Термин «нанотехнология» может относиться и к материалам, и к структурам, и к технологиям. Общим для всех этих направлений является то, что для их реализации требуются или являются в них конечным продуктом частицы, размер которых меньше 100 нанометров (nm).

Нанотехнологии в пищевых продуктах

Для применения нанотехнологий в пищевых продуктах существует множество возможных способов, многие из которых в настоящее время еще находятся в процессе разработки или только в стадии внедрения на рынке.

Принципиально различаются способы их применения для пищевых продуктов:

• nano inside (применение непосредственно в составе продукта в качестве добавки или функционального компонента);
• nano outside (применение наноматериалов в качестве упаковочных материалов или в качестве предметов первой необходимости).

В последней названной области существуют перспективы для инноваций: например, применение нанокрасителей, нано-нитрита титана, нано-оксида титана и нано-серебра. Эти материалы расширяют возможности применения искусственных материалов, в том числе и в направлении улучшения качества упакованных пищевых продуктов.

Технологическое и  экологическое значение нанооптимизированных упаковок Различные исследования показывают, что наиболее широкие воз- можности для производителей предоставляют именно нанотехнологически оптимизированные упа- ковки для пищевых продуктов. Хотя оценки объемов их внедрения в упаковочной отрасли все же существенно различаются в разных источниках. По прогнозу американской консалтинговой группы Innovative Research and Products (IRAP), объем мирового рынка для нано-упаковок для пищевых продуктов к 2014 г. должен возрасти от 2,9 до 5 млрд долларов. Европа будет лидером в этом направлении, за которым последуют остальные. По мнению аналитиков IRAP, к 2014 г. более 50 % участников европейского рынка перейдут на активные упаковки с оптимизированными механическими, барьерными и гигиеническими свойствами. Особенно высокими темпами будет расти объем применения интеллектуальных упаковочных решений с применением RFID-меток для обеспечения гарантированной прослеживаемости или сенсоров для контроля температуры. Исследования швейцарского Центра технологических прогнозов (TA SWISS) также указывают на то, что именно в области упаковки имеется особенно значительный инновационный потенциал для нанотехнологий. Использование таких упаковок обещает и увеличение срока хранения пищевых продук- тов, и уменьшение отходов. Характерно, что именно упаковочные материалы являются вторым по величине (в сравнении с переработкой) рыночным сегментом на рынке пищевых продуктов. Нанооптимизированные упаковки для PET-бутылок обладают лучшим балансом CO2. Согласно результатам исследований, проведенных TA SWISS, и впервые опубликованному экологическому балансу, рассчитан- ному в ходе исследований, только одна Швейцария может уменьшить опасную для климата эмиссию CO2 в объеме порядка 10 тыс. т. При изготовлении, транспортировке и рециклинге нано-PET-бутылок будет выделяться на треть меньше парниковых газов, чем при использовании алюминия, и на 60 % меньше, чем при использовании одноразовых стеклянных бутылок.





Страны ЕС производят в год 66 млн т упаковочного мусора. Большинство видов упаковок для пищевых продуктов устойчиво к биологическому разложению и загрязняет окружающую среду. Чтобы создать обратную тенденцию, надо развивать производство полимеров со структурами, поддающимися биологическому расщеплению, или проводить исследования в направлении создания съедобной упаковки.

В отдельных областях индустрии уже разработаны и применяются оболочки и пленки, поддающиеся биологическому расщеплению. Позитивный результат был получен при использовании полимолочной кислоты (PLA) в качестве сырья для производства упаковки. PLA – это полимер на базе молочной кислоты, полученный в результате ферментационного процесса. Например, его можно получать из кукурузы. Материал отличается водостойкостью и устойчивостью к термопластической обработке. Из-за недостатка ископаемого природного сырья, а также экологических аспектов (парниковые газы, изменения климата и проч.) в обозримом будущем упаковочные материалы на основе биопластиков заменят применяемые ранее полимеры. Предписания ЕС Richtlinien EN 13432 содержат обязательные к выполнению на уровне ЕС стандарты для биологически расщепляемых упаковочных материалов. Согласно этим требованиям подобные материалы рассматриваются как полностью компостируемые. Оптимизирование биологических полимеров происходит путем включения в их молекулы наномасштабных компонентов. Стартовавший в 2004 г. проект ЕС SustainPack в настоящее время предусматривает исследования упаковочных материалов на базе натуральных волокон.

Наномасштабные компоненты упаковки

В настоящее время уже есть практически применяемые способы использования нанокомпонентов в производстве упаковки, и в перспективе ожидается появление новых разработок, связанных с нанокомпонентами.

