CC BY
21
ТЕМА
безопасность сырья и
технологических процессов основа качества продукции
— НОМЕРА
УДК 663.433
Влияние наночастиц на прорастаемость пивоваренного ячменя
Д. В. Карпенко,
д-р техн. наук, доцент;
АА. Смирнова,
магистрант; Д. Н. Васильченко,
студентка
Московский государственный университет пищевых производств
На сегодняшнем этапе развития техники и технологий применение наночастиц и нанома-териалов стало распространенным приемом во многих отраслях промышленности, включая и пищевую. Такой подход позволяет решать различные задачи: повышение прочности конструкционных материалов и покрытий, улучшение качества готовой продукции, придание ей новых свойств [1]. В пищевых производствах предлагается использовать нанопре-параты в качестве инструмента подавления развития нежелательной микрофлоры в ходе технологического процесса, при хранении и реализации готовой продукции.
Однако высочайшая способность наночастиц к миграции обуславливает их переход в окружающую среду на всех этапах производства и обращения продукции, произведенной с их применением. Это приводит к постепенному возрастанию содержания нанообъектов различной химической природы в естественных средах: почвах, грунтовых и поверхностных водах. Результатом этого может быть попадание наночастиц в технологические среды пищевых производств в составе как растительного сырья, так и воды.
Повышение содержания наноча-стиц той или иной природы в сырье и полупродуктах пищевых, в частности, бродильных производств может быть крайне нежелательным, так как целый ряд ключевых технологических процессов базируется на деятельности объектов биологической и биохимической природы, а в научной литературе публикуют все больше и
больше данных о цито- и фитоток-сичности наночастиц [2-5], их выраженном негативном воздействии на макроорганизмы [6] и ферменты. Свидетельством серьезности этой проблемы служит формирование в последние годы совершенно новой научной дисциплины, получившей название «нанотоксикология» [7], а также появление нормативных документов различных уровней, регламентирующих, как минимум, методы определения содержания наночастиц в сырье пищевых производств.
В связи с вышеизложенным на кафедре «Технологии бродильных производств и виноделие» ФГБОУ ВО «МГУПП» были начаты исследования, посвященные влиянию наночастиц/ нанопрепаратов на процессы и качество готовой продукции солодовенного и пивоваренного производств. На их основании был сделан вывод о том, что при превышении определенных концентраций в технологических средах большинство наночастиц проявляет более или менее существенное негативное воздействие на результаты конкретных технологических стадий и, опосредованно, на результаты всего производственного процесса [8-13].
Один из основных факторов, определяющих выбор режимов проведения отдельных производственных стадий, технологическую, экономическую эффективность пивоварения и качество готовой продукции — это качество ячменного солода, во многом зависящее от результатов процессов на стадии солодоращения. В силу этого отдельным направлением наших исследований стало установле-
14 ПИВО и НАПИТКИ 4•2018
я к и о
я я н
дя я
5 * §
§ ^ й Ж н £ /»к
| » « 5
»1 -i *
н " л о 2 о Я
« »-5
^ Ы
^ ¡1 да 03 9 93
й в
н 5 8 » * *
1 § i
¡3 ?
