Безопасная доля: как наночастицы меняют пищевую промышленность

Наночастицы зачастую ассоциируются у нас с областью высоких технологий и электроники. Но спектр применения этих материалов гораздо шире. Наноматериалы активно используют в медицине, биотехнологиях, промышленности, экологии и других сферах. Например, недавно ученым Северо-кавказского федерального университета (СКФУ) удалось синтезировать наночастицы селена — одного из важнейших микроэлементов для нашего организма. В будущем такой компонент планируют внедрять в качестве пищевой добавки в молочные продукты.

Как создают такие наночастицы, в чем их особенности и какую роль они играют в биологически активных добавках, порталу Наука.РФ рассказал автор исследования, доцент департамента функциональных материалов и инженерного конструирования Института перспективной инженерии СКФУ, кандидат технических наук Андрей Блинов.

— Андрей Владимирович, расскажите об особенностях формы селена, которую вы разработали в качестве пищевой добавки? Почему решили исследовать этот микроэлемент?

 — Уже около 10-15 лет я разрабатываю разные формы эссенциальных микроэлементов. Такие элементы нам жизненно необходимы каждый день: они участвуют в биохимических процессах в организме и отвечают за определенные функции. Мы обратили внимание, что по некоторым из них наблюдается дефицит во многих регионах, в том числе в Ставропольском крае — в почве, растениях, у сельскохозяйственных животных. Среди таких микроэлементов оказался селен*.

На рынке давно существуют биологически активные добавки (БАДы) с этим микроэлементом. Но проблема в том, что некоторые формы селена, которые в них содержатся, токсичны. Например, селенит натрия — дешевая форма, относящаяся к шестому классу опасности («токсичные вещества»). Есть менее токсичные, органические формы — селеноцистеин или селенометионин. Но цена у этих продуктов колоссальная.

Наше исследование показало, что наиболее безопасная форма селена — это наночастицы. Нам удалось синтезировать микроэлемент в таком виде и доказать, что он хорошо усваивается и находится в оптимальном равновесии между эффективностью действия и стоимостью. Мы уже внедрили этот компонент в кормовые добавки, а также в состав некоторых молочных продуктов. В настоящий момент продолжаем исследования, в том числе при поддержке Российского научного фонда (РНФ).

— Другой важный для нашего организма микроэлемент — цинк — вы также разработали в виде наночастиц?

 — С цинком немного другая история. Он содержится во многих продуктах (в том числе в овощах, мясных, молочных и хлебобулочных изделиях), но этот элемент зачастую связывается с другими кислотами в пище и выводится из организма.

Мы пришли к тому, что лучше всего цинк усваивается в организме в виде хелатного комплекса. Слово «хелат» в переводе с греческого означает «клешня». В такой форме цинк захватывается в молекуле между двумя органическими остатками, которые защищают микроэлемент от внешних воздействий. Сейчас мы продолжаем исследования по этому направлению, тоже при поддержке РНФ. Как и в случае с селеном, планируем добавлять цинк в состав молочных продуктов.

— Когда продукты с этими формами селена и цинка появятся на полках магазинов?

 — Мы уже на финальной стадии. В настоящий момент проводим апробацию молочных товаров с этими формами микроэлементов на предприятии. После сертификации начнем их внедрять совместно с молочным комбинатом в Ставрополе.

— Расскажите, как создают наночастицы из микроэлементов? Какие технологии для этого используют?

 — Во-первых, нужны определенные условия, в том числе максимальная чистота в лаборатории. Размеры частиц мы контролируем в специальных реакторах, меняя температуру, скорость перемешивания и другие параметры синтеза.

Одна из проблем, связанных с созданием наноматериалов — повторяемость. Важно, чтобы образцы всегда были стабильны, имели заданные параметры и их можно было применять на производстве. Поэтому после синтеза мы обязательно изучаем получившиеся наноматериалы. Для этого тоже нужен определенный комплекс лабораторного оборудования. Например, просвечивающая электронная микроскопия*, фотонно-корреляционная спектроскопия*, спектральные и рентгеновские методы исследования. Все это позволяет нам повторить эксперимент.

Во-вторых, для наночастиц нужно подобрать стабилизирующую оболочку. Несмотря на то, что молоко является сложной системой (в нем много белков, жиров и ионов), селен в этом продукте показывает высокую стабильность. Мы также изучаем, как наночастицы микроэлементов взаимодействуют с бактериями в организме: они должны перерабатывать селен в подходящую для них форму — этот процесс называется биотрансформацией.

— Как бактерии в нашем организме воспринимают селен и цинк в таких формах?

 — С селеном получились интересные результаты. Наши исследования показали, что жизнеспособность бактерий повысилась. На микрофотографиях видно, как после приема продуктов, содержащих наночастицы селена, растет количество бактерий.

