Projekti / Programi
Razvoj naprednih modelov prenosa snovi in toplote v elektroporiranih rastlinskih tkivih
pomembnih za industrijo predelave hrane
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.06.07 |
Tehnika |
Sistemi in kibernetika |
Biomedicinska tehnika |
| 4.03.07 |
Biotehnika |
Rastlinska produkcija in predelava |
Tehnologija živil rastlinskega izvora |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T430 |
Tehnološke vede |
Tehnologija hrane in pijač |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.06 |
Tehniške in tehnološke vede |
Zdravstveni inženiring |
| 4.01 |
Kmetijske vede in veterina |
Kmetijstvo, gozdarstvo in ribištvo |
elektroporacija; predelava hrane; matematično modeliranje; prenos snovi; prenos toplote; interdisciplinarni pristop.
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
34298 |
dr. Samo Mahnič-Kalamiza |
Sistemi in kibernetika |
Vodja |
2019 - 2021 |
0 |
Organizacije (1)
Povzetek
Električno polje zadostne električne poljske jakosti povzroči povečanje električne prevodnosti in prepustnosti celične membrane – tudi za molekule, za katere je sicer membrana slabo prepustna. Ta pojav, znan kot elektroporacija, elektropermeabilizacija ali obdelava s pulznim električnim poljem (angl. PEF), je bil pripisan nastanku vodnih por v lipidnem dvosloju.
Ker je izboljšanje prenosa snovi cilj pri številnih uporabah elektroporacije, je izrednega pomena dobro razumevanje pojavov, povezanih z elektroporacijo tkiv. Z elektroporacijo lahko nameravamo izboljšati selektivno pridobivanje (ekstrakcijo) spojin ali sokov iz rastlinskih celic, izboljšati hitrost dehidracije (tj. sušenja), izboljšati pridobivanje iz ali vnos topljencev (soli, sladkorjev, idr.) v ciljna tkiva, itd. Uporabe so številne in seznam se še vedno daljša. Možne družbeno-ekonomske koristi integracije elektroporacije v procese v prehrambni industriji in okoljskem inženiringu so obetavne in imajo velik potencial za razvoj ekonomsko in energetsko učinkovitih metod valorizacije odpadkov oz. stranskih proizvodov, proizvodnje biogoriv, zagotavljanja varnosti hrane, itd., zato tehnologija popolnoma sovpada s sodobno paradigmo zelenega krožnega gospodarstva. Tako se predlagani interdisciplinarni projekt odlično vklaplja v okvir družbenega cilja “FACCE” (kmetijstvo, varna hrana in podnebne spremembe).
Izčrpni in popolni matematični modeli so pomembni teoretični okvirji, ki nam omogočajo, da testiramo svoje poznavanje in razumevanje pojavov in načrtujemo optimizirane postopke obdelave temelječe na proučevanem pojavu, kar vodi do učinkovite in energijsko ugodne uporabe virov. Pred kratkim je predlagatelj projekta objavil vrsto znanstvenih člankov na temo pristopa "dvojne poroznosti" pri modeliranju prenosa snovi v elektroporiranih tkivih. To je prvi primer uporabe principa dvojne poroznosti na primeru elektroporiranega (rastlinskega) tkiva, tako za proučevanje prenosa snovi, kot tudi prenosa toplote. Model dvojne poroznosti omogoča povezovanje učinkov elektroporacije na membrano posameznih celic v tkivu z rezultirajočim transmembranskim prenosom snovi in prenosom snovi skozi zunajcelični matriks, kar predstavlja povsem nov pristop k problemu.
Predlagani podoktorski raziskovalni projekt je zasnovan z namenom, da model dvojne poroznosti dvigne na naslednjo razvojno stopnjo, in ga v praksi uporabi za modeliranje obdelave rastlin oz. živil z elektroporacijo. Končni cilj je razviti celoviti model elektroporacije rastlinskega tkiva, ki bo predstavljal novo raven znanstvenega razumevanja učinkov elektroporacije na prenos snovi in toplote v elektroporiranih tkivih. Tekom projekta bo to doseženo z izvajanjem aktivnosti, ki so razdeljene v štiri delovne sklope projekta. Ti so: DS I: validacija in verifikacija modelov prenosa snovi in toplote; DS II: ocena pomembnosti elektrokinetskih mehanizmov na prenos snovi; DS III: ocena pomembnosti turgorja (turgorskega tlaka); in DS IV: sklapljanje modelov prenosa snovi oz. toplote z modeli električnega polja in porazdelitve električne prevodnosti v tkivu.
Vsaka od predlaganih razširitev modela, ki izhajajo iz izvajanja delovnih sklopov I – IV predlaganega projekta, je sama po sebi zmožna odpreti številne nove raziskovalne smernice, saj relevantni pojavi še niso bili proučevani z vidika mehanističnega modeliranja (temveč le empirično). Poleg tega lahko predlagana raziskava seže zunaj meja področja obdelave in predelave živil, kar pomeni prenos znanja na druga področja uporabe elektroporacije, denimo nazaj v biomedicino. Novi vpogledi, ki jih bo omogočil predlagani projekt, bi tako lahko imeli širši vpliv in obsežnejše pozitivne posledice od predvidenih na razvoj področij raziskav elektroporacije in predelave hrane na splošno.
Pomen za razvoj znanosti
Na področju študija transporta snovi in prenosa toplote v elektroporiranem tkivu je splošno pomanjkanje celovitih mehanističnih modelov, s katerimi bi lahko opisali procese, in ocenili/določili optimalne parametre obdelave glede na njihov učinek.
