Современные проблемы в области аппаратурного оформления пищевых производств

71

7.ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

ИНАНОТЕХНОЛОГИЙ

7.1.Представления о технологиях наноматериалов

Официальный термин «нанотехнология» в России появился в «Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий до 2010 года», одобренной Правительством РФ (поручение Правительства РФ от 18 ноября 2004 года № МФ-П7-6194). Согласно определению, нанотехнологией является область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств размерами порядка нанометра (по системе единиц СИ 10–9 метра) [27].

Нанотехнология является междисциплинарной областью фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющей теоретическое обоснование, практические методы исследования, анализа и синтеза, а также методы производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путем контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

В настоящее время технологии наноматериалов становятся ключевым направлением в современной промышленности и науке. В долгосрочной перспективе их применение позволит повысить качество жизни людей, национальную безопасность и поддержание высоких темпов экономического роста. Изделия с применением нанотехнологий в ближайшем времени могут войти в жизнь каждого человека, позволят сэкономить невозобновляемые природные ресурсы. Стратегия развития наноиндустрии определяет главные приоритеты и организационно-правовые механизмы создания инфраструктуры нанотехнологической отрасли, в которую войдут государственные научные центры и университеты, а также лаборатории частных корпораций.

Нанотехнология – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получающие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирую-

72

щие системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии

иисследований таких объектов.

Вперспективе разработки в области нанотехнологий найдут применение в таких сферах, как авиа- и судостроение, ракетно-космическая промышленность, атомная энергетика, медицинская техника и жилищно-коммунальное хозяйство.

Ускоренное развитие работ в области наноиндустрии призвано обеспечить реализацию стратегических национальных приоритетов РФ: повышение качества жизни населения, достижение экономического роста, развитие фундаментальной науки, образования и культуры; обеспечение национальной и экономической безопасности страны.

С целью создания сбалансированной и гибкой инфраструктуры в научно-техническом и технологическом комплексе страны, которая обеспечивает ускоренное построение основ современной наноиндустрии с освоением внутреннего и внешнего рынков наукоемкой продукции, разработана Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», утвержденная Постановлением Правительства РФ № 426 от 21 мая 2013 г.

Вуказанной программе в мероприятиях по приоритетным направлениям развития науки, техники и технологий РФ индустрия наносистем и материалов занимает одно из центральных мест.

Вряду приоритетных направлений развития мировой и отечественной наноиндустрии можно выделить [28, 29] создание наноматериалов двойного назначения со специфическими эксплуатационными свойствами (прежде всего прочностными характеристиками); материалов и технологий для наноэлектроники и нанофотоники; углеродных наноматериалов и наноструктур (углеродные нанотрубки, фуллерены и др.); медицинские препаратов и биоматериалов.

ВРоссии эти направления также являются приоритетными, однако по объему выполняемых работ выделяются направления, связанные с созданием новых конструкционных и, в

73

определенной мере, функциональных материалов (металлов, сплавов, керамик, композитов).

По уровню и значимости полученных результатов Российская Федерация занимает лидирующее положение в целом ряде отраслей наноиндустрии, а именно – в области получения и изучения углеродных нанотрубок, квантовых точек, оптоэлектронных структур, спинтроники и др.

Результаты российских ученых не только не уступают зарубежным, но и превосходят их. Кроме того, в России отмечаются тенденции развития научных и прикладных исследований в области нанотехнологий и наноматериалов, позволяющие надеяться на их ускоренное совершенствование, сохранение и упрочение лидерства.

В ряду перспективных направлений развития наноиндустрии (нанотехнологий и наноматериалов) в России можно выделить следующие:

1)построение научно-технологической и метрологической базы наноиндустрии;

2)разработка наноинженерии и наносистемной техники;

3)производство функциональных и конструкционных наноматериалов;

4)исследование и внедрение нанобиотехнологии;

5)подготовка и переподготовка кадров для наноинду-

стрии.

Однако в части темпов коммерческого освоения нанотехнологий, и особенно их масштабирования до производственного уровня, Россия пока заметно уступает развитым зарубежным странам. Одной из главных причин такого отставания является критическое устаревание, а по отдельным направлениям развития нанотехнологии – практическое отсутствие научного и специального оборудования, приборов и устройств, отвечающих современным мировым требованиям, а также запаздывание в формировании других составляющих инфраструктуры наноиндустрии.

74

7.2. Обзор нанотехнологий и перспективных разработок в области пищевых производств

На основе анализа данных мировой литературы предложено классифицировать все пищевые наносистемы в виде двух категорий [30]:

водо- (жиро)растворимые (нанодисперсии витаминов, антиоксидантов, белковых препаратов);

водо- (жиро)нерастворимые (нанодисперсии глинистых минералов, серебра, селена, двуокиси титана, двуокиси кремния, оксидов цинка, железа и других переходных металлов, и т.д.).

При производстве пищи нанотехнологии используют в областях:

нанодиспергированные и наноинкапсулированные компоненты для функциональных продуктов питания;

нанофильтрация (метод фракционирования пищевого сырья, основанный на использовании полимерных мембран с диаметром пор ~1 нм и менее);

биологически активные добавки к пище.