— В прошлом году в России вступили в силу изменения в регулировании оборота биологически активных добавок. Хотя БАДы не относятся к лекарственным препаратам, их могут назначать врачи. Как правильно подобрать такие добавки?

 — Прежде чем назначать БАД, нужно определить содержание микроэлементов в организме пациента. К тому же, как я уже сказал, не все комплексы хорошо усваиваются. Кстати, мы однажды проводили подсчет содержания магния в некоторых добавках и выяснили, что невозможно сконцентрировать то количество магния в формах, которые прописаны на упаковке. То есть, производители могут заведомо завышать количество полезных элементов в составе.

Поэтому я понимаю, почему государство стремиться регулировать эту область. БАДы, как и другие продукты с витаминами и нутриентами, могут сильно повлиять на работу нашего организма. Стоит понимать, что их назначают не для лечения, а нормализации состояния человека. Хотя, конечно, исследовательской базы по многим БАДам не хватает. Из-за этого их проще вывести на рынок, по сравнению с лекарственными средствами, на разработку и внедрение которых может уйти более десяти лет.

— Как отличить эффективные БАДы от бесполезных?

 — К числу наиболее эффективных можно отнести хелатные комплексы. Они позволяют микроэлементам добраться до нужной области в организме. Что касается неорганической химии — например, если на упаковке вы видите оксиды, хлориды, сульфаты, — скорее всего, здесь мало что усвоится. Кроме того, лучше употреблять меньше разных добавок: их концентрация будет ниже, но так они действуют точнее.

— То есть, принимать как можно больше микроэлементов и витаминов не стоит?

 — Да, в этом случае правило «чем больше, тем лучше» не работает. Нужно помнить о синергистах и антагонистах: некоторые витамины и микроэлементы вместе усваиваются лучше, а какие-то при одновременном приеме снижают активность друг у друга.

— Помимо препаратов с цинком и селеном, вы запатентовали более двадцати пяти других разработок. Они все связаны с наноматериалами?

 — Дело в том, что у нас большая научная команда, состоящая из молодых ученых, студентов, аспирантов. У ребят зачастую появляется много интересных идей, связанных с применением наноматериалов — начиная от жевательной резинки с наночастицами кальция до изготовления бронежилетов.

Особенность наноматериалов в том, что их можно наделять разными свойствами. При этом одна и та же разработка может найти применение в нескольких отраслях. В прошлом году участникам нашей группы удалось занять призовые места в тридцати студенческих стартапах по этому направлению.

Кстати, одно из наших изобретений Федеральный институт промышленной собственности (ФИПС) признал патентом недели. Это солнечная панель, основанная на технологии ячейки Гретцеля — такой тип солнечных батарей имитирует процесс природного фотосинтеза. Инновация состоит в том, что в наш материал входят биметаллические наночастицы серебра и золота. Благодаря их оптическим свойствам происходят квантовые эффекты, увеличивающие спектр поглощения солнечной энергии. Коэффициент полезного действия этих солнечных элементов выше, чем у стандартных панелей.

— Интересная разработка! Какое у нее практическое применение?

 — Мы рассматривали сферу растениеводства, для тех же теплиц, например. У ребят этот проект проходил в качестве дипломной работы и одновременно как стартап. Вместе с биологами и строителями они проектировали теплицу, изучали технологические и инженерные особенности, чтобы обосновать применимость таких солнечных элементов для тепличных хозяйств.

— Вы действительно много работаете со студентами и начинающими специалистами. Оценивая этот опыт, скажите, с какими трудностями чаще всего сталкиваются молодые ученые в области наноматериалов?

 — На мой взгляд, основная трудность связана с тем, что нанотехнологии — это междисциплинарная отрасль. Например, рассмотрим наносеребро. Этот материал может обладать определенными оптическими свойствами. Чтобы их исследовать, необходимо научиться работать на приборах, позволяющих измерять спектральные характеристики. Но еще наносеребро может обладать бактерицидными свойствами — здесь уже предстоит разобраться в микробиологии. Поэтому важно понимать конечную задачу, искать и изучать необходимые для нас свойства материала.

— А если говорить не о конкретных исследованиях, а более глобальных направлениях? Представьте, что у вас есть безграничные возможности. Какие научные задачи хотелось бы решить?

 — Интересный вопрос. Думаю, мне хотелось бы поработать в концепции активного долголетия. Мы знаем, что микроэлементы нормализуют состояние здоровья человека. Если добиться нужного баланса химических соединений, вероятно, можно увеличить продолжительность жизни. Но для этого понадобится более глубинный анализ микроэлементов — на уровне биохимии, генетики. Это очень наукоемкая задача, можно сказать, фронтирная область науки.

Беседовала Анна Шиховец