Mnogo raziskovalnega dela je že bilo opravljenega na mikro ravni, denimo prek simulacij molekularne dinamike, z uporabo modelnih membran (lipidni dvosloji ali velikanski unilamelarni vezikli – GUV-ji), ter s pomočjo in vitro poskusov na celičnih suspenzijah. Na drugem koncu spektra v smislu velikostnega razreda so tkiva, ki so do sedaj bila deležna omejene pozornosti, predvsem z uporabo empiričnih ali fenomenoloških modelov z namenom optimizacije procesov v industriji predelave hrane.
Predlagani projekt bo premostil razkorak med mehanističnimi modeli na mikro ravni ter našim razumevanjem elektroporacije tkiv na makro ravni. Izmenjava znanja med mikro ter makro ravnjo proučevanja elektroporacije je trenutno hudo pomanjkljiva, in vsakršno raziskovalno delo, ki je v pomoč premostitvi tega razkoraka, predstavlja izviren pristop k problemu.
Nadaljnja osvetlitev pojavov povezanih z elektroporacijo rastlinskih tkiv je izjemnega pomena v industrijskih aplikacijah elektroporacije. Po svetu, predvsem pa v Sloveniji, se pojavlja rastoče zanimanje za elektroporacijo v industriji predelave hrane in prehranskem inženiringu, in pogosto se pojavljajo nove možnosti uporabe. Razumevanje procesov z znanstvenega stališča pa žal zaostaja za industrijsko pobudo, kar predstavlja problem, ki posledično povzroča precej počasno in lastniško implementacijo tehnologije in metod v obstoječe procese predelave hrane. Napredek v razumevanju, ki ga obeta predlagani projekt, bo izboljšal dostopnost tehnologije in pomagal pri njeni vpeljavi v industrijsko okolje v širšem obsegu. Ta cilj bo dosežen prek razširjanja na novo pridobljenih znanj v domeno javnosti prek znanstvenih publikacij, objav v poljudnoznanstvenih revijah (npr. ŽIT), organizacije mednarodnih šol, ter predlaganega sestanka za podjetja. Izobraževalni aspekt projekta lahko tudi pripomore k izboljšanju sprejemanja te relativno nove (za potrošnika) tehnologije, katere mehanizmi in principi širši javnosti še niso dobro poznane.
Delujoč model transportnih procesov v elektroporiranem tkivu je pomemben tudi za pametno optimizacijo protokolov obdelave, kar se trenutno izvaja s precej "slepo" metodo poskus-napaka (angl. trial-and-error), pri kateri se optimalni protokol obdelave za posamezni produkt išče empirično in brez poglobljenega znanja o temeljnih pojavih. Teoretična narava predlaganega projekta tudi pomeni, da ima projekt potencial za odpiranje mnogih novih raziskovalnih smeri in bogatenje obstoječih, saj bi morali biti rezultati projekta do neke mere prenosljivi na druga področja elektroporacije, npr. v biomedicino. Nova spoznanja, pridobljena tekom projekta, bi tako lahko bila širše zanimiva in doprinesla k védenju o elektroporaciji v splošnem več, kot le pričakovane rezultate.
Pomen za razvoj Slovenije
When considering our understanding of mass and heat transfer in electroporated tissues, there is a general lack of comprehensive mechanistic models to describe the processes and evaluate/determine treatment parameters with respect to their effects.
Much work has been done on the microscopic scale with molecular dynamics, using model membranes (lipid bilayers and giant unilamellar vesicles – GUVs), and in in vitro experiments with cell suspensions. On the other end of the spectrum in terms of scale, tissues were approached predominantly by empirical methods for the purposes of optimizing processes in the food industry.
The proposed project is expected to close the gap between mechanistic modelling on the micro scale and our understanding of electroporation of tissues on the macro scale. Transfer of knowledge between the two scales is presently sorely missed, and any such theoretical work is an original approach to the problem.
Further elucidating phenomena related to electroporation of plant tissues is highly relevant for the related industrial applications of PEF treatment. There is a growing interest in electroporation in the food processing industry and food engineering worldwide and specifically in Slovenia, and new applications are being developed on a regular basis. The scientific understanding of processes is unable to keep up with the industrial initiative, a problem which results in a rather slow and proprietary implementation of the technology and methods in existing food processing chains. The advancement in understanding resulting from the proposed project will improve the availability of the technology and facilitate its adoption in the industry on a broader scale. This would be achieved by disseminating the newly acquired knowledge into the public domain by means of scientific publications, popular science articles (e.g. in the “ŽIT – Življenje in Tehnika”, a popular science magazine), international school activities, and the proposed potential users meeting. The educational aspect of disseminating project results will also improve the rate of acceptance of such novel technology by helping demystify its principles and mechanisms of action.
A working model of processes in tissue is also necessary for enabling smart optimization of treatment protocols, something that is presently carried out following a rather “blind” trial-and-error methodology, whereby optimal treatment protocols for particular food products need to be found empirically and without a deeper understanding of the phenomenon.
The theoretical nature of the proposed project also means that the project has the potential of opening new research directions and enriching existing ones, since its results should also be transferable, at least in part, to other areas of electroporation applications, such as biomedicine. New insights brought about by the proposed project could thus be of broader interest and have greater-than-foreseen implications for electroporation research in general.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
