พลาสมาเย็น (ว่าที่) เทคโนโลยีเพื่อเกษตรสีเขียวและอาหารปลอดภัย

          คำว่า “พลาสมาเย็น” (cold plasma) นี้มิใช่พลาสมาเลือด (blood plasma) แช่เย็นอย่างที่ใช้ในทางการแพทย์ หากแต่เป็นคำเฉพาะบ่งบอกฟิสิกส์สถานะหนึ่งของสสารซึ่งประกอบไปด้วยไอออน อิเล็กตรอน และ/หรืออนุมูล สถานะพลาสมาเป็นลำดับต่อจากสถานะของแข็ง ของเหลว และ ก๊าซ ส่วนคำว่า “เย็น” อธิบายถึงอุณหภูมิพลาสมามีค่าสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อมเพียงเล็กน้อย ตัวอย่างหนึ่งของการเกิดสถานะพลาสมาในธรรมชาติคือ ปรากฏการณ์ฟ้าผ่า พบว่าปรากฏการณ์นี้ให้ประโยชน์ต่อพืช โดยมีผลเชิงบวกต่อชีวมอเลกุลของเซลล์พืช ทั้งนี้สามารถอธิบายกลไกได้ว่าฟ้าผ่าเป็นสถานะพลาสมาของอากาศและไอน้ำ เกิดอนุมูลออกไซด์ของไนโตรเจน (NO_x) แล้วเมื่อรวมเข้ากับไอน้ำหรือความชื้นเป็นกรดไนตริก (HNO₃) อย่างอ่อน ก่อนจะตกสะสมในดินเป็นรูปไนเตรท ให้พืชสามารถนำไปใช้ในกระบวนการเจริญเติบโตได้ทันที


          จากตัวอย่างข้างต้นทำให้นักวิจัยด้านพลาสมาหันมาให้ความสนใจ และขณะเดียวกันยังพบว่าสภาวะพลาสมาเย็นสามารถผลิตอนุมูลของออกซิเจนเองที่มีคุณค่ามหาศาลต่อวงการอาหารเกษตร !!! ดังสรุปได้ในรูปที่ 1 
            พลาสมาเย็นเป็นการใช้วิธีสนามไฟฟ้าดิสชาร์จตัวกลางซึ่งอาจเป็นก๊าซหรือไอของเหลว จนเกิดเป็นอนุภาค หรืออนุมูลอิสระ จากนั้นอนุมูลพลาสมาจะสามารถแพร่ซึมผ่านตัวกลางไปทำปฏิกิริยาเคมี เช่น การออกซิไดซ์ การรีดิวซ์ เป็นต้น เพราะหนึ่งในกระบวนการเคมีที่ใช้ในการย่อยสาร (decompose) มักใช้อนุมูลไฮดรอกซิล (•OH) เป็นหลัก และพลาสมาเย็นสามารถสร้างอนุมูลชนิดนี้ทดแทนการใช้สารเคมีแบบดั้งเดิมได้เป็นอย่างดี และเพื่อให้สะดวกในการผลิตและนำไปใช้งาน อนุมูลพลาสมาเย็นมักผลิตได้ 3 วิธีคือ ดิสชาร์จเหนือผิวของเหลว ดิสชาร์จในของเหลว และดิสชาร์จไอของเหลว ในที่นี้จะขอกล่าวถึงเฉพาะการดิสชาร์จเหนือผิวของเหลว เช่น สารละลายปุ๋ยไนเตรท หรือของแข็งที่มีของเหลวปรากฎอยู่บนผิว เช่น เมล็ดพืช ผัก ผลไม้ เนื้อสัตว์ตัดแต่ง ความชื้นบนผิวหนัง ฯลฯ

