Modeling Yeast Cell Viability in Continuous-Flow Pulsed Electric Field Treatment
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि यीस्ट के निरंतर-प्रवाह पल्स्ड इलेक्ट्रिक फील्ड उपचार में, पुनरावृत्ति दर (repetition rate) और निवास समय (residence time), कुल पल्स गणना से परे, कोशिका व्यवहार्यता को प्रभावित करने वाले स्वतंत्र कारक के रूप में कार्य करते हैं, जिससे सटीक मॉडलिंग और प्रक्रिया नियंत्रण के लिए उनका अलग से निर्दिष्ट किया जाना आवश्यक हो जाता है।
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खाद्य प्रसंस्करण की दुनिया में, जूस या वाइन जैसे तरल पदार्थों को बिना पकाए ताज़ा रखना एक सूक्ष्म संतुलन का काम है। पारंपरिक ऊष्मीय उपचार हानिकारक सूक्ष्मजीवों को तो मार देता है, लेकिन अक्सर उत्पाद के स्वाद, रंग और पोषण संबंधी मूल्य को खराब कर देता है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने 'पल्स्ड इलेक्ट्रिक फील्ड ट्रीटमेंट' (पल्स द्वारा विद्युत क्षेत्र उपचार) नामक एक विधि विकसित की है। कल्पना कीजिए कि एक तरल पदार्थ के माध्यम से तीव्र, छोटे और तीखे विद्युत झटकों की एक त्वरित श्रृंखला भेजी जा रही है। ये झटके बैक्टीरिया और यीस्ट कोशिकाओं की झिल्लियों (मेम्ब्रेन) में छोटे, अस्थायी छेद बना देते हैं। यदि झटके पर्याप्त शक्तिशाली और बार-बार होने वाले हों, तो ये छेद स्थायी हो जाते हैं, जिससे तरल को नुकसानदेह स्तर तक गर्म किए बिना ही कोशिकाएं मर जाती हैं। इस तकनीक का प्रयोगशालाओं में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, लेकिन इसे एक स्थिर कंटेनर से औद्योगिक उपयोग के लिए बहते हुए पाइप में स्थानांतरित करना जटिलता की एक नई परत पेश करता है। एक बहने वाली प्रणाली में, तरल लगातार गतिमान रहता है, जिसका अर्थ है कि पंप उसे कितनी तेज़ी से धकेल रहा है, इसके आधार पर हर बूंद विद्युत क्षेत्र में अलग-अलग समय बिताती है।
ब्राजील के फेडरल यूनिवर्सिटी ऑफ सांता कैटारिना के शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए कि प्रवाह (फ्लो) यीस्ट कोशिकाओं की मृत्यु को वास्तव में कैसे प्रभावित करता है, जो कि किण्वन (फरमेंटेशन) में उपयोग किया जाने वाला एक सामान्य सूक्ष्मजीव है और पेय पदार्थों के खराब होने का एक प्रमुख कारण है, अध्ययन किया। उन्होंने एक विशेष चैंबर बनाया जहाँ यीस्ट सस्पेंशन को दो धातु प्लेटों के बीच निरंतर प्रवाहित किया जा सकता था और साथ ही उस पर विद्युत पल्स (झटके) दिए जा सकते थे। टीम ने विभिन्न स्थितियों का परीक्षण किया, जिसमें विद्युत क्षेत्र की शक्ति, पल्स की आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी), और तरल की गति को बदला गया। वे यह देखना चाहते थे कि क्या कोशिका को प्राप्त हुए पल्स की कुल संख्या ही एकमात्र महत्वपूर्ण कारक थी, या क्या उन पल्स का समय और प्रवाह की गति अलग-अलग परिणाम उत्पन्न करती थी।
अध्ययन ने एक आश्चर्यजनक सत्य प्रकट किया: कोशिका के जीवित रहने या न रहने की भविष्यवाणी करने के लिए पल्स की कुल संख्या पर्याप्त नहीं है। शोधकर्ताओं ने पाया कि दो अलग-अलग सेटअप एक ही कोशिका को बिल्कुल समान संख्या में पल्स दे सकते हैं, फिर भी बहुत भिन्न परिणाम दे सकते हैं। एक विशिष्ट तुलना में, उन्होंने प्रवाह की गति और पल्स की आवृत्ति को इस तरह समायोजित किया कि एक कोशिका को दोनों मामलों में झटकों की समान संख्या प्राप्त हुई। हालाँकि, जब उन्होंने जीवित यीस्ट की गणना की, तो एक सेटअप ने दूसरे की तुलना में तीन गुना अधिक जीवित कोशिकाएं छोड़ दीं। इससे यह सिद्ध हुआ कि एक्सपोज़र (संपर्क) का इतिहास मायने रखता है। यह केवल इस बारे में नहीं है कि कोशिका को कितनी बार झटका लगा, बल्कि यह भी है कि वे झटके कितनी तेज़ी से आते हैं और कोशिका कुल मिलाकर कितने समय तक विद्युत क्षेत्र के संपर्क में रहती है।
इसे समझाने के लिए, टीम ने इस उपचार के बारे में सोचने का एक नया तरीका विकसित किया। केवल पल्स गिनने के बजाय, उन्होंने पल्स दोहराव की गति और चैंबर में तरल द्वारा बिताए गए समय को दो अलग-अलग, स्वतंत्र कारकों के रूप में माना। उन्होंने बिजली के कारण होने वाली तापमान वृद्धि को भी सावधानीपूर्वक मापा। हालांकि विद्युत झटकों ने गर्मी उत्पन्न की थी, लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि गर्मी स्वयं उनके प्रयोगों में कोशिका मृत्यु का मुख्य कारण नहीं थी। विद्युत प्रभाव कहीं अधिक शक्तिशाली था, जिसने तापमान में अपेक्षाकृत कम वृद्धि के बावजूद कोशिकाओं को मार दिया। विद्युत प्रभावों को थर्मल (ऊष्मीय) प्रभावों से अलग करके, उन्होंने एक ऐसा मॉडल बनाया जो सटीक रूप से भविष्यवाणी कर सकता था कि विभिन्न परिचालन स्थितियों के तहत कितने सेल जीवित रहेंगे।
यह कार्य महत्वपूर्ण है क्योंकि यह इस सरल विचार को चुनौती देता है कि अधिक पल्स का अर्थ हमेशा अधिक हत्या (कोशिकाओं का मरना) होता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि एक बहने वाली प्रणाली में, पल्स का समय तरल की गति के साथ जटिल रूप से परस्पर क्रिया करता है। यदि पल्स बहुत तेज़ी से आते हैं या तरल बहुत धीरे चलता है, तो कोशिकाएं उस तरह के तनाव का अनुभव करती हैं जो तब होता है जब पल्स अलग-अलग अंतराल पर होते हैं, भले ही झटकों की कुल संख्या समान हो। यह खोज बताती है कि औद्योगिक मशीनें डिजाइन करने वाले इंजीनियरों को केवल कुल पल्स संख्या निर्धारित नहीं करनी चाहिए। उन्हें उपचार प्रभावी बनाने और उत्पाद को अधिक गर्म किए बिना, प्रवाह दर और पल्स फ्रीक्वेंसी को अलग-अलग रूप से सावधानीपूर्वक ट्यून करना चाहिए। यह अध्ययन इस तकनीक को वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए विश्वसनीय बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्गप्रदान करता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि पेय पदार्थों को उनके ताज़ा, प्राकृतिक गुणों को बरकरार रखते हुए सुरक्षित रूप से उपचारित किया जा सके।
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