Нанотехнологии в мясной промышленности

Первое упоминание о нанотехнопогиях (НТ) связывают с докладом нобелевского лауреата - физика Ричарда Фейнмана о манипулировании атомами и молекулами, сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физиче-
ского общества.

Термин «нанотехнология» был введен профессором токийского университета Норио Танигучи в 1974 году для обработки материалов путем добавления или удаления атома или молекулы.

В1981 году термин был популяризован сотрудником Сандийской национальной лаборатории Э. Дрекслером. использовавшим понятие НТ для обобщения процессов создания материалов, структур и устройств с зернами, слоями и элементами в субстананометровом диапазоне, а также методов их измерения. Особенное внимание к НТ привлек выход
его книги (Drexler К.Е. Engines of creation. The Coming Er of Nanotechnology. - Anchor Books Double-day, N.Y., USA, 1986. - 299 p.). в которой в научно-популярном форме с элементами научной фантастики была описана грядущая эра НТ.

В 1992 году Э. Дрекслер рассмотрел задачи практического применения мопекупярных нанотехнологий в новом научно-практическом направлении, что дало мощный толчок к началу применения нанотехнологических методов в промышленности. В 1994 году стали появляться первые коммерческие материалы на основе наночастиц - нанопорошки, нанопокрытия, нанохимические препараты и т.д.
Началось бурное развитие прикладной нанотехнологии.

В 2004 году Деккер С. соединил углеродную трубку с ДНК, впервые получив единый наномеханизм и открыв дорогу развитию бионанотехнологиям.

Несмотря на то, что существует множество определений термина «нанотехнология», Национальная Нанотехнологическая Инициатива (the National Nanotechnology Initiative — NNI), организованная в 2001 году в США, выделяет в понятие НТ спедующие ключевые положения:

1) научно-исследовательские разработки и технологии на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях в диапазоне размеров 1-100 нм;

2) создание и использование структур, устройств и систем, которые имеют новые свойства, связанные с их мельчайшими размерами;

3) способность контролировать или манипулировать процессы на атомном уровне.

Первая попытка стандартизировать основные термины в области НТ относится к 2006 году, когда Американское общество испытаний и материалов (ASTM) выпустило стандарт ASTM Е 2456-06 «Общепринятая терминология, относящаяся к нанотехнологий», в котором даны следующие определения.

Нанотехнологии (nanotechnology) - термин, относящийся к широкому кругу технологий измерения, манипулирования или объединения материалов и/или особенностей, по крайней мере, с одним измерением приблизительно между 1 и 100 нм. При этом используются свойства наномасштабных компонентов системы, отличные от объемных/макроскопических свойств.

Наночастица (nanoparticle) - в нанотехнологии субклассификация ультрамелкой частицы размером в двух или трёх измерениях больше, чем -0,001 микрометр (1 нм), и меньше, чем -0,1 микрометра (100 нм), которая может или не может проявлять интенсивные свойства, обусловленные
размерами.

Подходы к использованию нанотехнологий и наночастиц открывают широкий спектр возможностей для развития инновационных продуктов, в том числе в пищевой промышленности, особенно учитывая, что большинство пищевых продуктов содержит частицы естественного происхождения. размеры которых вписываются в наномасштаб.
Например, протеины представляют собой обычно сферические структуры размером 1-10 нм. Большинство полисаха которых составляет менее нескольких нанометров. биологически активные пептиды, про- и пребиотики - все это результат развития нанотехнологий.

Термин «наночастица» («nanofood») охватывает продукты
питания, которые выращиваются, производятся, обрабатываются или упаковываются с использованием методов или инструментов нанотехнологий, или которые производятся с применением наноматериалов.

За последние несколько лет пищевая промышленность инвестирует миллионы долларов в научные исследования и разработки в области НТ. Некоторые из крупнейших мировых производителей продуктов питания, в том числе Nestle, Altria. Heinz и Unilever прокладывают путь к созданию продуктов с использованием нанотехнологий. Тем не менее, несмотря на потенциальные выгоды, «нанопродукты» до сих пор не попучили широкого распространения. Применение нанотехнологий в пищевой промышленности позволяет решать серьезные вопросы - от продовольственной безопасности до молекулярного синтеза новых пищевых продуктов и ингредиентов.

