2014-04-15

Наноїжа вже поряд

4.5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.50 (3 голосів)

Нанотехнологічний бум, що вибухнув в останні роки, сьогодні охоплює ледь не всі галузі промисловості. Сплави, кераміка, нові матеріали різного призначення, каталізатори, ліки, енергетичні установки, електроніка - скрізь знаходиться нанотехнологічний слід. Харчова промисловість не стала виключенням. І хоча дослідження в цій області ще не на слуху, підготовка до впровадження нанотехнологій у харчові виробництва йде дуже активно. Сьогодні близько 200 компаній у різних країнах ведуть дослідження і розробки в області створення "нанопродуктів". Однак переважна більшість розробок поки знаходиться на початкових лабораторних етапах. Тим цікавіше довідатися, які нанотехнологічні добавки знайдуть своє місце у харчовій індустрії.

Чи потрібні нанотехнології в їжі?

Перші публікації відносно нанотехнологій у харчових галузях з'явилися лише наприкінці XX — початку XXI століття. А зараз їхня кількість наростає подібно до лавини. Якоюсь мірою це запізнення можна пояснити відомим і цілком зрозумілим консерватизмом ринку харчових продуктів, твердими стандартами виробництв і високими вимогами до якості продукції. Дійсно, харчова безпека наноматеріалів поки що недостатньо вивчена. Та й з погляду промисловості висока дисперсність харчового продукту — не завжди благо. Якщо, приміром, подрібнити борошно, цукрову пудру або розчину каву до нанорівня, то скільки ж коштовного "пилу" полетить при розфасовці продукту?!

Утім, багато харчових продуктів і без усяких нанотехнологій містять частки розміром 1-1000 нм. Звичайно вони розглядаються як об'єкти класичної колоїдної хімії. Жирові краплі розміром близько 50 нм зустрічаються в молоці, розміри часток харчових білків, що мають глобулярну будівлю, складають десятки і сотні нанометрів, лінійні полісахариди — це, по суті, одномірні структури товщиною менш 1 нм, а полісахариди крохмалю збираються в тривимірні наноструктури товщиною порядку 10 нм.

А може розробка спеціальних технологій для виробництва харчових нанопродуктів не настільки вже необхідна? Аргументи «за» з'явилися в той момент, коли дослідники навчилися цілеспрямовано одержувати дисперсні системи з частками в 1-100 нм, контролювати їхню будову і фракційний склад. Виявилося, що наночастинки завдяки розвинутій поверхні (незрівнянно більшій, ніж у мікрочастинок) володіють підвищеною біологічною активністю. А завдяки здатності проникати в клітини вони могли б служити відмінним транспортним засобом для біологічно активних речовин (БАР), які додають у їжу, щоб зробити її більш корисною.

Є й інші причини підвищеної уваги до харчових нанотехнологій. Платою за автомобілізацію і комп'ютеризацію стали малорухомий спосіб життя і, як наслідок, — ожиріння. Тому виникла об'єктивна потреба в продуктах — молоці, сирі, сметані, кондитерських кремах, морозиві і т.п. — зі зниженим вмістом жиру. Але якщо жиру в продуктах стає менше, то відповідно менше буде жиророзчинних вітамінів і інших БАР. Як виготовити знежирену, але збалансовану їжу, не збіднену вітамінами? У рішенні цієї проблеми ключову роль повинні зіграти нанотехнології.

Сьогодні фахівці в області харчових технологій називають п'ять областей, де бажане застосування нанотехнологій. Це просте здрібнювання продукту до наночастин, виготовлення різних нанодобавок, що поліпшують їжу, нанофільтрація для поліпшення якості продуктів, біосенсори для контролю якості харчових продуктів і харчові упаковки нового покоління, у яких продукти довго не псуються. Ми зупинимося лише на перших трьох областях застосування.

Наночай

Що буде, якщо, скажемо, звичайний чай подрібнити до нанопорошка? Виявляється, це питання вже переведене в практичну площину. У патентах описані нанопорошки і емульсії рослин, традиційно уживаних в їжу, у тому числі зеленого чаю, а також нанодисперсії прополісу у виді порошку або таблеток. Виявляється, антиоксидантна активність зеленого чаю при розмірах часток менше 1000 нм сторазово перевищує таку в тих же сортах при звичайному ступені помелу. (Цікаво, скільки такої нанозаварки потрібно класти в чайник? Напевно, економія вийде божевільна.)

