Особенности современных технологий производства пищевых продуктов. Нанотехнологии

1.2 Применение нанотехнологий в производстве пищевых продуктов из животного сырья

Среди пищевых «нанопродуктов», которые уже поступили или готовятся поступить в продажу, можно отметить молочный продукт с наночастицами для более быстрого усвоения кальция, произведенный компанией Campina. Он был рассчитан на пожилых людей. Однако они не проявили должного интереса, и продукт пришлось вывести с рынка. Другая компания, NutraLease, разработала новые носители для пищевых добавок, таких как ликопен, бета-каротин, лутеин и фитостерины. Продукт NutraLease способствовал лучшему усвоению питательных веществ. По данным отчета Israel Life Science Industry, в качестве носителей NutraLease использовала наноразмерные структуры и естественные агрегированные макромолекулы, рассредоточенные в воде вместе с пищевыми добавками. В Австралии недавно был проведен эксперимент по добавлению нанокапсул, содержащих жирные кислоты Омега-3, в хлеб популярной марки Tip Top Bread. По данным производителя, нанокапсулы, содержащие жир тунца, обеспечили хлеб дополнительными питательными веществами, при этом сам продукт не приобрел запаха рыбы [7, с.42].

В животноводстве и птицеводстве нанотехнологии целесообразно использовать в технологических процессах, где они дают вспомогательное превосходство. При формировании микроклимата в помещениях, где содержатся животные и птицы, их использование позволяет заменить энергоемкую приточно-вытяжную систему вентиляции электрохимической очисткой воздуха с обеспечением нормативных параметров микроклимата: температура, влажность, газовый состав, микробиообсемененность, запыленность, скорость движения воздуха, устранение запахов с сохранением тепловыделений животных.

В животноводстве и птицеводстве при приготовлении кормов нанотехнологии обеспечивают повышение продуктивности в 1,5-3 раза, сопротивляемость стрессам, и падеж уменьшается в 2 раза. Наноустройства, которые могут имплантироваться в растения, животных, позволяют автоматизировать многие процессы и передавать в реальном времени необходимые данные [10].

В молочной промышленности нанотехнологии используются для создания продуктов функционального назначения. Развивается направление насыщения пищевого сырья биоактивными компонентами (витамины в виде наночастиц). Нанотехнологии и наноматериалы (в частности, наносеребро, наномедь и другие) находят широкое применение в фильтрах и других деталях оборудования молочной промышленности для ингибирования процессов брожения и скисания молока, дезинфекции сельскохозяйственных помещений и инструментов, при упаковке и хранении молочнокислых пищевых продуктов.

Производство функциональных протеинов из сырья животного происхождения и целевых продуктов с улучшенными биологическими свойствами на их основе.

Проект компании Росана нацелен на промышленное внедрение технологий производства функциональных белковых соединений для пищевой, косметической, микробиологической, кормовой и ряда других отраслей промышленности. Общий бюджет проекта составит более 4 млрд. рублей [8, с.14].

В рамках проекта на базе компании «Росана» будут созданы производственные комплексы, способные перерабатывать 80 тонн мясного и 120 тонн перьевого сырья ежесуточно. Из этого сырья на заводе будут производиться функциональные протеины: кератин пера и мясной протеин, а также продукты их переработки с помощью микра- ультра- и нанофильтрации - функциональные нанокомпозиции с целенаправленно выделенными низкомолекулярными белковыми фракциями (пептиды, олигопептиды и аминокислоты). Функциональные кератины пера, содержащие большое количество цистеина и других серусодержащих аминокислот, применяются для производства специализированных кормов для животных, а также в косметической, фармацевтической и биотехнологической индустриях. Выделенный из мясного сырья функциональный мясной протеин имеет полноценный аминокислотный состав, в частности, содержит большое количество аминокислот, стимулирующих образование мышц – изолейцина, лейцина и валина. Функциональные нанокомпозиции на основе полученного мясного протеина обладают гипоаллергенными, иммуномодулирующими и антиоксидантными свойствами. Благодаря этому они используются в сфере производства продуктов диетического, детского, спортивного, а также зондового питания [8, с.15].

