимущественно поверхностный характер и существенно зависит от микрогеометрии продукта и качества контакта с активной зоной [16,17,18].

2. Эффективность применения холодной плазмы в сочетании с другими методами обработки

Совокупность данных подтверждает перспективность холодной плазмы для снижения грибной контаминации и уменьшения уровней ряда микотоксинов в низковлажных продуктах, однако итоговая эффективность определяется настройкой процесса и свойствами матрицы [21,31,32,33,34]. Для зерновых культур (ячмень, пшеница, рис) показана достижимость снижения уровней дезоксиниваленола и афлатоксинов при параллельном контроле качества; при обработке семян в ряде работ дополнительно оценивают показатели прорастания, что важно для семенного материала [28,32,33,35]. Для орехов и сухофруктов продемонстрированы существенная инактивация видов рода Aspergillus и снижение уровней афлатоксинов и охратоксина А; как правило, при корректной настройке режимов изменения основных показателей качества ограничены [29,36,37,38,39]. Для специй и порошкообразных продуктов также подтверждён эффект обеззараживания, однако чаще отмечают риск нежелательных изменений (например, частичное обесцвечивание, снижение влажности, признаки поверхностного травления), что делает критически важной оптимизацию режима или внедрение комбинированных схем [40,41,42,43,44]. В качестве практического пути уменьшения «цены качества» и повышения воспроизводимости всё чаще рассматриваются комбинированные подходы, такие как «холодная плазма + модифицированная газовая среда/упаковка», «холодная плазма + микроволновая обработка», «холодная плазма + ультрафиолетовое облучение». Эти сочетания могут обеспечивать синергетический эффект и/или пролонгированное подавление микобиоты при хранении без чрезмерного увеличения интенсивности плазменного воздействия [39,41,45,46]. Обобщение ключевых факторов, определяющих эффективность обработки низковлажного растительного сырья холодной плазмой, приведено в таблице 1.

Таблица 1

Факторы, определяющие эффективность холодной плазмы при обработке растительного сырья с низким содержанием влаги (обобщение данных литературы)

Примечания: ДБР — диэлектрический барьерный разряд; ПДБР — поверхностный диэлектрический барьерный разряд; ПС — плазменная струя; РФ — радиочастотный; СВЧ — микроволновый; РАФКиА — реакционноспособные (активные) формы кислорода и азота; УФ — ультрафиолетовое излучение; a_w— активность воды; МГС — модифицированная газовая среда.

3. Проблемы и направления дальнейших исследований

Несмотря на убедительные данные о способности холодной плазмы (CP) эффективно инактивировать плесневые грибы и снижать уровни микотоксинов на поверхности низковлажных агропродовольственных матриц, промышленное внедрение этой технологии пока ограничено. Основной разрыв между лабораторными и производственными условиями связан не столько с принципиальной «работоспособностью» CP, сколько с воспроизводимостью, управляемостью процесса, экономикой и доказуемой безопасностью при переработке больших потоков сырья. Эти вопросы регулярно поднимаются в обзорной литературе и при обсуждении промышленных кейсов, но требуют системного закрытия на уровне инженерии, методологии и регуляторики [10,11,15,18,19].

Первый блок проблем — масштабирование и стабильность режима. В лаборатории обычно обрабатывают тонкий слой или небольшую навеску, с контролируемой геометрией и минимальной вариабельностью сырья. На производстве продукт поступает потоком, отличается по фракции, насыпной плотности, исходной влажности и степени контаминации, а сам разряд подвержен дрейфу параметров при длительной работе. Поэтому ключевая задача — обеспечить повторяемый эффект при заданной производительности: одинаковый уровень инактивации по партиям и сменам, а не «средний» эффект, полученный на малых образцах. Перспективным направлением выглядит модульный подход к оборудованию (тиражируемые реакторные модули вместо единичной крупной установки) и разработка «паспортов режима» для конкретных продуктов, включающих диапазоны мощности, частоты, межэлектродного зазора, расхода газа и времени экспозиции [15,16,19].

Вторая группа — неравномерность обработки. Для зерна, семян, специй и порошкообразных продуктов критичны явления экранирования («теневые зоны»), агломерация частиц, неодинаковая шероховатость и пористость поверхности. Даже при высоком среднем снижении контаминации остаётся риск «хвоста распределения», когда небольшая доля частиц получает недостаточную дозу воздействия. Отсюда вытекает инженерный приоритет: не максимизировать локальную реакционность, а гарантировать равномерность. Практически это означает оптимизацию механики транспортирования (контролируемая толщина слоя, перемешивание, вибрация, псевдоожижение, барабанные схемы), а также распределения газового потока и электродной конфигурации. В исследованиях целесообразно чаще оценивать не только средние значения, но и вариабельность по точкам отбора/повторам, чтобы количественно описывать «надёжность» обработки.

Третья проблема — ограниченная глубина воздействия. CP по своей природе преимущественно поверхностная технология: активные частицы эффективно действуют на внешние слои, но плохо проникают в микротрещины, поры и внутренние структуры. Это особенно важно, когда грибная контаминация и/или микотоксины распределены не строго по поверхности, либо продукт имеет сложную структуру (орехи, сухофрукты) или выраженную пористость. Следовательно, перспективная стратегия — не пытаться «заставить» плазму работать как объёмный метод, а обоснованно проектировать комбинированные схемы, где CP закрывает именно поверхностный риск, а остальная часть задачи решается другими мягкими воздействиями (кондиционирование, сортировка/удаление наиболее загрязнённых фракций, барьерная упаковка, контролируемая газовая среда). Для таких схем требуется не декларация синергии, а расчётно-экспериментальное доказательство: какая стадия за что отвечает и как меняется суммарный риск.