Основные цели применения нанонауки в пищевой промышленности весьма отличаются от традиционных направлений использования НТ. Так, например, активно развиваются следующие методы использования НТ для:

- мониторинга в реальном времени качества и безопасности продуктов непосредственно в процессе производства;

- разработки новых или усовершенствованных вкусов,
текстур и повышения биодоступности питательных веществ и добавок, а также продления сроков годности пищевых продуктов при хранении;

- создания и использования наночастиц и наноматериалов в качестве пищевых ингредиентов/добавок в продуктах или упаковке;

- создания «умной» и «активной» упаковки.

Кроме того, можно выделить четыре основных направления использования нанотехнологий для изготовления пищевых продуктов:

- разработка новых функциональных компонентов;

- совершенствование качества продукции;

- обработка на молекулярном уровне;

- разработка методов повышения безопасности пищевой
продукции.

В настоящее время при производстве мясных продуктов
НТ нашли свое применение в создании интеллектуальной
упаковки, новых форм пищевых добавок (инкапсулированные, мицелированные) и наноэмульсий.

Для получения наночастиц могут быть использованы пищевые биополимеры, такие как белки или полисахариды. В результате использование агрегатного или отталкивающего взаимодействия, биополимер разделяется на более мелкие наночастицы. Наночастицы могут быть использованы для инкапсулирования функциональных ингредиентов, таких как биологически активные липиды (например, ω-3 жирные кислоты, конъюгированная линолевая кислота), жирорастворимые ароматизаторы, витамины, консерванты и нутрицевтики.

Одним из наиболее распространенных компонентов, способствующих биоразложению полимерных наночастиц, является полимолочная кислота. Будучи легко доступной для получения, полимолочная кислота часто используется для инкапсулирования лекарственных препаратов, биологически активных веществ. Однако она имеет свои недостатки:
быстро выводится из крови и накапливается в печени и почках. Поскольку целью полимолочной кислоты является быстрая передача активных компонентов к определенному органу или участку организма, необходимо дополнительное использование связующего компонента, такого как полиэтиленгликоль.

В качестве примера использования НТ в пищевой промышленности интерес представляет использование гомогенизации под высоким давлением для получения эмульсий с диаметром частиц 100 до 500 нм В современной литературе такие эмульсии принято называть «наноэмульсии».

Использование сложных эмульсий может привести к приданию новых свойств продукту и разработке новых видов инкапсулирования. Наиболее распространенными такими примерами являются эмульсии вода/масло/вода (М/В/М), и вода/масло/вода (В/М/В).

Двухфазная эмульсия вода/масло/вода представляет собой эмульсию воды в масле, диспергированную в виде капель в водной фазе. Этот тип эмульсии позволяет маскировать посторонний вкус вводимых в ее состав компонентов, обеспечивает защиту лабильных ингредиентов, а также может быть использован для снижения содержания жира в продуктах, так как часть липидных компонентов заменяется водными частицами, диспергированными внутри неё.

В Институте пищевой науки и технологии и питания (Испания, Мадрид) обосновали целесообразность использования пищевой эмульсии вода^/масло/вода как пищевого ингредиента для мясных продуктов с низким содержанием жира. В исследуемых эмульсиях в качестве жировой фазы использовали свиной жир и оливковое масло. Полученные двойные эмульсии подвергали традиционной термообработке (70°С в течение 30 мин), и хранению при низких положительных температурах (4 °С в течение 1,6 и 10 дней).

Результаты исследований показали, что размер капель жира в эмульсии был несколько больше при использовании оливкового масла. Кроме того, эмульсии, содержащие оливковое масло, были менее стабильными. Цветовые показатели после термообработки у эмульсий с оливковым маслом были несколько хуже по показателям красноты и желтизны, что может быть объяснено потерей каротиноидов и разрушением пигментов в результате нагрева. Термообработка не оказала влияния на размер частиц капель жира в эмульсиях. что подтверждает возможность их использования при производстве мясных продуктов. Установлено, что на стабильность двойных эмульсий в основном оказывает влияние время хранения, незначительное отстаивание жировой фазы в двойных эмульсиях наблюдалось у образцов, хранившихся в течение 10 дней при температуре 4 °С.

Установлено, что включение соли и ароматизаторов в
водную фазу позволяет достичь значительного снижения соли в продукте, при сохранении соленого вкуса и усилении аромата продукции.

