NBICS-технологии в производстве качественного и безопасного продовольствия

Опубликовано 29.04.2015
Герман Кричевский   |   просмотров - 1300,   комментариев - 0
NBICS-технологии в производстве качественного и безопасного продовольствия

профессор, вице-президент НОР

Кричевский Герман Евсеевич

Продовольствие, одежда, жилье – основные три краеугольных камня материальной жизни и благополучия с первых шагов цивилизации от первобытного человека до настоящего времени. Из этих трех материальных потребностей человека наименее удовлетворена потребность в качественном и безопасном продовольствии, как в планетарном, так и в региональном планах. В наиболее благополучном положении находятся граждане стран «Золотого» миллиарда, то есть, только ~1/6 часть населения Земли. Эта проблема на протяжении всей истории России не была решена. Попытка на государственном уровне решить эту проблему в СССР («Продовольственная программа») закончилась, мягко говоря, неудачно – пустыми полками в магазинах. Остается не решенной эта задача и в современной РФ, где ~30-40% продовольствия – это импорт.

Правда, определенные подвижки в отечественном сельском хозяйстве происходят в производстве зерновых, но это локальные успехи, за которыми необходимо добиться успехов в животноводстве и в других направлениях производства сырья для продуктов питания. Длинная цепочка производства продуктов питания (ПП) от сельхоз сырья: его переработки, упаковки, хранения, транспортировки, потребления (приготовления), утилизация отходов – требует решения двух важнейших задач: повышения производства на всех стадиях и обеспечения качества и безопасности продуктов питания.

Качество и безопасность являются ключевыми словами и характеристиками всего, что производит человек (рукотворное), но для продуктов питания они имеют чрезвычайную важность, определяя уровень и, что особенно важно, качество жизни людей. При этом понятие качества включает в себя большое число параметров, в том числе и безопасность, а безопасность (в широком смысле) является только одной из характеристик качества.

Обеспечение человечества качественными и безопасными продуктами питания, наряду с решением проблем энергетики, дефицита пресной воды, пандемий, устойчивости мировой и региональных экосистем, по оценке мировых экспертных групп все эти проблемы могут быть решены только при эффективном использовании научно-практического кластера NBICS (нано-, био-, инфо, когнито-, социо-) технологий. К сожалению, в РФ развитие этих конвергентных, прорывных технологий, двигателя развития цивилизации XXI века, отстают от уровня их научно-технического развития и практического использования в развитых (США, Германия, Япония) и развивающихся (Китай, Индия) странах.

Использование NBICS-технологий позволяет решать следующие задачи в рамках проблемы производства качественного и безопасного продовольствия:

- Повышение эффективности использования и оптимизация дозировки удобрений в наноформе (повышение качества и безопасности сырья, снижение уровня отходов), снижение вредности удобрений;

- Углубление знаний о сельхозсырье, о его составе, физической мультиуровневой структуре, используя современные методы анализа на нано- и микроуровне;

- Разработка новых экологичных и экономичных технологий на всех этапах производства продовольствия;

- Использование наносенсоров для мониторинга безопасности на всех этапах производства продовольствия от сырья до потребления и утилизации отходов;

Для решения этих проблем следует сосредоточиться на следующих направлениях:

- Углубление знаний об иерархической структуре растений и моделирование процессов переработки растений в продукты питания, включая волокна и биотопливо;

- Синтез новых наноструктурированных биокатализаторов для модификации сырья («Зеленая химия» - экология);

- Разработа «умной» доставки наносистем защиты, профилактики и лечения агрокультур;

- Улучшение соотношения урожайность/качество сельхоз продукции (генная инженерия, биотехнологии);

- Создание и широкое применение эффективных, безопасных «умных» пестицидов, удобных и нетоксичных в применении;

- Развитие наносистем для улучшения биосовместимости продуктов питания (антиоксиданты, витамины);

- Повышение эффективности наноструктурированных биодеградируемых материалов;

- Использование нанопористых фильтров для очистки стоков производства и нанокатализаторов для их биодеструкции.

Решения этих актуальных задач должно базироваться и подкрепляться следующими исследованиями:

- Использование самых современных методов анализа (рентген высокого разрешения, УФ и ИК-спектроскопия, ЯМР, ЭПР, синхротронное излучение, нейтронная техника) для изучения динамики изменения химического строения и физической, многоуровневой структуры растительных и животных продуктов в процессе их роста, переработки, хранения и транспортировки.

- Имитация внешних условий произрастания (температура, влажность) и переработки сельхозсырья и влияние их на качество и безопасность продовольствия;

- Изучение роли и механизма действия ферментов на ткани растений и животных;

- Изучение кинетики (динамики) действия наносистем (наночастиц) на белки, углеводы и жиры.

Драйверами, двигателями развития качественных и безопасных продуктов питания являются:

- Демография, рост населения планеты, особенно в развивающихся странах;

- Повышение требований к качеству и безопасности продовольствия, особенно в развитых странах;

- Рост заболеваний, требующих специальных видов и форм продуктов питания (диабет, ожирение, сердечные болезни и др.).

Эти драйверы определяют не только необходимость повышения брутто производства, качества и безопасности продовольствия, но и структуру потребления. NBICS-технологии позволяют решать эту комплексную проблему. имеющую социальную и научно-техническую составляющую (табл.1).

