Scienty

Упаковка для продуктов – казалось бы, обыденная вещь. Однако ученые могут удивить даже самого опытного покупателя. Зачем не создать тару, которая оценивала бы свежесть еды или продлевала срок ее хранения? Рассказываем о необычных упаковках, созданных российскими исследователями: антибактериальные, экологичные и даже съедобные.

Совмещая несовместимое

Противодействие вредоносным бактериям и охрана окружающей среды — актуальные задачи современности. Могут ли решения этих проблем быть объединены в одном изобретении? Разработка ученых лаборатории «Перспективные композиционные материалы и технологии» Российского экономического университета имени Г.В. Плеханова демонстрирует это на своем примере.

Разработанная исследователями полимерная пленка обладает двумя ценными свойствами: защищает пищу от бактерий и быстро разлагается после использования. Казалось бы, это невозможное сочетание. Как добиться того, чтобы один материал сначала подавлял микроорганизмы, а затем под их воздействием распадался?

Для достижения этого эффекта учёные добавили в пленку антибактериальный компонент (оксид меди) и биоразлагаемый наполнитель (термопластичный крахмал). Механизм действия материала прост: антибактериальное вещество расходуется за время использования упаковки. Наполнитель же начинает свою работу после утилизации пленки: в влажной почве материал быстро разлагается в углекислый газ. CO₂Упаковка из данных материалов распадается при помощи тепла и воды, не причиняя вреда окружающей среде. Скорость разложения можно заранее настроить с помощью полимеров: поликапролактон ускорит процесс, а полилактид замедлит его. Первый применяется в медицине для создания саморассасывающихся швов, второй — для хирургических нитей, биоразлагаемой посуды и тары.

Природное оружие

Ученые Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН разработали новый антибактериальный и биоразлагаемый материал.
Это изобретение будет полезно не только для упаковки продуктов, но и для производства защитных бактерицидных пленок и медицинских товаров — например, одноразовых предметов для ухода за больными.

В качестве основы композитного материала использован полилактид с добавлением поликапролактона. Уничтожение бактерий обеспечивается модифицированным порфирином, который, благодаря изменениям, внесенным учеными, способен проникать сквозь клеточные стенки разных вредных микроорганизмов. Например, во время испытаний материал продемонстрировал эффективность против стафилококка, сальмонеллы и кишечной палочки.

Материалы из биоразлагаемых полимеров и порфиринов — новое средство для борьбы с антибиотикоустойчивыми бактериями. Примечательно, что порфирины как оружие против микробов человеку предоставила сама природа: это распространенные пигменты, присутствующие в хлорофилле, гемоглобине и некоторых ферментах.

Индикаторы свежести

Ученые НГУ ИТМО создали необычную полезную технологию — флуоресцентные индикаторы для оценки свежести мясных, птичьих, рыбных и морских продуктов.

Основой индикаторов служат биосовместимые, безопасные для человека, легко синтезируемые материалы: углеродные точки, закрепленные на полисахаридах. Принцип действия прост: индикаторы реагируют на появление в упаковке сероводорода. H₂SЭто вещество выделяется при разложении белковой еды. Чем слабее свечение индикаторов под действием ультрафиолетового света по сравнению с нормой, тем выше концентрация сероводорода в емкости.

Директор научно-образовательного центра химического инжиниринга и биотехнологий ИТМО поделилась информацией о технологии с корреспондентом «Научной России». Елена Александровна Назарова.

Индикатор обладает флуоресцентными свойствами – способностью переизлучать свет с большей длиной волны под действием ультрафиолета. Этим свойством обладают углеродные точки. — объяснила Е.А. Назарова. — Углеродные точки — наноструктуры углерода размером до 100 нанометров. Их синтезируют непосредственно на поверхности полисахаридов, таких как целлюлоза, хитин или хитозан. Индикаторы могут изменять интенсивность флуоресценции при взаимодействии с другими веществами, однако зависимость будет не такой сильной, как в случае с сульфидами.

