Мир нанотехнологий - прменение в медецине и биологии

     Своевременное выявление и уничтожение возбудителей опасных и карантинных заболеваний имеет решающее значение для предотвращения возникновения и развития эпифитотий. В настоящее время изучается возможность разработки биосенсоров для оценки эффективности бактерицидов против фитопатогенных бактерий. Субъективная оценка степени развития симптомов затрудняет точную оценку биологической эффективности. В рамках данных исследований создается серия штаммов возбудителей бактериальных болезней растений с высоким уровнем флуоресценции. Для количественной оценки эффекта снижения флуоресценции планируется применение отечественной приборной базы — ПЦР-детектора «Джин». Разрабатываемая технология позволяет оценивать динамику распространения инфекции по растению и степень ее подавления при применении испытываемых препаратов. Уменьшаются затраты на испытание новых бактерицидных соединений и средств защиты растений от бактериальных болезней при оценке эффективности применения непосредственно на растении.

     Нанотехнологии охватывают многие сферы выращивания растениеводческой продукции. Перспективной разработкой для защищенного грунта является система нанофильтрации, которая исключает загрязнение воды. При выращивании зеленных культур, богатых витаминами, микроэлементами и экозащитными компонентами, наиболее широко применяется проточная тонкослойная (пленочная) гидропоника, являющаяся разновидностью водной культуры. Достоинством данного метода считается создание оптимальных условий для роста корневой системы. Растения постоянно получают достаточное количество влаги, питательных элементов и обеспечиваются кислородом воздуха, что способствует получению высоких урожаев. Так как при проточной гидропонике не используются субстраты (заменители почвы), конечный результат во многом определяется качеством питательного раствора, который зависит от состава воды. Для ее очистки целесообразно использовать фильтры, содержащие наночастицы серебра, которые обладают высокой бактерицидной активностью.

Переработка сельскохозяйственной продукции

     Широкое распространение в пищевой промышленности нанотехнологии и наноматериалы получили в области мембранной фильтрации. Применяя мембраны на основе наноматериалов и используя перепад осмотического давления, создаются машины для концентрирования различных пищевых сред, очистки соков, молока, воды и воздуха, опреснения морской воды и других целей .

     Используя мембранную нанофильтрацию, в Мордовском государственном университете разработана установка для изменения концентрации пищевых сред, которая может применяться при производстве различных продуктов питания. В конструкцию установки включены керамические фильтрующие элементы с порогом фильтрования от 5 до 200 нм, обеспечивающие высокое качество фильтрации. Размеры пор подбираются в зависимости от вида исходной среды, давления и температуры в ней, ее биохимических и физических характеристик. Применение нанофильтрации значительно упрощает задачу сохранения биологической ценности получаемых продуктов питания.

     Еще одно направление использования нанофильтрационных технологии - применение фильтров с наночастицами металлов для ингибирования процессов сквашивания и брожения. Такие фильтры обеспечивают очистку соков, нектаров, молока и другой жидкой продукции. Разработаны фильтрационные установки МФС для очистки и стабилизации напитков, осветления и очистки сиропов, соков и экстрактов. Такие установки состоят из двух-пяти фильтрационных модулей, последовательно соединенных в каскад. Под давлением часть жидкости проходит через мембрану и удаляется из установки. Концентрат последовательно проходит через все фильтрационные модули с отводом фильтрата от каждого. Во Владимире производят такие керамические нанофильтры для технологий разделения, очистки и концентрирования соков. Применяемые керамические мембраны представляют собой селективные слои сетчатой структуры из супертонких керамических волокон, связанных с подложкой керамической связкой.

     В молочной промышленности нанофильтрация позволяет выделить антибиотики, витамины, белки из молока и сыворотки при производстве как традиционных, так и новых продуктов.

     Область применения нанофильтров очень широка. Одним из примеров является использование наномембранных технологий для фракционирования молочных белков при переработке подсырной сыворотки в высококачественный заменитель жира. Мембранная фильтрация, совмещенная с тепловой обработкой белка, позволяет получать продукт, напоминающий по вкусу молочный жир. Сфера его применения достаточно широка, например, он может быть добавлен вновь в молоко, предназначенное для выработки сыра типа Гауда, содержащего на 50% меньше жира, чем обычный, однако с таким же насыщенным «жирным» вкусом.

