Упаковки для продуктов… Кажется, что это вполне обыденные вещи. Однако и здесь ученым есть чем удивить даже самого искушенного потребителя. Почему бы не создать тару, оценивающую свежесть пищи или продлевающую срок ее хранения? Рассказываем о созданных отечественными исследователями необычных упаковках, в числе которых — антибактериальные, экологичные и даже съедобные.
Совмещая несовместимое
Борьба с опасными бактериями и защита окружающей среды — острые проблемы современности. Можно ли объединить их решения в одном изобретении? Разработка ученых лаборатории «Перспективные композиционные материалы и технологии» Российского экономического университета им. Г.В. Плеханова доказывает это своим примером.
Созданная исследователями полимерная пленка сочетает два ценных свойства: защищает пищу от опасных бактерий и быстро разлагается после утилизации. На первый взгляд, это кажется невозможным. Как сделать так, чтобы один и тот же материал на разных этапах своего существования сначала подавлял активность микроорганизмов, а затем сам же распадался под их воздействием?
Разработанная в РЭУ им. Г.В. Плеханова пищевая пленка не только защищает продукты от бактерий, но и быстро разлагается после утилизации.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Чтобы добиться такого результата, исследователи включили в пленку антибактериальную добавку (оксид меди) и биоразлагаемый наполнитель (термопластичный крахмал). Механизм работы материала прост: антибактериальное вещество успевает расходоваться за время использования упаковки. А наполнитель вступает в игру после того, как пленка утилизируется: во влажной почве материал быстро распадается на углекислый газ (CO2) и воду, не причиняя вреда природе. Интересно, что скорость разложения упаковки можно отрегулировать заранее, использовав в составе материала один из двух полимеров: ускорить процесс поможет поликапролактон, замедлить — полилактид (полимолочная кислота). Первое соединение используют в медицине для наложения саморассасывающихся швов, второе тоже применяется для изготовления хирургических нитей, а также биоразлагаемой посуды и тары.
Природное оружие
Еще один антибактериальный и при этом биоразлагаемый материал создали ученые из Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН. Изобретение пригодится не только для упаковки продуктов, но и для производства защитных бактерицидных пленок и различных медицинских товаров — например, одноразовых предметов для ухода за больными.
Порфирины — пигменты, содержащиеся в том числе в хлорофилле. В настоящее время эти соединения рассматриваются как новые помощники человека в борьбе с опасными бактериями.
Фото: amenic181 / фотобанк 123RF
За основу композиционного материала взят тот же полилактид с добавлением поликапролактона. А за уничтожение бактерий отвечает модифицированный порфирин, получивший благодаря манипуляциям ученых способность просачиваться сквозь клеточные стенки различных опасных микроорганизмов. Например, во время испытаний материал показал эффективность в борьбе со стафилококком, сальмонеллой и кишечной палочкой.
Материалы на основе биоразлагаемых полимеров и порфиринов — новое решение в борьбе с бактериями, устойчивыми к антибиотикам. Любопытно, что порфирины как оружие против микробов человеку подарила сама природа: это распространенные пигменты, содержащиеся в хлорофилле, гемоглобине и некоторых ферментах.
Индикаторы свежести
Необычную полезную технологию — флуоресцентные индикаторы для определения степени свежести мяса, курицы, рыбы и морепродуктов — разработали ученые Национального исследовательского университета ИТМО.
Основа индикаторов — биосовместимые, безопасные для человека, легко синтезируемые материалы: углеродные точки, закрепляемые на полисахаридах (высокомолекулярных углеводах). Принцип их работы прост: индикаторы реагируют на появление в упаковке сероводорода (сульфида водорода, H2S) — вещества, выделяющегося при гниении белковой пищи. Чем тусклее в сравнении с нормой оказывается свечение индикаторов под воздействием ультрафиолетового излучения, тем больше концентрация сероводорода внутри тары.