Улучшение вкуса и текстуры продуктов, повышение биодоступности биологически активных соединений и питательных веществ может быть достигнуто при использовании ингредиентов. сверхтонко измельченных до наноразмеров, или ультрадисперсных порошков с размерами частиц от 100 Нм до 1 мкм. Так, применение микропорошка имбиря, который иногда используется в мясных продуктах для снижения жесткости (улучшения консистенции), обладает лучшим проникновением в структуру мяса и растворимостью в нем, чем молотый имбирь.

Ирландские и немецкие ученые изучили влияние использования при мариновании куриного филе наночастиц паприки (1 и 3 г/100 мл) и системы – вода/молоко на его органолептические и функциональные свойства. Исследования показали, что использование наночастиц паприки в качестве ингредиента усиливает эффект маринования и сенсорные качества
филе, в том числе и после термообработки, особенно при использовании в качестве несущей среды воды.

Интересна идея применения нанотрубок в продуктах питания, которые могут быть использованы для обнаружения патогенов в пищевых продуктах из-за их способности к иммобилизации антител, наряду с другими достоинствами. Обладая значительной площадью поверхности, нанотрубки могут быть использованы для повышения чувствительности
иммуносенсоров до 6 раз. тем самым, снижая предел обнаружения стафилококковых энтеротоксинов В.

Использование наноинкапсулированных пищевых добавок имеет значительное преимущество по сравнению с традиционным использованием тех же веществ и позволяет совершенствовать функциональные свойства пищевых ингредиентов и добавок - еще одно перспективное направление нанотехнологии. Биодоступность и способность к диспергированию у веществ, полученных с использованием
новых технологий, как правило, выше, чем у их традиционно изготовленных аналогов. Инкапсулирование представляет собой изолирование активного вещества внутри продукта с использованием пищевого материала. Технология включает в себя структурирование активного ингредиента, часто на молекулярных или наноразмерном уровнях за счет взаимодействия пищевого ингредиента с активным веществом. Примерами таких продуктов могут служить инкапсулированные пищевые фосфаты или мицеллированная аскорбиновая кислота - ингредиенты с улучшенными функциональными характеристиками, уже нашедшие применение в мясной промышленности. Кроме того интерес представляет технологии инкапсулирования различных ароматизаторов, что позволяет им надолго сохранить свои свойства даже в результате технологической обработки продуктов.

Функциональные пищевые компоненты могут быть заключены внутри внутренней водной фазы, жировой фазы, или внешней водной фазы, тем самым делая возможным разработку единой системы, содержащей несколько функциональных компонентов. Инкапсулирование функциональных ингредиентов и добавок в каплях часто позволяет
замедлить скорость протекания химических процессов в результате создания пограничного слоя вокруг них, кроме того, инкапсулирование может решить проблему доставки в желудочно-кишечный тракт и абсорбцию в кровеносную систему биологически активных соединений,
чувствительных к изменению температуры, pH, окислению, а также возможно регулировать высвобождение функциональных ингредиентов в зависимости от температуры окружающей среды и рН.

На кафедре сельскохозяйственной промышленности, диетологии и продуктов питания Университета Сан-Паулу (Бразилия) проведены исследования, целью которых являлось определение влияния микрокапсулированных L. acidophilus и В. lactis на качественные характеристики салями, в связи с тем, что микрокапсулирование является эффективной альтернативой для обеспечения жизнеспособности пробиотиков в сухих ферментированных колбасах. Установлено, что микрокапсулированные пробиотики не оказывали влияние на качественные характеристики колбас, при этом приводили к снижению содержания молочной кислоты в готовом продукте.

Немецкие ученые установили антимикробную активность инкапсулированного тимола и циннамальдегида (СА) в водомасляных эмульсиях и микроэмульсиях в отношении грамотрицательных (Е. coli) и грамположительных бактерий (St. camosus).

Результаты исследований турецких ученых подтвердили гипотезу о том, что более эффективное ингибирование окисления липидов в мясопродуктах может быть достигнуто путём использования инкапсупированных фосфатов, так как фосфаты могут быть защищены от активности фосфатаз до того как будет достигнута термическая инактивация.