Энергия прорастания, % к контролю
^ Ш ^э СП ш ^
5 Ш "О
ТЕМА НОМЕРА
БЕЗ°ПАСН°СТЬ СЫрЬя и тЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПрОЦЕССОВ - °СН°ВА КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ'
£ Ш
2
0
1
<
2 ш I-
160
150
140
130
Я 120
110
100
90
К |......■
0,1
2
0,25 0,5 1
Содержание нанопрепарата, мг/см3 Низкая способность прорастания Высокая способность прорастания
160 -г
150 -
140 -
130 -
Я 120 -
110 -
100 -
90
0,1
2
0,25 0,5 1
Содержание нанопрепарата, мг/см3 Низкая способность прорастания Высокая способность прорастания
Рис. 3. Влияние препарата многослойных углеродных
нанотрубок на энергию прорастания пивоваренного ячменя с различной способностью прорастания
Рис. 4. Влияние нанопрепарата диоксида титана
на энергию прорастания пивоваренного ячменя с различной способностью прорастания
200 -г---------------------------------------------------------------------------------------------------
150------------------------- ------------------------------------------------------------------------
11 1 1
200 -г
150 -
100 -
50-
0,1 0,25 0,5 1 2
Содержание нанопрепарата, мг/см3
■ Низкая способность прорастания Средняя способность прорастания ■ Высокая способность прорастания
Рис. 5. Влияние нанопрепарата оксида меди на энергию прорастания пивоваренного ячменя с различной способностью прорастания
0,1 0,25 0,5 1 2
Содержание нанопрепарата, мг/см3
■ Низкая способность прорастания Средняя способность прорастания ■ Высокая способность прорастания
Рис. 6. Влияние нанопрепарата оксида никеля на энергию прорастания пивоваренного ячменя с различной способностью прорастания
В целом, можно заключить, что в условиях эксперимента многослойные углеродные нанотрубки во всех опытных вариантах повысили контролируемый показатель, энергию прорастания пивоваренного ячменя, или не оказали на него отрицательного воздействия.
На следующем этапе наших исследований определяли зависимость энергии прорастания пивоваренного ячменя от концентрации нанопрепа-рата диоксида титана (ТЮ2), присутствующего в первой замочной воде. Остальные условия экспериментов серии были такими же, как и предыдущей. Как и ранее, в качестве объектов влияния нанопрепарата использовали образцы ячменя двух разных партий — с нормальной и очень низ-
кой прорастаемостью. Полученные результаты представлены на рис. 4.
Из данных рис. 3 и 4 видно, что характер влияния нанопрепаратов МУНТ и ТЮ2 на энергию прорастания ячменей с разной прорастаемостью практически идентичен: наибольший активирующий эффект наблюдается для ячменя с низкой прорастаемостью при содержании нанопрепарата в первой замочной воде, равном 0,1 мг/см3; при повышении содержания нанопре-парата его положительное влияние на энергию прорастания ячменя низкого качества уменьшается до незначительного; зависимость энергии прорастания ячменя высокого качества слабо зависит от присутствия нанопрепара-та в первой замочной воде; ни в одном эксперименте не зафиксировано сни-
жения контролируемого показателя в присутствии нанопрепарата.
В целом, был сделан вывод о наличии влияния рассмотренных выше нанопрепаратов на прорастание ячменей, особенно с низкой прорас-таемостью, поэтому решено было расширить спектр изучаемых нано-препаратов, и далее в качестве одного из них использовали нанопрепарат оксида меди (рис. 5). По нашему мнению, полученные результаты свидетельствуют об отличии характера воздействия данного нанопрепарата на контролируемый показатель по сравнению с влиянием нанопрепа-рата ТЮ2 и МУНТ. Так, при использовании в качестве объекта воздействия ячменя с низкой прорастаемостью зафиксирован как выраженный активи-
16
ПИВО и НАПИТКИ 4 • 2018
^БЕЗОПАСНОСТЬ СЫРЬЯ и ТЕХНОЛОГИ
ЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ - ОСНОВА КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИ
рующий эффект (почти двукратный прирост по сравнению с контролем при содержании нанопрепарата СиО, равном 0,25 мг/см3), так и полное подавление физиологических процессов в зерне (при содержаниях наночастиц 0,5 и 2,0 мг/см3). В то же время, необходимо отметить, что энергия прорастания зерна, использованного в качестве образца низкого качества, была очень мала (всего около 0,2 %, то есть, в среднем, прорастало только 10 из 500 зерен, взятых для определения). Кроме того, между значениями повторностей как опытных, так и контрольных вариантов этой серии наблюдали существенные различия. Это, с нашей точки зрения, не позволяет гарантировать достоверность полученных результатов и делать на их основе обоснованные выводы.