     В настоящее время интенсивно развивается направление насыщения пищевого сырья биоактивными компонентами, например, витаминами в виде наночастиц. Нанофильтрация часто используется и для наделения пищевых продуктов ароматом, цветом и другими свойствами.

     Наноструктурные материалы позволяют очищать воды даже от тяжелых загрязнителей. Мичуринский государственный аграрный университет разработал нанофильтрующий материал, предназначенный для очистки воды. Этот материал способен улавливать из промывных вод ценные металлы. Нанофильтр толщиной в несколько сантиметров способен очистить воду от цинка, кадмия, свинца, меди, золота, серебра и фтора, исходная концентрация которых может достигать десятков граммов на один литр. Во многих нанофильтрах используются частицы серебра, в результате получаются фильтрующие материалы с улучшенными, а иногда новыми свойствами, такими как бактерицидность, каталитическая активность, избирательная адсорбция. Такие нанофильтры применяют для обработки воды, особенно в паводковые периоды, а также в установках для обеззараживания бытовых канализационных стоков.

     Перспективной разработкой являются высокоэффективные фильтры, выполненные по нанотехнологии с использованием нанотрубок и наносеребра. Такие нанофильтры можно использовать для очистки воды на предприятиях АПК, жилищно-коммунального хозяйства, бытовых нужд населения, из неочищенной речной воды с их помощью - получить высококачественную питьевую воду

     Перспективно использование нанотехнологий в хлебопекарной промышленности. В настоящее время примерно 60% муки производится из зерна невысокого качества, с повышенной обсемененностью споровыми бактериями. С другой стороны сегодня, наметилась устойчивая тенденция использования хлебобулочных изделий с целью профилактики и оздоровления населения. Использование серебросодержащих пищевых добавок представляет большой интерес для реализации данных планов. В Сибирском университете потребительской кооперации проводятся исследования по разработке серебряных нанобиокомпозитов и их введению в рецептуру хлеба. Полученные результаты показывают, что введение незначительного количества нанокомпозита существенно улучшает микробиологические показатели хлеба.

     Прекрасные возможности использования нанотехнологий имеются в масложировой промышленности. В Санкт-Петербургском государственном технологическом институте разработан метод промышленного применения катализаторов на основе наноразмерного палладия и наноуглеродных материалов для гидрирования растительного масла. В основном катализаторами гидрирования в масложировой промышленности являются катализаторы на основе никеля. Технологический процесс осуществляется при температуре до 240° С и давлении водорода до 5 атм. Поскольку сам никель и его соединения обладают аллергенным и канцерогенным действием, то после гидрирования требуются дорогостоящие операции по его отделению. Существенные технологические и экологические затруднения возникают также при утилизации отработанного никелевого катализатора. Катализаторы на основе нанопалладия имеют ряд преимуществ по сравнению с никелевым катализатором, применяемым сегодня для гидрирования растительных масел.

     В упаковочной индустрии также широко внедряются нанотехнологий. Созданы наноструктурированные упаковочные материалы, продлевающие срок хранения сельскохозяйственной продукции.

В Переславль-Залесском разработана технология получения нанодисперсий серебра, меди и их смесей. Экспериментально доказано, что образующиеся дисперсии, обладают высокой бактерицидной активностью. Покрытия на основе латексов или вододисперсионных промышленных красок с введенными в них наночастиц серебра показывают биоцидную активность. Полученные покрытия используются в качестве компонентов упаковочных бумаг с различными функциональными возможностями и могут применяться для упаковки пищевых продуктов. Аналогичные антибактериальные упаковки предохраняют колбасные изделия от порчи без использования повышенных количеств консервантов.

     Ряд продуктов требует защиты от солнечного излучения. Проблема решается за счет вакуумного напыления металлов на полимерную поверхность, но, к сожалению, при этом не учитываются различные уровни интенсивности светового излучения. Использование наночастиц фотохромных соединений позволяет получать упаковку с изменяющейся оптической плотностью, в зависимости от интенсивности светового потока.

     Нанотехнологии преобразуют пищевое производство и выводят его на новый технологический уровень.