Встраиваемые в упаковку флуоресцентные индикаторы на основе углеродных точек, созданные в ИТМО, помогут оценивать свежесть мяса, рыбы и морепродуктов.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
О технологии корреспонденту «Научной России» рассказала директор научно-образовательного центра химического инжиниринга и биотехнологий ИТМО Елена Александровна Назарова.
«В составе индикатора флуоресцентными свойствами, то есть способностью переизлучать свет с бóльшей длиной волны под воздействием ультрафиолета, обладают именно углеродные точки, — объяснила Е.А. Назарова. — Углеродные точки — это наноструктуры углерода размером до 100 нм, которые мы синтезируем непосредственно на поверхности полисахаридов, таких как целлюлоза, хитин или хитозан. Индикаторы могут изменять интенсивность флуоресценции и при взаимодействии с другими веществами, но зависимость будет не такой ярко выраженной, как в случае с сульфидами».
Углеродные точки — наночастицы из атомов углерода размером до 100 нанометров, в которых могут наблюдаться все возможные формы углеродных связей, кроме тех, что свойственны алмазу. Важнейшая особенность углеродных наноточек — люминесценция в широком диапазоне (от синего до красного и инфракрасного излучения). При этом яркость и цвет их свечения возможно очень гибко регулировать. Выгодные черты материала — экологичность, биосовместимость, низкая стоимость и простота производства. Помимо контроля качества пищи, углеродные точки могут применяться в медицине (например, как биосенсоры и светящиеся метки), экологическом мониторинге (для выявления загрязнения воды и воздуха), химическом зондировании (в том числе для контроля качества нефти или выявления коррозии металла), создании люминесцентных чернил.
Покупая продукты, люди нередко ориентируются на срок годности, указанный на упаковке. Однако, если пища неправильно хранилась или перевозилась, она грозит стать опасной для употребления раньше срока из-за возникновения болезнетворных микроорганизмов: сальмонеллы, листерий, стафилококка. Возможность проверить свежесть пищи непосредственно у прилавка — настоящий подарок для покупателя.
Ученые предлагают размещать индикаторы с внутренней стороны прозрачной пленки, покрывающей продуктовые контейнеры. Таким образом, углеродные точки не будут соприкасаться с пищей, но смогут реагировать на появление в упаковке сероводорода, сигнализирующее о том, что в мясе или в рыбе успели поселиться опасные бактерии.
«Предполагается, что в одну упаковку будет достаточно встроить один индикатор. Его размер может варьироваться в зависимости от объема упаковки и количества продукта», — добавила Е.А. Назарова.
Чтобы проверку продукта можно было проводить прямо в магазине, исследователи создали прототип специального модуля со встроенным УФ-светодиодом для работы в связке с обычным смартфоном. Для анализа модуль кладется на упаковку с пищей, а на нем располагается смартфон.
«Внутри модуля, где нет доступа к внешнему свету, происходит облучение индикатора ультрафиолетом определенной длины волны. Флуоресценция регистрируется через отверстие камерой смартфона, после чего фотография должна быть обработана специальным образом для определения результата считывания», — пояснила Е.А. Назарова.
Авторы проекта победили в реалити-шоу «Страсти по грантам», в рамках которого молодые ученые соревнуются за гранты Российского научного фонда, и получили грант на исследование от РНФ в размере 6 млн рублей.
В планах ученых — оптимизировать габариты модуля для смартфона, чтобы такое устройство можно было размещать рядом с продуктами в магазинах. Кроме того, исследователи собираются создать специальное мобильное приложение для упрощения анализа.
«Планируется, что сравнение интенсивности флуоресценции с контрольным значением будет производиться по калибровке в приложении для смартфона, — пояснила Е.А. Назарова. — На данный момент ведутся исследования, как сделать индикаторы более устойчивыми к различным воздействиям внешней среды, наблюдения за стабильностью индикаторов в течение долгого времени, а также подбор способов встраивания индикаторов в упаковку. Кроме того, разрабатываются идеи по дополнению упаковки новыми функциями».
