Razvoj naprednih modelov prenosa snovi in toplote v elektroporiranih rastlinskih tkivih pomembnih za industrijo predelave hrane

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.