Те ж саме можна сказати і про харчові добавки, про мікроелементи. Прикладом може служити селен. Цей життєво важливий елемент у виді неорганічної речовини звичайно не засвоюється організмом людини. Тому необхідно синтезувати складні органічні сполуки селену — тільки ними є сенс збагачувати їжу. Це надзвичайно важливо для тих регіонів, де ґрунт бідний на селен, наприклад для Китаю. Тепер встановлено, що наночастини селену можна стабілізувати у виді водної дисперсії, яка, на відміну від звичайної дисперсії, добре засвоюється організмом. Зрозуміло, що селенову добавку в такій формі простіше виготовити і буде вона значно дешевшою.

Нановітаміни

Але є велика група біологічно активних речовин, які не треба особливо подрібнювати, — це вітаміни й ароматизатори. Вони успішно виконують свою функцію, будучи просто індивідуальними хімічними речовинами. Тут інша проблема: ці речовини треба захищати, щоб вони завчасно не розкладалися і не зникли. Тому такі речовини навчилися укладати в спеціальні мікрокапсули, компонент мікроемульсій.

Дуже цікаві мікроемульсії, стабілізовані циклодекстринами. Молекули цих циклічних вуглеводів мають порожнину діаметром 0,5-0,8 нм, здатну вмістити 6-17 молекул води. Невеликі органічні молекули можуть заміщати воду в порожнині циклодекстрину, при цьому утворюються сполуки типу «гість-хазяїн» — відбувається так звана супрамолекулярна інкапсуляція. Власне кажучи, у даному випадку ми маємо справу з молекулярним дизайном харчових інгредієнтів. Так вдається одержувати дисперсії часток, укладених у молекулярні порожнини розміром менш 1 нм, причому такі асоціати стійкі аж до 200°С.

Ці композиції гарні тим, що харчова добавка, захована в порожнину, може витіснятися іншими компонентами середовища, які мають більшу спорідненість з молекулою циклодекстрину. Цей процес може відбуватися уже в роті в людини, і якщо циклодекстрин утримував ароматичні або смакові речовини, то смак і аромат їжі будуть відкриватися в найбільш потрібний момент. Аналогічним чином можна одержати комплекси гідрофобних вітамінів груп A, D, Е і К, які можна буде вживати без жирів.

Правда, циклодекстрини — не ідеальні носії включених добавок. По-перше, в них мала ємність. Розмір порожнини шестичленних ?-циклодекстринів така, що дозволяє захоплювати не більш 11 % цільової речовини від їхньої маси. По-друге, біологічно активні сполуки, розміри молекул яких перевищують розмір порожнини циклодекстринів, украй рідко утворюють сполуки включення. Нарешті, циклодекстрини поки ще дорогі. Тому навряд чи в найближчому майбутньому вони знайдуть широке застосування в медицині і харчовій промисловості.

Ставка на білки

Однак проблема залишається. Звичайно лише невелика частина біодобавок, що споживаються з їжею, засвоюється організмом. Причин багато: ці речовини занадто швидко, не затримуючись, проскакують через шлунок, погано розчиняються в травному тракті і проникають через стінки кишечнику, плюс вони ще й руйнуються під час готування їжі через вплив температури, кисню і світла, або, проходячи через шлунково-кишковий тракт і стравохід, під дією кислот і ферментів. Тому біологічно цінну речовину вартувало б захистити і доставити точно до місця цілою і неушкодженою. Роль захисника і транспортного засобу для вітамінів, пробіотиків, біоактивних пептидів, антиоксидантів і т.п. успішно грають глобулярні білки, зокрема сироватковий білок. Захоплюючи й обволікуючи частки харчової добавки, вони підвищують їхню біологічну засвоюваність. Це особливо важливо для малорозчинних ліпідів (каротиноїдів, фітостеролів). Глобулярні білки в залежності від умов можуть утворювати частки мікро- і нанорозмірів, причому сьогодні уже вдається одержувати глобули розміром від 2 до 40 нм. Виявилося, що наноглобули не тільки добре сорбуються стінками кишечнику, тим самим продовжуючи життя біодобавкам в організмі і поліпшуючи її засвоювання, але ще й успішно проникають у внутрішньоклітинний простір, забезпечуючи цільову доставку продукту.

Перспективність глобулярних наноносіїв отримала експериментальне підтвердження. Однак залишаються питання. Ми поки що не знаємо в деталях, як поводиться такий асоціат на всьому шляху від вітамінізованого продукту до виділення з глобул молекул вітаміну в організмі людини. Тут потрібні масштабні і трудомісткі дослідження.

