Улучшение барьерных
свойств традиционно используемых полимерных
пленок достигается за счет напыления
на их поверхность слоя алюминия, диоксида
алюминия или оксида кремния толщиной
примерно 50 нм. Расход материалов на изготовление
нанооптимизированных упаковочных пленок
уменьшается и поэтому они экономичны
с точки зрения затрат. Существуют ультрабарьерные
пленки, в создании барьерных свойств
которых участвуют гибридные слои: неорганические
и полимерные. Они способны улучшить барьерные
свойства пластиковых упаковок в сотни
раз. Новым поколением полимеров являются
нанокомпозиты, которые в будущем смогут
улучшить механические, термические и
барьерные свойства пленок из возобновляемого
сырья.
Перспективным направлением
является создание интеллектуальной (интерактивной
упаковки с наносенсорами и наноиндикаторами,
которая может обеспечить прослеживаемость
пищевого продукта или позволит контролировать
сохранение свежести или загрязнение
продукта микроорганизмами, вызывающими
его порчу, патогенными микроорганизмами,
аллергенами или токсинами, в процессе
транспортировки и хранения. Интеллектуальные
контактные материалы контролируют состояние
упакованного пищевого продукта или окружающей
его среды и дают информацию о степени
его свежести. Таким образом, сама упаковка
будет указывать, соблюдены ли сроки и
условия хранения данного образца продукта.
Нанотехнологии вносят
вклад в решение проблемы фальсификации,
которая раньше была актуальна для продуктов
высшего ценового диапазона. В настоящее
время участились случаи фальсификации
товаров из нижних ценовых сегментов.
Для защиты продукта от подделок, наносят
на упаковку специальные краски или голограммы,
содержащие определенные метки (RFID), считываемые
сканерами и полученные с помощью нанотехнологии.
Такие решения можно применить и к глобальному
товаропотоку, они узаконено как способы
защиты от плагиата, пиратства и фальсификации.
Основными направлениями
применения активных веществ в упаковке
в настоящее время являются:
- поглотитель кислорода;
- CO2-поглотитель;
- генератор паров этанола;
- поглотитель этилена;
датчик наличия этилена;
- антимикробный агент (возможен также и микробный агент);
- регулятор влажности;
- антиоксидант;
- поглотитель холестерина;
- ароматизирующая упаковка;
- поглотитель вкуса
и эмиттер запаха;
- термоактивные функциональные пленки и функциональные ткани;
- защита от фальсификации
(защита прав производителя) [3].
4 ЭЛЕКТРОННЫЙ ЯЗЫК
Для анализа многокомпонентных
жидкостей ученые из Санкт-Петербургского
университета Юрий Власов и Андрей Легин
совместно с итальянскими коллегами из
Римского университета «Тор Вергата»
изготовили систему химических сенсоров
типа «электронный язык». Этот прибор
распознает жидкости сложного состава
по вкусу, то есть выполняет работу электронного
дегустатора.
В основе этой системы
– массив сенсоров, методы распознавания
образов и многомерной калибровки для
обработки данных. Издавна принято различать
четыре основных вкуса: кислый, сладкий,
соленый и горький. В целом же считается,
что вкусовые ощущения связаны с характерными
сигналами «отпечатками», порождаемыми
разными сочетаниями импульсов от вкусовых
рецепторов языка. На этих же принципах
строится и работа электронного языка.
Он состоит из четырех разных химических
сенсоров, каждый из которых по-разному
реагирует (изменением электрического
сопротивления) на тот или иной вкус. Комбинация
сигналов сенсоров составляет электронный
«отпечаток» вкуса. Для удобства классификации
«отпечатков» разработчики сводят реакции
всех сенсоров к местоположению одной
точки на графике. Присутствие сладкой
компоненты смещает точку к верхней левой
вершине диаграммы, кислой компоненты
- к верхней правой вершине, горькой или
соленой - вниз графика. Вкус кофе
при такой классификации, к примеру, попадает
в нижнюю часть диаграммы, ближе к середине
по горизонтали, а такие, казалось бы, похожие
для человеческого языка вкусы дистиллированной
и слабо минерализованной воды оказываются
на графике легко различимыми.
Данная система
основана на хроматографии, когда состав
смеси определяется путем разделения
присутствующих в ней компонентов. В «электронном
языке» это достигается за счет применения
специального микрочипа с миллионами
мельчайших каналов, предназначенных
для отбора молекул строго определенного
размера. Сигнал от микрочипа обрабатывается
компьютером и выдается в удобной для
пользователя форме.
