Singh intermitent

1 Departamentul de Microbiologie, Universitatea Gurukula Kangri, Haridwar, India

Shruti Shukla

2 Departamentul de Inginerie a Energiei și a Materialelor, Universitatea Dongguk-Seul, Seul, Coreea de Sud

Pradeep Kumar

3 Departamentul Silvic, Institutul Regional de Știință și Tehnologie din Nord-Est, Itanagar, India

Verinder Wahla

1 Departamentul de Microbiologie, Universitatea Gurukula Kangri, Haridwar, India

Vivek K. Bajpai

4 Departamentul de Microbiologie Aplicată și Biotehnologie, Universitatea Yeungnam, Gyeongsan-si, Coreea de Sud

Irfan A. Mai degrabă

4 Departamentul de Microbiologie Aplicată și Biotehnologie, Universitatea Yeungnam, Gyeongsan-si, Coreea de Sud

Abstract

Inovațiile recente în nanotehnologie au transformat o serie de domenii științifice și industriale, inclusiv industria alimentară. Aplicațiile nanotehnologiei au apărut odată cu necesitatea din ce în ce mai mare a utilizării nanoparticulelor în diverse domenii ale științei alimentelor și microbiologiei alimentelor, inclusiv procesarea alimentelor, ambalarea alimentelor, dezvoltarea funcțională a alimentelor, siguranța alimentară, detectarea agenților patogeni alimentari și extinderea termenului de valabilitate a alimentelor și/sau Produse alimentare. Această analiză rezumă potențialul nanoparticulelor pentru utilizarea lor în industria alimentară, pentru a oferi consumatorilor un aliment sigur și fără contaminare și pentru a asigura acceptabilitatea consumatorului alimentelor cu proprietăți funcționale îmbunătățite. Aspectele aplicării nanotehnologiei în legătură cu creșterea nutriției alimentare și a proprietăților organoleptice ale alimentelor au fost, de asemenea, discutate pe scurt, împreună cu câteva informații despre problemele de siguranță și preocupările de reglementare cu privire la produsele alimentare nano-procesate.

Introducere

În ultimele decenii, nanotehnologia a fost considerată din ce în ce mai mult ca fiind o tehnologie atractivă care a revoluționat sectorul alimentar. Este o tehnologie la scară nanometrică și se ocupă cu atomii, moleculele sau macromoleculele cu dimensiunea de aproximativ 1-100 nm pentru a crea și utiliza materiale care au proprietăți noi. Nanomaterialele create posedă una sau mai multe dimensiuni externe, sau o structură internă, pe scara de la 1 la 100 nm, care a permis observarea și manipularea materiei la nano-scară. Se observă că aceste materiale au proprietăți unice spre deosebire de omologii lor macroscala datorită raportului ridicat de suprafață la volum și a altor proprietăți fiziochimice noi, cum ar fi culoarea, solubilitatea, rezistența, difuzivitatea, toxicitatea, magnetica, optica, termodinamica etc. (Rai și colab., 2009; Gupta și colab., 2016). Nanotehnologia a adus o nouă revoluție industrială și atât țările dezvoltate, cât și țările în curs de dezvoltare sunt interesate să investească mai mult în această tehnologie (Qureshi și colab., 2012). Prin urmare, nanotehnologia oferă o gamă largă de oportunități pentru dezvoltarea și aplicarea de structuri, materiale sau sisteme cu proprietăți noi în diverse domenii, cum ar fi agricultura, alimentația și medicina etc.