Пищевые добавки с улучшенными функциональными свойствами классифицируют как наноконсерванты, средства улучшения вкусовых характеристик и наносенсоры.

При хранении пищи нанотехнологии используют таким образом: защитные аэрозоли (антибактериальные покрытия), упаковочные материалы, наносенсоры, наноиндикаторы.

Пищевые продукты, созданные с помощью нанотехнологий: использование наноматериалов для повышения биодоступности нутриентов; встраивание биологически активных молекул в нанокапли для улучшения всасывания; использование сложных нанокристаллов целлюлозы в качестве носителей биологически активных веществ; использование нанокапсулированных усилителей вкуса и аромата; использование нанотрубок в качестве загустителей и гелеобразователей; введение в виде нанокапсул стероидов растительного происхождения в пищевые продукты животного происхождения.

Создание новых продуктов и контроль за безопасностью пищевых продуктов: использование наноматериалов для достав-

75

ки ДНК в клетки растений для целей генной инженерии; иммобилизация антител на флуоресцентных наночастицах для обнаружения контаминантов химического происхождения и патогенных микроорганизмов; использование биодеградирующих наносенсоров для контроля за температурой хранения и влажностью продуктов; использование наноматериалов с целью селективного связывания и элиминации токсинов и патогенных микроорганизмов.

С учетом того, что в перспективе ожидается тесный контакт человека с наноматериалами, изучение вопросов потенциальных рисков их использования представляется первостепенной задачей.

Отрицательный фактор небольшого размера наночастиц позволяет им проникать через клеточные мембраны и, возможно, находиться внутри структуры ДНК или белка, тем самым изменяя их функции. Наночастицы способны легко проникать через барьеры организма и накапливаться во внутренней среде.

Факторы, определяющие токсичность наноматериалов: высокая реакционная способность наноматериалов может приводить к увеличению продукции свободных радикалов, которые ведут к повреждению ДНК; наноматериалы могут адсорбировать отдельные контаминанты и транспортировать их внутрь клетки, что резко увеличивает токсичность последних; метаболизм (некоторые наночастицы с трудом распознаются и элиминируются клетками иммунной системы); накопление в объектах окружающей среды (возможно, что наноматериалы не метаболизируются микроорганизмами и не подвергаются процессам детоксикации, что ведет к их накоплению в растительном, животном или микробном организме и в силу этого увеличивается их поступление по пищевой цепи в организм человека).

Объектами контроля нанобезопасности в пищевой промышленности являются: наноматериалы, мигрирующие из пищевой упаковки; в производстве – наночастицы, образующиеся в ходе производственного цикла; в продукции – токсичные наночастицы – контаминанты природной среды.

Перспективные разработки в области пищевых произ-

водств. Современная пищевая биотехнология представляет со-

76

бой индустрию пищевых ингредиентов – вспомогательных технологических добавок, вводимых в пищевые продукты в процессе их изготовления для повышения их полезных свойств.

Подавляющее большинство пищевых ингредиентов в настоящее время импортируется, в связи с чем организация их производства в России является актуальной, социально востребованной задачей.

Человек традиционно получает белки, жиры и углеводы (основные компоненты пищи) из животных и растительных источников. Уже сегодня эти источники не покрывают все увеличивающиеся потребности человечества. Современные методы биотехнологий в сочетании с применением ультра- и нанофильтрационных систем делают экономически обоснованным извлечение пищевого белка из широкого класса сырьевых продуктов и отходов пищевой промышленности. Таким образом, комплекс мероприятий направлен на распространение технологий, превращающих малоценные отходы в белковые продукты и компоненты с высокой добавленной стоимостью.

Ферменты, применяемые в пищевых производствах, являются продуктами с высокой добавленной стоимостью, а в России они практически не производятся. Развитие данного направления позволит создать компактный по масштабам, но высокоэффективный сектор, являющийся, с одной стороны, базой развития всех направлений пищевой отрасли, направленных на глубокую переработку сырья, с другой – производство пищевых ферментов обладает высоким экспортным потенциалом.

Развитие производства и пищевого инжиниринга продуктов данной группы – это необходимый элемент для формирования в России рынка здорового питания. Задачей данного комплекса мероприятий является создание пробиотических продуктов (пребиотики, пробиотики, синбиотики), расширение исследований и практики внедрения в ассортимент предприятий новых продуктов и комплексных решений.

К функциональным пищевым продуктам относят пищевые продукты систематического употребления, сохраняющие и улучшающие здоровье и снижающие риск развития заболеваний благодаря наличию в их составе функциональных ингредиентов.

77

Они не являются лекарственными средствами, но препятствуют возникновению отдельных болезней, способствуют росту и развитию детей, тормозят старение организма. В соответствии с мировой практикой продукт считается функциональным, если регламентируемое содержание микронутриентов в нем достаточно для удовлетворения (при обычном уровне потребления) 25–50 % от среднесуточной потребности в этих компонентах. Развитие направления является важной социальной задачей, снижающей нагрузку на сектор медицины и социальноэкономический ущерб от болезней.

