Nanotehnologija u prehrambenoj tehnologiji

1. Društvo kemičara i tehnologaPrehrambeno-tehnološki fakultet, Osijek 7. svibnja 2009. Nanotehnologija u prehrambenoj tehnologiji Vlasta Piližota Sveučilište J. J. Strossmayera u Osijeku, Prehrambeno-tehnološki fakultet F. Kuhača 20, Osijek Vlasta.Pilizota@ptfos.hr

2. "Today we make things at the molecular scaleby stirring together molecular parts and cleverly arranging things so they spontaneously go somewhere useful.  In the future we'll have molecular "hands" that will let us put molecular parts exactly where we want them, vastly increasing the range of molecular structures we can build." Ralph Merkle "Danas pravimo stvari na molekularnoj razini međusobnimmiješanjem dijelova molekule pametnim uređivanjem tako da su (stvari, tvari, čestice, i sl.) spontano negdje (za nešto) korisne. U budućnosti ćemo imati "ruke" molekularnih dimenzija koje će nam omogućiti staviti dijelove molekula točno tamo gdje to želimo, povećavajući jako raspon molekularnih struktura koje ćemo moći izgrađivati." Ralph Merkle

3. Nanotehnologija je znanost i tehnologija koja se usredotočuje na specifične osobine (svojstva) materije (materijala), a koja proizlazi iz nano veličine, i obuhvaća kreiranje i manipulaciju anorganske ili ne biološke ili biološke tvari na nano-razini.

4. Riječ (izraz) nanotehnologija prvi je uveo nekadašnji profesor Norio Taniguchi Sveučilišta znanosti u Tokiju (Tokyo Science University) na međunarodnoj konferenciji inženjerstva održanoj u Tokiju 1974. godine.

5. Termin "nano", koja u grčkom jeziku znači"patuljak", odnosi se na dimenzije raspona 10-9 odnosno 1 nanometar = 10-9 m. Radi usporedbe: - virusi su otprilike veličine 10 nanometara - građa atomske rešetke u silikonu je 0.54 nm

6. Nanotehnologija je usredotočena na karakterizaciju, izgradnju i manipulaciju bioloških i nanobioloških struktura manjih od 100 nm, puno manjih nego što ljudsko oko može vidjeti (normalno ljudsko oko, pri najbližem fokusu, može razlučiti dimenzije od 20 μm, 10-6 m). Utvrđeno je da strukture ovako malih dimenzija imaju jedinstvena i nova funkcionalna svojstva, mogućnosti primjene i umiješanosti koja mogu poslužiti čovječanstvu.

7. Prema U.S.A. National Nanotechnology Initiative (2006): Nanotehnologija je područje interesa koje podrazumijeva upravljanje tvarima dimenzija od približno 1 do 100 nm (dimenzija približno 80 000 puta manjih od promjera prosječne debljine ljudske vlati-kose i 10 puta promjera atoma vodika), koja omogućava jedinstveni fenomen novih mogućnosti primjene.

8. Ioni K (kalija) i Na (natrija) su promjera 10 – tak nm, i imaju jednu od uloga u ljudskom organizmu da generiraju nervne impulse. Veličina molekula šećera, amino-kiselina, hormona i DNA je u nano dimenzijama. Većina molekula proteina i polisaharida su nano dimenzija.

9. Može se reći da svaki živi organizam na Zemlji egzistira zbog prisustva, koncentracije, lociranosti i međudjelovanja ovih nano-struktura. Nanotehnologija može imati različitu korist upotrebom strukturalnih tvorevina nano razine, koje imaju fizička, kemijska i biološka svojstva, i koja su suštinski različita od njihovih makroskopskih struktura.

10. Obuhvaćajući znanost, inženjerstvo i tehnologiju nano razine, nanotehnologija uključuje (obuhvaća) predočavanje, mjerenje, modeliranje, i manipulaciju tvari pri ovoj dimenzionalnoj razini.

11. Od nobelovca (1965.) Richard Feynman-ove poticajne knjige "There’s Plenty of Room at the Bottom" (1959.), ili Eric Drexlerove "Engines of Creation" (1986.) ili knjige "Nanosystems" (1997.), znanstveni svijet je bio zasljepljen i zaintrigiran ogromnim skokom u misterioznu minijaturizaciju.

12. Richard Feynman je predvidio (1959. godine u svom povijesnom predavanju "There’s Plenty of Room at the Bottom" na Kalifornijskom tehnološkom institutu, Pasadena) da će biti moguće uređivati najsitnije strukture atom po atom već 2000.-te godine.