            วิธีดิสชาร์จเหนือผิวของเหลว ดังรูปที่ 2 อาจใช้วิธี เจ็ทพลาสมา ดิสชาร์จโคโรนา ไกลดิงอาร์ค และดิสชาร์จข้ามฉนวน (DBD) ในการผลิตอนุมูล อาทิ อะตอมออกซิเจน (O) ไฮดรอกซิล (•OH) โอโซน (O₃) ไนโตรเจนออกไซด์ (NO_x) ก่อนที่อนุมูลพลาสมาเหล่านี้จะแพร่ซึมสู่ผิวด้านบนของเหลว แล้วจึงละลายในเนื้อของเหลว สำหรับเทคนิคพลาสมา DBD จะผลิตอนุมูลพลาสมาหลักๆคือ ไฮดรอกซิล ซึ่งมีอายุสั้นระดับนาโนวินาที เมื่ออนุมูลนี้แพร่ซึมห่างจากบริเวณที่เป็นสถานะพลาสมา จะรวมกลับเป็นอนุภาคที่มีอายุยาว อาทิ อนุมูลไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ เป็นรูปโมเลกุลเสถียร ทว่าพร้อมที่จะทำการออกซิไดซ์ต่อสารอินทรีย์ได้ ตัวอย่างลำดับกลไกการเกิดอนุมูลอิสระก่อนแพร่ซึมเป็นสารละลายพลาสมา มีดังนี้ 

            อนุมูลไฮดรอกซิล (∙OH)  คือรูปที่เป็นกลาง (neutral form) ของไฮดรอกไซด์ไอออน (OH-) โดยอนุมูลของไฮดรอกซิลมีความไวในการเกิดปฏิกิริยากับสารประกอบอินทรีย์สูงมาก (oxidation potential 2.8 V) โดยมีฤทธิ์กร่อนรองจากฟลูออรีน (F₂) จึงสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้หลากหลายเช่น การสลายสารประกอบอินทรีย์  การกำจัดจุลินทรีย์ก่อโรคทั้งของพืชและสัตว์ ประโยชน์ในทางชีววิทยาศาสตร์หลายด้าน เช่น การบำบัดน้ำเสีย การทำให้พื้นผิวไร้จุลินทรีย์ การสลายมอเลกุลสารอินทรีย์ปนเปื้อน ข้อดีของการใช้อนุมูลไฮดรอกซิลคือ หากทำปฏิกิริยากับสารพิษ ผลที่ได้จะเป็นมอเลกุลสารที่ไม่เป็นพิษ เช่น น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ ไฮโดรเจน หรือ ออกซิเจน 


          อย่างไรก็ดีปริมาณอนุมูลไฮดรอกซิลจากพลาสมาเย็นผลิตก๊าซหรือไอระเหย จึงมีความเข้มข้นต่ำกว่าในสารละลายไฮโดรเจนเปอร็อกไซด์ 3 % ในท้องตลาดถึงเกือบหนึ่งพันเท่า (3% H₂O₂ มีความเข้มข้น 0.88 โมลาร์) ยกตัวอย่างผู้เขียนผลิตสารละลายพลาสมาจากอากาศ ใช้เวลา 60 นาที กำลังไฟฟ้า 45 วัตต์ ได้ความเข้มข้นไม่เกิน 1 มิลลิโมลาร์ แต่ด้วยวิธีดิสชาร์จเดียวกันนี้ยังสามารถผลิตสารละลายไนเตรทได้เข้มข้น 6 มิลลิโมลาร์ ซึ่งมากพอสำหรับพืชทั่วไปต้องการที่ 5 มิลลิโมลาร์ 


•    ศักยภาพในการเพิ่มอัตราการเติบโตพืช/สัตว์
      การสร้างสภาวะพลาสมาเย็นความดันบรรยากาศ (atmospheric cold plasma) ที่จะผลิตอนุมูลไนโตรเจนจากก๊าซก่อนจะละลาย (dissolve) สะสมเป็นของเหลวไนเตรทเข้มข้น เรียกกระบวนการนี้ว่า การตรึงไนโตรเจนด้วยวิธีพลาสมา (plasma-assisted nitrogen fixation) โดยที่อนุมูลไนโตรเจนในพลาสมาเย็น ให้ผลลัพธ์ที่ละลายอยู่ภายในของเหลว อาทิ ไนเตรท (NO₃^-) และ ไนไตรท์ (NO₂^-) ซึ่งมีผลต่อการงอกและเจริญเติบโตของเมล็ดพืช เป็นต้น