Preocupările crescânde ale consumatorilor cu privire la calitatea alimentelor și beneficiile pentru sănătate îi determină pe cercetători să găsească modalitatea care poate îmbunătăți calitatea alimentelor, perturbând cel puțin valoarea nutrițională a produsului. Cererea de materiale pe bază de nanoparticule a fost crescută în industria alimentară, deoarece multe dintre ele conțin elemente esențiale și, de asemenea, s-au dovedit a fi netoxice (Roselli și colab., 2003). De asemenea, s-a constatat că sunt stabile la temperaturi și presiuni ridicate (Sawai, 2003). Nanotehnologia oferă soluții alimentare complete, de la fabricarea alimentelor, prelucrarea până la ambalare. Nanomaterialele aduc o mare diferență nu numai în ceea ce privește calitatea și siguranța alimentelor, ci și în beneficiile pentru sănătate pe care alimentele le oferă. Multe organizații, cercetători și industrii vin cu noi tehnici, metode și produse care au o aplicare directă a nanotehnologiei în știința alimentelor (Dasgupta și colab., 2015).

Aplicațiile nanotehnologiei în sectorul alimentar pot fi rezumate în două grupe principale care sunt ingredientele nanostructurate ale alimentelor și nanosensibilizarea alimentelor. Ingredientele nanostructurate ale alimentelor cuprind o zonă largă, de la procesarea alimentelor la ambalarea alimentelor. În procesarea alimentelor, aceste nanostructuri pot fi utilizate ca aditivi alimentari, purtători pentru livrarea inteligentă de substanțe nutritive, agenți anti-aglomerare, agenți antimicrobieni, materiale de umplutură pentru îmbunătățirea rezistenței mecanice și a durabilității materialului de ambalare etc. întrucât nanosensibilizarea alimentelor poate fi aplicată pentru a realiza o evaluare mai bună a calității și siguranței alimentelor (Ezhilarasi și colab., 2013). În această revizuire, am rezumat rolul nanotehnologiei în știința alimentelor și în microbiologia alimentară și am discutat, de asemenea, câteva fapte negative asociate acestei tehnologii.

Nanotehnologia în procesarea alimentelor

tabelul 1

Diferite nanotehnici pentru încapsularea și livrarea ingredientelor funcționale.

Nanotehnică Caracteristică caracteristică ExempleReferință
Acoperiri comestibilePentru a păstra calitatea alimentelor proaspete în timpul depozitării prelungiteAcoperiri comestibile pe bază de gelatină care conțin nanocristal de celulozăFakhouri și colab., 2014
Acoperiri cu chitosan/nanosiliceShi și colab., 2013
Film de chitosan cu nano-SiO2Yu și colab., 2012
Acoperiri cu nanolaminat alginat/lizozimMedeiros și colab., 2014
HidrogeluriPoate fi plasat cu ușurință în capsule, protejează medicamentele de medii extreme și le poate livra ca răspuns la stimulii de mediu, cum ar fi pH-ul și temperaturaHidrogeluri proteiceQui și Park, 2001
Micelele polimericeSolubilizați compușii insolubili în apă în interiorul hidrofob, solubilitate ridicată, toxicitate scăzutăPEO-b-PCL [poli (etilen glicol) bloc-poli (caprolactonă)] micele polimericeMa și colab., 2008
Miceli polimerice polimerice de etoxi glicol) palmitatSahu și colab., 2008
Nanoemulsii(i) Stabilitate mai mare la agregarea picăturilor și separarea gravitațională;Nanoemulsie pe bază de β-carotenKong și colab., 2011
(ii) Claritate optică mai mare; și, (iii) biodisponibilitate orală crescutăNanoemulsie pe bază de β-carotenYuan și colab., 2008
LipozomiDeoarece lipozomul înconjoară o soluție apoasă în interiorul unei membrane hidrofobe, acesta poate fi folosit vehicule de livrare pentru molecule hidrofobe (conținute în stratul bistrat) sau molecule hidrofile (conținute în interiorul apos)Lipozomi cationici încorporați lipozomi modificați cu un polimer acid-labil poli-glicidol hiper-ramificat (HPG)Yoshizaki și colab., 2014
PN anorganiceAcestea prezintă o bună capacitate de încapsulare, iar suprafețele lor rigide permit funcționalizarea controlatăNanoparticule de silice mezoporoaseTang și colab., 2012