«Эффект лотоса» для упаковки

«Эффект лотоса» термин для о б о знач ения специфич е с ких свойств поверхности. Этот эффект основан на физико-химическом феномене самоочистки за счет экстремально выраженного водоот- талкивания. Гидрофобные свойства поверхности создаются за счет изменения контактных углов наклона ее отдельных частиц. Чем больше угол наклона, тем выше гидрофобность поверхности. Поверхности с контактным углом наклона частиц <90° ? гидрофильные, с контакт- ным углом наклона частиц >90° гидрофобные. Впервые эффект лотоса был исследован ботаником Вильгельмом Бартхольтом с по- мощью растрового микроскопа в начале 70-х годов прошлого века. В настоящее время «эффект лотоса» может применяться для произ- водства упаковочных материалов. Нанесенное на поверхность такого материала нанопокрытие с выраженными гидрофобными свойствами облегчает удаление остатков вязкого или липкого продукта из упаковки (например, для паст, кремов, кондитерских изделий, меда и других).

Покрытия, препятствующие запотеванию (антиконденсатные)

Продукты в упаковке с конденсатом на поверхности плохо продают- ся. Нанотехнологическое покрытие, нанесенное на фольгу, может оказать эффект растекания конденсата. Измененные свойства поверхности такой фольги больше не позволят скапливаться влаге. В принципе, имеется техническая возможность создания контактных углов наклона частиц менее 10°. При таких малых контактных углах капли жидкости легко и быстро соединяются друг с другом на поверхности, если площадь поверхности велика.

Улучшение барьерных свойств и механическо й стабильности упаковоч ных материалов

Для защиты пищевых продуктов от воздействия кислорода и предотвращения испарения воды уже несколько лет с успехом применяются упаковочные пленки, имеющие защитные слои с барьерными свойствами. Наномасштабные компоненты, примененные при производстве материала для упаковки, повышают ее механическую стабильность и улучшают барьерные свойства. Без применения таких компонентов газо- и влагопроницаемость пленок из искусственных материалов зачастую слишком высока. Наномасштабные неорганические слои наносятся на полимерные пленки посредством химического поглощения газов (CVD) или физических методов газоосаждения (PVD) (например, с помощью теплового испарения или ионного распыления). Создание микро- и нанопор в упаковке придает ей свойства регулируемой проницаемости. Улучшения барьерных свойств можно добиться также с помощью плазменной полимеризации поверхности или мокрого химического нанесения на нее защитного слоя. В ре- зультате предотвращается возможность прямого контакта между наномасштабной структурой и расфасованным продуктом, потому что они отделяются друг от друга этим дополнительным защитным слоем. Тем самым исключается вероятность перехода наномасштабных структур на пищевой продукт. Для улучшения барьерных свойств традиционно используемых полимерных пленок на их поверхность напыляется слой алюминия, диоксида алюминия или оксида кремния толщиной примерно 50 нм. Такие нанооптимизированные упаковочные пленки экономичны с точки зрения затрат, потому что расход материалов на их изготовление уменьшается. В ультрабарьерных пленках в создании барьерных свойств участвуют и неорганические, и полимерные слои. Такие гибридные слои могут улучшить барьерные свойства пластиковых упаковок в сотни раз. Нанокомпозиты – новое поколение полимеров, которые в будущем смогут улучшить механические, термические и барьерные свойства пленок из возобновляемого сырья.

Упаковка с антимикробной активностью

Такая упаковка необходима для сохранения скоропортящихся продуктов (например, колбасных и сырных нарезок, свежих мясопродуктов). В некоторых случаях увеличение срока хранения упакованных продуктов достигается комплексным влиянием антимикробных свойств самой упаковки и модифицированной газовой среды (MAP) внутри упаковки. Возобновляемый эффект микробиальной инактивации достигается за счет вкрапления наночастиц активных субстанций в виде присадок в толщу или на поверхность полимерного упаковочного материала. В целом это или абсорбция активных субстанций материалом, контактирующим с пищевыми продуктами, или высвобождение таких субстанций из него. В особых случаях возможно также встраивание в фольгу из искусственных материалов UV-абсорбентов. В предписаниях ЕС ? EG Verordnung 450/2009 активные материалы, вступающие в контакт с пищевыми продуктами, определены как «материалы, абсорбирующие или отдающие активные вещества, для того чтобы сохранить или улучшить качественные характеристики упакованных пищевых продуктов, или чтобы увеличить срок их хранения».

