Особенности современных технологий производства пищевых продуктов. Нанотехнологии

Тема Особенности современных технологий производства пищевых продуктов. Нанотехнологии

 

 

Оглавление

 

1 Обзор литературы 6

1.1 Понятие, определения, терминология 6

1.2 Применение нанотехнологий в производстве пищевых продуктов из животного сырья 11

1.3 Применение нанотехнологий в производстве пищевых продуктов из растительного сырья 14

1.4 Перспективы развития нанотехнологий 20

Заключение 27

Список использованных источников 29

 

 

 

Введение

 

Актуальность исследования обусловлена тем, что на данном этапе развития науки и техники появились возможности целенаправленно получать дисперсные системы в нанодиапазоне (1–100 нм), контролировать их строение и фракционный состав. Показано, что наночастицы, благодаря существенно большей по сравнению с более крупными аналогами поверхности, обладают повышенной биологической активностью и представляют несомненный интерес в качестве транспортных средств внедрения биологически активных веществ (БАВ) в функциональные продукты питания, укрепляющие здоровье человека. Одновременно произошли серьезные сдвиги в образе жизни и сознании людей, живущих в развитых странах.

Платой за автомобилизацию и компьютеризацию населения стал малоподвижный образ жизни и, как следствие — ожирение. Объективно возникла потребность в продуктах с пониженным содержанием жира (молоко, творог, сметана, сыр, кондитерские кремы, мороженое и т. д.). Однако при понижении содержания жира в продуктах снижается также и содержание жирорастворимых витаминов и других БАВ. Поэтому актуальна задача получения обезжиренной, но сбалансированной и витаминизированной пищи. В решении этой проблемы ключевую роль должны сыграть нанотехнологии.

Наночастицы представляют собой предельную степень дробления фазы, объединяя в своем составе несколько десятков или сотен молекул. Термин «нанотехнология» обозначает создание и применение материалов, имеющих хотя бы одно измерение в пределах нанометра (1 нм = 10^–9 м), позволяющее добиться достижения уникальных параметров процесса или свойств, обеспечиваемых исключительно малыми размерами материала [2, с.13].

Обычно к нанодиапазону причисляют частицы с размерами порядка 1–100нм. К таким объектам относятся дискретные сферические наночастицы и их агрегаты, тонкие пленки, волокна, поры и т. д.

В пищевых отраслях нанотехнологии появились с некоторым запаздыванием: первые публикации относятся лишь к концу ХХ – началу ХХI века.

В какой-то мере это объясняется определенным консерватизмом рынка пищевых продуктов, жесткими стандартами этих производств и высокими требованиями к качеству пищи. Действительно, последние исследования показывают, что вопросы пищевой безопасности наноматериалов еще недостаточно проработаны. С другой стороны, не всегда высокая дисперсность пищевого продукта является положительным фактором. Например, повышение дисперсности муки, сахарной пудры или растворимого кофе до размера наночастиц неизбежно приведет к росту пылевидных фракций и потерям при фасовании. Вместе с тем, многие пищевые продукты изначально имеют в своем составе частицы размерами 10–100 нм и традиционно рассматриваются как объекты коллоидной химии.

Таким образом, на первый взгляд, какие-то специальные нанотехнологии в пищевой промышленности не являются необходимыми. Тем не менее, в настоящее время отмечается рост числа публикаций по пищевым нанотехнологиям в мире.

Цель работы - исследовать особенности современных технологий производства пищевых продуктов на примере нанотехнологий.

Объект исследования - технологии производства пищевых продуктов.

Предмет - особенности современных технологий производства пищевых продуктов на примере нанотехнологий.

Задачи:

• раскрыть сущность понятие, дать определения нанотехнологиям, рассмотреть терминологию, связанную с нанотехнологиями;
• рассмотреть применение нанотехнологий в производстве пищевых продуктов из животного сырья;
• рассмотреть применение нанотехнологий в производстве пищевых продуктов из растительного сырья;
• наметить перспективы развития нанотехнологий в пищевой промышленности.

Теоретическую основу исследования составляют работы зарубежных и отечественных ученых в области нанотехнологий, таких как В.А.Балабанов, П.П.Мальцева, Ф. Оуэнс, М.В.Попов, Ч. Пул, И.П. Суздалев и др.

 

1 Обзор литературы

1.1 Понятие, определения, терминология

 

Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10-9м; атомы, молекулы). Греческое слово «нанос» примерно означает «гном». При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (механические, каталитические и т.д.) существенно изменяются [3, с.6].

Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения исследований явлений на атомном и молекулярном уровне и научного обоснования процессов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов. Нанонаука, таким образом, может рассматриваться как начальная стадия нанотехнологии, когда до продукции еще достаточно далеко.

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая терминология, появились сравнительно недавно.

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американского физического общества, которая называлась «Полно игрушек на полу комнаты». Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам [4, с.32].

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово «нанотехнологии». Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).

1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специальный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).

1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу «Двигатели созидания», в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией [4,с.48].

