Нанотехнологии

Большинство полученных комплексов включения исследователи использовали для обогащения кондитерских изделий. Например, комплекс с витамином E вводили в рецептуру сахарной помадки, комплекс с витамином B2 — в рецептуру желейного мармелада, комплексы с ванилином и эфирным маслом апельсина — в сливочную и сахарную помадку. Анализ показал, что комплексы циклодекстринов в кондитерских изделиях не разрушаются при комнатной температуре в течение двух месяцев. Они не только не портят форму, структуру и консистенцию продуктов, а, наоборот, значительно улучшают их качество, повышая пищевую ценность и увеличивая сроки хранения. Важно, что для приготовления таких продуктов не требуется изменять параметры технологического процесса.

Ставка на белки

Однако проблема остается. 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. Мы пока что не знаем 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.

Нанокремний и нанофильтрация

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.

Не менее важное приложение нанотехнологий в пищевой индустрии — нанофильтрация. Она занимает нишу между ультрафильтрацией и обратным осмосом, оперируя давлениями от 5 до 50 бар. Обычно наномембраны «отсекают» молекулы массой 200-1000 Да и выше. Полимерные нанофильтрационные мембраны, как правило, хуже пропускают заряженные частицы, чем нейтральные молекулы. Сегодня их уже используют для выделения ферментов и глутамина из культуральной жидкости, для удаления биогенных аминов из ферментированных и неферментированных напитков, деминерализации вин, соков, молочной сыворотки, а также для получения питьевой воды.

Нанофильтрация подходит и для выделения ценных компонентов пищи, например ксилозы. Ксилоза не уступает по сладости сахарозе, но в отличие от нее не вызывает кариеса, поэтому ее используют как альтернативный подсластитель в кондитерских производствах. Ксилозу получают вместе с другими моносахаридами, лигносульфонатами и неорганическими веществами при гидролизе целлюлозы. Нанофильтрацию часто применяют совместно с ультрафильтрацией и микрофильтрацией. Например, натуральный пищевой краситель из сладкого картофеля успешно выделяют последовательным фильтрованием на каскаде мембран с диаметром пор 0,01-0,20 мкм, 2-10 нм и 1 нм. Аналогичные каскады предлагают применять для удаления углеводов, в частности лактозы, из молока, а также бактерий и ферментов при приготовлении напитков.

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. В США это Toxic Substances Control Act, Occupational Safety and Health Act, Food Drug and Cosmetic Act и основные законы по охране окружающей среды. На международном уровне созданием таких актов должна заниматься комиссия Codex Alimentarius.

Кстати, официальная сертификация любых нанопродуктов на государственном уровне была впервые введена на Тайване: здесь в 2005 году был выработан сертификат «Nano Mark». Продукция, имеющая такую марку, должна соответствовать по меньшей мере двум требованиям: 1) один из размеров частиц основного продукта или содержащейся в нем добавки должен быть в пределах от 1 до 100 нм; 2) нанопродукт должен обладать принципиально новыми потребительскими свойствами или улучшенными характеристиками именно благодаря вышеуказанной дисперсности. Всего сертифицировано 42 наименования, и ни один из этих продуктов не относится к пищевым, например — антимикробный фотокаталитический кафель с нанодисперсным диоксидом титана. Однако интервал 1-100 нм, вероятно, можно будет применять и к пищевым продуктам.

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.

Дебаты по поводу реальных и мнимых достоинств и недостатков пищевых нанотехнологии будут длиться, вероятно, не одно десятилетие. И хотя сегодня у нас нет никаких фактов отрицательного воздействия пищевых нанотехнологии, лучше перестраховаться и поставить процесс внедрения нанотехнологии под контроль. Этой задаче отвечает стартовавший в России в ноябре 2008 года в рамках Федеральной целевой программы проект «Разработка нормативно-методического обеспечения и средств контроля содержания и безопасности наночастиц в продукции сельского хозяйства, пищевых продуктах и упаковочных материалах». Для выполнения этого проекта в МГУПП будет создана первая эталонная аналитическая лаборатория по контролю за содержанием наноматериалов в пищевых продуктах. Правила применения нанотехнологии в пищевом секторе должны не столько ограничивать этот процесс, сколько способствовать ему. Поэтому в выработке стандартов предстоит найти золотую середину между слишком жестким и слишком либеральным подходами.

