Marnowanie żywności to jeden z kluczowych problemów współczesnego świata. Szacuje się, że w Unii Europejskiej marnuje się około 10% żywności dostępnej dla konsumentów. Wyobraź sobie, że 10% twoich dzisiejszych zakupów spożywczych trafia do kosza, podczas gdy w tym samym czasie ktoś w Europie cierpi z powodu głodu. Aż 37 milionów osób w UE nie może pozwolić sobie na pełnowartościowy posiłek co drugi dzień. Marnowanie żywności ma także istotny wpływ na zmiany klimatyczne, dlatego jednym z głównych celów Unii Europejskiej, do 2050 roku, jest ograniczenie strat i marnotrawstwa żywności. W związku z tym trwają intensywne badania i dyskusje nad wydłużeniem trwałości i poprawą jakości produktów spożywczych.
OD KISZENIA PO NANOTECHNOLOGIĘ: JAK ZMIENIAŁY SIĘ METODY ZACHOWYWANIA ŚWIEŻOŚCI PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH?
Od dawna ludzkość poszukuje sposobów na zabezpieczanie i przetwarzanie żywności, by jak najdłużej zachowała ona swoje właściwości i była zdatna do spożycia. Zabiegi te mają jednocześnie ograniczyć jej marnowanie. Kluczowym wyzwaniem jest ograniczenie rozwoju mikroorganizmów powodujących psucie oraz wydłużenie terminów przydatności produktów. Istnieje wiele sposobów konserwacji żywności – od naturalnych, tradycyjnych technik po nowoczesne, oparte na badaniach naukowych. Przykładami są kiszenie, mrożenie, wędzenie, pasteryzacja, przechowywanie w soli czy cukrze, w oleju, suszenie, a także dodawanie naturalnych i sztucznych konserwantów oraz niepatogennych bakterii, które ograniczają rozwój mikroflory patogennej. Każda z tych metod polega na odpowiednim przetworzeniu żywności zgodnie z określonymi procesami.
OPAKOWANIA AKTYWNE Z BIOPOLIMERÓW I NANOCZĄSTECZEK: KLUCZ DO DŁUŻSZEJ ŚWIEŻOŚCI
Naukowcy poszli jednak o krok dalej, przyglądając się żywności z szerszej perspektywy. Zaczęto zwracać uwagę w jakich warunkach żywność jest wytwarzana, pakowana, przechowywana i transportowana. Skupiono się nie tylko na samym produkcie, ale także na opakowaniach, w których można dostrzec potencjał do modyfikacji, wpływając w ten sposób na jakość żywności. Przełomem w tej dziedzinie stało się zastosowanie nanotechnologii.
Dzięki nanotechnologii poprawiono właściwości mechaniczne, odporność termiczną oraz działanie przeciwdrobnoustrojowe biopolimerowych folii opakowaniowych. W rezultacie powstały opakowania zawierające związki skutecznie hamujące rozwój bakterii, co przekłada się na wydłużenie okresu przydatności do spożycia żywności w nich przechowywanej. Tego typu opakowania należą do rodzaju opakowań aktywnych, charakteryzujących się właściwościami antybakteryjnymi. Wśród innowacji w branży opakowań zalicza się stosowanie biodegradowalnych polimerów wzmocnionych nanocząsteczkami metali, które mają szczególny potencjał antybakteryjny. Szczególnym zainteresowaniem cieszą się nanocząsteczki kadmu, tytanu, miedzi, magnezu, tellurku, ale pod względem działania przeciwdrobnoustrojowego za najskuteczniejsze uważa się nanocząsteczki srebra.
SREBRO W WALCE Z PATOGENAMI
Srebro cenione jest już od starożytności nie tylko jako metal szlachetny, ale również ze względu na właściwości antybakteryjne. Ma także bogatą historię zastosowań medycznych. Macedończycy stosowali srebrne talerze podczas operacji chirurgicznych, zauważając zmniejszoną ilość zakażeń po takich zabiegach. Wrzucenie srebrnych monet do beczek z wodą zapewniało dobrą jakość wody na wiele tygodni. W średniowieczu srebro służyło do filtrowania krwi, a w XIX wieku stosowano je w leczeniu poparzeń oraz zapaleń wyrostka robaczkowego. Z biegiem lat możliwości wykorzystania srebra stale rosły, szczególnie dzięki odkryciu jego potencjału w postaci nanocząsteczek.
Nanocząsteczki srebra wykazują skuteczne działanie antymikrobiologiczne, toksycznie wpływając na wiele szczepów grzybów, bakterii, glonów oraz patogenów szkodliwych dla ludzi i zwierząt. Mają również udokumentowane właściwości antywirusowe i antynowotworowe. Co sprawia, że nanocząsteczki srebra mają tak silne działanie przeciwdrobnoustrojowe? Czym właściwie jest nanocząsteczka?
