Exploring the effects of emerging technologies on food processing through molecular dynamics simulations

Abstract

Simulações de dinâmica molecular têm se revelado uma ferramenta de grande utilidade na análise mecanística de diversos fenômenos em biomoléculas. Essa técnica é particularmente promissora no estudo dos efeitos de tecnologias emergentes no processamento de alimentos, embora sua aplicação nesse campo seja ainda recente. O propósito dessa tese foi empregar tais simulações para a análise de diferentes sistemas relevantes à ciência de alimentos. No primeiro estudo, adotou-se uma abordagem atomística para analisar as alterações estruturais na ovalbumina em resposta a campos elétricos. Verificou-se uma notável estabilização da estrutura secundária, além de um aumento no tamanho médio, momento de dipolo e área superficial da proteína induzidos pelos campos. Esses resultados contribuíram para a compreensão dos mecanismos que alteram as propriedades tecnológicas desta proteína quando submetidas a esses processos. No segundo estudo, investigou-se a influência da temperatura e da pressão no fenômeno da eletroporação, empregando uma abordagem de modelagem em mesoescala. Observou-se que a formação e recuperação de poro sem bicamadas lipídicas foi catalisada em temperaturas elevadas e pressões baixas. Esse comportamento cinético influenciou a migração de íons na bicamada, e combinações de baixas temperaturas e compressões de 1000 atm demonstraram o melhor desempenho para a extração iônica. No terceiro estudo, foram analisados os efeitos sinérgicos da aplicação combinada de eletroporação e sonoporação em bicamadas lipídicas. Observou-se que a redução na espessura da bicamada durante a passagem da onda ultrassônica pode catalisar a formaçãode poros, embora esse efeito se manifeste principalmente em situações em que o campo elétrico, por si só, não seria capaz de criar poros. A sinergia entre o processo de cavitação e a eletroporação resultou no efeito de combinação mais significativo, onde o nanojato gerado contribuiu para guiar o processo de formação do poro induzido pelo campo elétrico. Por fim, foi conduzida a análise de vesículas híbridas compostas por polímeros e fosfolipídeos. As simulações revelaram diversas possíveis conformações de membrana dependendo da relação lipídeo-polímero, bem como um aumento na estabilidade da membrana em frações poliméricas elevadas. Adicionalmente, a análise de um peptídeo WALP inserido na bicamada demonstrou que apenas membranas com até 50% de conteúdo de polímero favoreceram aplicações biotecnológicas. Em síntese, os estudos demonstram o potencial das simulações de dinâmica molecular em desvendar os mecanismos subjacentes a processos bioquímicos complexos em tecnologias emergentes no processamento de alimentos.

Molecular dynamics simulations have proven to be an useful tool in the mechanistic analysis of various phenomena in biomolecules. This technique is particularly promising in the study of the effects of emerging technologies in food processing, although their application in this field is still recent. The purpose of this thesis was to employ these simulations for the analysis of different systems relevant to food science. In the first study, an atomistic approach was adopted to analyze the structural changes in ovalbumin in response to electric fields. A notable stabilization of the secondary structure was observed, along with an increase in the average size, dipole moment, and surface area of the protein induced by the fields. These results contributed to the understanding of the mechanisms that alter the technological properties of this protein when subjected to these processes. In the second study, the influence of temperature and pressure on the electroporation phenomenon was investigated, employing a mesoscale modeling approach. It was observed that the formation and recovery of pores was catalyzed at high temperatures and low pressures. This kinetic behavior influenced the ion migration in the bilayer, and combinations of low temperatures with pressure of 1000 atm demonstrated the best performance for ionic extraction. In the third study, the synergistic effects of the combined application of electroporation and sonoporation on lipid bilayers were analyzed. It was observed that the reduction in bilayer thickness during the passage of an ultrasonic wave could catalyze pore formation, although this effect mainly manifested in situations where the electric field alone would not be able to create pores. The synergy between the cavitation process and electroporation resulted in the most significant combined effect, where the generated nanojet contributed to guiding the process of field-induced pore formation. Moreover, a comprehensive analysis of hybrid vesicles formed by polymers and phospholipids was conducted. The simulations revealed various possible membrane conformations depending on the lipid-to-polymer ratio, and an increased bilayer stability at higher polymeric fractions. Additionally, the analysis of a WALP peptide inserted in the bilayer demonstrated that only membranes with up to 50% polymer content favored biotechnological applications. In summary, the studies demonstrate the potential of molecular dynamics simulations in elucidating the underlying mechanisms of complex biochemical processes in emerging technologies.