6. Сколько стоят нанотехнологии?

Последние годы ознаменовались бурным ростом интереса к нанотехнологиям и ростом инвестиций в них во всем мире. Сейчас практически во всех развитых странах действуют национальные программы в области нанотехнологий. Они имеют долговременный характер, а их финансирование осуществляется за счет средств, выделяемых как из государственных источников, так и из других фондов. Можно считать, что резкий рост нанотехнологических исследований начался лет 10 назад, когда в США стали готовить государственную программу National Nanotechnology Initiative (Национальная Нанотехнологическая Инициатива), одобренную конгрессом США в 2000 году. С тех пор средства, выделяемые правительством США на развитие нанотехнологий, постоянно росли (см. рис.).   Годовые затраты из госбюджета США на развитие нанотехнологий В США за период с 2001 по 2008 г.г. расходы на развитие нанотехнологий со стороны государства составили около 9 млрд. долларов, причем частные инвестиции в нанотехнологии примерно в 10 раз превысили правительственные, а число ученых, участвующих в нанотехнологических исследованиях, превысило 100 000 человек. В Японии с 1999 года действует японская «Национальная программа работ по нанотехнологиям». В Китае пятилетний план 2001 - 2005 включал выделение 300 млн. долларов, что позволило этой стране выйти на мировой уровень разработок. В Европейском Союзе программа развития нанотехнологий включает множество проектов, направленных на установление лидирующих позиций на ряде критических направлений, начиная с разработки наноантенн и наноустройств, и заканчивая разработкой нанороботов, способных восстанавливать больные человеческие органы. В 2007 год на тематическое направление «Нанонауки, наноматериалы и новые технологии» в ЕС было выделено три с половиной миллиарда евро. По прогнозам, в течение следующих 10 лет на развитие нанотехнологий в мире будет потрачено 3 триллиона долларов США. Лидерами по объему инвестиций в нанотехнологии в период с 2006 по 2010 гг. станут Япония (6 млрд. долларов), США (5,6 млрд. долларов) и страны Евросоюза (4,6 млрд. долларов). В 2007 году объем рынка товаров, изготовленных с применением нанотехнологий, составил около 700 млрд. долларов. По прогнозам, к 2014 году объем рынка наноиндустрии может увеличиться до 3 триллионов долларов, и эти товары составят около 20% от всех товаров, имеющихся на рынке.

Россия планирует инвестировать в развитие нанотехнологий около 200 млрд. рублей до 2015 года. Для этого была создана «Российская корпорация нанотехнологий» (РосНаноТех). Эксперты полагают, что уже в самые ближайшие годы специалист по нанотехнологиям станет одной из десяти самых востребованных профессий в России.

Прогноз развития рынка продукции нанотехнологии на 2015 г.

7. Безопасность нанотехнологий

Несмотря на то, что наночастицы уже применяются в различных отраслях науки и техники, их свойства до конца не изучены. Некоторые ученые считают небезопасным использование нанотехнологий. Они призывают не пользоваться косметикой и моющими средствами, на которых указано наличие антибактериального покрытия или нано-серебра. По их мнению, частицы, которые применяют в антибактериальных средствах, могут нанести вред печени, почкам, сердцу, а также разрушить ДНК. Эксперименты, проводимые на животных, показали, что некоторые наночастицы могут не излечить от рака, а наоборот, вызвать его. Исследования, проводимые в 2009 году в Японии, помогли выяснить, что наночастицы способны влиять на развитие мозга человеческого плода. Они способны изменить генетический материал, что может привести к невралогическим нарушениям. Эксперимент над мышами закончился тем, что самки мышей после воздействия с наночастицами, производили на свет потомство с болезнью Альцгеймера, Паркинсона, страдающее аутизмом и эпилепсией.

