От «умной» упаковки до покрытий на биологической основе — исследователи разрабатывают инновационные способы снижения бактериального загрязнения продуктов питания и продления срока их хранения, стремясь сократить глобальные потери продовольствия.
В современном мире голод и отсутствие продовольственной безопасности не всегда обусловлены нехваткой еды. В настоящее время в мире производится достаточно продовольствия, чтобы накормить каждого взрослого и ребенка, живущего на планете, тем не менее, в 2024 году около 673 миллионов человек по всему миру страдали от голода. Пищевые отходы и потери в значительной степени способствуют возникновению этого продовольственного парадокса. По оценкам, пятая часть всей произведенной в мире пищи теряется, не дойдя до стола потребителя. Несобранный урожай из-за низких цен, нереализованные продукты в розничных магазинах и несъеденные остатки в домах людей усугубляют эту растущую проблему. Так, по оценкам Министерства сельского хозяйства США, в отходы уходит от 30 до 40% продуктов питания, причем 31% из них теряется на уровне розничной торговли и в домашних хозяйствах. Потери продуктов питания затрагивают не только людей; современный процесс производства продовольствия, включающий животноводство, использование удобрений, сельскохозяйственную технику, транспортировку и гниющие на свалках выброшенные продукты, также вносит вклад в выбросы парниковых газов и составляет до 10% от общемирового объема.
Исследователи полагают, что наука может помочь изменить этот мрачный сценарий. От инновационных решений, улучшающих мониторинг продуктов питания и сводящих к минимуму порчу, до подходов, продлевающих срок хранения продуктов — все эти технологии направлены на минимизацию воздействия потерь продуктов питания на жизнь людей и на планету. Контаминация пищевых продуктов является одной из основных причин потерь и отходов продовольствия. Микроорганизмы, содержащиеся в почве и воде, могут загрязнять овощи, фрукты и зерновые культуры ещё до сбора урожая, в то время как ненадлежащее обращение с продуктами и несоблюдение санитарных норм при эксплуатации оборудования, используемого для переработки пищевых продуктов, могут приводить к вторичной контаминации и перекрёстному заражению на пищевых предприятиях.
Для снижения уровня контаминации пищевых продуктов и минимизации риска заболеваний, передаваемых через пищу — предотвратимых заболеваний, вызываемых употреблением продуктов, зараженных патогенами, — ключевое значение имеют надлежащий мониторинг и деконтаминация пищевых продуктов в цепочке поставок. Во всем мире потребление небезопасных продуктов питания приводит к 866 миллионам случаев заболеваний и 1,5 миллионам смертей ежегодно. Воздействие патогенов является основной причиной заболеваний, передаваемых через пищу, на долю которых в 2021 году пришлось почти 860 миллионов случаев. Несмотря на введение строгих нормативных требований и внедрение технологий, направленных на повышение безопасности пищевых продуктов, последствия потребления небезопасных продуктов по-прежнему требуют поиска альтернативных решений.
Для инженера-биомедика Тохида Дидара бактериофаги представляют собой многообещающий подход к решению проблем безопасности пищевых продуктов. «Я называю их „органическими антимикробными средствами“», — говорит Дидар, чья исследовательская группа занимается разработкой инновационных методов применения фагового уничтожения бактерий в качестве средства обеззараживания пищевых продуктов. В последние годы Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) США одобрило технологии на основе фагов для обеззараживания пищевых продуктов, однако ряд ограничений, в том числе связанных с тем, как сохранить жизнеспособность фагов в течение длительного времени, препятствуют их широкому внедрению в цепочку поставок.
Чтобы продлить срок годности бактериофагов, команда Дидара разработала микрогели, наполненные фагами, которые содержат миллиарды вирусов и могут наноситься на поверхности пищевых продуктов в виде отрывных пластырей или распыляемых растворов. Для изготовления микрогелей специалисты смешивают фаги с низкомолекулярным сшивающим агентом, образуя нановолоконный гидрогель, который самоорганизуется в течение нескольких дней. С помощью этих микрогелей исследователи эффективно уничтожили штамм Escherichia coli с множественной лекарственной устойчивостью на поверхности листьев салата и сырого мяса. Хотя эти стратегии на основе фагов позволили обеззаразить поверхности продуктов, группа Дидара также тестирует подходы, способствующие их проникновению глубже в продукт. С этой целью разрабатываются пластыри с микроиглами и апробируются различные комбинации полимеров и фагов. Пластыри с микроиглами, содержащие фаги, не только эффективно устраняли заражение мяса E. coli, но и могли доставлять коктейль из бактериофагов, который одновременно уничтожал E. coli и Salmonella enterica. «Когда [фаговый коктейль] срабатывал, это было просто невероятно», — вспоминает Дидар. «Этот пластырь, который можно наклеивать на самые разные продукты, работал действительно хорошо».