Textura, gustul și aspectul alimentelor

Nanotehnologia oferă o serie de opțiuni pentru îmbunătățirea calității alimentelor și, de asemenea, ajută la îmbunătățirea gustului alimentelor. Tehnicile de nanocapsulare au fost utilizate pe scară largă pentru a îmbunătăți eliberarea și păstrarea aromei și pentru a oferi echilibrul culinar (Nakagawa, 2014). Zhang și colab. (2014) au folosit nanoencapsularea pentru antocianine cu pigmenți de plante extrem de reactive și instabile care au diverse activități biologice. Prin, încapsularea moleculelor de cianidin-3-O-glucozidă (C3G) în cavitatea interioară a seminței de soia apo recombinantă H-2 subunitatea feritină (rH-2) a îmbunătățit stabilitatea termică și fotostabilitatea. Această proiectare și fabricație de nanopurtori multifuncționali pentru protecția și livrarea moleculelor bioactive. Rutina este un flavonoid dietetic obișnuit, cu activități farmacologice importante, dar, datorită solubilității slabe, aplicarea sa în industria alimentară este limitată. Incapsularea nanocagilor de feritină a îmbunătățit solubilitatea, stabilitatea termică și radiația UV a rutinei prinse de feritină în comparație cu rutina liberă (Yang și colab., 2015). Utilizarea nanoemulsiilor pentru a furniza compuși bioactivi solubili în lipide este mult populară, deoarece acestea pot fi produse folosind ingrediente alimentare naturale folosind metode ușoare de producție și pot fi concepute pentru a spori dispersia apei și biodisponibilitatea (Ozturk și colab., 2015).

În comparație cu particulele mai mari care, în general, eliberează compuși încapsulați mai încet și pe perioade mai lungi de timp, nanoparticulele oferă mijloace promițătoare de îmbunătățire a biodisponibilității compușilor nutraceutici datorită dimensiunii lor subcelulare, ceea ce duce la o biodisponibilitate mai mare a medicamentelor. Mulți oxizi metalici precum dioxidul de titan și dioxidul de siliciu (SiO2) au fost folosiți în mod convențional ca agenți de culoare sau de curgere în produsele alimentare (Ottaway, 2010). Nanomaterialele SiO2 sunt, de asemenea, unul dintre cele mai utilizate nanomateriale alimentare ca purtători de parfumuri sau arome în produsele alimentare (Dekkers și colab., 2011).

Valoare nutritionala

Majoritatea compușilor bioactivi, cum ar fi lipidele, proteinele, carbohidrații și vitaminele, sunt sensibili la mediul acid ridicat și la activitatea enzimatică a stomacului și a duodenului. Incapsularea acestor compuși bioactivi nu numai că le permite să reziste unor astfel de condiții adverse, ci le permite, de asemenea, să se asimileze ușor în produsele alimentare, ceea ce este destul de greu de realizat sub formă non-capsulată, datorită solubilității scăzute în apă a acestor compuși bioactivi. Micile capsule comestibile pe bază de nanoparticule, cu scopul de a îmbunătăți administrarea de medicamente, vitamine sau micronutrienți fragili în alimentele zilnice, sunt create pentru a oferi beneficii semnificative pentru sănătate (Yan și Gilbert, 2004; Koo și colab., 2005). Nanocompozitul, nano-emulsificarea și nanostructura sunt diferitele tehnici care au fost aplicate pentru a încapsula substanțele în forme miniaturale pentru a furniza mai eficient substanțe nutritive precum proteine ​​și antioxidanți pentru beneficii nutriționale și pentru sănătate precis direcționate. Nanoparticulele polimerice sunt potrivite pentru încapsularea compușilor bioactivi (de exemplu, flavonoide și vitamine) pentru a proteja și transporta compușii bioactivi către funcțiile țintă (Langer și Peppas, 2003).

