Биокомпозит увеличил срок годности фруктов на неделю

Внешний вид покрытой и чистой клубники

Pulickel Ajayan et al. / Advanced Materials, 2020

Материаловеды разработали съедобный биокомпозит на основе яичного белка, который позволил продлить срок годности фруктов на неделю. Такое покрытие легко смывается с поверхности фрукта и не влияет на вкус и запах. Статья опубликована в журнале Advanced Materials.

По статистике ВОЗ за 2018 год более 800 миллионов человек по всему миру голодают. Программа устойчивого развития «Нулевой голод» направлена на искоренение голода и всех форм неполноценного питания к 2030 году. По некоторым оценкам примерно треть всей еды на Земле пропадает зря и не употребляется, что в первую очередь связывают с порчей продуктов за время транспортировки с ферм до магазинов. Для фруктов и овощей оценки еще хуже — 40-50 процентов портятся перед употреблением. Порча пищевых продуктов происходит из-за процессов потери воды и микробной активности.

На сегодняшний момент ученые нацелены на увеличение срока годности продуктов питания за счет методов, которые препятствуют испарению воды и росту микробов. Например, один из таких известных методов — нанесение воска, который производители давно используют для увеличения яркости фруктов. Но воск достаточно сложно смыть, а потому он попадает в организм, где расщепляется кишечными клетками на ионы, тем самым ингибируя некоторые метаболические процессы и разрушая мембраны. Остальные методы включают в себя охлаждение, упаковку в модифицированной газовой среде и нанесение парафиноподобных активных покрытий. Однако эти методы требуют дополнительного времени на обработку и приводят к удорожанию продуктов, а также влияют на внешний вид и вкус фруктов. Поэтому ученые ищут альтернативные подходы к продлению срока годности без изменения характеристик продуктов.

Мухаммед Рахман (Muhammad M. Rahman) и Пуликел Аджайан (Pulickel M. Ajayan) предложили для продления срока годности фруктов использовать дешевый биокомпозит на основе яичных компонентов, нанокристаллов целлюлозы и куркумина. Такое покрытие легко смывается с поверхности и не влияет на вкусовые качества. А по своим сохраняющим качествам биокомпозит обогнал воск и хитозан, продлив срок годности фруктов на неделю.

Путь получения покрытия из биокомпозита

Pulickel Ajayan et al. / Advanced Materials, 2020

Биокомпозит состоит из яичного белка, глицерина, сухого яичного желтка, куркумина и нанокристаллов целлюлозы. Яичный белок взят в качестве белковой основы за свою хорошую биосовместимость, глицерин же увеличивает эластичность хрупкого денатурированного белка. Для отталкивания воды в смесь добавили жирные кислоты из яичного желтка, а противомикробные и антиоксидантные свойства обеспечивает куркумин. Нанокристаллы целлюлозы армируют композит и усложняют проникновение воды и кислорода сквозь покрытие.

Авторы последовательно добавляли компоненты в воду при температуре в 80 градусов Цельсия, затем раствор охлаждали до комнатной температуры, после чего погружали в него фрукты.

Для оценки толщины такого слоя на поверхности банана ученые сделали срез кожуры и с помощью конфокального микроскопа измеряли толщину в нескольких точках — толщина колеблется в интервале 23-33 микрометра с надежностью в 95 процентов, что хорошо сопоставляется с толщиной покрытия фруктов фиброином в предыдущей работе.

Материаловеды проверили эффективность биокомпозитного покрытия на четырех фруктах и ягодах: банане, авокадо, клубнике и папайе. После 8-11 дней выдержки на воздухе все непокрытые продукты меняли цвет и портились, в то время как покрытые не портились как минимум в течение недели. После пяти дней выдерживания клубника без покрытия потеряла 60 процентов влаги, тогда как покрытая на седьмой день потеряла только 35 процентов. Таким образом, биокомпозитное покрытие значительно продлевает срок годности фруктов и ягод. Портящиеся фрукты становятся более мягкими, а потому ученые решили проверить механические свойства покрытых продуктов на сжатие — все покрытые фрукты показали упрочнение относительно чистых.

Чтобы уточнить механизм защиты от потери свежести фруктов, авторы статьи исследовали покрытие на гидрофильность, цитотоксичность и антимикробные свойства. Гидрофильность поверхности оценивалась углом смачивания каплей воды — 71,4 градуса, что свидетельствует о гидрофильности поверхности, но в сравнении с другими материалами для упаковки, как желатин или ПЭТ, биокомпозитная поверхность более гидрофобная. Ученые провели испытания 100-микрометровой пленки на пропускание воды — за день 15 грамм воды проходит один миллиметр такой пленки с площадью в один квадратный метр, что сравнимо с пропускной способностью ПЭТ и воска, но значительно меньше других биополимеров. Другой важный параметр, влияющий на свежесть фруктов, — концентрация кислорода, биокомпозит по результатам эксперимента пропускает кислород гораздо медленнее, чем распространенный воск, крахмал и другие используемые упаковочные материалы.

Антимикробные свойства полностью подтвердились — ученые поместили бактерии кишечной палочки (Escherichia coli) на поверхность и после ночи выдержки их не обнаружили. Цитотоксичность авторы проверили, поместив раковые клетки поджелудочной железы в раствор компонентов с концентрацией 0,1 и 1 миллиграмм на миллилитр — после дня выдерживания не произошло изменений и более 90 процентов клеток остались живыми, что не удивительно, ведь покрытие состоит из веществ, давно применяемых в пищевой промышленности. Но такое покрытие с легкостью растворяется в воде и смывается с поверхности фруктов — покрытие толщиной в 100 микрометров растворялось в воде за две минуты. Таким образом, ученые доказали, что съедобное и смываемое покрытие из биокомпозита продлевает срок годности фруктов на неделю.

Растворение пластинки в воде при перемешивании

Pulickel M. Ajayan et al./ Advanced Materials, 2020

Источник: N+1