Четвёртый блок — качество и функциональные свойства. Хотя многие работы показывают умеренное влияние CP на органолептику и нутриентный профиль, на практике именно качество чаще всего определяет допустимое «окно процесса». Для продуктов с высоким содержанием липидов (орехи), богатых пигментами и ароматическими компонентами (специи), а также для муки и зерна, где важны технологические свойства, критичны риск окислительных изменений, потерь летучих ароматов, изменения цвета и возможные сдвиги реологических параметров. Поэтому дальнейшие исследования должны выходить за пределы «до/после по цвету и влажности» и включать целевые маркеры окисления, профили летучих соединений, сенсорную оценку и показатели функциональности при переработке. Задача формулируется прагматично: определить режимы, при которых достигается требуемый уровень микробиологической и токсикологической безопасности без заметного ущерба потребительским и технологическим свойствам.

Пятый аспект — экономическая и энергетическая состоятельность. Помимо капитальных затрат, важны эксплуатационные расходы: энергоёмкость на тонну продукта, стоимость газов (если используются нестандартные смеси), ресурс электродов/диэлектриков, требования к сервису и санитарной обработке. Для перехода к промышленности необходимы сравнимые расчёты и пилотные демонстрации: сколько стоит снижение риска в пересчёте на единицу продукции и как это соотносится с альтернативами. Здесь особенно полезны исследования, ориентированные на «инженерные метрики» (производительность, удельная энергия, стабильность режима, время простоя), а не только на лабораторные показатели инактивации.

Шестая группа — безопасность процесса и химическая безопасность продукта. Плазменная обработка может сопровождаться образованием озона и оксидов азота в рабочей зоне, а также вторичных продуктов реакций с компонентами матрицы. Поэтому обязательны: управление газовыми выбросами, мониторинг параметров в реальном времени, протоколы аварийного отключения, и самое главное — убедительная токсикологическая и санитарно-гигиеническая аргументация отсутствия значимых вредных побочных продуктов в обработанном сырье. Это направление должно развиваться на стыке аналитической химии, токсикологии и инженерии безопасности, с ориентацией на будущие требования регуляторов и аудиторов пищевых производств.

Седьмой барьер — сопоставимость результатов и стандартизация методик. Разные типы разряда, различная влажность, состав газа, способы инокуляции, методы отбора проб и метрики эффективности часто делают исследования трудно сравнимыми. Это тормозит как научный прогресс (сложно строить обобщающие модели), так и промышленное принятие (сложно валидировать процесс). Перспективным направлением является унификация отчётности по критическим параметрам процесса и переход к более строгому описанию неопределённости: доверительные интервалы, оценка вариабельности, контроль «хвоста» распределения эффекта. Такая методологическая дисциплина позволит быстрее выделять воспроизводимые закономерности и переносить их в инженерные регламенты.

Наконец, регуляторные и рыночные факторы. Отсутствие унифицированных международных стандартов для ХП в пищевой промышленности затрудняет внедрение и инвестиционные решения. Поэтому параллельно с технологическим развитием необходима работа по валидационным протоколам, терминологии и критериям безопасности процесса. Практически это означает подготовку данных не только «для статьи», но и «для досье»: контролируемость процесса, прослеживаемость параметров, стабильность качества и безопасности. В качестве наиболее перспективного общего направления можно выделить переход к интеллектуализированным CP-системам: датчики (влажность, температура, показатели разряда, озон/NOx), замкнутые контуры управления и алгоритмы, которые автоматически поддерживают режим в пределах заданного окна качества и безопасности. Это не отменяет необходимости фундаментальных исследований механизмов, но делает акцент на практическом результате: управляемый, воспроизводимый и экономически оправданный процесс для конкретной матрицы и производственной схемы.

Заключение

Холодная плазма (ХП) является перспективной не тепловой технологией для снижения микробной обсеменённости и уровней микотоксинов, особенно на поверхности низковлажных агропродовольственных матриц. В большинстве случаев холодная плазма позволяет достичь заметного обеззараживающего эффекта при относительно бережном отношении к органолептическим и питательным характеристикам продукта, что делает её привлекательной в контексте «зелёной» и устойчивой пищевой переработки. Вместе с тем, для широкого промышленного внедрения требуется решить комплекс задач: обеспечить масштабируемую и равномерную обработку, повысить глубину воздействия (или обосновать комбинированные схемы), минимизировать риски ухудшения качества, снизить капитальные и эксплуатационные затраты, а также подтвердить химическую и гигиеническую безопасность процесса. Будущие исследования целесообразно сосредоточить на построении «окон процесса» для разных матриц, разработке модульного оборудования для непрерывных линий, внедрении мониторинга и автоматизированного управления в реальном времени, а также на стандартизации протоколов оценки эффективности и безопасности. Особое значение будут иметь синергетические подходы, объединяющие ХП с другими мягкими технологиями и междисциплинарными решениями, что в конечном итоге ускорит трансляцию результатов из лаборатории в промышленность и расширит применение плазменных технологий в пищевой безопасности и смежных отраслях.