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.

2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - «прорывом года», а влиятельный бизнес-журнал Forbes - «новой многообещающей идеей». Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение «новая промышленная революция».

В целом, в настоящее время уже около 200 компаний во всем мире, включая Nestle, Kraft, Unilever, General Mills, уже ведут активные исследования и разработки в области создания «нанопродуктов». Тем не менее, несмотря на очевидный прогресс, будет правильнее сказать, что в пищевой промышленности только начинают осознавать потенциальные возможности нанотехнологий.

В первую очередь это относится к целенаправленному созданию пищевых продуктов нового поколения на основе частиц высокой дисперсности и узкого фракционного состава. Потребность в таких продуктах продиктована изменением отношения потребителя к пище, которая все больше рассматривается не только как источник питательных веществ с определенными органолептическими свойствами, но и как важный компонент поддержания здоровья. Соответственно интерес исследователей в настоящее время смещается с макрохарактеристик пищи на попытки понять взаимосвязь между нано-, супрамолекулярными и более крупными структурными элементами пищевых продуктов и их функциональностью.

Примеры нанодисперсий собственно пищевых продуктов пока сравнительно немногочисленны. Они ограничиваются приготовлением традиционно употребляемых в пищу растений в виде нанопорошков или эмульсий, в частности, получением наночастиц зеленого чая с повышенной антиоксидантной активностью, а также получением нанодисперсий прополиса в виде порошка или таблеток, в частности, было показано, что антиоксидантная активность зеленого чая при размерах частиц менее 1000 нм стократно превышает таковую у тех же сортов чая при обычной степени помола, разработан метод получения таких дисперсий [5, с.64].

Наибольшее развитие в настоящее время получили продукты с микроинкапсулированными ингредентами. Микрокапсуляция позволяет осуществлять контролируемое высвобождение биодобавки в нужном месте и в нужное время. При этом повышается ее эффективность, расширяется спектр ее применения и оптимизируется доза. Особый интерес микрокапсулирование представляет для нестабильных, особенно для легколетучих добавок (витамины, ароматизаторы). Эти весьма неустойчивые по своей природе ингредиенты могут превращаться во вполне стабильные во времени компоненты пищевых продуктов. Существенную долю работ в этой области составляют исследования в области микрокапсулирования наночастиц.

Современные технологии создания наноэмульсий позволяют получать ароматизированные напитки, соки и молоко, обогащенные витаминами, минеральными веществами и функциональными компонентами с контролируемым высвобождением биологически активных ингредиентов. Более того, возможны такие комбинации вкусовой или ароматической нанодобавки и ее оболочки, что высвобождение будет наступать только при взаимодействии продукта с рецепторами языка непосредственно в момент приема пищи. Таким способом решается проблема потери вкусовых свойств на этапах приготовления, хранения и потребления пищевого продукта. В ближайшей перспективе — создание так называемых «интерактивных» продуктов и напитков [6, с.81].

Такие продукты смогут «подстраиваться» под индивидуальный вкус и потребности каждого покупателя. Например, это могут быть напитки, меняющие цвет в зависимости от предпочтений покупателя, или пищевые добавки, распознающие аллергию потребителя на тот или иной компонент продукта.

В наноразмерном состоянии можно выделить следующие физико-химические особенности поведения веществ: увеличение химического потенциала веществ на межфазной границе высокой кривизны; большая удельная поверхность наноматериалов; небольшие размеры и разнообразие форм наночастиц; высокая адсорбционная активность и высокая способность к аккумуляции. В связи с этим, в России в 2007 г. начаты работы по оценке безопасности наноматериалов и продукции нанотехнологий. Разработана «Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов», утвержденная Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации (Постановление № 79 от 31.10.2007 года), предусматривающая создание системы методических документов для уполномоченных органов российской системы контроля нанобезопасности. В рамках реализации этих направлений в настоящее время разработаны и утверждены Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации более 45 нормативно-методических документов по следующим направлениям: определение приоритетов; количественный анализ и нормирование; отбор проб; токсиколого-гигиеническая и медико-биологическая оценка; контроль и надзор; оценка рисков и управление рисками.

Учитывая большое количество наноматериалов, весьма важным является первоначальный подход к оценке степени их потенциальной опасности на основе математического моделирования, который реализован в МР 1.2.2522-09 «Методические рекомендации по выявлению наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека». На основании этих расчетов с учетом уже имеющегося международного опыта можно определить уровень потенциальной опасности наноматериалов. При этом определенный низкий уровень потенциальной опасности не требует исследований по специфическому биологическому действию наноматериалов; средний уровень предусматривает проведение некоторых видов специальных исследований, а при наличии высокого уровня потенциальной опасности необходимо проведение полного комплекса токсиколого-гигиенических и специальных исследований. Для сведения производителей, продавцов и потребителей на сайтах Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека и НИИ питания РАМН размещены и регулярно обновляется реестр веществ и материалов, полученных с использованием нанотехнологий и разрешенных к применению на территории Российской Федерации.