Особенности современных технологий производства пищевых продуктов. Нанотехнологии

На сегодняшний день наноматериалы и нанотехнологии находят применение практически во всех областях сельского хозяйства: растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве, ветеринарии, перерабатывающей промышленности, производстве сельхозтехники и т. д.  
Так, в растениеводстве применение нанопрепаратов, в качестве микроудобрений, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности (в среднем  
в 1,5-2 раза) почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счет наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса. Ожидается также положительное влияние наномагния на ускорение (вернее сказать, на увеличение продуктивности) фотосинтеза у растений [12].

В свете последних открытий нанотехнологий изучена биологическая роль кремния в живых организмах и биологическая активность его различных (органических и неорганических) соединений. В частности, силатраны, являющиеся клеточным образованием и содержащие кремний, оказывают физиологическое действие на живые организмы на всех этапах эволюционного развития от микроорганизмов до человека. Применение кремнеорганических биостимуляторов в растениеводстве позволяет повысить холодостойкость, выносливость к жаре и засухе, помогает благополучно выйти из стрессовых погодных ситуаций (возвратные заморозки, резкие перепады температуры и т. д.), усиливает защитные функции растений к болезням и вредителям. Препараты снимают угнетающее, седативное действие химических реагентов по защите растений при комплексных обработках.

Нанотехнологии применяются при послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздуха.

Российские ученые применяют на практике экологически чистую нанотехнологию электроконсервирования силосной массы зеленых кормов электроактивированным консервантом. Делается это взамен дорогостоящих органических кислот, требующих соблюдения строгих мер техники безопасности. Такая новая нанотехнология повышает сохранность кормов до 95%. Наночастицы железа и других микроэлементов включают в состав премиксов для повышения жизнестойкости животных и их продуктивности.

1.4 Перспективы развития нанотехнологий

Проведенный анализ литературы показывает, что области применения современных нанотехнологий в пищевой промышленности весьма многообразны и, несомненно, перспективны (таблица 1).

Таблица 1 - Области применения нанотехнологий в пищевых производствах

Окончание таблицы 1

Эффективность функциональных продуктов как профилактических средств широкого спектра заболеваний определяется пролонгированием биодоступности активного ингредиента. В этом заключается основная проблема:

обычно лишь небольшая доля орально потребляемых с пищей молекул биодобавки усваивается организмом. Причинами потерь являются недостаточно долгое пребывание в желудке, малая проницаемость или низкая растворимость в пищеварительном тракте, а также деструкция активного ингредиента в процессе приготовления пищи (температура, кислород, свет) или при прохождении через желудочно-кишечный тракт и пищевод (рН, энзимы, присутствие других нутриентов). Поэтому для повышения эффективности функциональной пищи пищевик-технолог должен создать защитные механизмы, которые бы обеспечивали сохранение активной формы добавки до момента ее усвоения и ее направленный транспорт. Такими защитно-транспортными средствами могут служить глобулярные протеины, в частности сывороточный белок. Захватывая и обволакивая молекулы пищевой добавки, они существенно повышают биологическую усвояемость нутрицевтиков. Это особенно важно для функциональных плохо растворимых липидов (каротиноиды, фитостеролы). Глобулярные протеины в зависимости от способа их обработки и внешних условий могут образовывать частицы микро и наноразмеров. В последнем случае удается получать глобулы в интервале от 40 до 2 нм. [10].

Наряду с функциональными пищевыми добавками интенсивно развивается направление пищевых наноконсервантов, обладающих бактерицидными свойствами. В первую очередь здесь следует отметить различные технологии использования частиц наносеребра, в частности для стабилизации овощных соков. В МГУПП (Московский государственный университет пищевых производств) были получены данные, подтверждающие, что наночастицы серебра в составе кластеров в мицеллярном растворе обладают большей бактерицидной активностью по отношению к клеткам дрожжей, чем ионы серебра в истинном растворе. В работах кафедры «Процессы ферментации и промышленный биокатализ» МГУПП были получены данные об улучшении органолептических свойств водки в случае фильтрования полуфабрикатов через материал с нанесенными на его поверхность частицами наносеребра.

Изложенное выше показывает, что нанодисперсии пищевых продуктов, функциональных пищевых добавок и консервантов являются важным, высокотехнологичным и быстро развивающимся направлением в пищевых технологиях XXI века.

Не менее важным направлением приложения нанотехнологий в пищевой индустрии является нанофильтрация. Нанофильтрация занимает нишу между ультрафильтрацией и обратным осмосом, оперируя давлениями от 5 до 50 бар. При этом, как правило, собственно получаемый пищевой продукт наноразмеров не имеет, но благодаря применению нанофильтров его свойства могут существенно улучшаться.

В МГУПП ведутся интенсивные исследования в области нанофильтрации. Опубликован первый всесторонний отечественный аналитический обзор по получению и исследованию свойств полимерных нанофильтрационных мембран для разделения органических сред, разработан метод расчета поверхностной энергии взаимодействия заряженных частиц разбавленного раствора электролита с заряженными стенками мембранных пор. Эта энергия определяет уровень коэффициентов равновесного распределения, которые в свою очередь определяют степень задержки мембраной заряженных частиц.

