Нанотехнологии в пищевой промышленности

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Казанский государственный технологический  университет

     Кафедра плазмохимических и нанотехнологий

     высокомолекулярных  материалов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат на тему: «Нанотехнологии  в пищевой промышленности» 
 

     Выполнил:                                                                            студ.гр.427131

     Рафикова  Регина 
 

     Проверил:                                                                                 профессор

     Шаехов М.Ф. 
 
 
 
 

     Казань 2011

     Первые  публикации относительно нанотехнологий в пищевых отраслях появились  лишь в конце XX — начале XXI века. В  какой-то мере это запоздание можно объяснить известным и вполне понятным консерватизмом рынка пищевых продуктов, жесткими стандартами производств и высокими требованиями к качеству продукции. Действительно, пищевая безопасность наноматериалов пока что недостаточно изучена. Да и с точки зрения промышленности высокая дисперсность пищевого продукта — не всегда благо. Если, к примеру, измельчить муку, сахарную пудру или растворимый кофе до наноуровня, то очень много ценной «пыли» улетит при фасовке продукта.

     Впрочем, многие пищевые продукты и без  всяких нанотехнологий содержат частицы размером 1-1000 нм. Обычно они рассматриваются как объекты классической коллоидной химии. Жировые капли размером около 50 нм встречаются в молоке, размеры частиц пищевых белков, имеющих глобулярное строение, составляют десятки и сотни нанометров, линейные полисахариды — это, по сути, одномерные структуры толщиной менее 1 нм, а полисахариды крахмала собираются в трехмерные наноструктуры толщиной порядка 10 нм.

     Так, может быть, разработка специальных  технологий для производства пищевых нанопродуктов не столь уж необходима? Аргументы «за» появились в тот момент, когда исследователи научились целенаправленно получать дисперсные системы с частицами в 1-100 нм, контролировать их строение и фракционный состав. Оказалось, что наночастицы благодаря развитой поверхности (несравненно большей, чем у микрочастиц) обладают повышенной биологической активностью. А благодаря способности проникать в клетки они могли бы служить отличным транспортным средством для биологически активных веществ (БАВ), которые добавляют в пищу, чтобы сделать ее более полезной.

     Сегодня специалисты в области пищевых технологий называют пять областей, где желательно применение нанотехнологий. Это простое измельчение продукта до наночастиц, изготовление различных нанодобавок, улучшающих пищу, нанофильтрация для улучшения качества продуктов, биосенсоры для контроля качества пищевых продуктов и пищевая упаковка нового поколения, в которой продукты долго не портятся. Мы остановимся лишь на первых трех областях применения. 

     Наночай и наночастицы  селена 

     Что будет, если, скажем, обычный чай  измельчить до нанопорошка? Оказывается, этот вопрос уже переведен в практическую плоскость. В патентах описаны нанопорошки и эмульсии растений, традиционно употребляемых в пищу, в том числе зеленого чая, а также нанодисперсии прополиса в виде порошка или таблеток. Оказывается, антиоксидантная активность зеленого чая при размерах частиц менее 1000 нм стократно превышает таковую у тех же сортов чая при обычной степени помола.

     То  же самое можно сказать и о  пищевых добавках, о микроэлементах. Примером может служить селен. Этот жизненно важный элемент в виде неорганического вещества обычно не усваивается организмом человека. Поэтому необходимо синтезировать сложные органические соединения селена — только ими имеет смысл обогащать пищу. Это чрезвычайно важно для тех регионов, где почва обеднена селеном, например для Китая. Да и в России есть такие территории, где жители не получают селен с пищей. Теперь установлено, что наночастицы селена можно стабилизировать в виде водной дисперсии, которая, в отличие от обычной, хорошо усваивается организмом. Понятно, что селеновую добавку в такой форме проще изготовить и будет она значительно дешевле. 

     Нановитамины 

     Есть большая группа биологически активных веществ, которые не надо особым образом измельчать, — это витамины и ароматизаторы. Они успешно выполняют свою функцию, будучи просто индивидуальными химическими веществами. Здесь другая проблема: эти вещества надо защищать, чтобы они раньше времени не разлагались и не улетучивались. Поэтому такие вещества научились заключать в специальные микрокапсулы, компонент микроэмульсий.