Инженер-технолог пищевой промышленности Нитин Нитин также исследует биологические подходы к снижению порчи продуктов. Он обратил внимание на дрожжи и их способность доставлять различные соединения. Использование микроорганизмов в качестве носителей не является чем-то новым. Еще в 1970-х годах исследователи Saccharomyces cerevisiae описали, как пекарские дрожжи могут инкапсулировать как водорастворимые, так и жирорастворимые соединения в зависимости от биохимического состава. Однако эти биологические системы доставки сталкивались с ограничениями по стабильности, что исключало их использование в качестве стратегий биологического контроля.
Ученые, такие как Нитин, преодолевают некоторые из этих ограничений. Более десяти лет назад Нитин заинтересовался изучением микроорганизмов в качестве носителей антимикробных веществ. Чтобы превратить дрожжи в носители дезинфицирующих средств, его исследовательская группа использует клеточную стенку дрожжей. Компоненты наружного слоя дрожжей, такие как хитин и маннопротеины, повышают их сродство к другим микробам, в то время как содержание липидов в клеточной стенке определяет способность дрожжей инкапсулировать антимикробные вещества, растворимые в липидах или воде. Манипулируя средой роста дрожжей, либо путем добавления солей, либо путем проталкивания веществ через клеточную стенку дрожжей с помощью вакуума, исследователи могут изменять способность дрожжей инкапсулировать различные соединения. По словам Нитина, этот процесс не требует сложного оборудования, что расширяет его потенциальные области применения. «Мы хотим найти решения не только для проблем развитых стран, таких как США, но и для развивающихся стран при минимальных затратах», — отметил он. «Мы хотим найти технологии, которые люди смогут внедрять в любой точке мира».
Группа Нитина изучила особенности доставки как синтетических, так и природных антимикробных веществ, сосредоточив внимание на дрожжевых носителях для борьбы с биопленками, которые, как известно, повышают устойчивость к дезинфицирующим средствам и представляют собой серьезную проблему для пищевой промышленности. Исследователи показали, что например инкапсуляция полимера, связывающего хлор, в дрожжевые микроносители устраняла патогенные бактерии и грибки в биопленках более эффективно, чем традиционная обработка с использованием дезинфицирующего средства на основе хлора.
Исследования Нитина в области природных антимикробных средств сосредоточены на эфирных маслах, которые стали экологически безопасной альтернативой традиционным дезинфицирующим средствам, таким как соединения на основе хлора и аммиака. Эфирные масла представляют собой смеси метаболитов растительного происхождения. Их огромное разнообразие позволяет создавать целый ряд антимикробных препаратов, которые воздействуют на микробы с помощью различных механизмов. К ним относятся нарушение целостности плазматической мембраны микроорганизмов и вмешательство в их ключевые метаболические пути. Несмотря на то что ученые исследуют применение эфирных масел в качестве антимикробных средств еще с 2000-х годов, их внедрение в пищевую промышленность в качестве жизнеспособного варианта сопряжено с рядом проблем, включая летучесть масел, неспецифическое взаимодействие с органическими веществами и высокую стоимость.
Нитин считает, что дрожжевые носители могут помочь преодолеть некоторые из этих ограничений. «Когда эфирные масла связаны в [дрожжевой] клетке, они довольно стабильны», — пояснил он. «Они могут сохраняться в течение более длительного периода времени, но при этом сохраняют способность взаимодействовать с микробами и высвобождаться при контакте, обеспечивая более целенаправленную доставку». В недавнем исследовании группа Нитина показала, что дрожжи могут инкапсулировать тимол — основной компонент масла тимьяна, обладающий антимикробной активностью, — и эффективно инактивировать бактериальные биопленки на поверхностях, контактирующих с пищевыми продуктами.