13. Drexler i njegovi sljedbenici su predložili manipulaciju molekulama kako bi se uređivali, shvatili, kontrolirali i snažno, na drugi način, mijenjali naši životi. On je na taj način dao naslutiti da bi nanotehnologija mogla dati velike mogućnosti primjene, ali pretpostavio i neke strahove koje bi upotreba nanotehnologije mogla prouzročiti (npr. konstruiranjem nano-oružja, ili npr. mikro-robota).

14. U međuvremenu je nanotehnologija postala stvarnost. 1989. godine IBM stručnjak Don Eigler je korištenjem scanning tunneling microscope (motridbenog tunelskog mikroskopa) kreirao slova "IBM" okretanjem oko atoma.

15. 1991. godine japanski znanstvenik Sumio Iijima je otkrio ugljikovu nano cijev, strukturu koja bi se mogla upotrijebiti za pravljenje najtanje električne žice. Neki su znanstvenici napravili tranzistor od jedne ugljikove molekule i stvorili prototip uređaja za pohranjivanje informacija s podacima veličine 50 nm.

16. Primjena nanotehnologije u prehrambenoj industriji Priroda odavnina koristi za samoizgradnju nano strukture i to kroz niz optimiziranih procesa koji najučinkovitije koriste (minimalno) energiju. Atomi i molekule su već milionima godina organizirani u dobro organizirane (i složene) strukture.

17. Većina nano čestica, koje se upotrebljavaju tradicionalno pripadaju koloidima. Sterička stabilizacija koloidnih čestica se postiže adsorbcijom polimera i površinski aktivnih čestica na površini. Nano čestice mogu se dalje stabilizirati njihovim vezanjem na molekule koje tvore kovalentne veze.

18. Npr. ‘organizacija’ micela (čestica) kazeina ili škroba i ‘pakiranje’ globularnih proteina i nakupljenih proteina su primjer samo-slagajućih struktura koje čine stabilne tvorevine.

19. Upotreba nano-struktura u znanosti o hrani i tehnologiji se bazira na razumijevanju termodinamičkih samo-slažućih procesa. Samo-organizirajuće strukture na nivou nano-dimenzija moguće je postići uspostavom ravnoteže između različitih ne kovalentnih sila. Postizavanjem veće površine nano čestica po jedinici mase biti će moguće da one budu biološki aktivnije nego čestice većih dimenzija istog kemijskog sastava.

20. Nanotehnologija je otvorila nove putove u studiranju pojedinačnih molekula i specifičnih intra- i inter-molekularnih reakcija u kojima one sudjeluju. Istraživanja će omogućiti spoznaje koje će pomoći u kreiranju pojedinih molekula (hrane), zaštitnih površinskih sustava, površinskog inženjerstva, različitih metoda proizvodnje i nanofiltraciju.

21. Slika 1.Shematski prikaz primjene nanotehnologije u prehrambenoj industriji

22. Glavna područja primjene nanotehnologije u proizvodnji hrane • Procesiranje • Pakiranje • Proizvodnja materijala i sastojaka • Automatizacija • Sigurnost i kvaliteta hrane • Bio-inženjerstvo • Nano dizajniranje • Nano bio-inženjerstvo • Okoliš • Informacijska tehnologija

23. Primjena nanotehnologije u prehrambenoj industriji prema proizvodu: a) standardna hrana; b) funkcionalna hrana; c) suplementi; d) prehrana; e) dijeta

24. Nanotehnologija u prehrambenoj industriji prema području primjene: a) proizvodnja hrane; b) procesiranje; c) konzerviranje; d) poboljšanje arome i boje; e) sigurnost hrane; f) pakiranje hrane

25. Nanotehnologija u prehrambenoj industriji prema tehnologiji: 1 – dizajniranje matriksa; a) frakcioniranje; b) sinteza; c) dizajniranje maziva; d) drugi molekularni matriksi 2 – nanomaterijali; a) nanokompoziti; b) nanoglina; c) nanocijevi; d) drugo 3 – detekcija; a) nanoslike; b) biosenzori; c) nano čipovi; d) drugo

26. 4 – procesne tehnologije; • za emulzije; b) za gelove; c) za pjene; d) za lipozome; e) za drugo 5 – Nano sustavi za prijenos; a) nano kapsule; b) nano helati; c) nano kuglice; d) nano naprave i nano strojevi; e) nano roboti; f) drugo 6 – Nano higijena; a) nano čestice; b) obrada površine; c) nano filter; d) dizajniranje strukture; e) drugo i nove tehnologije