В США на конец июля 2007 г. по крайней мере 300 видов потребительских товаров, включая солнцезащитные кремы, зубные пасты и шампуни, делаются с использованием нанотехнологий. FDA пока разрешает продавать их, не снабжая специальной наклейкой «Содержит наночастицы». В то же время многие исследователи утверждают, что проникая внутрь такие наночастицы могут вызывать воспалительные или иммунологические реакции. Поэтому в какой-то мере, вступая в эру нанотехнологий мы ставим себя на место подопытных морских свинок. (NewScientist.com, 26 July, 2007)

8.Нанотехнологии и экология

В последнее время на фоне достижений в области нанотехнологий не раз раздаются предупреждения о возможных последствиях их внедрения. В частности, биологов и экологов заботит то как поведут себя наночастицы, попадающие в природные экосистемы. Недавно швейцарские ученые провели испытания с использованием распространенных в природе зеленых водорослей и пришли к выводу, что эти опасения несколько преувеличены.

Американские ученые обнаружили в атмосфере Земли  значительное количество наночастиц, которое продолжает увеличиваться. По их мнению, наночастицы, отражая солнечные лучи, могут серьезно изменить климат на планете, вызвав очередной Ледниковый период. Также наночастицы могут быть опасны для здоровья человека, предупреждают ученые.

Согласно выводам, представленным в исследовании, которое опубликовано в журнале Environmental Science & Technology, наночастицы, которые оказываются в окружающей среде, могут легко проникать в тела насекомых и разноситься на огромные расстояния. Осуществить такое исследование ученых побудили многочисленные сообщения об опасности наночастиц для живых организмов. «Быстрый рост производства наноматериалов вызывает серьезные опасения по поводу потенциальной опасности для окружающей среды - говорится в исследовании – Уменьшение масштаба реакции может быть критичным для биообъектов, между живыми организмами и наночастицами могут начаться взаимодействия, которых никогда не наблюдалось в естественной среде».

Нанотехнологии, безусловно, способствуют техническому прогрессу человечества - ученые регулярно рапортуют о новых успехах, способных изменить жизнь и быт людей к лучшему. Однако проблема нанотехнологий в экологии по-прежнему актуальна и исследования в этой сфере - тревожный сигнал к тому, что следует аккуратно относиться к каждой инновации. "Нано Дайджест" уже не раз писал о том, что лекарства, разработанные с использованием нанотехнологий, могут помочь в лечении раковых заболеваний. Однако некоторые наночастицы, напротив, могут вызывать рак в организме человека. Недавно высказали свое мнение по проблеме нанотехнологий в экологии и ученые из Онкологического центра Йонссона при Университете Калифорнии. По их словам, наночастицы из диоксида титана (TiO2), которые сейчас встречаются во множестве продуктов, накапливаются в организме и приводят к системным генетическим повреждениям.

9. Нанотехнологии уже давно вокруг нас

Высокие технологии, которые еще несколько десятилетий назад казались фантастикой, приходят в наш быт, чтобы сделать его более комфортным. Пользоваться технологическими новшествами легко и приятно. Словно вы нажимаете на чудо-кнопку - и получаете результат, который превышает самые.

А вообще нанотехнологии уже давно окружают нас. Большинство предметов народного потребления созданы с использованием нанотехнологий.

10.Вывод

Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности её поражают воображение, мощь – вселяет страх. Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы. Описанные технологии все же уже пройденный этап (хотя и открывающий большие дороги развития), и взоры ученых обращены к новым горизонтам. Уже сегодня имеются проекты по конструированию устройств, состоящих всего из одной молекулы. Речь идет о переключателях, шарикоподшипниках, приводах и даже целых двигателях для нанокронштейнов. Некоторые разработки ведутся в области самовоспроизводимых механизмов на базе человеческой молекулы ДНК.