  •    ศักยภาพในการทำลายแบคทีเรียและรา
      อนุมูลไฮดรอกซิลมีกลไกการทำปฏิกิริยากับสารอินทรีย์ โดยการดึงอะตอมของไฮโดรเจนออกจากโมเลกุลสารอินทรีย์ เกิดผลลัพธ์เป็นมอเลกุลดังกล่าวข้างต้น หรือเป็นอนุมูลสารอินทรีย์ชนิดอื่น หากทำปฎิกริยากับมอเลกุลนำไฟฟ้า กลายเป็นมอเลกุลที่มีพันธะไม่อิ่มตัว (unsaturated bond) 

            สำหรับกลไกการทำลายจุลินทรีย์ของอนุมูลไฮดรอกซิล ได้ศึกษาเปรียบเทียบความสามารถในการทำลายแบคทีเรียสแตปฟิโลคอกคัสออเรียสที่ต้านยาเมธิซิลลิน (MRSA) ด้วยวิธีต่างๆอาทิ แช่สารละลายคลอเฮกซิดีนไดกลูโคเนต (chlorhexidine digluconate) เป่าลมร้อน เทียบกับวิธีพลาสมาเย็น ผลปรากฏว่าการแช่สารละลายคลอเฮกซิดีนไดกลูโคเนต ในระยะเวลาสั้นๆไม่สามารถลดปริมาณแบคทีเรียได้ ลมร้อนหรือความร้อนสามารถลดได้แต่ต้องใช้เวลานานกว่า และความสามารถในการลดปริมาณแบคทีเรียของทุกวิธีล้วนต่ำกว่าการใช้พลาสมาเย็นอย่างชัดเจน

            หากพิจารณารูปที่ 5 ซึ่งแสดงกลไกที่คาดว่าเกิดขึ้นขณะพลาสมาเย็น (ซ้าย) กระทำต่อกับโครงสร้างฟอสฟอไลปิดของเยื่อหุ้มเซลล์แบคทีเรียชนิดแกรมบวก ที่มีโครงสร้างจากฟอสฟอไลปิดเป็นองค์ประกอบหลัก เกิดการเสียสภาพ (rapture) ของเยื่อหุ้มเซลล์อย่างรวดเร็ว ของเหลวในเซลล์รั่วออกสู่ภายนอก ทำให้เซลล์แบคทีเรียฝ่อและตายในที่สุด ส่วนในเซลล์รามีโครงสร้างประกอบโปรตีนอย่างกลูแคนและไคตินอีกชั้นหนึ่ง พลาสมาเย็นสามารถเข้าถึงเพื่อการทำลายเซลล์ราได้เช่นกัน เพียงแต่ต้องเพิ่มการทำพลาสมาซ้ำเท่านั้น 


•    ศักยภาพในการสลายยาฆ่าแมลง
      เมื่อเปรียบเทียบผลการศึกษาการใช้สารละลายชนิดต่างๆ ในการลดสารพิษตกค้างในผักและผลไม้กับวิธีการใช้สารละลายพลาสมา บ่งบอกศักยภาพอีกอย่างหนึ่งของอนุมูลไฮดรอกซิลในสารละลายพลาสมา พบว่ามีจุดเด่นที่สามารถร่นระยะเวลาการแช่ล้างลงได้อย่างมาก     โดยพลาสมาสารละลายทำให้ปริมาณสารพิษตกค้าง ได้แก่ คลอไพริฟอส (chlorpyrifos) ไซพอเมธริน (cypermethrin) และ คาร์เบนดาซิม (carbendazim) อยู่ในระดับที่สามารถยอมรับได้ตามที่ระบุในมาตรฐาน Codex หรือที่กำหนดไว้ใน มกษ. 9002-2556 โดยเฉลี่ยจะต้องมีปริมาณต่ำกว่า 1-5 ในล้านส่วน (ppm) ขึ้นกับชนิดของผักและผลไม้ 