Показано, что такое моделирование позволяет рассчитывать проницаемость сложно пористых нанофильтрационных мембран введением двух дополнительных структурных физико-химических параметров.

Нанофильтрацию часто применяют совместно с ультрафильтрацией и микрофильтрацией. Например, при выделении натурального пищевого красителя из сладкого картофеля успешно используется каскад мембран с диаметром пор 0,01–0,20 мкм (ультрафильтрация), далее с порами 2–10 нм и наконец — 1 нм. Аналогичные каскады предложено применять для удаления углеводов, в частности — лактозы из молока, а также бактерий и энзимов при приготовлении напитков. Существенный интерес представляет модификация поверхности мембран наночастицами. В работах МГУПП была продемонстрирована возможность пастеризации фильтрованием пива через металлокерамические мембраны с наночастицами серебра на поверхности пор.

Еще одно перспективное применение нанотехнологий в пищевых производствах касается развития методов анализа пищевых продуктов на содержание в них патогенных бактерий.

Инулин является сырьевым источником получения фруктозы, а также олигофруктозы - ценного пребиотика. Инулин также сам по себе является ингредиентом диетических и детских продуктов питания. Поэтому его аналитическое определение в технологических смесях является весьма важным для пищевых производств. Процесс анализа основывается на определении фруктозы, образующейся в результате энзиматического гидролиза инулина.

Его содержание в образце определяют по количеству фруктозы до и после гидролиза.

Наконец четвертым крупным направлением развития пищевой наноиндустрии является совершенствование упаковки пищевых продуктов. Здесь также можно выделить несколько областей приложения нанотехнологий.

Одна из интенсивно развивающихся - модификация поверхности упаковки бактерицидными фрагментами. В первую очередь, это — наночастицы серебра. Предложена бактерицидная бумажная упаковка для пищевых продуктов, сигарет и гигиенических средств (салфетки, бумажные полотенца), содержащая наночастицы серебра размером около 50 нм. Получена ламинированная упаковочная пленка из прозрачного полимера, покрытого с одной стороны нанослоем серебра, имеющая очень хороший бактерицидный эффект. Потенциальный интерес представляет материал на основе нанобромида серебра. Не менее интересны результаты введения наночастиц двуокиси титана (TiO₂) в этиленвиниловый сополимер. При этом получается материал, обладающий беспрецедентно высокими биоцидными свойствами и одновременно способный к фотодеструкции под действием солнечного света.

Другая область соприкосновения пищевой упаковки и нанотехнологий связана с нанокомпозитными материалами, способными существенно улучшить качество основного материала. Показано, что нанокомпозиты на основе дисперсий глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит) в сополимерах этилена и винилового спирта, а также в биополимере полимолочной кислоты позволяют повысить барьер проницаемости кислорода, улучшают механические свойства, повышают термоустойчивость при сохранении главных характеристик данного материала. В определенных пределах концентраций удается даже сохранять прозрачность композита. Предложено при помощи нанодисперсии монтмориллонита улучшить свойства биополимерных упаковочных покрытий на основе крахмала. При этом рабочие добавки нанодиспергированных глинистых минералов составляют 2–10 % по массе [10].

Проблема защиты окружающей среды от отходов в виде пищевой упаковки на основе традиционных плохо разлагающихся пластиков чрезвычайно актуальна. Альтернативой им является упаковка на основе таких легко биоразлагаемых биополимеров, как полисахариды, протеины и др. Однако у этих материалов, как правило, есть ряд серьезных недостатков: низкие механические свойства и высокая водопроницаемость. Решение может быть найдено за счет сочетания биополимеров c неорганическими нанодисперсиями силикатов, что позволяет увеличить прочность, снизить газопроницаемость и повысить водостойкость. Потенциал таких систем поистине огромен. Получен нановолоконный материал на основе крахмала и поливинилового спирта, который обладает нанопорами (респираторная функция) и одновременно способен к биоразложению. Нейлоновые многослойные нанокомпозиции успешно используются в бутылках для алкогольных напитков, обеспечивая защиту от кислорода, диоксида углерода, поддерживая их свежесть, и сохраняя аромат.

Наконец, нельзя не отметить такую область использования наноматериалов, как «умная упаковка» (Smart Package). Этот термин охватывает широкий спектр функциональных упаковочных материалов для пищевых продуктов, напитков, фармацевтических препаратов и предметов домашнего обихода. Упаковка может называться «умной», если она:

a) сохраняет целостность продукта и активно предохраняет пищу от порчи (продлевает время жизни продукта);

б) улучшает свойства продукта (внешний вид, цвет, вкус, запах, аромат и т. д.;

 в) активно реагирует на изменения в самом продукте или окружающей ее среде;

г) сообщает потребителю информацию о продукте, об истории продукта или его текущем состоянии;

д) помогает вскрыть продукт и сообщает о целостности крышки, а также