     Очень интересны микроэмульсии, стабилизированные  циклодекстринами. Молекулы этих циклических углеводов имеют полость диаметром 0,5-0,8 нм, способную вместить 6-17 молекул воды. Небольшие органические молекулы могут замещать воду в полости циклодекстрина, при этом происходит так называемая супрамолекулярная инкапсуляция. По существу, в данном случае мы имеем дело с молекулярным дизайном пищевых ингредиентов. Так удается получать дисперсии частиц, заключенных в молекулярные полости размером менее 1 нм, причем такие ассоциаты устойчивы вплоть до 200°С.

     Эти композиции хороши тем, что пищевая  добавка, спрятанная в полость, может вытесняться другими компонентами среды, имеющими большее сродство к молекуле циклодекстрина. Этот процесс может происходить уже во рту у человека, и если циклодекстрин удерживал ароматические или вкусовые вещества, то вкус и аромат еды будут открываться в самый нужный момент. Аналогичным образом можно получить комплексы гидрофобных витаминов групп A, D, E и К, которые можно будет употреблять без жиров.

     Но  обычно лишь небольшая часть биодобавки, потребляемой с пищей, усваивается организмом. Причин много: эти вещества слишком быстро, не задерживаясь, проскакивают через желудок, плохо растворяются в пищеварительном тракте и проникают через стенки кишечника, да еще разрушаются либо во время приготовлении пищи из-за воздействия температуры, кислорода и света, либо, проходя через желудочно-кишечный тракт и пищевод, под действием кислот и ферментов. Поэтому биологически ценное вещество хорошо бы защитить и доставить точно по месту в целости и сохранности. Роль защитника и транспортного средства для витаминов, пробиотиков, биоактивных пептидов, антиоксидантов и т. п. успешно играют глобулярные белки, в частности сывороточный белок. Захватывая и обволакивая частицы пищевой добавки, они повышают их биологическую усвояемость. Это особенно важно для малорастворимых липидов (каротиноидов, фитостеролов). Глобулярные белки в зависимости от условий могут образовывать частицы микро- и наноразмеров, причем сегодня уже удается получать глобулы размером от 2 до 40 нм.

     Оказалось, что наноглобулы не только хорошо сорбируются стенками кишечника, тем  самым продлевая жизнь биодобавки в организме и улучшая ее всасывание, но еще и успешно проникают во внутриклеточное пространство, обеспечивая целевую доставку продукта.

     Перспективность глобулярных наноносителей получила экспериментальное подтверждение. Однако остаются вопросы. Пока не известно в деталях, как ведет себя такой ассоциат на всем пути от витаминизированного продукта до выделения из глобул молекул витамина в организме человека. Здесь нужны масштабные и трудоемкие исследования.

     Сферические носители пищевых добавок — не единственные описанные в литературе. Сегодня в арсенале исследователей появился трубчатый пищевой белок. Оказалось, что молочный белок а-лактальбумин в определенных условиях может формировать трубки. Длина такой трубки составляет тысячи нанометров, внешний диаметр равен 20 нм, внутренний — 8 нм.

     Такие трубки могут выдерживать термообработку при 72°С в течение 40 с. Они устойчивы  к замораживанию и высушиванию. Кроме того, они довольно прочны. В этих трубках можно «вырезать» отверстия, отдельные фрагменты трубок, а можно «разрезать» сами трубки. Если такие трубки заполнить биологически активными компонентами — витаминами, ферментами, — то получится отличное транспортное средство для доставки ценных веществ в организм. У этих трубок есть еще одна поразительная особенность: процесс их самосборки-дезинтеграции обратим. Значит, мы можем управлять этим процессом в организме или пищевом продукте и знаем, как это сделать — изменяя рН и концентрацию ионов кальция. Сегодня исследователи разрабатывают способы контролируемо открывать и закрывать отверстия нанотрубок с помощью липидных «крышек».

     Также белковые нанотрубки способны формировать гели. Интересно, что такие гели устойчивы к линейной деформации, но если просто встряхнуть кювету с гелем, то он немедленно становится текучим. После встряхивания структура геля самопроизвольно восстанавливается в течение нескольких часов. Такие белковые структуры интересно попробовать на роль загустителей и желатинирующих агентов нового поколения. Гели, полученные с их помощью, прозрачны и контролируемо обратимы. 
 