Проектом также предусматривается создание отдельного предприятия по производству конечных продуктов, обогащенных функциональным мясным протеином или нанокомпозициями на его основе. Конечными продуктами этого производства станут готовые к употреблению бульоны и супы в сухой форме, а также напитки и коктейли, обладающие высокой пищевой и биологической ценностью. Продуктовая линейка имеет широкий диапазон и предусматривает позиционирование продуктов как в сегментах функционального, здорового и специализированного питания, так и в нишах продуктов быстрого приготовления. Эти продукты могут быть рекомендованы для питания людей, испытывающих ежедневные повышенные физические нагрузки (военнослужащие, сотрудники МЧС, шахтеры, спортсмены и так далее).

Объем мирового рынка белковых ингредиентов в 2012 году составил 16,9 млрд. долларов. Увеличение численности населения и уровня потребления белковых продуктов приводит к прогнозируемому возрастанию долгосрочного темпа роста рынка с 5,7% до 6,6% в год [11].

Объем рынка белковых ингредиентов в расчете на человека в Европе в 2012 г составил 15,4, а в России 3,34 USD, что свидетельствует о значительном потенциале для роста российского рынка.

На предприятиях пищевой и перерабатывающей промышленности России ежегодно образуется около 25 млн. тонн сырья, приемлемого для реализации проекта.

При существующем дефиците белка в рационе населения страны данная ситуация является парадоксальной - многокомпонентное сырье, содержащее большое количество биологически активных соединений, но не нашедшее эффективного применения в традиционных производственных схемах пищевой промышленности просто уничтожается. Целью проекта является принципиальное изменение подобного устройства вещей.

1.3 Применение нанотехнологий в производстве пищевых продуктов из растительного сырья

Переработка растительного сырья имеет свою специфику и в настоящее время широкое применение в сельском хозяйстве нашло оборудование использующее механодинамический процесс, который подразумевает непосредственное механическое воздействие твердых тел на обрабатываемую среду и в ней содержащиеся частицы. Разработка новых технологий, основанных на нанотехнологиях предусматривают получение многокомпонентных сред с размером частиц, по данным зарубежных физиков, меньше одного микрометра, а по определению отечественных ученых - до 100 нанометров [12].

Наиболее подходящими методами переработки пищевого сырья по нанотехнологиям являются:

- гидродинамическая кавитация;

- электрогидравлический эффект [13].

Процессы переработки пищевого сырья, базирующиеся на использовании гидродинамической кавитации, связаны с физико-механическими эффектами (вибротурбулизация, ударные волны, кумуляция и др.), возникающими при коллапсе кавитационных пузырьков. Образуется мощный гидравлический удар, за которым следует удар кавитационный, возникающий из-за понижения давления за фронтом ударной волны сжатия. В результате удельная мощность, подводимая к единице объема обрабатываемой среды, на несколько порядков выше удельной мощности, выделяемой при обработке технологических сред в ультразвуковых аппаратах, вибромельницах, аппаратах вихревого слоя. Такое воздействие создает условия для протекания гидромеханических, физических и химических процессов, которые в обычных условиях затруднены или невозможны, снижаются во много раз продолжительность тепломассообмена и энергозатрат, резко увеличивается производительность и эффективность технологического оборудования [13].

Использование гидродинамической кавитации при переработке пищевого сырья способствует механотермолизу структуры воды с появлением свободных водородных связей, диспергации и гомогенизации с образованием устойчивых эмульсий, суспензий и смесей, что в конечном итоге придает продукту новые качественные показатели по вкусовым параметрам и срокам хранения.

Анализ научной литературы показал, что использование нанотехнологии для переработки растительного сырья имеют большое будущее и расширение научно-исследовательских работ в этом направлении позволит ускорить инновационное развитие пищевой отрасли.

Методы гидродинамической кавитации и электрогидравлического эффекта позволяют производить переработку растительного сырья, получая сверхмелкодисперсную величину частиц продукта, размером 0,3мкм и меньше.

Метод переработки растительного сырья, использующий гидродинамическую кавитацию при конструировании технологического оборудования имеет преимущество перед остальными, как наиболее перспективный для производства [13].