Съедобная альтернатива химикатам
Обработка пищи различными веществами для защиты ее от порчи, продления срока хранения и сохранения привлекательного внешнего вида уже давно стала привычной практикой. Применяемые в этих случаях соединения (пищевой воск, этилен, антибиотики и др.) не несут человеку прямого вреда, но могут изменять вкус пищи или ее текстуру.
Безвредную альтернативу традиционным веществам для обработки продуктов предложили химики из Санкт‑Петербургского государственного университета. Созданное ими полимерное покрытие для овощей и фруктов не влияет на их вкус, аромат и текстуру. При этом оно защищает продукт от бактерий и пропускает воздух и влагу, позволяя сохранять плоды свежими и вкусными в течение длительного времени.
Съедобное защитное покрытие для овощей и фруктов разработали ученые СПбГУ.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Своеобразная упаковка включает два компонента. Первый — всем известный желатин, широко используемый в кулинарии. Он обеспечивает нужную консистенцию смеси. Второй ингредиент — хитозан, биополимер, выделяемый из панцирей ракообразных. Именно хитозан в составе покрытия отвечает за уничтожение микроорганизмов — он обладает широким спектром биологической активности, при этом нетоксичен и биологически совместим с человеческим организмом.
Чтобы покрыть плоды защитным составом, нужно просто погрузить их в раствор и затем просушить в течение нескольких часов. Технология может быть масштабирована для вакуумных сушилок на промышленных производствах. В дальнейшем получившуюся оболочку можно смыть водой, хотя и употребление фрукта или овоща с таким покрытием, как можно догадаться, не принесет вреда. Отмечается, что есть возможность адаптировать подобные «упаковки» и для других продуктов.
От пищи до освоения космоса
Антибактериальное покрытие для упаковок, позволяющее на десять дней увеличить срок хранения пастеризованного молока, создали исследователи Московского авиационного института (национального исследовательского университета). Первые испытания ученые провели совместно с крупнейшим удмуртским производителем молочной продукции — предприятием «Ува-Молоко». Эксперименты показали, что новинка сохраняет эффективность для упаковок из разных полимеров. Технология будет полезна для производителей скоропортящейся пищи — поможет выйти на более отдаленные рынки, снизить необходимость использования консервантов и уменьшить расходы на изготовление и перевозку продуктов.
Разработанное в МАИ антибактериальное покрытие наносится на нужную поверхность с помощью плазмотрона атмосферного давления.
Фото предоставлено пресс-службой Московского авиационного института
Подробностями работы над проектом с «Научной Россией» поделилась пресс-служба МАИ. На вопросы корреспондента нашего портала о деталях и перспективах технологии ответил главный автор разработки, кандидат технических наук, начальник научно-исследовательского отдела № 12 МАИ Павел Александрович Щур.
Работа над антимикробными покрытиями ведется в МАИ уже давно, но возможность применять созданные технологии на практике появилась только в последние полтора года. В пищевой промышленности покрытие тончайшим слоем наносится на внутреннюю поверхность упаковки, позволяя защитить продукты питания от воздействия микроорганизмов.
Опыты показали, что продлить срок хранения молока с помощью инновационной упаковки действительно возможно. Однако уже на первых этапах экспериментов исследователи столкнулись с небольшой проблемой — стоимость технологии оказалась довольно высокой. Поэтому спустя год испытаний ученые приняли решение повысить эффективность изобретения, сделав процесс проще и дешевле.
И им это удалось: например, вместо прежде использовавшихся вакуумных методов нанесения покрытия ученые начали применять плазмотрон атмосферного давления. Это устройство позволяет генерировать плазму и создавать антимикробные покрытия в обычных условиях, на воздухе, что значительно сокращает расходы на обработку. Помимо этого, исследователи улучшили антимикробные свойства покрытий, включив в них ионы серебра.
П.А. Щур отметил, что впервые разработкой технологии умных упаковок в нашей стране занялась профессор МАИ, доктор технических наук Вера Матвеевна Елинсон. Что касается масштабного проекта по созданию антимикробных покрытий, то над ним П.А. Щур с коллегами работают с 2014 г.