Пищевые ингредиенты используются для повышения питательной ценности, удлинения срока хранения, изменения консистенции и усиления вкуса и аромата продуктов. Используемые производителями пищевые ингредиенты, как правило, имеют растительное или бактериальное происхождение. Многие аминокислотные добавки, усилители вкуса и витамины, добавляемые в пищевые продукты, производятся с помощью бактериальной ферментации. В результате реализации комплекса мероприятий биотехнология должна обеспечить производителям пищевых продуктов возможность синтеза большого количества пищевых добавок, которые в настоящее время слишком дороги либо малодоступны из-за ограниченности природных источников этих соединений.

Биотехнология предоставляет множество возможностей усовершенствования методов глубокой переработки пищевого сырья в конечные продукты: натуральные ароматизаторы и красители; новые технологические добавки, в том числе ферменты и эмульгаторы; заквасочные культуры; новые средства для утилизации отходов; экологически чистые производственные процессы; новые средства для обеспечения сохранения безопасности продуктов в процессе изготовления.

Современные технологии глубокой переработки пищевого сырья строятся на принципах безотходного производства: продукты переработки либо возвращаются в производственный цикл, либо используются в других отраслях (прежде всего в производстве парфюмерно-косметических средств, фармацевтике, сельскохозяйственном производстве). Внедрение таких тех-

79

Прогноз долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2030 года (проект разработан Минэкономразвития РФ) [32] подразумевает, что технологии живых систем призваны формировать основу для решения острейших социальных проблем, касающихся каждого человека, – профилактики и лечения наиболее распространенных и опасных заболеваний, а также обеспечения радикального повышения эффективности сельскохозяйственного производства.

Наиболее перспективные направления использования технологий живых систем связаны с интеграцией био-, нано- и информационных технологий. При этом, согласно экспертным оценкам, наиболее важными для будущего России являются разработки в сфере биосенсоров, биомедицины, клеточных, биокаталитических и биосинтетических технологий.

Основное практическое применение технологий живых систем ожидается в сфере медицины, включая методы диагностики, профилактики и лечения заболеваний. Актуальные для России темы охватывают профилактику социально значимых заболеваний (атеросклероза, ишемической болезни сердца, инфаркта миокарда и др.; выявление роли генетических факторов в патогенезе социально значимых мультифакториальных заболеваний; комплексная ДНК-диагностику наследственных заболеваний; индивидуальное генетическое тестирование, а также прогнозирование риска развития, степени тяжести течения и оценки эффективности терапии сердечнососудистых заболеваний.

В области клеточных технологий большое значение придается проведению фундаментальных исследований, направленных на выяснение молекулярных и клеточных механизмов трансформации нормальных клеток в раковые; выявление связей между популяциями нормальных, стволовых и раковых клеток, составляющих опухолевые узлы, и ключевых биомолекул при злокачественной трансформации клеток, а также раскрытие молекулярных механизмов регенерации тканей. Практическое применение этих технологий ожидается в области регенерации тканей и органов на основе стволовых клеток, получения «иммунокомпетентных клеток», систем экспрессдиагностики инсульта мозга.

80

Биосенсорные технологии являются междисциплинар-

ным направлением и охватывают молекулярную химию, генетику и физику. Они способствуют повышению качества жизни, ранней диагностике заболеваний, выявлению вредных веществ в пище и окружающей среде. В качестве наиболее важной тематики в данной области можно указать: тест-системы для диагностики рака, системных, инфекционных и наследственных заболеваний (в т. ч. лекарственно-устойчивых); биосенсоры и биочипы для клинической диагностики с использованием новых типов биологических устройств; биочипы для полуавтоматической регистрации генных маркеров наиболее значимых патологий; технологии быстрой идентификации токсических веществ и патогенов.

Прогресс геномных и постгеномных технологий создания лекарственных средств основан на задачах: установить взаимосвязь между мутациями в геноме и профилем лекарственной устойчивости патогенных микроорганизмов (туберкулеза, стрептококка, гонококка и др.); раскрыть причины многофакторных генетических заболеваний и предрасположенностей к ним, в частности, связанных с неправильной экспрессией генов; установить корреляции между генетическими полиморфизмами и вариантами функционирования различных систем организма. В практическом плане наиболее перспективны: поиск новых молекулярных мишеней для создания новых лекарственных средств и ранних маркеров заболеваний; создание вакцин против широкого круга заболеваний (малярии, рака шейки матки, гепатитов А и С и др.); системы доставки биологически активных соединений к органам-мишеням, в том числе с использованием наночастиц (аэрозоли, липосомы, фагосомы).

Биокаталические и биосинтетические технологии бу-

дут играть решающую роль для систем защиты окружающей среды и очистки сточных вод; комплексной переработки возобновляемых ресурсов животного и растительного происхождения; создания биодеградируемых пластиков (полилактат, полигидроксибутират), органических химикатов на основе биоконверсии лигноцеллюлозы; биосовместимых биополимерных материалов, самостерилизующихся поверхностей для медицины и др.