Conservare sau termen de valabilitate

În alimentele funcționale în care componentele bioactive sunt adesea degradate și, în cele din urmă, duc la inactivare din cauza mediului ostil, nanoîncapsularea acestor componente bioactive extinde durata de valabilitate a produselor alimentare prin încetinirea proceselor de degradare sau previne degradarea până când produsul este livrat la țintă site. Mai mult decât atât, nano-acoperirile comestibile pe diverse materiale alimentare ar putea oferi o barieră în calea schimbului de umiditate și gaze și ar putea oferi culori, arome, antioxidanți, enzime și agenți anti-rumenire și ar putea crește, de asemenea, durata de valabilitate a alimentelor fabricate, chiar și după ambalajul este deschis (Renton, 2006; Weiss și colab., 2006). Incapsularea componentelor funcționale în picături permite adesea o încetinire a proceselor de degradare chimică prin proiectarea proprietăților stratului interfațial care le înconjoară. De exemplu, curcumina cea mai activă și mai puțin stabilă componentă bioactivă a turmericului (Curcuma longa) a prezentat o activitate antioxidantă redusă și sa dovedit a fi stabilă la pasteurizare și la o putere ionică diferită la încapsulare (Sari și colab., 2015).

Nanotehnologia în ambalarea alimentelor

Un material de ambalare dorit trebuie să aibă permeabilitatea la gaz și umiditate combinată cu rezistența și biodegradabilitatea (Couch și colab., 2016). Ambalajul alimentar „inteligent” și „activ” bazat pe nano conferă mai multe avantaje față de metodele de ambalare convenționale, de la furnizarea unui material de ambalare mai bun cu rezistență mecanică îmbunătățită, proprietăți de barieră, pelicule antimicrobiene la nanosensibilizare pentru detectarea agentului patogen și alertarea consumatorilor cu privire la starea de siguranță a alimentelor (Mihindukulasuriya și Lim, 2014).

Aplicarea nanocompozitelor ca material activ pentru ambalare și acoperire a materialului poate fi, de asemenea, utilizată pentru a îmbunătăți ambalarea alimentelor (Pinto și colab., 2013). Mulți cercetători s-au interesat să studieze proprietățile antimicrobiene ale compușilor organici precum uleiurile esențiale, acizii organici și bacteriocinele (Gálvez și colab., 2007; Schirmer și colab., 2009) și utilizarea lor în matrici polimerice ca ambalaje antimicrobiene. Cu toate acestea, acești compuși nu se încadrează în numeroasele etape de procesare a alimentelor care necesită presiuni și temperaturi ridicate, deoarece sunt foarte sensibili la aceste condiții fizice. Folosind nanoparticule anorganice, se poate realiza o activitate antibacteriană puternică în concentrații scăzute și mai multă stabilitate în condiții extreme. Prin urmare, în ultimii ani, a fost un mare interes utilizarea acestor nanoparticule în ambalajele antimicrobiene pentru alimente. Un ambalaj antimicrobian este de fapt o formă de ambalaj activ care intră în contact cu produsul alimentar sau cu spațiul din interior pentru a inhiba sau întârzia creșterea microbiană care poate fi prezentă pe suprafețele alimentelor (Soares și colab., 2009). Multe nanoparticule precum nanoparticulele de argint, cupru, chitosan și oxid de metal, cum ar fi oxidul de titan sau oxidul de zinc, au fost raportate că au proprietăți antibacteriene (Bradley și colab., 2011; Tan și colab., 2013; Figura Figura 1 1 ).

percepția

Diagrama schematică care arată rolul nanotehnologiei în diferite aspecte ale sectoarelor alimentare.