Возможности распознавания
вкуса с помощью «электронного языка»
ученые показали на примере минеральной
воды, соков, кофе и растительного масла:
электронный дегустатор успешно различил
около тридцати видов грузинских и итальянских
минеральных вод, более тридцати различных
соков, пятнадцать типов кофе, представляющих
смеси разных близких по вкусу сортов.
Разумеется, «электронный язык» легко
отличил настоящую, природную минеральную
воду от ее искусственной подделки, хотя
по основному химическому составу они
были практически идентичны.
- Положим,
есть у нас бутылка, на которой
написано, что здесь красное вино
урожая 2004 года. А мы сомневаемся,
- объясняют ученые. - Несем его
«Языку». Он нам даст полный
расклад того, что на самом деле там
налито. Еще более простой пример. Допустим,
перед нами неизвестная прозрачная жидкость.
Может, вода, а может, кислота. «Электронный
язык» всего за две минуты подскажет, можно
ли это пить.
Удалось решить и более
сложную задачу – распознать три разных
сорта растительного масла. На очереди
твердые пищевые продукты – фрукты, мясо,
рыба.
Помимо чисто дегустаторских
«способностей» электронного языка, его
также можно использовать и для анализа
рабочих жидкостей на предмет наличия
примесей. Кроме того, станет возможным
быстрый и точный мониторинг окружающей
среды, ведь для определения уровня загрязнения
воды достаточно «лизнуть» воду в реке
или озере [6-7].
5 ЭЛЕКТРОННЫЙ НОС
Электронный нос –
это мультисенсорная система для скоростного
анализа состояния воздуха, имитирующая
работу человеческого органа обоняния.
Такое устройство представляет
собой программируемый набор датчиков,
каждый из которых “нюхает” отдельный
компонент запаха вещества или продукта.
Чем больше датчиков установлено, тем
точнее результат. Наносенсоры для электронного
носа подбираются по их химическому сродству,
и обычно для этой цели используются полимерные
проводящие плёнки.
В отличие от обычных
газовых сенсоров, разрабатываемых специально
для каждого отдельного вещества, электронный
нос достаточно универсален, а с помощью
наносенсоров способен уловить и детектировать
очень малые концентрации веществ, Как
правило, электронный нос состоит из трех
функциональных узлов:
- системы пробоотбора;
- матрицы сенсоров с
заданными свойствами;
- блока процессорной
обработки сигналов, поступающих
от сенсоров.
Исследуемая проба
закачивается воздушным насосом в кюветное
отделение, где установлена линейка или
матрица сенсоров. Там порция газовой
смеси разделяется на отдельные фракции,
которые прогоняются через систему специальных
рецепторов и, в зависимости от состава
и количества, изменяют их характеристики.
В одном из вариантов электронного носа
присоединение специфической молекулы
к поверхности сенсора, представляющего
собой тончайшую иглу - кантилевер толщиной
в 100 нм и длиной 50 микрон, вызывает изменение
резонансной частоты за счет изменения
его массы. Измеряя новую частоту колебаний
кантилевера, можно определить присутствие
специфических групп молекул.
Величины показаний
каждого детектора передаются на процессорный
модуль. Специальная программа анализирует
полученные данные и выдает результаты
в виде своеобразных «клякс» - хроматограмм
(на самом деле это графики интенсивностей
запахов в центральных координатах). После
дегустации в систему подаются пары промывочного
газа (например, спирта), чтобы удалить
пахучее вещество с поверхности датчиков
и подготовить прибор к проведению нового
измерительного цикла.
Период времени, в течение
которого сенсоры электронного носа анализируют
закаченную пробу воздуха, называется
временем отклика. Современные образцы
отличаются достаточно высоким быстродействием.
Время отклика у некоторых из них составляет
порядка десяти секунд.
Период подачи в ячейку
промывочного газа получил название времени
восстановления (латентного периода).
Время восстановления, как правило, колеблется
в пределах минуты.
Следует отметить,
что проблема идентификации запахов с
алгоритмической точки зрения достаточно
сложна (каждый запах представляет собой
сложный комплекс химических соединений),
поэтому для распознания образов запаха
система «электронный нос» использует
элементы искусственного интеллекта.
В частности, наиболее перспективным считаются
так называемые искусственные нейронные
сети (ИНС).
Нейронные сети представляют
собой компьютерную имитацию взаимодействующих
нейронов мозга человека и состоят из
ряда соединенных между собой простых
обрабатывающих информацию единиц – нейронов.