Создаваемые в МАИ антибактериальные покрытия пригодятся не только для упаковки продуктов. У них немало перспективных направлений применения — от медицины до космических исследований. П.А. Щур добавил, что сейчас в работе над антимикробными покрытиями участвуют специалисты из разных областей.
Образец с нанесенным антибактериальным покрытием.
Фото предоставлено пресс-службой Московского авиационного института
«Мы с командой продолжаем исследовать антимикробные покрытия для увеличения сроков годности продуктов питания. Сейчас уже ясно, что они могут применяться не только в пищевой промышленности, но и в других областях. Наиболее перспективным направлением считают использование технологии для более долгого хранения крови. Мы уже убедились, что покрытие полностью безопасно для клеток крови — оно не вызывает гемолиза (разрушения красных кровяных телец, эритроцитов. — Примеч. авт.), поэтому его можно использовать в полевых условиях. Подобные покрытия также можно применять в общественных местах с большой проходимостью — например, на поверхностях в лабораториях, на местах частого контакта, таких как ручки дверей. Все эти варианты использования перспективны благодаря способности покрытия убивать микроорганизмы и предотвращать размножение бактерий. В будущем это поможет снизить риск распространения инфекций в местах массового скопления людей», — рассказал П.А. Щур корреспонденту «Научной России».
Активно обсуждается возможность использования антибактериального покрытия в космической сфере — например, для защиты орбитальных станций от засилья микроорганизмов, которые могут мутировать, размножаться и разрушать изоляцию и полимерные составляющие электроники на станции.
Активно обсуждается возможность применения созданного в МАИ антибактериального покрытия в космической сфере — например, для защиты орбитальных станций от разрушения микроорганизмами.
Источник изображения: abidal / фотобанк 123RF
Вероятно, что в ближайшее время исследователи подключат к работе над покрытиями искусственный интеллект.
«Одно из самых перспективных и актуальных направлений в науке сегодня — биотехнологии: смежные области, где объединяются достижения биологии, техники и электроники. Например, большие перспективы имеет использование ИИ. Он необходим ученым для проведения исследований и особенно для анализа массива данных. Благодаря быстрой и точной аналитике станет возможно предсказать, какие покрытия в какой области будут идеально подходить для борьбы с “вредителями”. Подобные эксперименты и создают инновационные решения», — подчеркнул П.А. Щур.
Ученый добавил, что исследования ученых МАИ по созданию антибактериальных покрытий получают поддержку государства, что подтверждает высокую значимость и перспективность таких разработок. Интересно, что сегодня к проекту может присоединиться любой желающий, начиная со студентов-второкурсников из профильных вузов.
Источники
Информация, предоставленная пресс-службой Московского авиационного института
Комментарий начальника научно-исследовательского отдела № 12 МАИ П.А. Щура
Комментарий директора научно-образовательного центра химического инжиниринга и биотехнологий Университета ИТМО Е.А. Назаровой
«ТАСС. Наука». В РЭУ им. Плеханова создали бактерицидную и биоразлагаемую упаковку
«RT на русском». Надежда Алексеева, Екатерина Кийко. Для упаковочных и медицинских материалов: российские ученые создали полимерный композит с бактерицидными свойствами
«ИТМО/NEWS». Алена Мамаева. В ИТМО разработали индикаторы для определения реального срока годности продуктов
Санкт-Петербургский государственный университет. Химики СПбГУ создали съедобные покрытия для упаковки продуктов
Московский авиационный институт. В МАИ придумали умную упаковку, продлевающую срок хранения продуктов
Источник изображения на превью: captainvector / фотобанк 123RF
Изображение на главной странице: сгенерировано ИИ / фотобанк 123RF
Источники изображений в тексте: freepik / фотобанк Freepik, amenic181 / фотобанк 123RF, freepik / фотобанк Freepik, Rochak Shukla / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, предоставлены пресс-службой Московского авиационного института, abidal / фотобанк 123RF.