Сферичні носії харчових добавок — не єдині описані в літературі. Сьогодні в арсеналі дослідників з'явився трубчастий харчовий білок. Виявилося, що молочний білок ?-лактальбумін у визначених умовах може формувати трубки. Довжина такої трубки складає тисячі нанометрів, зовнішній діаметр дорівнює 20 нм, внутрішній — 8 нм. Як народжується така структура? Спочатку ?-лактальбумін частково гідролізується під впливом протеази з Bacillus licheniformis. При цьому утворюються похідні білка з різними молекулярними масами — від 10 до 14 кда. З цієї суміші в присутності іонів кальцію і формується концентрична трубка.

Такі трубки можуть витримувати термообробку при 72°С протягом 40 с. Вони стійкі до заморожування і висушування. Крім того, вони досить міцні: модуль Юнга складає порядку 0,1 ГПа. Це багато: модуль Юнга для живих клітин — 10-2—10-4 МПа, а для міцел казеїну — 10-1 мПа. У цих трубках можна "вирізувати" отвори, окремі фрагменти трубок, а можна "розрізати" самі трубки. Якщо такі трубки заповнити біологічно активними компонентами — вітамінами, ферментами, — то ми одержимо відмінний транспортний засіб для доставки цінних речовин в організм. У цих трубок є ще одна разюча особливість: процес їхньої самозбірки-дезінтеграції зворотний. Виходить, ми можемо керувати цим процесом в організмі або харчовому продукті і знаємо, як це зробити — змінюючи рн і концентрацію іонів кальцію. Сьогодні дослідники розробляють способи контрольовано відкривати і закривати отвори нанотрубок за допомогою ліпідних "кришок".

А ще білкові нанотрубки здатні формувати гелі. Цікаво, що такі гелі стійкі до лінійної деформації, але якщо просто струснути кювету з гелем, то він негайно стає текучим. Після струшування структура гелю самостійно відновлюється протягом декількох годин. Зрозуміло, що такі білкові структури цікаво спробувати на роль згущувачів і желатинуючих агентів нового покоління. Гелі, отримані з їхньою допомогою, прозорі і контрольовано оборотні.

Нанокремний і нанофільтрація

Для повноти картини варто розповісти про інертні неорганічні носії харчових біодобавок — нанопорошки кремнію. Такі порошки легко біодеградують у шлунково-кишковому тракті, але винятково стабільні в харчових продуктах і напоях. Їх уже випробували як носіїв вітамінів, риб'ячого жиру, лікопену і коферменту Q10. Ці речовини, сорбовані на наночастинках носія, "набувають сприятливих кінетичних характеристик розчинення в організмі", тобто краще проникають у клітини і краще засвоюються. Цікаво, що і сам носій, нанокремній, перетворюється в кишечнику в ортокремнієву кислоту, яка потрібна для формування кісткових тканин.

Не менш важливий додаток нанотехнологій у харчовій індустрії — нанофільтрація. Вона займає нішу між ультрафільтрацією і зворотним осмосом, оперуючи тисками від 5 до 50 бар. Звичайно наномембрани "відсікають" молекули масою 200-1000 і вище. Полімерні нанофільтраційні мембрани, як правило, гірше пропускають заряджені частки, ніж нейтральні молекули. Сьогодні їх уже використовують для виділення ферментів і глутаміну з культуральної рідини, для видалення біогенних амінів з ферментованих і неферментованих напоїв, демінералізації вин, соків, молочної сироватки, а також для одержання питної води.

Нанофільтрація підходить і для виділення цінних компонентів їжі, наприклад ксилози. Вона не поступається за солодкістю сахарозі, але на відміну від неї не викликає карієсу, тому її використовують як альтернативний підсолоджувач у кондитерських виробництвах. Ксилозу одержують разом з іншими моносахаридами, лігносульфонатами і неорганічними речовинами при гідролізі целюлози. Як виділити ксилозу з целюлозного гідролізата? Фінські дослідники запропонували робити це за допомогою нанофільтрації і продемонстрували успішність підходу на нанофільтруючих гідрофільних мембранах Desal-5 DK, Desal-5 DL (GE Osmonics, США) і NF270 (Dow Liquid Separations, США). Виявилося, що цей спосіб простіший і дешевший.

Нанофільтрацію часто застосовують разом з ультрафільтрацією і мікрофільтрацією. Наприклад, натуральний харчовий барвник із солодкої картоплі успішно виділяють послідовним фільтруванням на каскаді мембран з діаметром пор 0,01 -0,20 мкм, 2-10 нм і 1 нм. Аналогічні каскади пропонують застосовувати для видалення вуглеводів, зокрема лактози, з молока, а також бактерій і ферментів при готуванні напоїв.

А якщо модифікувати поверхню мембрани наночастинками срібла, то можна одержати бактерицидні фільтри.