Исследования позволили установить, что независимо от
типа введённого фосфата или степени инкапсулирования, фосфаты приводили к более низким значениям тиобарбитурового числа в термообработанных образцах говядины и мяса цыплят в течение семидневного хранения по сравнению с контрольными образцами. При определении показателей окислительной порчи в образцах, изготовленных с инкапсулированными фосфатами и без их использования,
было установлено, что инкапсулирование позволило увеличить окислительную стабильность термообработанных образцов до конца срока их хранения.

Инкапсулированный триполифосфат натрия ингибировал образование гидропероксидов липидов в образцах говядины более эффективно по сравнению с инкапсулированным пирофосфатом натрия и инкапсулированным гексаметафоофатом натрия. Однако этот эффект не обнаруживали в образцах мяса цыплят, где не было значимых
различий между инкапсулированными фосфатами.

Еще одним преимуществом НТ является возможность
создания новых видов упаковочных материалов для пищевой промышленности, состоящих из нескольких слоев материалов с наноразмерной величиной, которые физически или химически связаны друг с другом. Использование таких технологий в создании новых пищевых покрытий и пленок имеет ряд преимуществ по сравнению с изготовленными по традиционной технологии - например, разработка съедобных оболочек для колбасных изделий или пленок для продуктов из мяса.

Эти покрытия или пленки могут служить барьерами для влаги, жиров и газов. В качестве альтернативы, они могли бы улучшить структуру продуктов или служить в качестве носителей функциональных компонентов, таких как красители, ароматизаторы, антиокислители и т.д. Основные функциональные свойства пищевых покрытий и пленок зависят от характеристик пленкообразующих материалов, используемых для их подготовки. Составом, толщиной, структурой и свойствами многослойной пленки можно управлять различными способами, в том числе изменением вида адсорбирующих веществ в растворах, общего количества погружений, условий окружающей среды (рН, ионная сила, диэлектрическая проницаемость, температура и т.д.). Движущая сила адсорбции вещества на поверхности будет зависеть также от вида поверхности и природы адсорбирующего вещества, она может быть: электростатическая, гидрофобная и т.д.

Так, в настоящее время для придания антимикробных свойств пленочным упаковочным материалам широко используются частицы наносеребра в виду их активности в отношении грамотрицательных и грамположительны[ бактерий. грибов и пр. Механизм антимикробной активности антимикробных нанокомпозитных упаковочных материалов
на основе наночастиц серебра еще недостаточно изучен, но предполагается, что из упаковки постепенно высвобождаются ионы серебра, которые приводят к ингибированию производства АТФ и репликации ДНК микроорганизмов, вызывают повреждение клеток мембраны, увеличивая проницаемость и гибель клеток.

Использование нанокомпозитных упаковочных материалов, в которых полимерная матрица армируется наполнителями (частицы керамзита, силикатов, целлюлозы, углеродистых нанотрубок и т.п.) наноразмеров позволяет улучшать их барьерные свойства. Picouetet и др. исследовали влияние вакуумной упаковки, в которой в полимерную матрицу пленки из полиамида встроены наночастицы керамзита, на хранение говядины. Установлено, что данная пленка обладает повышенными барьерными свойствами в отношении кислорода, способна блокировать воздействие
ультрафиолетовых лучей, что обеспечило увеличение сроков хранения говядины и при сохранении качества. Кроме того, нанокомпозитная пленка отличается повышенной прочностью при меньшей толщине.

Избыток кислорода является одним из основных причин ухудшения качества продуктов питания и сокращения сроков годности. Использование наносенсоров позволяет легко осуществлять мониторинг содержания кислорода в свободном пространстве упаковки без нарушения ее целостности.

В мясной промышленности предложен способ обнаружения кислорода по изменению цвета наносенсора. помещенного в пакет с сырым беконом, упакованным в среду углекислого газа.

Еще одним неинвазивным методом обнаружения кислорода в упаковке является метод, основанный на использовании наноразмерных частиц Т_i0₂ или S_n0₇ и метиленовый синий. В ответ на поступление даже незначительных количеств кислорода в упаковку индикатор постепенно меняет цвет в зависимости от интенсивности поступления кислорода. Нанодатчики могут обнаружить присутствие некоторых других газов, таких как газообразные амины, которые являются показателями порчи рыбы и мяса в очень низких концентрациях.