Помимо профилактики пищевых заболеваний, мониторинг продуктов питания также играет ключевую роль в отслеживании их свежести. Несмотря на то что более века назад была введена практика маркировки продуктов питания датой, чтобы информировать людей о состоянии приобретаемых ими продуктов, широко используемые этикетки с датой «лучше употребить до» вызывают у потребителей путаницу и приводят к ненужным пищевым отходам. Группа Дидара работает над альтернативами традиционным методам оценки свежести продуктов, превращая упаковку в «умную», чтобы обеспечить мониторинг качества продуктов в режиме реального времени. «Мы можем предотвратить отходы, возникающие на этом заключительном этапе, или использовать датчики, способные контролировать упаковку на протяжении всего процесса [производства продуктов]», — пояснил он.
В этом направлении команда Дидара разработала биосенсоры для создания системы «лаборатория в упаковке». Это «умная» пищевая упаковка, сочетающая в себе биосенсоры с флуоресцентными зондами для обнаружения патогенов с мембраной, содержащей реагенты, необходимые для идентификации микроорганизмов. Система размещается внутри пищевого лотка, похожего на пенопластовые коробочки, используемые для продажи мяса в продуктовых магазинах, и предназначена для облегчения отбора проб жидкостей, естественным образом выделяемых продуктами. Для обнаружения сигналов зондов производители могут использовать портативные флуоресцентные сканеры и получать изображения, которые можно просматривать на смартфоне. «Система „лаборатория в упаковке“ стала нашей первой попыткой реализовать эти [биосенсоры] для непрерывного мониторинга без необходимости даже открывать упаковку», — рассказал Дидар.
Исследователи также тестируют модели на основе машинного обучения для облегчения мониторинга продуктов питания на протяжении всей цепочки поставок. Нитин, входящий в число этих ученых, считает, что ИИ можно легко внедрить в микробиологические лаборатории по всей пищевой промышленности, поскольку он не требует сложного оборудования, что упрощает анализ данных. «Такие инструменты могут создать основу, благодаря которой мы сможем проводить более быструю диагностику с меньшими затратами — и это доступно для всех людей в мире», — отметил он.
Используя модель на основе ИИ, группа Нитина продемонстрировала, что может выявлять E. coli в гомогенатах салата в течение трёх часов, что значительно сокращает время обнаружения по сравнению с традиционными методами культивирования, которые могут занимать несколько дней. В более позднем исследовании ученые продемонстрировали, что могут также обучить модели на основе ИИ различать бактериальные загрязнения и частицы пищи, которые могут повлиять на точность модели в реальных условиях. В настоящее время команда Нитина работает над тем, чтобы сделать эти модели машинного обучения более универсальными, с тем чтобы они могли легче идентифицировать больше типов пищевых остатков и отличать их от микробных загрязнений. «Как только у нас появится хорошо обученная модель, нам, возможно, понадобится совсем немного данных для её обучения распознаванию нового патогена или новой бактериальной или грибковой цели. Это значительно повысит эффективность», — сказал он. Его команда также обучает модели ИИ различать виды в пределах одного бактериального рода, разрабатывая подходы, которые позволяют отличать вредные бактерии от комменсальных, присутствующих в пище, и направлять усилия по деконтаминации именно на патогенные микробы.
Исследователи также изучают способы продления срока хранения скоропортящихся продуктов в качестве еще одного подхода к решению проблемы пищевых отходов. Во всем мире 25% всех фруктов и овощей теряется на этапе от сбора урожая до поступления в розничную торговлю, причем эта проблема стоит особенно остро в странах Глобального Юга, где отсутствует необходимая инфраструктура и существуют экономические ограничения. Исследователи под руководством инженера-материаловеда Бенедетто Марелли разрабатывают новые технологии консервирования продуктов с использованием шелка — широко распространенного природного волокна, производимого гусеницами Bombyx mori.
Группа Марелли уделяет особое внимание шелковому белку фиброину — нетоксичной, пригодной для употребления в пищу макромолекуле, которую можно недорого получать из побочных продуктов текстильной промышленности. Предыдущие исследования Марелли показали, что благодаря самоорганизующимся свойствам фиброина можно создать прозрачное покрытие для продуктов, продлевающее срок хранения фруктов примерно на неделю.