Иная ситуация наблюдалась при использовании в качестве объекта влияния нанопрепарата оксида меди зерна с высокой и средней прорастаемостью. В этих экспериментах разница между значениями энергии прорастания в опытных и контрольных вариантах существенно превышала регулярную погрешность определения. Поэтому можно аргументированно заключить, что на ячмень высокого качества присутствие нанопрепарата СиО в концентрациях до 0,5 мг/см3 практически не оказывает никакого влияния, однако при его содержании в первой замочной воде 1 мг/см3 и выше наблюдается снижение энергии прорастания зерна, пусть и очень незначительное в условиях экспериментов. При изучении зависимости контролируемого показателя ячменя со средней прорастае-мостью от концентрации наночастиц СиО было установлено, что увеличение содержания нанопрепарата в первой замочной воде в рассматриваемом диапазоне привело к возрастанию активирующего эффекта: наибольший прирост энергии прорастания (на 33 % больше, чем в контроле) был зафиксирован в присутствии 2 мг/см3 наноча-стиц. По нашему мнению, полученные результаты еще раз подтверждают ранее высказанное предположение о том, что влияние наночастиц определяется, помимо прочего, качеством проращиваемого ячменя.
На следующем этапе было изучено воздействие на энергию прорастания ячменей различного качества (высокого, среднего и низкого) различных концентраций нанопрепарата оксида никеля. Условия проведения экспери-
ментов были такими же, как в предыдущей серии. Результаты представлены на рис. 6. Установлено, что, как и в присутствии ранее использованных нанопрепаратов, наночастицы оксида никеля оказывают наиболее выраженное влияние, присутствуя в первой замочной воде с ячменем низкого качества — при их содержании, равном 0,1 мг/см3, энергия прорастания опытного варианта составила 198,5 % по отношению к контролю; при содержании 0,25 и 0,5 мг/см3 влияния препарата выявлено не было, однако при дальнейшем возрастании содержания наночастиц №О наблюдали снижение контролируемого показателя вплоть до полного отсутствия проросших зерен при концентрации нанопрепарата 2,0 мг/см3. Наноча-стицы этого типа не оказывали влияния на энергию прорастания ячменя высокого качества при содержании в первой замочной воде 0,5 мг/см3 и менее, однако при превышении этого значения наблюдали очень незначительный отрицательный эффект. В серии экспериментов с ячменем, имевшим среднюю прорастаемость, наблюдали нелинейное воздействие нанопрепарата оксида никеля на контролируемый показатель, существенно зависевшее от содержания наноча-стиц. Так, при концентрации, равной 0,5 мг/см3 первой замочной воды, нанопрепарат №О обусловил увеличение энергии прорастания ячменя на 25 % по сравнению с контролем, тогда как при остальных концентрациях изменение контролируемого показателя колебалось в пределах ±5 % относительно контрольного варианта, первая замочная вода которого не содержала наночастиц.
На основании полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:
• наночастицы различной природы могут оказывать заметное влияние на процесс солодоращения, причем интенсивность и направление этого влияния существенно зависят как от содержания наночастиц в технологических средах, так и от исходных характеристик, прежде всего, физиологических, самого зерна;
• зерно ячменя, обладающее высокой исходной прорастаемостью, наименее чувствительно к присутствию в первой замочной воде любого из рассмотренных в нашей работе нанопрепаратов; ячмень с низкими физиологическими ха-
рактеристиками, напротив, в наибольшей степени зависим от воздействия наночастиц; • вероятность негативного воздействия наночастиц на прорастание ячменного зерна тем выше, чем больше их содержание в технологической среде.
Кроме того, можно предположить, что увеличение продолжительности контакта между замачиваемым/ проращиваемым зерном и наноча-стицами может привести к усилению воздействия последних на развитие биообъектов растительного происхождения, по крайней мере, отрицательного воздействия.
С нашей точки зрения, вышеизложенное позволяет предположить, что присутствие наночастиц, во всяком случае, некоторых их типов в технологических средах солодовенного производства нежелательно, так как может привести к снижению качества готового ячменного солода. Кроме того, целесообразно продолжить исследования в обсуждаемом направлении, с одной стороны, расширив спектр используемых нанопрепара-тов, а с другой стороны, определить физико-химические и биохимические характеристики (экстрактивность, активность технологически важных гидролаз и ряд других) свежепроро-щенного солода опытных вариантов в сравнении с контрольными, полученными в условиях, когда зерно не контактировало с нанопрепаратами. Проведение исследований в данном направлении будет продолжено.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нанотехнологии. Наноматериалы. Нано-системная техника. Мировые достижения — 2008 год / под ред. д-р техн. наук, проф. Мальцева П. П. — М.: Техносфера, 2008. — 432 с.