Использование наносенсоров может применяться для
отслеживания микробов, токсинов, аллергенов и загрязняющих веществ по всей пищевой цепи посредством сбора данных на всех этапах производства продукта и различных стадиях логистического процесса для обеспечения гарантированного качества продукции. Наночастицы могут быть
применены в качества реакционноспособных частиц, помещенных в упаковку в качестве наносенсоров, которые обеспечивают мониторинг качества и безопасности упакованной продукции.

Homeret и др. разработали аналитическую технологию, называемую светоотражающей интерферометрией, с использованием нанотехнологий, которая обеспечивает точное и быстрое видовое оптическое детектирование биомолекул в сложных смесях. Эта технология обеспечивает контроль безопасности пищевых продуктов путем обнаружения бактерий Е.coli в клеточных митохондриях. Данная
технология основывается на принципе, что белок известных и изученных бактерий на кремниевом чипе можно связать с любой другой бактерией Е. coli, присутствующей в образце пищи и обнаружить ее.

Биосенсор, разработанный Fuel и др. использует флуоресцентный краситель в качестве антитела при распознавании сальмонелл на стержне сенсора из композита кремний золото. При положительной реакции тестирования пищи на присутствие в ней сальмонелл наноразмерные частицы красителя на датчике становятся видимыми. В отличие от
трудоемкого обычного лабораторного теста, основанного на
бактериальных культурах, биосенсор позволяет обнаружить
сальмонеллы в пищевых продуктах мгновенно.

Возможности и перспективы развития НТ безграничны и порой кажутся нереалистичными, однако это направление оказалось способным уже принести реальные технологические разработки, нашедшие применение в разных отраслях пищевой промышленности.

Однако необходимо отметить, использование НТ может
представлять потенциальный риск для здоровья человека.
Наночастицы могут проникнуть в организм при попадании
на кожу, вдыхании или проглатывании. Эффект воздействия наноматериалов на организм человека зависит не только от способа их введения, но и от их свойств.

Серьезную озабоченность вызывают пищевые продукты,
содержащие нерастворимые и потенциально биологически стойкие нанодобавки, такие как металлы или оксиды металлов, токсикологические эффекты, от которых зависят, главным образом, от химического состава и диаметра наночастиц.

Наночастицы могут иметь непредсказуемое влияние не только на людей и животных, но на окружающую среду. Например, во время удаления отходов наносеребра, ионы серебра могут высвобождаться и накапливаться в биосреде (почве, воде), где они будут продолжать убивать
микроорганизмы в результате чего нарушается баланс естественной микрофлоры, особенно в водной системе. Наножелезо, углеродные нанотрубки и некоторые другие наночастицы, в основном, из нанопестицидов могут накапливаться в почве, откуда они могут проникать в растения и попадать в пищевую цепь.

НТ как многообещающая область научных знаний для
развития пищевой индустрии набирает темпы, что подтверждается ростом исследований и публикаций на данную тему.

Одновременно с развитием новых знаний формируется
правовая нормативно-техническая база этой области, позволяющая обеспечить безопасность человека и окружающей природной среды.

В ФГБНУ ВНИИМП на протяжении ряда лет проводятся
работы по исследованию пищевых компонентов, полученных с применением нанотехнологий - это разработка эмульсий СО₂ - экстрактов, полученных с применением ультразвука, изучение влияния мицеллированных пищевых добавок на качество мясных продуктов, применения микронаноэмульсий для повышения устойчивости витаминов при тепловой обработке и хранении мясных продуктов их вводят
в виде и т.д..

Нанонаука не стоит на месте и с каждым годом предлагает все новые решения и технологии для создания пищевых продуктов с качественно новыми свойствами и возможностями [21].

3.5 Технология применения жнвотных и растительных
белков в мясной промышленности

Мясоперерабатывающая промышленность призвана обеспечить
население высококачественными пищевыми продуктами, которые являются основными источниками белкового питания. Однако непродуманное реформирование сельского хозяйства в перестроечный период привело к резкому дефициту мяса и мясных продуктов. По долгосрочным прогнозам производство мяса из отечественного сырья (применительно к уровню 1990 г.) будет достигнуто к 2020 г. С целью снижения дефицита мясного сырья ученые и специалисты мясной промышленности разработали и внедрили технологию замены части мясного сырья животными и растительными белковыми препаратами, близкими по качеству белкам мяса.