Aby lepiej zrozumieć te zagadnienia, warto najpierw przyjrzeć się, czym właściwie jest nanocząsteczka. „Nano” to przedrostek jednostki miary oznaczający jedną miliardową (10-9). Nanocząsteczki mają rozmiary od 1 nm do 100 nm. Istnieją dwa główne sposoby ich wytwarzania. Pierwszy, zwany „bottom-up”, polega na budowaniu cząstki od podstaw, atom po atomie. Drugi sposób, „top-down” to działanie odwrotne – polega na rozbijaniu większego materiału na mniejsze części, aż osiągnie się nanocząsteczki o pożądanych wymiarach.
Skuteczność przeciwdrobnoustrojowa nanocząsteczek srebra zależy zarówno od ich wielkości, jak i kształtu. Im mniejsze są cząstki, tym silniejsze ich działanie przeciwko drobnoustrojom. Wśród kształtów nanocząsteczek możemy wyróżnić: pręty, trójkąty, kostki, ostrosłupy oraz formy płaskie-płytkowe. Te ostatnie wykazują zwykle lepsze właściwości przeciwdrobnoustrojowe. Skoro tyle już wspomniano o niezwykłych właściwościach srebra, warto zastanowić się, skąd one właściwie się biorą.
Nanocząsteczki srebra oddziałują na komórki bakteryjne na wiele sposobów. Przede wszystkim hamują syntezę ściany komórkowej, uniemożliwiając powstawanie nowych warstw podczas podziału komórki. Powoduje to degradację istniejącej ściany i apoptozę komórki. Ponadto nanocząsteczki zaburzają funkcjonowanie pompy sodowo-potasowej w spolaryzowanej błonie komórkowej, co zakłóca przepływ składników odżywczych. Kumulacja nanocząsteczek srebra w błonie cytoplazmatycznej prowadzi do zmiany prawidłowego gradientu stężeń komórki, indukuje wypływ jonów oraz utratę cząsteczek ATP – głównego nośnika energii. Taka dezorganizacja prowadzi do śmierci komórki. Co więcej, nanocząsteczki srebra wywołują stres oksydacyjny w komórce poprzez produkcję wolnych rodników, co skutkuje denaturacją białek i inaktywacją enzymów bakterii. Srebro wnikając do wnętrza mikroorganizmów reaguje z kwasami nukleinowymi co przekłada się na nieprawidłowy przebieg replikacji DNA. Utrudnia także tworzenie biofilmu na skutek ograniczenia mobilności niektórych bakterii. Jednak jednym z kluczowych efektów działania srebra jest denaturacja aminokwasów, które pełnią istotne funkcje w szlakach metabolicznych. Powoduje to utratę aktywności biologicznej patogenów, skutecznie uniemożliwiając ich dalsze funkcjonowanie.
W tym miejscu warto podkreślić, że nanocząsteczki srebra mają wyraźne działanie antybakteryjne wobec patogenów, zarówno Gram-ujemnych, jak i Gram-dodatnich. Liczne badania potwierdzają ich skuteczność w hamowaniu wzrostu drobnoustrojów, choć nie określają jednoznacznie, które patogeny są bardziej podatne na kontakt z nanocząsteczkami srebra. Obecność nanocząsteczek w opakowaniach produktów spożywczych pomaga zwalczać takie patogeny żywnościowe jak: Salmonella spp., Listeria monocytogenes, Escherichia coli, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa oraz Candida albicans. Efekt antybakteryjny wzrasta wraz ze zwiększaniem stężenia nanocząsteczek.
NANOTECHNOLOGIA JAKO PRZYSZŁOŚĆ PRZEMYSŁU SPOŻYWCZEGO
Biorąc pod uwagę szerokie spektrum działania nanocząsteczek srebra można się pokusić o stwierdzenie, że są obiecującą alternatywą dla środków powszechnie używanych w ochronie żywności.
Jak wiele rozwiązań, nanocząsteczki srebra mają swoje zalety, ale również jedną istotną wadę. Głównym problemem jest fakt, że srebro może z łatwością przenikać barierę krew-mózg, co przy wyższych, niekontrolowanych stężeniach może wywoływać poważne skutki dla organizmu. Mając to na uwadze stosuje się różnego rodzaju zabiegi, aby zniwelować takie ryzyko. Przykładowo stosuje się mniejsze stężenia nanocząsteczek srebra lub tworzy się opakowania z materiałów, które ograniczają ich przenikanie do żywności.
Nanocząsteczki metali zwłaszcza ze względu na swoje właściwości przeciwdrobnoustrojowe, znajdują coraz szersze zastosowanie w różnych branżach. Nanotechnologia przyciągnęła również uwagę przemysłu spożywczego i branży opakowań. Dodanie nanocząsteczek srebra do opakowań biopolimerowych nie tylko poprawia ich właściwości mechaniczne, lecz także korzystnie wpływa na bezpieczeństwo i jakość przechowywanej żywności. Przeciwdrobnoustrojowe właściwości nanocząsteczek srebra hamują rozwój drobnoustrojów patogennych, co pozwala producentom na wydłużenie okresu przydatności produktów. Dzięki temu możliwe jest ograniczenie strat oraz marnowania żywności, które wiążą się z problemem głodu i zmianami klimatycznymi.
W przypadku pytań lub wątpliwości Eksperci J.S. Hamilton pozostają do Państwa dyspozycji.