При выборе продуктов люди часто обращают внимание на срок годности на упаковке. Но неправильное хранение или транспортировка могут привести к возникновению опасных микроорганизмов, таких как сальмонелла, листерия и стафилококк, даже раньше указанного срока. Возможность оценить свежесть продукта непосредственно у прилавка – настоящая выгода для покупателей.

Внутри прозрачной пленки контейнеров для продуктов разместят индикаторы. Углеродные точки не будут контактировать с едой, но реагируют на сероводород в упаковке – сигнал о развитии вредных бактерий в мясе или рыбе.

Ожидается, что в каждую упаковку можно будет интегрировать по одному индикатору. Размеры последнего могут отличаться в соответствии с объёмом упаковки и количеством товара. — добавила Е.А. Назарова.

Чтобы проверку продукта можно было осуществлять непосредственно в магазине, исследователи разработали прототип модуля с встроенным УФ-светодиодом, предназначенного для работы с обычным смартфоном. Для анализа модуль помещают на упаковку с продуктами питания, а сверху располагают смартфон.

Внутри модуля, лишенного доступа к внешнему свету, индикатор облучается ультрафиолетом заданной длины волны. Флуоресценцию фиксируют через отверстие камерой смартфона. Позже фотографию обрабатывают специальным образом для определения результата считывания. — пояснила Е.А. Назарова.

Авторы проекта выиграли реалити-шоу «Страсти по грантам» и получили грант на исследование от Российского научного фонда в размере 6 миллионов рублей.

Ученые стремятся уменьшить размеры модуля для смартфона до размеров, позволяющих размещать его рядом с товарами на прилавках магазинов. Также предполагается разработка мобильного приложения для упрощения анализа.

Предполагается, что оценку интенсивности флуоресценции по отношению к значению контрольной группы осуществят через приложение для смартфона. — пояснила Е.А. Назарова. — В настоящее время проводятся исследования по повышению устойчивости индикаторов к внешним воздействиям, изучению их стабильности в течение длительного времени и поиску методов интеграции индикаторов в упаковку. Также разрабатываются концепции по расширению функционала упаковки.

Съедобная альтернатива химикатам

Обработка продуктов различными веществами для сохранения их свежести, продления срока годности и придания привлекательного внешнего вида — обычная практика. Использование таких соединений (пищевой воск, этилен, антибиотики и др.) не наносит человеку прямого вреда, но может влиять на вкус или текстуру пищи.

Химики из Санкт-Петербургского государственного университета предложили безопасную замену традиционным веществам для обработки продуктов. Разработанное ими полимерное покрытие для овощей и фруктов не изменяет вкус, аромат и текстуру. Оно защищает продукт от бактерий и пропускает воздух и влагу, обеспечивая сохранность плодов в свежем и вкусовом отношении длительное время.

Упаковка состоит из двух частей. Первая — желатин, часто применяемый в кулинарии.
Вторая — хитозан, биополимер, получаемый из панцирей ракообразных. Хитозан в составе покрытия уничтожает микроорганизмы благодаря широкому спектру биологической активности и при этом безопасен для человеческого организма.

Для нанесения защитного состава плодам достаточно погрузить их в раствор и высушить несколько часов. Технологию можно масштабировать для вакуумных сушилок на промышленных предприятиях. Полученную оболочку можно смыть водой, однако употребление фрукта или овоща с таким покрытием не принесёт вреда. Есть возможность адаптировать подобные «упаковки» и для других продуктов.

От пищи до освоения космоса

В Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) разработали антибактериальное покрытие для упаковок, увеличивающее срок хранения пастеризованного молока до десяти дней. Испытания совместно с предприятием «Ува-Молоко» показали эффективность покрытия для упаковок из различных полимеров. Новая технология будет полезна производителям скоропортящейся пищи, позволит выйти на более отдаленные рынки, снизить использование консервантов и уменьшить расходы на изготовление и перевозку продуктов.

Пресс-служба МАИ сообщила подробности работы над проектом с «Научной Россией». Главный автор разработки, кандидат технических наук и начальник научно-исследовательского отдела № 12 МАИ, ответил на вопросы корреспондента нашего портала о деталях и перспективах технологии. Павел Александрович Щур.