В настоящее время его лаборатория тестирует микроиглы на основе фиброина для доставки веществ в растения — аналогично работе Дидара, в которой микроиглы использовались для доставки бактериофагов вглубь продуктов питания. По сравнению с распыляемыми средствами микроиглы позволяют вводить в продукты с более длительным сроком хранения вещества, стабилизирующие срок хранения, в более низких концентрациях и не требуют повторных обработок. Недавно исследователи продемонстрировали, что шелковые микроиглы могут эффективно доставлять физиологические дозы мелатонина — гормона, регулирующего рост и старение растений. Учёные показали, что пластыри с микроиглами, наполненные мелатонином, замедляли пожелтение листьев салата и продлевали срок хранения продукта на 10 дней при хранении в холодильнике и на четыре дня без охлаждения.
Специалист по пищевым продуктам и аналитической химии Тяньси Ян также разрабатывает новые подходы к сокращению потерь свежих продуктов. Ее исследовательская группа сочетает нанотехнологии с аналитической химией для разработки покрытий на основе наночастиц, обладающих антимикробными свойствами. В частности, они сосредоточиваются на металло-фенольных сетях (MPN) — агрегатах, содержащих ионы металлов и фенольные лиганды, которые самоорганизуются, образуя сложные структуры. Эти структуры не только обладают антимикробным действием, пояснила Ян, но и содержащиеся в них ионы металлов зачастую являются микроэлементами, необходимыми для питания. Их нанесение на продукты питания в качестве покрытия может помочь решить проблему дефицита микроэлементов у различных групп населения. «Дело не только в самом продукте питания. Мы пытаемся создать нечто, что [также] способствует укреплению здоровья человека», — рассказала она.
Учёные впервые описали MPN в начале 2010-х годов, однако их применение в сельском хозяйстве и пищевой промышленности начали изучать лишь совсем недавно. Группа Ян была одной из первых, кто провел испытания этих технологий. Объединив MPN с наночастицами крахмала, исследователи обнаружили, что могут улучшить покрывающие свойства MPN, благодаря чему свежие фрукты дольше сохраняют упругость, их созревание замедляется, а рост бактерий сдерживается. Исследователи также установили, что покрытия на основе MPN могут способствовать удалению остатков пестицидов со свежих продуктов, что позволяет решить проблемы общественного здравоохранения, связанные с наличием этих веществ в продуктах и их негативным воздействием на здоровье человека. «Мы называем это тройной функцией, поскольку она удаляет пестициды, убивает бактерии и сохраняет продукты», — пояснила Ян.
Хотя многие из этих подходов, возможно, уже готовы к практическому применению, при их внедрении в цепочку поставок продуктов питания по-прежнему возникают сложности. Поскольку многие стратегии могут привести к росту цен на продукты питания, одной из таких сложностей является стимулирование производителей и потребителей к внедрению этих технологий. «Как только вы внедряете какую-либо технологию, [вопрос в том], кто будет нести расходы? Ведь производители предпочтут переложить их на потребителя, но как только потребитель начинает платить за это — даже если речь идет о нескольких центах, повышающих стоимость продукта, — он, скорее всего, не захочет пользоваться этой технологией», — отмечает Дидар. «Именно поэтому постоянно возникает противоречие не только между разработкой инновационных решений, но и между их внедрением наиболее экономически эффективным способом».
Поставщикам и производителям продуктов питания также необходимо будет найти способы уменьшить нерешительность людей в отношении потребления продуктов, которые контактируют с веществами, не являющимися естественными для пищевых продуктов. Стратегии для этого могут включать ознакомление потребителей с такими концепциями, как нанотехнологии и «умная» упаковка, а также наглядное демонстрирование уникальных преимуществ, которые эти подходы приносят продуктам питания. Несмотря на эти ограничения со стороны потребителей и проблемы, которые пищевые отходы и продовольственная нестабильность создают для всего мира, Дидар считает, что людям следует сохранять оптимистичный взгляд на будущее. «Будущее свежести продуктов и мониторинга пищевых продуктов по-прежнему выглядит позитивно, потому что мы знаем, где необходимы изменения, и мы знаем, где пролегает следующая граница», — отмечает он. «Сейчас это просто вопрос науки, а наука всегда находит решение».