Aplicarea nanoparticulelor nu se limitează la ambalarea antimicrobiană a alimentelor, ci nanocompozitul și nanolaminatele au fost utilizate în mod activ în ambalarea alimentelor pentru a oferi o barieră împotriva șocurilor termice și mecanice extreme care extind durata de valabilitate a alimentelor. În acest fel, încorporarea nanoparticulelor în materialele de ambalare oferă alimente de calitate, cu termen de valabilitate mai lung. Scopul creării compozitelor polimerice este de a avea mai multe materiale de ambalare mecanice și termostabile. Multe materiale de umplutură anorganice sau organice sunt utilizate pentru a obține compozite polimerice îmbunătățite. Încorporarea nanoparticulelor în polimeri a permis dezvoltarea unui material de ambalare mai rezistent cu eficiență din punct de vedere al costurilor (Sorrentino și colab., 2007). Utilizarea materialelor de umplere inerte la scară nanomatică, cum ar fi nanoparticulele de argilă și silicat, nanoparticulele de siliciu (SiO2), chitina sau chitosanul în matricea polimerică îl fac mai ușor, mai puternic, rezistent la foc și proprietăți termice mai bune (Duncan, 2011; Othman, 2014). Filmele nanocompozite antimicrobiene care sunt preparate prin impregnarea materialelor de umplere (având cel puțin o dimensiune în domeniul nanometric sau nanoparticule) în polimeri oferă beneficii bidirecționale datorită integrității structurale și a proprietăților de barieră (Rhim și Ng, 2007).

Nanosenzori pentru detectarea agentilor patogeni

Biosenzorii pe bază de nanotuburi de carbon au câștigat, de asemenea, multă atenție datorită detectării rapide, simplității și eficienței costurilor și au fost, de asemenea, aplicați cu succes pentru detectarea microorganismelor, toxinelor și a altor produse degradate din alimente și băuturi (Nachay, 2007). Anticorpii toxici atașați acestor nanotuburi determină o schimbare detectabilă a conductivității atunci când sunt legați de toxine pe bază de apă și, prin urmare, sunt utilizați pentru detectarea toxinelor pe bază de apă (Wang și colab., 2009). În plus, utilizarea limbii sau a nasului electronice constă din gama de nanosenzori care monitorizează starea alimentelor, dând semnale asupra aromelor sau gazelor eliberate de produsele alimentare (Garcia și colab., 2006). Nasul electric bazat pe microbalanța cristalelor de cuarț (QCM) poate detecta interacțiunea dintre diferiți odoranți și substanțe chimice care au fost acoperite pe suprafața cristalină a QCM. Multe studii privind detectarea moleculelor mici au folosit suprafețe de cristal de cuarț care au fost modificate cu diferite grupuri funcționale sau molecule biologice, cum ar fi amine, enzime, lipide și diverși polimeri (Kanazawa și Cho, 2009).

Probleme de siguranta

Concluzie

În ultimii ani, popularitatea utilizărilor structurilor la scară nanometrică în sectorul alimentar este în creștere, prin urmare, interesul și activitățile din acest domeniu de cercetare s-au concentrat foarte mult. Pe măsură ce nanobiotecnologia avansează, dispozitivele sau materialele bazate pe această tehnologie devin mai mici și mai sensibile. Aplicabilitatea sa în domeniile ambalării alimentelor și siguranței alimentelor sunt bine cunoscute. În plus, s-au obținut rezultate promițătoare în conservarea alimentelor folosind nanomateriale, unde ar putea proteja alimentele de umiditate, lipide, gaze, arome și mirosuri. Acestea oferă sisteme de vehicule excelente pentru a furniza compuși bioactivi către țesuturile țintă. Deși progresele în domeniul nanotehnologiei deschid noi căi pe zi ce trece, există încă multe provocări și oportunități de îmbunătățire a tehnologiei actuale și, de asemenea, probleme legate de consecințele nanotehnologiei care trebuie abordate pentru a atenua preocupările consumatorilor. Transparența problemelor de siguranță și a impactului asupra mediului ar trebui să fie prioritatea în timp ce se ocupă de dezvoltarea nanotehnologiei în sistemele alimentare și, prin urmare, este necesară testarea obligatorie a nanoalimentelor înainte ca acestea să fie lansate pe piață.

Contribuțiile autorului

TS și SS au proiectat, conceput și au scris manuscrisul. PK a ajutat la scriere și editare. VW, VB și IR au analizat, editat și finalizat critic manuscrisul pentru depunere.

Declarație privind conflictul de interese

Autorii declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricărei relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretată ca un potențial conflict de interese.