 
 

     Нанокремний 

     Для полноты картины следует рассказать об инертных неорганических носителях  пищевых биодобавок — нанопорошках кремния (нанокремний). Такие порошки легко биодеградируют в желудочно-кишечном тракте, но исключительно стабильны в пищевых продуктах и напитках. Их уже испробовали в качестве носителей витаминов, рыбьего жира, ликопена и кофермента Q10. Эти вещества, сорбированные на наночастицах носителя, «приобретают благоприятные кинетические характеристики растворения в организме», то есть лучше проникают в клетки и лучше усваиваются. Интересно, что и сам носитель, нанокремний, преобразуется в кишечнике в ортокремниевую кислоту, которая нужна для формирования костных тканей. 

     Наотехнологические  пищевые продукты рынке 

     Мировой объем продаж нанопродуктов в пищевом секторе растет, и, судя по всему, такая тенденция сохранится и в дальнейшем. Но говорить о том, что нанотехнологий уже прижились в пищевой промышленности, пока рано. Начало этого процесса было положено в 2000 году, когда американская компания «Kraft Foods» основала первую нанотехнологическую лабораторию и консорциум «Nanotek», охватывающий 15 университетов разных стран и национальные исследовательские лаборатории. Уже в 2004 году мировая копилка насчитывала более 180 нанотехнологических разработок, находящихся на разных стадиях внедрения в пищевые отрасли.

     Среди пищевых «нанопродуктов», которые  уже поступили или поступят в продажу, можно отметить молочный продукт с наночастицами для более быстрого усвоения кальция (производство компании «Campina»). Он был рассчитан на пожилых людей, однако они не проявили должного интереса, и продукт пришлось вывести с рынка. А в Австралии изготовили экспериментальную партию хлеба с добавлением нанокапсул, содержащих жир тунца. Эти нанокапсулы обеспечивают хлеб дополнительными питательными веществами, но при этом сам продукт не пахнет рыбой.

     К марту 2006 года на мировом рынке были доступны более 200 пищевых продуктов, помеченных индексом «нано». Среди стран, на потребительском рынке которых имеются продукты с такой маркировкой, лидируют США (126 наименований), далее следует продукция компаний Азиатского региона (42) и Европы (35), продукция всех остальных стран представлена только семью наименованиями. При этом лишь в нескольких странах, например в США, Великобритании, Японии и Китае, существуют законодательные документы, позволяющие в какой-то степени регулировать и регламентировать пищевые нанотехнологии.

     Но до сих пор не узаконена обязательная маркировка таких товаров, как это делается для генетически модифицированных продуктов. Соответственно нет и стандартов, на которые следует ориентироваться. На рынке пищевой продукции можно столкнуться с различной маркировкой, например «нанопища» (nanofood) или «пища ультратонкого помола» (ultrafine food). При этом трудно разобраться, насколько такие продукты действительно соответствуют категории «нано». В Западной Европе потребитель более осведомлен и требователен, а правила декларирования нового продукта более жесткие. Поэтому лишь немногие производители маркируют свои товары как «нанопродукт» или «продукт, произведенный по нанотехнологии». Эту информацию выгоднее скрывать. И можно предположить, что в действительности на рынке присутствует значительно больше товаров, содержащих нанокомпоненты, чем это официально декларировано. Совершенно иная ситуация характерна для стран Юго-Восточной Азии. Здесь марка «нано» популярна и способствует продвижению товара. Пользуясь отсутствием жестких критериев, производители присваивают марки «нано» даже тем продуктам, которые этой категории никак не соответствуют. Особенно это характерно для Китая, Тайваня и Гонконга.

     Пока  нет ясного понимания рисков, связанных  с нанопищей, нет четких определений понятия «нанопродукт» и публичных дебатов, существует опасность, что путь пищевых нанопродуктов на рынок будет перекрыт, а пищевая промышленность лишена преимуществ, обеспечиваемых нанотехнологиями. Поэтому сегодня необходимо разработать систему норм и правил, обстоятельно и всесторонне регламентирующих создание пищевых нанопродуктов. Система должна включать четкие определения, стандарты, аналитические методики, оценку безопасности и регламентацию процедуры внесения индекса «нано» на товарные этикетки.