Aplikacije v prehranskem inženiringu

Obdelava s pulznim električnim poljem (PEP) uporablja kratke visokonapetostne električne impulze za indukcijo elektroporacije v bioloških celicah. Med elektroporacijo se v celičnih membranah prehodno ali trajno tvorijo nanometrske pore. Te pore omogočajo vodi, sladkorjem in drugim dragocenim spojinam lažje prehajanje v celice in iz njih. Glede na intenzivnost obdelave in procesne pogoje se PEP lahko uporabi bodisi za inaktivacijo mikroorganizmov za izboljšanje varnosti hrane, bodisi za nežno spreminjanje rastlinskih celic z namenom pospeševanja ekstrakcije, sušenja ali fermentacije, pri čemer se izogne čezmernemu segrevanju in ohranja kakovost 1. Obsežen pregled aplikacij elektroporacije v prehranski industriji in biorafineriji je podan v 2.

Glavna področja uporabe PEP v prehranskem inženiringu vključujejo konzerviranje hrane 3, izboljšano ekstrakcijo sokov, polifenolov in antioksidantov 4, vinarstvo 5,6, spreminjanje teksture 7, izboljšanje sušenja 8 ter predelavo proteinov 9,10. V vseh teh aplikacijah PEP podpira bolj trajnostno predelavo hrane in bioloških surovin z zmanjšanjem porabe topil, skrajšanjem ekstrakcijskih časov in znižanjem celotnih energijskih zahtev 11,12. Z napredovanjem PEP proti širši industrijski uporabi postaja vse pomembnejše usklajeno poročanje o procesnih parametrih. Zato so bile predlagane smernice skupnosti za opisovanje pogojev PEP obdelave in eksperimentalnih protokolov na pregleden in primerljiv način 13. Vzporedno nedavne razprave o preostalih izzivih pri uporabi PEP kot orodja za varnost hrane 14 prispevajo k izboljšanju ponovljivosti in podpirajo nadaljnji napredek na tem področju.

Modeliranje masnega transporta in toplotnih učinkov v rastlinskem tkivu, obdelanem s PEP

Razumevanje gibanja snovi skozi elektroporirano tkivo je ključno za optimizacijo ekstrakcije in stiskanja s pomočjo PEP. V ta namen smo razvili modelni okvir z dvojno poroznostjo, ki elektroporirano tkivo predstavi kot medij z dvema medsebojno povezanima poroznima sistemoma: zunajceličnim prostorom in permeabiliziranimi membranskimi potmi. Začetni model je bil formuliran za difuzijo topljencev 15, nato pa razširjen za opis ekstrakcije tekočin s stiskanjem 16. Pristop modeliranja je bil eksperimentalno validiran z uporabo tkiva sladkorne pese, kar dokazuje njegovo relevantnost za resnične prehranske materiale 17. Komplementarna študija na tkivu listov špinače je dodatno pokazala, da je treba strukturno heterogenost dejanskih rastlinskih tkiv eksplicitno upoštevati v numeričnih modelih, da bi natančno zajeli učinke PEP obdelave 18.

Nadzor temperature med PEP obdelavo je enako kritičen. Prekomerno segrevanje lahko poškoduje kakovost izdelka, vendar lahko zmerno zvišanje temperature sinergistično okrepi elektroporacijo, inaktivacijo mikrobov ali prenos snovi. Naša teoretična analiza nastajanja in prerazporeditve toplote v rastlinskem tkivu po elektroporaciji je preučila, kako se toplota, ustvarjena z impulzi, širi znotraj materiala in kako se sklaplja s samim procesom elektroporacije, ter podala praktične smernice za zasnovo varnih in učinkovitih protokolov obdelave 19.

Vizualizacija in ocenjevanje učinkov PEP obdelave v prehranskih materialih

Učinkov PEP na celični in tkivni ravni ni vedno mogoče sklepati zgolj iz meritev na makro ravni. Različne analitične tehnike lahko poudarjajo tudi različne vidike odziva tkiva na obdelavo. V primerjalni študiji rastlinskih in živalskih tkiv, obdelanih s PEP, smo kombinirali električno impedančno spektroskopijo, magnetnoresonančno slikanje (MRI) in histološko analizo za oceno rezultatov obdelave. Rezultati so poudarili, da integracija komplementarnih metod daje bolj celovito in zanesljivo sliko sprememb, ki jih povzroči PEP 20.

MRI se je izkazala za posebej zmogljivo pri vizualizaciji učinkov elektroporacije brez rezanja ali drugačnega poškodovanja vzorca. V prejšnjih delih smo uporabili MRI za preiskavo porazdelitve električnega polja znotraj krompirjevih gomoljev ter za identifikacijo, kje v tkivu dejansko poteka elektroporacija 21. Novejše delo je z MRI omogočilo podrobno opazovanje, kako se strukturno različna področja znotraj rastline (na primer mehka notranja sredica v primerjavi z gostejšo zunanjo skorjo korenovk) zelo različno odzivajo na isto PEP obdelavo. Te prostorske razlike v odzivu niso vidne s prostim očesom, vendar jih MRI jasno prikaže in omogoča kvantitativno oceno 22.

Poleg tega je bila analiza teksture ponovno ovrednotena kot praktično in občutljivo orodje za določanje pragov PEP obdelave. Z merjenjem sprememb mehanskih lastnosti analiza teksture dopolnjuje pristope na osnovi električne impedance in ponuja dostopno metodo za identifikacijo pogojev obdelave, ki dosežejo želeno stopnjo elektroporacije brez pretirane obdelave izdelka 23.

Zasnova PEP sistema za obdelavo: nadzor temperature in elektrodnih pojavov

Prenos PEP iz laboratorijskih eksperimentov v industrijsko prakso zahteva zanesljivo zasnovo in nadzor obdelovalnih komor, skozi katere hrana teče neprekinjeno. V ta namen smo razvili časovno odvisen numerični model, ki napoveduje porazdelitev temperature znotraj pretočnih PEP obdelovalnih komor 24. Model zajame medsebojni vpliv vnosa električne energije, toka tekočine in prenosa toplote ter tako pomaga ugotoviti, ali obdelava ostaja učinkovita in varna v celotnem obdelanem volumnu.

Visokonapetostni impulzi lahko na površinah elektrod sprožijo tudi elektrokemijske reakcije, ki potencialno sproščajo kovinske ione ali ustvarjajo neželene stranske produkte v obdelanem mediju. Te pojave, povezane z elektrodami, smo raziskali s kombinacijo eksperimentalnih opazovanj in numeričnih simulacij 25. Pridobljeni vpogledi informirajo izbiro materiala elektrod, zasnovo komore in optimizacijo parametrov impulzov ter tako podpirajo robustne in za hrano varne industrijske PEP sisteme.