2. Ivask, A. Mechanisms of toxic action of Ag, ZnO and CuO nanoparticles to selected eco-toxicological test organisms and mammalian cells in vitro: a comparative review / A. Ivask [et al.]// Nanotoxicology. — 2014. — Vol. 8. — Pp. 57-71.
3. Schrand, A. M. Metal-based nanoparticles and their toxicity assessment / A. M. Schrand [et al.]// Wiley Interdisciplinary Reviews: Nano-medicine and Nanobiotechnology. — 2010. — Vol. 2 — № 5. — Pp. 544-568.
4. Nel, A. Toxic potential of materials at the nanolevel /A. Nel, T. Xia, L. Madler, N. Li // Science. — 2006. — Vol. 311. — Pp. 622-627.
5. Lin, D. Phytotoxicity of nanoparticles: inhibition of seed germination and root growth /
4•2018
ПИВО и НАПИТКИ 17
Без0ПАСН0СТЬ сЫрья и тЕхНОлОГИЧЕсКИх проЦЕссОВ - ОсНОВА КАЧЕстВА проДукЦИИ'
0
1
<
I ш I-
D. Lin // Environmental Pollutants. - 2007. -Vol. 150. - № 2. - Pp. 243-250.
6. Абраменко, Н.Б. Исследование и моделирование токсического действия наночастиц серебра на гидробионтах: дис.... канд. хим. наук: 02.00.04 / Абраменко Наталия Борисовна; ФГБОУ ВО Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова. — Москва, 2017. — 122 с.
7. Nanotoxicology — Characterization, Dosing and Health Effects / Eds. Monteiro-Riviere N. A., Lang Tran C. — New York and London: Informa Healthcare, 2007. — 434 p.
8. Карпенко, Д.В. Влияние нанопрепаратов на развитие дрожжевых популяций / Д.В. Карпенко, А. О. Комолова, А.А. Хоменко // Пиво и напитки. — 2017. — № 1. — С. 14-17.
9. Карпенко, Д.В. Влияние наночастиц цинка на пивные дрожжи / Д. В. Карпенко, Е. О. Райнина, Н. А. Химачева // Пиво и напитки. - 2015. - № 6. - С. 22-24.
10. Карпенко, Д.В. Влияние наночастиц металлов на сбраживание пивного сусла / Д. В. Карпенко [и др.]// Пиво и напитки: безалкогольные, алкогольные, соки, вино. - 2012 - № 1. - С. 16-17.
11. Карпенко, Д.В. Влияние наноцинка на активность протеолитических ферментов / Д. В. Карпенко [и др.]// Пиво и напитки. -2015. - № 5. - С. 16-19.
12. Карпенко, Д. В. Влияние нанопрепаратов на активность амилаз / Д. В. Карпенко, С. М. Дроздов, А. А. Евсеева // Пиво и напитки. - 2016. - № 5. - С. 28-31.
13. Карпенко, Д.В. Влияние нанопрепаратов на активность протеаз / Д. В. Карпенко, В. В. Житков, С. А. Карязин // Пиво и напитки. - 2016. - № 4. - С. 46-49.
14. Нагиева, К. И. Влияние нанопрепарата цинка на прорастаемость ячменя / К. И. Нагиева, Ю. А. Филина, Л. Е. Никульшина, Д. В. Карпенко // Общеуниверситетская научная конференция молодых ученых и специалистов «День науки»: Сб. материалов конф. в 15 ч. Ч. VI / под общ. ред. Т. А. Стахи. - М.: ИК МГУПП, 2015. - 239 с.
15. Карпенко, Д.В. Влияние наночастиц серебра на прорастание ячменя и качество свежепроросшего солода / Д. В. Карпенко, Ю. А. Уваров // Пиво и напитки. - 2012. -№ 3. - С. 32-33. &
Влияние наночастиц на прорастаемость пивоваренного ячменя
Ключевые слова
многослойные углеродные нанотрубки; нанопрепараты оксидов меди и никеля; нанопрепарат диоксида титана; нанотехнологии; солодоращение; энергия прорастания ячменя.