На ринку

Світовий обсяг продажів нанопродуктів у харчовому секторі росте, і, зважаючи на все, така тенденція збережеться і надалі. Але говорити про те, що нанотехнології вже прижилися в харчовій промисловості, поки рано. Початок цього процесу було покладено в 2000 році, коли американська компанія «Kraft Foods» заснувала першу нанотехнологічну лабораторію і консорціум «Nanotek», що охоплює 15 університетів різних країн і національні дослідницькі лабораторії. Вже в 2004 році світова скарбничка нараховувала більш 180 нанотехнологічних розробок, що знаходяться на різних стадіях впровадження в харчовій галузі.

Серед харчових "нанопродуктів", що вже надійшли або надійдуть у продаж, можна відзначити молочний продукт із наночастинками для більш швидкого засвоєння кальцію (виробництво компанії "Campina"). Він був розрахований на людей похилого віку, однак вони не виявили належного інтересу, і продукт довелося вивести з ринку. А в Австралії виготовили експериментальну партію хліба з додаванням нанокапсул, що містять жир тунця. Ці нанокапсули забезпечують хліб додатковими живильними речовинами, але при цьому сам продукт не пахне рибою.

До березня 2006 року на світовому ринку були доступні більше 200 харчових продуктів, позначених індексом "нано". Серед країн, на споживчому ринку яких є продукти з таким маркуванням, лідирують США (126 найменувань), далі йде продукція компаній Азіатського регіону (42) і Європи (35), продукція всіх інших країн представлена тільки сімома найменуваннями. При цьому лише в декількох країнах, наприклад у США, Великобританії, Японії і в Китаї, існують законодавчі документи, що дозволяють у якомусь ступені регулювати і регламентувати харчові нанотехнології. У США це Toxic Substances Control Act, Occupational Safety and Health Act, Food Drug and Cosmetic Act і основні закони по охороні навколишнього середовища. На міжнародному рівні створенням таких актів повинна займатися комісія Codex Alimentarius.

До речі, офіційна сертифікація будь-яких нанопродуктів на державному рівні була уперше введена в Тайвані: тут у 2005 році був вироблений сертифікат «Nano Mark». Продукція, що має таку марку, повинна відповідати щонайменше двом вимогам: 1) один з розмірів часток основного продукту або добавки, що міститься в ньому, повинен бути в межах від 1 до 100 нм; 2) нанопродукт повинен мати принципово нові споживчі властивості або поліпшені характеристики саме завдяки вищевказаній дисперсності. Усього сертифіковано 42 найменування, і жоден з цих продуктів не відноситься до харчових, наприклад — антимікробний фотокаталітичний кахель з нанодисперсним діоксидом титану. Однак інтервал 1-100 нм, імовірно, можна буде застосовувати і до харчових продуктів.

З іншого боку, дотепер не узаконене обов'язкове маркування таких товарів, як це робиться для генетично модифікованих продуктів. Відповідно немає і стандартів, на які варто орієнтуватися. На ринку харчової продукції можна зіткнутися з різним маркуванням, наприклад "наноїжа" (nanofood) або "їжа ультратонкого помелу" (ultrafine food). При цьому важко розібратися, наскільки такі продукти дійсно відповідають категорії "нано". У Західній Європі споживач більш обізнаний і вимогливий, а правила декларування нового продукту більш тверді. Тому лише деякі виробники маркують свої товари як "нанопродукт" або "продукт, зроблений за нанотехнологією". Цю інформацію вигідніше ховати. І можна припустити, що в дійсності на ринку присутні значно більше товарів, що містять нанокомпоненти, ніж це офіційно декларовано. Зовсім інша ситуація характерна для країн Південно-Східної Азії. Тут марка "нано" популярна і сприяє просуванню товару. Користуючись відсутністю твердих критеріїв, виробники присвоюють марки "нано" навіть тим продуктам, які цій категорії ніяк не відповідають. Особливо це характерно для Китаю, Тайваню і Гонконгу.

Поки немає ясного розуміння ризиків, пов’язаних з нанопїжею, немає чітких визначень поняття "нанопродукт" і публічних дебатів, існує небезпека, що шлях харчових нанопродуктів на ринок буде перекритий, а харчова промисловість позбавлена переваг, забезпечених нанотехнологіями. Тому сьогодні необхідно розробити систему норм і правил, які б докладно і всебічно регламентували створення харчових нанопродуктів. Система повинна включати чіткі визначення, стандарти, аналітичні методики, оцінку безпеки і регламентацію процедури внесення індексу "нано" на товарні етикетки.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus