CC BY
28
К вопросу
о пищевых нанотехнологиях
И.Т. Смыков
Всероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделия С.А. Гудков
Российская академия сельскохозяйственных наук
Два активно развивающихся направления современной науки нанотехно-логии и биотехнологии до недавнего времени ассоциировались с разными областями знаний: нанотехнологии - с электронной техникой, а биотехнологии- c живыми системами. Их развитие нашло отражение в двух приоритетных направлениях науки, технологий и техники Российской Федерации: технологии живых систем - в части критических технологий биоинженерии; индустрии наносистем и материалов - в части нанотехнологии и наноматериалов. Однако сейчас эти направления стали все чаще пересекаться - в электронике появились биочипы и биосенсоры, т. е. интегральные микросхемы со встроенными в них чувствительными элементами из макромолекул протеина, обеспечивающими, например, определение запаха, вкуса и т. д., а в биотехнологии все чаще используют технологические приемы и технические решения, апробированные в производстве нанокап-сул и нанокомпозиций для «высоких» технологий микроэлектроники.
Перспективность развития этих фундаментальных научных направлений почувствовали и мировые гиганты пищевой промышленности. Для координации работ в области пищевых на-нотехнологий в Европе образован консорциум исследователей, разработчиков и производителей Nano Food con-
sortium, аналогичный центр есть в США, где, по прогнозам, затраты на исследования к 2010 г. достигнут 20,4 млрд долл. США, а также в Японии и Китае - ведущих азиатских центрах исследований в области нанотехнологии. Проводятся интенсивные разработки пищевых продуктов нового поколения и внедрение в производство элементов нанотехнологии ведущими корпорациями пищевой промышленности. К примеру, только фирма Nestle, со своим исследовательским центром Nestle Research Center, в 2004 г. вложила 54 млн долл. на научные исследования в области пищевых нанотехнологий. Отдельные элементы нанотехнологии уже сейчас активно используются в пищевой, медицинской и парфюмерной промышленности при производстве эмульгаторов, стабилизаторов, консервантов и других; пищевым добавкам, изготовленным с применением нанотехнологии, присваивается специальный индекс «п», например Е171п.
Термин «нанотехнология» имеет очень широкое толкование, но, в общем случае, предполагает технологические манипуляции с исходными материалами на атомарном, молекулярном или макромолекулярном уровнях. Обычно считают, что манипулирование с частицами или элементами сложных структур в диапазоне размеров 10-100 нм (1 нм =10-9 м) или меньше относится к категории нанотехноло-
гий, а сами объекты носят название на-ночастиц или наноструктур.
Анализ публикаций и патентов показывает, что в настоящее время за рубежом проводятся интенсивные исследования в области пищевых нанотехнологий по следующим направлениям:
• теоретические и экспериментальные исследования способов получения, свойств и поведения наномеров;
• разработка технологий производства исходных элементов нанотехнологий - наночастиц, нанонитей, нано-капсул и пр.;
• исследования процессов формирования наноструктур и нанокомпозиций с заданными свойствами из исходных наномеров;
• разработка теоретических основ производства из нанокомпозиций пищевых продуктов заданного состава с необходимыми органолептическими показателями;
• обеспечение и методы оценки безопасности готовых пищевых продуктов, изготовленных по нанотехно-логиям;
• разработка новых упаковочных материалов с использованием нанотех-нологиий, обеспечивающих высокую сохраняемость и безопасность готового продукта.
Каждый из приведенных аспектов пищевых нанотехнологий требует проведения большого объема фундаментальных научных исследований, поскольку это совершенно новое научное направление, находящееся на начальном этапе становления. Несмотря на большой интерес ученых во всем мире к этому новому научно-технологическому направлению, в открытых публикациях содержатся лишь отрывочные сведения, не позволяющие на практике реализовать то или иное техническое решение. Связано это с
Рис. 1.
Структура мицеллы казеина
Рис. 2.
Мицеллы казеина в молоке
Рис. 3. Частицы казеина в гомогенизированном молоке
все возрастающей коммерциализацией фундаментальной науки и обострением конкурентной борьбы между мировыми гигантами пищевой индустрии.
В России проблеме разработки пищевых нанотехнологий до настоящего времени не уделялось должного внимания, хотя хорошо известно, что «пищевые продукты - природные нанома-териалы». В полной мере это относится и к молокоперерабатывающей отрасли, ведь именно в молоке признаки наночастиц, наноструктур и наноком-позиций проявляются в наибольшей степени. Мицеллы казеина (рис. 1) в натуральном молоке имеют размеры от 40 до 200 нм, размеры субмицелл составляют 12-20 нм, а размеры сывороточных белков имеют тот же порядок. Суспензии и эмульсии различного происхождения, широко используемые в производстве молочных продуктов, зачастую представляют собой естественные наночастицы, способные создавать, при определенных условиях одно-, двух- и трехмерные наноструктуры. Также известны некоторые методы деструкции казеиновых мицелл, их агрегирования, способы управления структурообразованием, и все эти процессы происходят в области размеров современных нанотехнологий. Однако проблема значительно усложняется при рассмотрении гетерогенных биосистем, в которых, кроме молочных белков, участвуют белки немолочного, в частности, растительного происхождения.
Еще более усложняется проблема при образовании нанокомпозиций из белков и жиров, так как зачастую необходимо обеспечить предварительное нанокапсулирование жиров в оболочку, взаимодействующую с белками, и управляемое структурирование системы.
Рис. 4. Молочный жировой шарик в натуральном молоке
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
В промышленном производстве пищевых продуктов оперируют не с отдельными молекулами, а с массивами компонентов, однако на уровне разработки пищевых продуктов нового поколения и разработки технологий их производства невозможно обойтись без использования самых современных методов анализа свойств и состояния наночастиц и нанокомпозиций, участвующих в образовании тех или иных структур. Именно характер структурирования является определяющим как для реологических, так и для органолептических свойств готового продукта. Здесь незаменимые методы исследований - электронная и атомная силовая микроскопии, позволяющие визуализировать наночастицы и получаемые структуры и определить различные их параметры и свойства. В данной статье представлены результаты электронно-микроскопических исследований некоторых элементов нанотехнологий в производстве молочных продуктов (И.Т. Смыков).
Мицеллы казеина в молоке - это природные наночастицы, на рис. 2 приведена их электронно-микроскопическая фотография в натуральном молоке, иллюстрирующая этот факт и демонстрирующая разброс размеров мицелл. Процесс гомогенизации молока давно освоен в промышленности и подробно исследован. Известно, что гомогенизация молока в определенных пределах улучшает его ферментативную свертываемость, при этом средний размер мицелл уменьшается, а вязкость увеличивается, хотя, казалось бы, она также должна уменьшаться. Это противоречие легко устраняется при рассмотрении рис. 3, на котором приведена фотография казеиновых частиц в гомогенизированном молоке.
Анализ фотографий показывает, что при гомогенизации молока диаметр
мицелл уменьшается, однако вследствие того, что механическое воздействие на мицеллы приводит к возникновению на их поверхности новых, активных участков белка, которыми они взаимодействуют друг с другом, образуются уже не плотные сферические частицы, а слабосвязанные агрегаты частиц.
Очевидно, что гидродинамический диаметр таких агрегатов больше, чем у исходных мицелл, что и объясняет увеличение вязкости, с другой же стороны, реакционная площадь поверхности у агрегатов также больше, что улучшает процесс их взаимодействия при свертывании. Приведенный пример -иллюстрация простейшей, освоенной в промышленности операции в области пищевых нанотехнологий. Однако далеко не всякая гомогенизация может быть отнесена к нанотехнологии, здесь определяющим является полученный конечный результат.
Рассмотрим более сложный пример - состояние жировых компонентов в молочных и комбинированных продуктах и их некоторые свойства. На рис. 4 представлена электронно-микроскопическая фотография препарата типичного молочного жирового шарика в натуральном молоке. Жировые шарики в натуральном молоке имеют четко выраженную форму, близкую к сферической, и они достаточно устойчивы при приготовлении препаратов для прямого электронного микроско-пирования за счет наличия на их поверхности нативной фосфолипидной оболочки.