Интеллектуальная (интерактивная) упаковка

К такому направлению относится, например, интеграция наносенсоров и наноиндикаторов в упаковку пищевых продуктов. Такая упаковка обеспечивает прослеживаемость пищевого продукта или позволяет контро- лировать сохранение свежести или загрязнение продукта микроорганизмами, вызывающими его порчу, патогенными микроорганизмами, аллергенами или токсинами, в процессе транспортировки и хранения. Интеллектуальные контактные материалы контролируют состояние упакованного пищевого продукта или окружающей его среды и дают информацию о степени его свежести. Дальнейшее развитие этого направления приведет к тому, что в скором будущем уже сама упаковка будет указывать, соблюдены ли сроки и условия хранения данного образца продукта. В предписаниях ЕС EG Verordnung 450/2009 интеллектуальные материалы, вступающие в контакт с пищевыми продуктами, определены как «устанавливающие состояние упакованных пищевых продуктов или окружающей их среды и предоставляющие информацию о степени свежести пищевого продукта».

Защита от фальсификации

Раньше проблема фальсификации была актуальна только для медикаментов или продуктов высшего ценового диапазона. Сейчас участились случаи фальсификации товаров из нижних ценовых сегментов. Чтобы защитить продукт от подделок, можно нанести на упаковку специальные краски или голограммы, содержащие определенные метки (RFID), считываемые, например, сканерами и полученные с помощью нанотехнологий. Такие решения уже можно применить к глобальному товаропотоку, они узаконены как способы защиты от плагиата, пиратства и фальсификации. Ниже перечислены направления применения активных веществ в упаковке – как уже действующие, так и ожидаемые в ближайшей перспективе (по данным Sabotka, 2009):

• поглотитель кислорода;
• CO2-поглотитель;
• генератор паров этанола;
• поглотитель этилена; датчик наличия этилена;
• антимикробный агент (возможен также и микробный агент);
• регулятор влажности;
• антиоксидант;
• поглотитель холестерина;
• ароматизирующая упаковка;
• поглотитель вкуса и эмиттер запаха;
• термоактивные функциональные пленки и функциональные ткани;
• защита от фальсификации (защита прав производителя).

Правовые аспекты и санитарногигиенические аспекты. Связи с общественностью.

Федеральный Институт Изучения Рисков (BfR) провел исследования по восприятию нанотехнологий среди населения, в том числе и с помо- щью потребительских конференций. Федеральное правительство выпустило для этого всеобъемлющий каталог мероприятий для исследований, содержащий разъяснения, касающиеся путей распространения и выработки ответственного отношения к использованию нанотехно- логий. Национальные комиссии из Германии входят в рабочие группы OECD, EFSA и участвуют в плановых мероприятиях ЕС. Тем временем в BfR были созданы новые рабочие группы по нанотоксикологии. Совместная работа осуществляется, в числе прочего, в кооперации с федеральным ведомством по охране окружающей среды и с федеральным учреждением по охране труда и производственной медицине. Для наноупаковки, как и для всех пищевых продуктов, закон предписывает, что опасности для здоровья потребителей должны быть исключены. Каждый производитель обязан гарантировать безопасность своих продуктов.

Для наномасштабных материалов действуют как общие, так и специальные требования немецкого закона о пищевых продуктах и кормах, а также предписания ЕС EG Verordnung Nr. 178/2002. Если предприниматель не придерживается добросовестно этих предписаний, то по закону он несет ответственность перед потребителями за причиненный ущерб. До сих пор Федеральный институт изучения рисков еще не выявил достоверно доказанных случаев причинения ущерба здоровью, который был бы вызван наноматериалами.

Кроме того, применение наноматериалов регулируется предписанием ЕС EG Verordnung Nr. 450/2009 о допуске и принятых обозначениях. Оно действует во всех случаях и в течение всего периода использования или контакта с пищевым продуктом, если применяемые материалы относятся к новым «активным или интеллектуальным материалам, контактирующим с продуктами питания». Предписания ЕС EG Verordnung Nr. 450/2009 устанавливают правила допуска к применению новых активных или интеллектуальных субстанций в материалах, контактирующих с пищевыми продуктами. Законодатель предусматривает, что изготовитель, подавший заявку на допуск, сначала должен направить заявку на оценку безопасности данных субстанций в EFSA. Добавки мономеров или полимерных материалов для пищевой промышленности в некоторых случаях попадают под предписания ЕС EG Verordnung Nr. 2002/72. Продукты и материалы для пищевой промышленности, для которых действуют предписания ЕС EG Verordnung Nr. 1935/2004, относятся к не вызывающим опасений продуктам и материалам, предназначенным для контакта с пищевыми продуктами.