Нанотехнология в пище

1.Историяразвития  нанотехнологии

 

• В науке и технике, нанотехнологии появились сравнительно недавно.
• 1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американского физического общества, которая называлась "Полно игрушек на полу комнаты". Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам.

Ричард Фейнман

3

 

1968 год. Альфред  Чо и Джон Артур, сотрудники  научного подразделения американской  компании Bell, разработали теоретические  основы нанотехнологии при обработке  поверхностей. 
1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть им механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.). 

 

• 1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специальный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы(СЗМ). 
  

4

 

Сканирующий  зондовый микроскоп

 

• 1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.
• 1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией

5

 

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона. 
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий. 
1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки. 

 

• 2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн. 
  2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

 

Частицы размерами  от 1 до 100 нанометров.

6

 

2.Получение  наночастиц

 

• Наиболее общей кинетической закономерностью формирования наноразмерных частиц является сочетание высокой скорости зарождения кристаллической фазы с малой скоростью ее роста. Именно эти особенности синтеза наночастиц определяют технологические пути его осуществления.
• Все методы получения наночастиц можно разделить на две большие группы. Первая объединяет способы, позволяющие получать и изучать наночастицы, но на основе этих методов трудно создавать новые материалы. Сюда можно отнести конденсацию при сверхнизких температурах, некоторые варианты химического, фотохимического и радиационного восстановления, лазерное испарение.
• Вторая группа включает методы, позволяющие на основе наночастиц получать наноматериалы. Это в первую очередь различные варианты механохимического дробления, конденсация из газовой фазы, плазмохимические методы и др.

7

 

3.Применение  нанотехнологий

 

Наночастицы открывают удивительный мир не столько в силу своих чрезвычайно малых размеров, – один нанометр в 50 000 раз меньше обыкновенного человеческого волоска, – а в силу своих необыкновенных свойств. Механических, физических, тепловых, оптических, электрических, химических. Мир нанотехнологий выходит за рамки известных нам законов классической физики, даже таких, как широко известные законы гравитации и скорости.

 

 

Наночастицы  серебра не отличаются от ионов  серебра по воздействию на  человека, а в ряде случаев  по активности ионы даже их  превосходят,

8

 

Оказывается, нанотехнологии , уже давно входят  в повседневный быт и завоевывают  все более широкие области  практического применения, особенно  в медицине. В лабораториях сейчас  идет работа над производством  быстрых и дешевых систем диагностики  – мини-лабораторий, мини-чипов и  даже миниатюрных наборов для  личного пользования. Ученые работают  и над «умными» лекарствами, которые  наночастицы будут доставлять  в целости и сохранности только  в больной орган, минуя здоровые; над способами восстановления  поврежденной или разрушенной  ткани; над суперсовременной медицинской  томографией с применением молекулярных  маркеров на основе светящихся  наночастиц; над новой методикой  имплантации без отторжения, массовой  вакцинации, лечения рака, диабета, артроза.

 

9

 

Применение  нанотехнологий в бытовой технике  понятно, достаточно оглянуться  вокруг, чтобы понять, что нанотехнологии  уже существенным образом изменили  нашу жизнь и это только  начало процесса. Так, на их основе  можно, например, изготовить велосипедную  раму в 100 раз более прочную, чем  из стали и при этом в  шесть раз более легкую. Не  стоит даже говорить, какие выгоды  это сулит для автомобилестроения.

Без нанотехнологий  уже немыслима современная электроника: жесткие диски компьютеров, мобильные  телефоны, плейеры и многое другое, без них трудно представить  даже тормозную систему современных  автомашин или автомобильные  шины. В косметике они помогают  получить нанокомплексы, которые  свободно проникают в глубокие  слои кожи и переносят активные  вещества до самой клетки. Домохозяйкам  они помогают увеличить срок  хранения продуктов и получить  любой вкус продукта «по заказу». Большинство нанотехнологий находятся  пока в стадии разработки или  испытаний. Одновременно они оказались  в центре оживленной полемики  относительно, прежде всего, опасностей, которые могут представлять для  окружающей среды, человека и  прав человека.

10

 

4. Использование  нанотехнологий в пищевой промышленности

 

Сельское хозяйство

• Препараты пестицидов и удобрений 
  

Производство  пищи

• Нанодиспергированные и наноинкапсулированные  
  компоненты для функциональных продуктов питания
• Биологически активные добавки к пище
• Пищевые добавки с улучшенными  
  функциональными свойствами:

-Наноконсерванты

-Средства улучшения  вкусовых характеристик

-Анти-бактериальные  покрытия

• Нанофильтрация
• Наносенсоры 
  

Хранение пищи

• Защитные аэрозоли
• Упаковочные материалы
• Наносенсоры

 

11

 

• ПИЩЕВЫЕ ПРОДУКТЫ:
• 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

 

12

 

• СОЗДАНИЕ НОВЫХ ПРОДУКТОВ И КОНТРОЛЬ ЗА БЕЗОПАСНОСТЬЮ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ:
• использование наноматериалов для доставки ДНК в клетки растений для целей генной инженерии
• иммобилизация антител на флуоресцентных наночастицах для обнаружения контаминантов химического происхождения и патогенных микроорганизмов
• использование биодеградирующих наносенсеров для контроля за температурой хранения и влажностью продуктов
• использование наноматериалов с целью селективного связывания и элиминации токсинов и патогенных микроорганизмов

 

13

 

Производство

 

Безопасность

 

Продукция

 

Материалы

 

 

 

 

Использование  нанотехнологий в пищевой промышленности 

 

• Нанобиотехнологии
• Молекулярный синтез
• Тепло/массоперенос
• Наноструктурированные реакторы
• Нанофильтрация

 

• Наноструктурированные  
  пищевые добавки и БАД
• Системы доставки
• Упаковка

 

• Наночастицы
• Наноэмульсии
• Наноструктурированные  
       материалы
• Наноинкапсулированные 
       материалы 
  

 

• Наносенсоры
• Наноиндикаторы
• «Умная упаковка»

14

 

Нанофильтрация

 

Современный  метод крупномасштабного фракционирования  пищевого сырья, основанный на  использовании полимерных мембран  с диаметром пор ~1 нм и менее

Позволяет  проводить разделение с высокой  селективностью смесей белков, коротких  пептидов, сахаров, минеральных солей  и воды

Селективность  нанофильтрационных мембран зависит  от выбора условий разделения (рН, ионная сила) и может изменяться  в широком диапазоне

Продукция, подвергнутая  фракционированию на нанофильтрационных  мембранах, НЕ СОДЕРЖИТ искусственных наночастиц и может рассматриваться как традиционная с позиций показателей безопасности

 

Ферментативный гидролизат молочного белка

 

 

Нанофильтрационная  установка

 

Исходное М.М. распределение     После последовательной 

                                                           ультра- и нанофильтрации