Слои нейронов, получающих внешнюю информацию,
называются входными, выводящих конечный
результат – выходными, промежуточные
слои - внутренними, или скрытыми. При этом
у каждого нейрона имеются несколько входов
и только один выход. Главным плюсом нейронных
сетей является их обучаемость, то есть
возможность целенаправленной минимизации
ошибок выходных сигналов.
До недавнего времени
главными препятствиями на пути использования
электронного носа были его малая эффективность
и высокая цена. Ранние сенсорные матрицы
имели недостаточную чувствительность,
были не специфическими, медлительными,
часто нестабильными в течение длительного
времени и дорогими.
На сегодняшний день
достаточно большое количество «электронных
носов» являются коммерчески доступными
приборами. Современный электронный нос
срабатывает за десять секунд, обладает
высокой степенью специфичности и чувствительности,
стабильно работает в течение длительного
времени и использует сравнительно недорогую
технологию твердотельного датчика - сенсора.
Сейчас стоимость такого прибора составляет
от двадцати тысяч долларов до ста тысяч
долларов, но по мере совершенствования
технологии изготовления самих сенсоров
прогнозируется существенное снижение
их стоимости.
Тем не менее, уже сегодня
«электронные носы» уже оказывают помощь
в решении многих проблем и применяются
во многих областях.
В пищевой промышленности
«Электронный нос» может быть использован
для оценки свежести продуктов, контроля
качества, мониторинга случайных или преднамеренных
загрязнений или несоответствий торговой
марке. Например, с помощью этого прибора
удалось установить, что почти половина
образцов кофе «Нескафе», продаваемого
в наших магазинах, очень далека от эталона.
То же самое и с коньяками.
Электронный нос необходим
при разработке и производстве кормов
для животных, ведь в этом случае сами
потребители продукта не могут прокомментировать
его запах.
Портативный интегральный
прибор может помочь туристам отличить
съедобные природные объекты от несъедобных
[7].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Темпы научно-технического
прогресса сейчас напрямую стали зависеть
от использования искусственно созданных
частиц нанометровых размеров.
Общемировые затраты на нанотехнологические
проекты уже превышают девять миллиардов
долларов в год. Главные игроки на этом
поле – Европейский союз, США и Япония.
Такие исследования активно ведутся также
в России. Наша страна не отстает от общемирового
уровня исследований, а в чем-то и опережает
наиболее развитые державы. У нанотехнологий
огромное будущее. Прогнозы показывают,
что к 2015 году общая численность персонала
различных отраслей нанотехнологической
промышленности может дойти до двух милионов
человек. А суммарная стоимость товаров,
производимых с использованием наноматериалов,
составит как минимум несколько сотен
миллиардов долларов и, возможно, приблизится
к одному триллиону долларов. Это не удивительно.
Недаром же говорят, что нанотехнологии
– это двери, открывающиеся в совершенно
иной мир. В мире существуют уже более
двух тысяч компаний, занимающихся нано-производством.
И более двухсот из них работают в сфере
пищевой промышленности. Здесь с помощью нанотехнологий
можно добиться фантастических результатов.
Например, встраивать биологически активные
молекулы в нанокапли для улучшения всасывания
продуктов в организме, использовать сложные
нанокристаллы целлюлозы в качестве носителей
биологически активных веществ. В итоге
в разы повысится биодоступность и усвояемость
продуктов и биологически активных добавок.
Наноматериалы также способны совершить
революцию в производстве упаковки для
пищевых продуктов. Скажем, если продукт
неправильно хранился – размораживался
или находился в сырости, – на это укажут
специальные индикаторы [8].
Поэтому, нанотехнологии и наноинженерия
на сегодняшний день являются наиболее
перспективным направлением в развитии
российской и зарубежной науки.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Введение в нанотехнологии.
Модуль «Химия». Элективный курс: учебное
пособие для 10-11 классов средней общеобразовательной
школы / под общ. ред. Л.К. Каменек. – Ульяновск:
УлГУ, 2008. – 128 с.
2. Технические науки:
традиции и инновации: материалы междунар.
заоч. науч. конф. (г. Челябинск, январь
2012 г.). / Под общ. ред. Г.Д. Ахметовой. – Челябинск:
Два комсомольца, 2012. – 168 с.
3. Технологии и оборудование
химической, биотехнологической и пищевой
промышленности: материалы VI Всероссийской
научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых с международным
участием (22-24 мая 2013 г., г. Бийск)/ Алт. гос.
техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос.
техн. ун-та, 2013. – 508 с.