27. Primjena nanotehnologije

28. Sustavi za oslobađanje, prijenos, raspodjelu Slika 2. Shematski prikaz nano sustava za prijenos čestica: A – mikroemulzija, B – lipozom, C – nano emulzija, D – biopolimerna nano čestica (sastoji se od jednog biopolimera ili može imati strukturu koja ima čvrstu ovojnicu) 2A = micela - sferična čestica (nosač komponenti u funkcionalnoj hrani), promjera 5 - 100 nm 2B = lipozomi-polimolekularni agregat izgrađen od polarnih lipida sa dvoslojnom konfiguracijom, uglavnom u fosfolipidima soje i jaja, promjera od 20 nm do nekoliko stotina nm 2C = nano emulzije (ulje-u-vodi), promjera čestica 50-200 nm 2D = biopolimerne nano-čestice (tvore čvrste čestice preko intermolekularnih vežućih sila ili kovalentnih veza)

29. Slika 3. Pregled metoda za proizvodnju nano čestica

30. Materijali za pakiranje Slika 4. Primjer mogućeg nano-slojevitog materijala formiranog od globularnih proteina i polisaharida. Debljina svakog sloja u prosjeku je 1 do 100 nm.

31. Slika 5. Shematski prikaz omatanja hrane s više slojeva primjenom uzastopnog postupka potapanja i ispiranja

32. Slika 6. Analitički postupci za određivanje stanične RNK. Ovejedinične operacije su realizirane u medelima bioanalitičkih sustava NASBA – isothermal Nucleic Acid Sequence-Based Amplification reaction

33. Slika 7. Sastavljeni mikrotekućinski biosenzorski modul

34. Proizvodi koji se nalaze (danas) na tržištu u čijem kreiranju nanotehnologija ima učešće: - pića (mlijeko, sokovi, čajevi) sa dodatkom Ca (u vidu raznih Ca soli, nano-Ca); - gazirani sokovi sa dodatkom raznih mikroemulzija (2A) sa inkorporiranim esencijalnim uljima (aromatičnim spojevima tvarima arome); - razni mliječni proizvodi sa lipozomima (2B) u kojima je inkapsuliran laktoferin, bakteriostatski glikoprotein (radi produženja vijeka trajanja), probiotici, prebiotici;

35. dresinzi za salate s dodatkom antimikrobnih tvari; • stabilni disperzni sustavi (emulzije) kao što su mlijeko, majoneze, umaci, dresinzi za salate i sl. sa vrlo finim ulje-u-vodi nano-emulzijama (2C) koje imaju izvrsna svojstva u stabiliziranju ovih proizvoda; • riblje ulje (sa dodatkom α-tokoferola za smanjenje oksidacije lipida u ulju)- 2B;

36. - široki raspon različitih prehrambenih proizvoda sa dodatkom funkcionalnih (bioaktivnih) dodataka (vitamina, minerala, 3 i 6 omega masnih kiselina, antioksidanasa, tvari arome, boja – pigmenata, antimikrobnih sredstava, konzervanasa, …) koji se dodaju u hranu u čistom obliku ili, češće, u nekom vezanom obliku, u sustav za ugradnju proizvod (npr. u obliku mikrosfere i mikrokapsule) – funkcionalna hrana

37. Budućnost primjene nanotehnologije - Nove tehnologije • Novi proizvodi (personalizirani i funkcionalni proizvodi) • Kvaliteta hrane (bolja topljivost, sprječavanje oksidacije, poboljšanje okusa i sl.) • Sigurnost hrane • Tretiranje raznih oboljenja preko sustava hrane koji sadrže bio-aktivne sastojke (sa mogućnošću dužeg zadržavanja u probavnom sustavu) - Stanična i molekularna biologija

38. - Novi materijali i uređaji za detekciju patogenih organizama (antimikrobni senzori) - Omotači hrane • Identifikacija (raznim napravama) nepoželjnih sastojaka (nanosenzori) - Pakiranje hrane (folije i sl.) • Praćenje (raznim napravama i sustavima) proizvoda i njihove kvalitete u cijelom lancu hrane - Označavanje (deklariranje) hrane - Zaštita okoliša

39. Danas je na tržištu prisutno oko 200 proizvođača sa oko 60 % proizvoda namijenjenih za poboljšanje zdravlja i općeg stanja organizma ('health and fitness'), 9 % su hrana i pića, i ostalo.

40. HVALA NA PAŽNJI!