Таблица 1. Социальные и научно-технологические составляющие решения проблемы качества и безопасности продовольствия

Социальные и медицинские аспекты

Вызовы будущего

Новые продукты питания (примеры)

- ожирение

- сахар в крови

- нейроцептики для пожилых

- защита окружающей среды

- стиль жизни молодые/пожилые

- религиозные требования к продуктам питания

- продукты с низким содержанием жиров и сахара

- капсулирование продуктов питания

- снижение отходов

- питание с высоким содержанием белков (растительного происхождения)

- вегетарианские продукты

- композиционные продукты

- сыр без жира

- «мягкий» алкоголь

- минерализованные витамины

- биологически разлагаемая упаковка

- напитки с содержанием белков до 40%

- растительные белки взамен животных

С точки зрения современных представлений физики и химии полимеров сырье для продуктов питания и сами продукты питания представляют собой сложные многоуровневые структурные комплексы белков, углеводов, жиров, витаминов, антиоксидантов, микроорганизмов, пигментов (красителей) и минеральных солей. Поэтому для их изучения в развитии (динамике) целесообразно, как и в случае других сложных, многоуровневых биологических и рукотворных продуктов, применять самые современные методы анализа. До последнего времени этого не делалось и область производства продовольствия оставалась в значительной мере эмпирической, а не научно-обоснованной.

С развитием NBIC-технологий их использование начинает проникать и в производство продуктов питания, в качестве примеров можно назвать:

- «Умная» упаковка с нанонаполнением способна дышать, но защищает от патогенных микроорганизмов;

- Биоразлагаемая упаковка, содержащая катализаторы био- и фотодеструкции;

- Хромные нанолейблы и коды на упаковке для борьбы с контрафактной продукцией;

- Экологичная технология биоферментации;

- Ферментная технология переработки сельхозсырья в продукты питания и не только (биотопливо, волокна);

- Использование модельных систем для исследования поведения продовольствия на ранних стадиях производства и потребления (синтетическое молоко и жиры);

- Изучение характера кристаллических и аморфных составляющих продовольствия и связь этих структурных особенностей с качеством продовольствия;

- Изучение термодинамического поведения продуктов питания с точки зрения устойчивости их структур (агрегативная устойчивость коллоидных систем);

- Разработка низкотемпературных технологий производства, переработки продовольствия и приготовления пищи с использованием ферментов;

- Разработка новых форм продуктов питания, обеспечивающих адресную доставку на основе наносистем, что позволяет избежать повреждения желудочного тракта;

- Разработка новых эффективных технологий производства устойчивых во времени гидрогелей на основе белков, углеводов и жиров.

Как было сказано выше без сильной науки, прорывных NBIC-технологий и самых современных методов аналитики (табл.2) проблему производства качественного и безопасного продовольствия решить невозможно.

Таблица 2. Современные методы анализа, необходимые для изучения состава, структуры и свойств продуктов питания на разных стадиях их производства

Уровень

Размерность

Вид организмов, уровень производства

Методы исследования

Атомарный

Ангстремы

Å

Спектральные, рентген высокого разрешения, ЯМР, атомно-силовая микроскопия, электронная микроскопия

Молекулярный

0,1-1 нм

Растения, животные

Спектральные, масс-спектроскопия, ЯМР, рентген высокого разрешения

Макромолекулярный

1-100 нм

Растения, животные, микробы, ферменты

Светорассеяние, электронная микроскопия, рентген высокого разрешения, нейтронная техника

Ассамблея макромолекул

0,1-10 мкм

Фабрика, кухня, хранение

оптическая и электронная микроскопия, рентген, нейтронная техника

Продукты питания

1 мкм – 10 см

Транспорт, дом, хранение

Реология, текстура

Использование NBICS-технологии в решении проблемы производства качественного и безопасного продовольствия, как межотраслевой задачи требует очень тесной кооперации специалистов различных отраслей науки и техники: физики, химики, математики, материаловеды, специалисты нано-, био-, информационных технологий, технологи и инженеры пищевики.

Литература.

1. Г. Е. Кричевский «Нано-, био-, химические технологии и производство нового поколения волокон, текстиля и одежды». М. Издание МГУ, 2011, 528 с.

2. Г. Е. Кричевский «Все или почти все о текстиле». В 3-х томах. М. 2013-2014 гг.

3. M. C. Roco, W.S. Bainbridge (Eds). Converging Technologies for Improving Human Perfomance: NBIC, Arlington. 2011.

4. M. C. Roco, W.S. Bainbridge (Eds). Convergence of Knowledge, Technology and Society: Beyond NBIC, Springer, 2013.

5. Г. Е. Кричевский. Волокна и биотопливо Ч.1. Портал НОР 08.06.2014. Волокна и биотопливо. Ч.2. Портал НОР 22.06.2014

6. Г. Е. Кричевский. NBIC+Бионика:постоянно учимся мудрости у природы и «сами с усами». Портал НОР 01.11.2014

7. Г. Е. Кричевский. Конвергенция/дивергенция – философия развития, тренд человеческой цивилизации 21 века. Портал НОР. 13.01.2014.

8. Г. Е. Кричевский. Междисциплинарность и нанообразование в мире. Портал НОР. 31.12.2014.

9. Г. Е. Кричевский. Бионика. Учимся мудрости у Природы. В печати, выход в свет май 2015 г. 


Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!