Реферат
В статье рассмотрено влияние различных нанопрепаратов на объекты различной природы; приведены экспериментальные данные, полученные при изучении воздействия наночастиц нескольких типов на процесс проращивания пивоваренного ячменя, содержание которых в первой замочной воде варьировало в диапазоне 0,1-2 мг/см3. В исследованиях использовали нанопрепараты оксидов меди и никеля, диоксида титана, а также многослойных углеродных нанотрубок. Объектами воздействия нанопрепаратов служили ячмени разных партий с высокой, средней и низкой способностью прорастания. Направление и интенсивность воздействия наночастиц на физиологические процессы, протекающие в зерне ячменя, оценивали по показателю энергии прорастания, то есть, по проценту зерен, проросших через 3 сут при температуре 22...26 °С. В качестве контрольных использовали варианты, в которых первая замочная вода не содержала целенаправленно внесенных наночастиц. В результате проведенной работы были выявлены концентрации нанопре-паратов, оказывающие положительный эффект на энергию прорастания ячменя, а также содержания наночастиц, вызывающие уменьшение значения этого показателя. Установлено, что другим значимым фактором, определяющим характер влияния наночастиц на процесс солодораще-ния ячменя, служит исходное качество зерна. Ячмень с исходной низкой способностью прорастания наиболее чувствителен к наночастицам, присутствующим в первой замочной воде как в активирующих, так и в ингибирующих концентрациях; энергия прорастания ячменя высокого качества практически не изменяется в присутствии нанопрепаратов, использованных в работе. Наиболее выраженное воздействие на энергию прорастания ячменей с низкой и средней прорастаемостью в условиях экспериментов оказали наночастицы меди.
Авторы
Карпенко Дмитрий Валерьевич, д-р техн. наук, доцент;
Смирнова Анастасия Алексеевна, магистрант;
Васильченко Дарья Николаевна, студентка
Московский государственный университет пищевых производств,
125080, Россия, г. Москва, Волоколамское ш., д. 11,
[email protected], [email protected],
The Influence of Nanoparticles on Germination of Brewing Barley
Key words
muLtiLayered carbon nanotubes; nanopreparations of copper and nickel oxides; nanopreparation of titanium dioxide; nanotechnologies; malting; barley germination energy.
Abstract
The article considers the influence of various nanopreparations on objects of different nature; the experimental data obtained in the study of the effect of several types of nanoparticles on the process of germination of brewing barley, whose content in the first steeping water varied in the range 0.1-2 mg/cm3, are presented. In the studies, nanopreparations of copper and nickel oxides, titanium dioxide, and multilayered carbon nanotubes were used. As objects of exposure to nanopreparations barley of different samples with high, medium and low germination capacity was used. The direction and intensity of the nanoparticles influence on the physiological processes taking place in the barley grain were evaluated by the germination energy index, that is, by the percentage of grains germinating after 3 days at 22...26 °C. As controls, the variants were used in which the first steeping water did not contain purposefully introduced nanoparticles. As a result of the work, concentrations of nanopreparations were found that had a positive effect on the energy of barley germination, as well as the content of nanoparticles, which caused a decrease in the value of this indicator. It has been established that another important factor determining the pattern of nanoparticles influence on barley malting process is the initial quality of the grain: barley with the initial low germination capacity is the most sensitive to nanoparticles present in the first steeping water both in activating and inhibitory concentrations; the energy of germination of barley of high quality practically does not change in the presence of nanopreparations used in our work. The most manifest effect on the energy of germination of barley with low and medium germination under the conditions of experiments was shown by copper nanoparticles.
Authors
Karpenko Dmitrij Valer'evich, Doctor of Technical Science, Associate Professor;
Smirnova Anastasija Alekseevna, Graduate Student;
Vasilchenko Darja Nikolaevna, Student
Moscow State University of Food Productions,
11 Volokolamskoye highway, Moscow, 125080, Russia,
[email protected], [email protected],
18 ПИВО и НАПИТКИ 4•2018