Анализ рынка показал, что мука и хлеб в России продолжают дорожать. Председатель правления Русской продовольственной компании Валерий Чешинский напомнил, что за последние полгода зерно подорожало практически в два раза, а цены на хлеб выросли в среднем на 13 процентов. А президент Российского зернового союза Аркадий Злочевский заявил, что отечественные пекарни смогут производить качественный хлеб, если его розничная составит 50-60 рублей за батон (в два раза больше сегодняшней отметки). Кроме того эксперты уверены, что даже в случае неплохого урожая в нынешнем году цена на зерно не упадет, а значит искать пути решения проблем отрасли следует совсем в другой плоскости. Современные технологии позволили бы повысить экономическую эффективность АПК. Все чаще говорят о создании благоприятной инновационной среды, и в частности о нанотехнологиях. Именно здесь ученые ищут новые точки роста. Сельское хозяйство производит свыше 12% валового общественного продукта и более 15% национального дохода России, сосредоточивает 15,7% производственных основных фондов. Достижения науки и техники позволяют резко повысить эффективность сельскохозяйственного производства, расширить ареалы производства и пр. Поэтому основное направление дальнейшего развития сельского хозяйства - его всемерная интенсификация [12].

Анализ состояния отечественной инфраструктуры наноиндустрии показывает, что, несмотря на высокое качество проводимых исследований и созданные научно-технологические заделы, инфраструктура наноиндустрии в России все еще значительно отстает от мировых нанотехнологических лидеров.

Были созданы различные элементы инфраструктуры, функционирование которых, в большей степени, направлено на генерацию новых знаний, а не на коммерциализацию результатов научной деятельности. При этом следует отметить, что создание лишь отдельных элементов инфраструктуры наноиндустрии, а не инфраструктурного комплекса, направленного на поддержку всех этапов коммерциализации технологий, не позволило полностью решить проблемы поддержки процесса коммерциализации технологий [12].

В период поиска оптимальной модели хозяйственного развития агропромышленного комплекса России, когда разрабатываются основы национальной инновационной системы, способной генерировать и коммерциализировать научные идеи, как никогда остро встает проблема разработки и внедрения новых высокоэффективных, экономически и экологически целесообразных технологий. От масштабов и результатов инновационной деятельности, развития высоких технологий зависит будущее России.

Особенно важно это для земледелия и в связи с тем, что уровень техногенного воздействия на биосферу и ее важнейшую составляющую часть - почву будет постоянно возрастать. Увеличение антропогенной нагрузки снижает устойчивость природных экосистем в целом и требует все больших затрат энергии на поддержание агроэкосистем.

Конкретным примером может служить ощутимый недостаток натуральных продуктов питания. Продукция, которая производится сейчас, вредна для здоровья человека.  Исходя из поставленных государством целей, необходимы новые подходы к земледелию, обеспечивающие максимальное снижение степени зависимости величины и качества урожая от внешних факторов. При этом нецелесообразно ориентироваться на дальнейшее увеличение применения агрохимикатов и технологий, входящих в конфликт с природной средой. Именно такие тенденции, противоречащие экологическим законам, ускоряют приближение природных катастроф. Становится совершенно ясно, что начинается новый этап развития аграрной науки и сельскохозяйственного производства. На этом этапе необходимы новые подходы к земледелию, обеспечивающие максимальное снижение степени зависимости величины и качества урожая от все больших дотаций энергии и неблагоприятных факторов окружающей среды [12].

Научная новизна агронанотехнологий заключается в том, что рассматриваемые процессы и совершаемые действия происходят в нанометровом диапазоне пространственных размеров. «Сырьем« являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы, а не привычные в традиционной технологии микронные или макроскопические объемы материала, содержащие, по крайней мере, миллиарды атомов и молекул. В отличие от традиционных технологий, для агронанотехнологий характерен «индивидуальный» подход, при котором внешнее управление достигает отдельных атомов и молекул, что позволяет создавать из них как «бездефектные» материалы с принципиально новыми физико-химическими и биологическими свойствами, так и новые классы биосистем с характерными наномеровыми размерами. Основными направлениями использования нанотехнологий и наноматериалов в сельском хозяйстве и пищевой промышленности являются производство и переработка продукции АПК, сельскохозяйственное машиностроение, технический сервис и экология. Наиболее перспективными нанотехнологиями в сельском хозяйстве являются биотехнология и генная инженерия. Основными потребителями агронанотехнологий являются в первую очередь российские сельхозпроизводители.