На рис. 5 приведена фотография препарата типичного шарика из эмульгированного молочного жира в восстановленном молоке. Как видно, при препарировании оболочка из эмульгатора не выдержала, и молочный жир растекся по поверхности подложки. В
Рис. 5. Препарат эмульгированного Рис. 6. Препарат эмульгированного
молочного жира в восстановленном молоке немолочного жира в молоке
Рис. 7. Молочный жир во вторичной белковой оболочке
общем случае эмульгированный молочный жир в восстановленном молоке образует формы, близкие к сферической, и выраженную оболочку, которые могут быть весьма неустойчивы как из-за очень слабой оболочки эмульгатора на поверхности образованного шарика, так и за счет их слишком больших размеров. Очевидно, что здесь определяющим является соотношение диаметра шарика и плотности оболочки эмульгатора. Одновременно необходимо отметить и то, что к оболочке жирового шарика может предъявляться и ряд других требований, например, очень важное значение имеет характер взаимодействия создаваемой оболочки с казеином, сывороточными или растительными белками.
Фотография препарата из эмульгированного немолочного жира в восстановленном молоке представлена на рис. 6. Здесь видно, что оболочка из того же эмульгатора, что и в предыдущем случае, не обеспечивает сохранения сферической формы даже для малых диаметров, и поскольку жир в препарате не взаимодействует с водной фазой, он растекается по поверхности подложки.
Если жировую фазу натурального молока можно считать вполне устойчивой, а эмульгированный молочный жир устойчивым в дисперсиях до 1 мкм, то шарики из эмульгированного немолочного жира неустойчивы от диаметра 0,5 мкм и выше.
Приведенные примеры качественно демонстрируют те проблемы, которые необходимо решать при разработке новых пищевых продуктов и технологий их изготовления. Очевидно, что устойчивость состояния эмульгированного молочного или немолочного жира и их взаимодействие с белками
Рис. 8. Развитая белковая наноструктура в сырном продукте
предопределяют реологические и ор-ганолептические свойства готового продукта, но в то же время управление устойчивостью можно осуществлять, используя современные технологии микро- и нанокапсулирования и правильный выбор стабилизирующих поверхностно-активных веществ пищевого назначения.
В натуральных молочных продуктах молочный жир обычно бывает встроен в белковый каркас за счет вторичной белковой оболочки (рис. 7).
Однако в зависимости от выбранной технологии этой оболочки может и не быть или она может быть очень слабой, структура белкового каркаса тоже может быть совершенно иной, и тогда, соответственно, у продуктов с одинаковым составом будут совершенно разные органолептические и реологические свойства.
Модификация нативных наноструктур в натуральных продуктах и создание совершенно новых нанокомпо-зиций являются принципиальными моментами разработки пищевых нанотех-нологий. Электронно-микроскопическая фотография комбинированного молочного продукта, при производстве которого использовались элементы пищевых нанотехнологий, приведена на рис. 8. Здесь виден белковый каркас, который представляет собой явно выраженную наноструктуру, а жировая фаза мелкодисперсного характера имеет оболочку, не взаимодействующую с этим каркасом. На фотографии наноструктуры этого каркаса (рис. 9), полученной при большем увеличении, хорошо видно, что она представляет собой линейно-цепочечную систему из белковых частиц.
В общем случае наноструктура белкового каркаса этого продукта имеет статистический характер и может быть
Рис. 9. Наноструктура белкового каркаса
оценена по различным параметрам: среднему размеру ячейки, числу частиц на одну ячейку, отклонению от формы и т. д. Сопоставление же выбранных оценок наноструктур с органо-лептическими и реологическими показателями готового продукта позволяет заложить теоретическую базу для проектирования продуктов с заданными свойствами. Поэтому технологические процессы целенаправленного формирования микро- и наноструктур в молочных продуктах, включающие создание и структурирование белкового каркаса и встраивание (или наоборот- изоляцию) в него жировых и других добавочных компонентов, являются определяющими в плане перспективного развития технологий переработки молока.
Данные примеры - лишь иллюстрации к существующим технологическим процессам, в общем случае не являющимися развитыми и научно обоснованными нанотехнологиями, и приведены они для того, чтобы дополнительно аргументировать возможность и необходимость исследований на наноуровне в пищевой промышленности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Towards a European Strategy for Nanotechnology, Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 2004.
2. The Impact of Nano-Scale Technologies on Food and Agriculture, www.etcgroup. org, 2004.
3. Смыков И.Т. Структурирование в молочном сгустке//Молочная промышленность. 2002. № 11.
4. Смыков И.Т. Молочный жир в структуре сычужного сгустка//Сыроде-лие и маслоделие. 2003. № 3.