            ทั้งนี้วิธีการสลายสารพิษตกค้าง กรณีคลอไพริโอฟอสทำได้โดยการแยกหมู่ไธโอฟอสฟอริกเอสเทอร์ หรือกรณีคาร์เบนดาซิมทำได้โดยการแยกหมู่เมธิลคาร์บาเมต ดังแสดงในรูปที่ 6 ซึ่งอนุมูลไฮดรอกซิลในสารละลายพลาสมามีศักยภาพสูงที่สุดดังได้กล่าวไปก่อนหน้านี้ และเมื่อทดลองลดปริมาณสารพิษทั้งสองในมะม่วงจากท้องตลาดด้วยการแช่ในสารละลายพลาสมาเดียวกัน ผลดังตารางข้างล่างนี้ 

          สารละลายพลาสมาเตรียมด้วยวิธีพลาสมาไกลดิงอาร์ก กำลังไฟฟ้า 460 วัตต์ โดยดิสชาร์จก๊าซอาร์กอนเป็นเวลา 10 นาที ตรวจพบอนุมูลไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์มีความเข้มข้น 200 mg/L หรือประมาณ 6 มิลลิโมลาร์ แล้วจึงผสมร่วมกับสารละลายโซเดียมไบคาร์บอเนตความเข้มข้น 25 มิลลิโมลาร์ เพื่อควบคุมค่า pH ของสารละลาย และร่วมสลายวงเบนซิน (benzene ring) ของคาร์เบนดาซิมเป็นการเฉพาะ 


          อย่างไรก็ดีเมื่อกล่าวถึงคำว่า “อนุมูล” เรารับรู้กันว่าสำหรับเซลล์มีชีวิต อนุมูลอิสระล้นเกิน (excessive radicals) เป็นตัวเร้าให้เซลล์ปกติกลายเป็นเซลล์มะเร็ง และยังสามารถชักนำสู่การกลายพันธุ์  ล้วนเป็นผลจากเซลล์มีชีวิตได้รับสิ่งเร้าเหล่านี้ เพราะชีวมอเลกุลของเซลล์เชื่อมโยงโดยตรงกับสภาวะที่แวดล้อมเซลล์ จึงจำเป็นต้องหาปริมาณโดสยังผล (effective dose) ที่เหมาะสม
    ในการพัฒนา”พลาสมาเย็น” ให้พร้อมเป็นเทคโนโลยีสีเขียวสำหรับเกษตรอาหารกันต่อไป


 

บรรณานุกรม

• - Paula Bourke, Dana Ziuzina, Daniela Boehm, Patrick J. Cullen and Kevin Keener, “The Potential of Cold Plasma for Safe and Sustainable Food Production” Trends in Biotechnology, 2018, 36(6), 615-626,
• - Masaru Hori and Brendan A Niemira “8.Plasma agriculture and innovative food cycles” J. Phys. D: Appl. Phys. 50 (2017) 323001
• - https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/45395
• - https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/378674
• - ธัญญานุภาพ อานันทนะ และคณะ รายงานฉบับสมบูรณ์แผนงานการพัฒนาพลาสมาเทคโนโลยีเพื่อความปลอดภัยและเพิ่มมูลค่าสำหรับคะน้าและมะม่วง สำนักงานพัฒนาวิจัยการเกษตร 2560
• - สุชาดา พันธุ์สถิตย์วงศ์ “พารามิเตอร์ที่เหมาะสมในการสลายยาฆ่าแมลงด้วยเทคนิคน้ำที่กระตุ้นด้วยพลาสมา” วิทยานิพนธ์ปริญญาโทวิศวอุตสาหการ 2561