В МАИ занимаются разработкой антимикробных покрытий давно, однако практическое применение созданных технологий стало возможным только полтора года назад. В пищевой промышленности тончайший слой покрытия наносят на внутреннюю поверхность упаковки, чтобы защитить продукты от микроорганизмов.

Эксперименты подтвердили возможность увеличения срока хранения молока благодаря новой упаковке. Однако на начальных этапах исследований возникла трудность: технология оказалась дорогой. Через год испытаний учёные решили оптимизировать изобретение, упростив и удешевив его производство.

Ученым удалось добиться успеха: вместо прежних вакуумных методов нанесения покрытия стали применять плазмотрон атмосферного давления. Это устройство генерирует плазму и создает антимикробные покрытия в обычных условиях, на воздухе, что сокращает расходы на обработку. Исследователи также улучшили антимикробные свойства покрытий, включив в них ионы серебра.

П.А. Щур указал, что профессор МАИ, доктор технических наук Вера Матвеевна Елинсон первой в стране занялась разработкой технологии умных упаковок. Проект по созданию антимикробных покрытий П.А. Щур с коллегами реализует с 2014 года.

В МАИ разрабатывают антибактериальные покрытия, которые могут использоваться не только для упаковки продуктов. Перспективные направления применения — от медицины до космических исследований. Специалисты из разных областей работают над созданием антимикробных покрытий.

Команда продолжает исследовать антимикробные покрытия для продления срока годности продуктов питания. Покрытия могут применяться не только в пищевой промышленности, но и в других отраслях. Самым перспективным направлением считают использование технологии для более долгого хранения крови. Испытания показали, что покрытие полностью безопасно для клеток крови — оно не вызывает гемолиз. Разрушение красных кровяных клеток. Покрытие обладает необходимой прочностью для применения в полевых условиях. Аналогично, его можно использовать в общественных местах с интенсивной проходимостью — например, на поверхностях лабораторий или дверных ручках.
Все эти варианты использования перспективны благодаря способности покрытия уничтожать микроорганизмы и препятствовать размножению бактерий. В будущем это позволит снизить риск распространения инфекций в местах массового скопления людей. — рассказал П.А. Щур корреспонденту «Научной России».

В космической сфере рассматривается возможность применения антибактериального покрытия для защиты орбитальных станций от микроорганизмов, способных мутировать, размножаться и повреждать изоляцию, а также полимерные элементы электроники.

Скорее всего, учёные скоро вольют искусственный интеллект в процесс разработки покрытий.

Биотехнологии — одно из самых перспективных направлений науки, где соединяются достижения биологии, техники и электроники. Искусственный интеллект нужен ученым для исследований и анализа больших объемов данных. Быстрая и точная аналитика позволит предсказать, какие покрытия в какой области будут эффективны против вредителей. Такие эксперименты рождают инновационные решения. — подчеркнул П.А. Щур.

Ученый сообщил, что исследования МАИ по созданию антибактериальных покрытий получают государственную поддержку, что свидетельствует о важности и перспективности разработок. По проекту могут присоединиться желающие, начиная со студентов второго курса профильных вузов.

Источники

Информация, предоставленная пресс-службой Московского авиационного института

Комментарий руководителя научной группы № 12 МАИ П.А. Щура.

Комментарий директора научно-образовательного центра химического инжиниринга и биотехнологий Университета ИТМО Елены Александровны Назаровой.

«ТАСС. Наука». В Российском экономическом университете имени Плеханова разработали бактерицидную и биоразлагаемую упаковку.

«RT на русском». Алексеева Надежда, Кийко Екатерина. Для упаковки и медицины разрабатывают новый полимер с антибактериальным действием.

«ИТМО/NEWS». В ИТМО создали индикаторы, указывающие срок годности продуктов.

«ИТМО/NEWS». Екатерина Шевырева. Светящийся углерод против рака: о том, что представляют собой углеродные точки и их важность в медицине.

Санкт-Петербургский государственный университет. В Санкт-Петербургском государственном университете разработали съедобные защитные слои для упаковки пищевых продуктов.

Московский авиационный институт. В Московском авиационном институте разработали интеллектуальную упаковку для увеличения срока годности 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.