Παραγωγή νανοσωλήνων και σύνθετων πολυμερών με εφαρμογή στα τρόφιμα
Authors: Πανίτσα Αθανασία 
Published: March 2023

Τις τελευταίες δεκαετίες, η νανοτεχνολογία, τα νανοσύνθετα υλικά και οι εφαρμογές τους έχουν κερδίσει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) είναι από τα πιο χρησιμοποιούμενα νανοϋλικά. Πληροφορίες για τους CNTs δημοσιεύτηκαν για πρώτη φορά το 1991 και από τότε αυτό το νανοϋλικό έχει ταχέως καθιερωθεί σε αναπτυσσόμενες εφαρμογές όπως οι αισθητήρες, η νανοϊατρική, το περιβάλλον, η ενέργεια, κ.ά. Ωστόσο, η χρήση τους στον τομέα της βιοϊατρικής που ασχολείται με τον ανθρώπινο οργανισμό είναι περιορισμένη λόγω της αυξημένης τοξικότητάς τους. Το μέγεθος των νανοσωλήνων μπορεί να επηρεάσει την τοξικότητα των CNTs, ιδιαίτερα εκείνων με μέγεθος κάτω από 100 nm. Μπορούν να επηρεάσουν τους πνεύμονες και ολόκληρο το αναπνευστικό σύστημα ενεργοποιώντας ανοσολογικές αποκρίσεις. Επίσης, η παρατεταμένη και υπερβολική έκθεση σε CNTs μπορεί να προκαλέσει φλεγμονή και οξειδωτικό στρες.Προκειμένου να αποφευχθούν οι παρενέργειες από τη χρήση των CNTs, θεωρήσαμε ότι εναλλακτικά γεωργικά υλικά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή νανοσωλήνων. Διερευνήθηκαν φθηνοί και ανανεώσιμοι φυσικοί πόροι για την παραγωγή υδατανθρακούχων νανοσωλήνων (CHNTs). Τέτοια υλικά μπορούν να παρασκευαστούν χρησιμοποιώντας υπολείμματα των φυτών όπως ο μίσχος τους, που παράγονται ως υποπροϊόντα από διάφορες καλλιέργειες. Τεράστιες ποσότητες γεωργικών αποβλήτων, συμπεριλαμβανομένων των άχυρων σίτου, του κορμού ηλίανθου και του στελέχους καλαμποκιού (κότσαλα) παράγονται κάθε χρόνο παγκοσμίως μετά τη συγκομιδή των κόκκων σιταριού, του καλαμποκιού και των ηλιόσπορων. Οι νανοΐνες που παράγονται από φυσικά κυτταρινούχα απόβλητα και η εφαρμογή τους σε νανοσύνθετα υλικά έχουν κερδίσει αρκετό ενδιαφέρον. Τα οφέλη των νανοϊνών κυτταρίνης οφείλονται στο γεγονός ότι είναι βιοαποικοδομήσιμες, βιοσυμβατές και ανανεώσιμες. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι λιγνινοκυτταρινούχα υλικά μετά από απολιγνινοποίηση, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παραγωγή σωληνωτής κυτταρίνης, με μίκρο- και νάνο- διαστάσεις. Οι CHNTs θα μπορούν εύκολα να μεταβολιστούν στο ανθρώπινο σώμα χωρίς καμία τοξικότητα, επομένως μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο σχεδιασμό ενός αποτελεσματικού συστήματος χορήγησης φαρμάκων. Ως εκ τούτου, ο πρώτος στόχος αυτής της εργασίας ήταν η παραγωγή υδατανθρακούχων νανοσωλήνων (CHNTs), μιας νέας γενιάς νανοσωλήνων, από κυτταρινούχα γεωργικά απόβλητα μέσω παρασκευής σωληνωτής κυτταρίνης (TC), και κατόπιν υποβολή της TC σε μια ενζυμική διαδικασία. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν τα λιγνινοκυτταρινούχα αγροτοβιομηχανικά απόβλητα άχυρο σίτου, στέλεχος ηλίανθου, στέλεχος καλαμποκιού, και πριονίδι ελάτου. Η σωληνωτή κυτταρίνη (TC) παρήχθη μετά από απολιγνινοποίηση των πρώτων υλών και στη συνέχεια εφαρμόστηκε ενζυμική υδρόλυση με ένζυμα κυτταρινάσες προς παραγωγή των CHNTs. Μεταξύ των τεσσάρων υλικών που χρησιμοποιήθηκαν, το στέλεχος καλαμποκιού αποδείχθηκε ως το πιο αποτελεσματικό στη διαδικασία αυτή. Οι σωλήνες TC από στέλεχος καλαμποκιού κόπηκαν με τα ένζυμα κυτταρινασών, που παρήχθησαναπό τον μικροοργανισμό Trichoderma reesei, σε υδατανθρακούχους σωλήνες νάνο- μεγέθους. Οι αναλύσεις φασματοσκοπίας FTIR και η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) έδειξαν σταθερότητα της χημικής δομής των CHNTs. CHNTs απομονώθηκαν από το διάλυμα υδρόλυσης της TC από στέλεχος καλαμποκιού μετά από ξήρανση με λυοφιλίωση. Οι νάνο- διαστάσεις των σωλήνων του τελικού προϊόντος αποδείχθηκαν με μετρήσεις μέσω μικροσκοπίας TEM, ενώ διάμετρος νανοσωλήνων ακόμη και 40-50 Å μετρήθηκε με ανάλυση ποροσιμετρίας. Στη συνέχεια, παρασκευάστηκαν επίσης σύνθετα υλικά TC με πηκτή αμύλου (SG) και ακολούθησε ενζυμική υδρόλυση με ένζυμα αμυλάσες/κυτταρινάσες προκειμένου να εξεταστεί τυχόν βελτίωση των ιδιοτήτων των παραγόμενων CHNTs με αυτόν τον τρόπο παραγωγής. Σε αυτή τη μελέτη, το υλικό που αποδείχθηκε το πιο παραγωγικό ήταν το άχυρο σίτου καθώς από τις πρώτες 5 ώρες υδρόλυσης έδωσε CHNTs με πολύ καλές ιδιότητες. Γενικά, όλα τα υλικά παρουσίασαν πολύ καλύτερες ιδιότητες κατά την ενζυμική υδρόλυση των TC/SG σε σύγκριση με την υδρόλυση της TC και μάλιστα σε πολύ μικρότερο χρόνο. Έτσι, η πηκτή αμύλου οδήγησεσε καλύτερα αποτελέσματα και βελτίωση των χαρακτηριστικών των παραγόμενων CHNTs.Εν συνεχεία, η ποιότητα και η ασφάλεια των τροφίμων όπως το κρέας, τα προϊόντα κρέατος και οι χυμοί, διασφαλίζονται κυρίως μέσω θερμικών επεξεργασιών και χημικών συντηρητικών. Ωστόσο, υπάρχει μια αυξανόμενη τάση στη βιομηχανία τροφίμων για μείωση των απαιτήσεων ενέργειας και νερού, καθώς και των χημικών πρόσθετων που μπορεί να έχουν αρνητικές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία. Πιο συγκεκριμένα, τα νιτρώδη άλατα παίζουν καθοριστικό ρόλο στα αλλαντικά, παρέχοντας σταθερό κόκκινο χρώμα και ειδική γεύση, αποτρέποντας την οξείδωση των λιπιδίων και παρέχοντας ασφαλή κατανάλωση του προϊόντος, καθώς τα νιτρώδη αναγνωρίζονται για τη βακτηριοστατική και βακτηριοκτόνο δράση τους έναντι παθογόνων βακτηρίων, όπως το παθογόνο Salmonella enterica serovar Typhimurium, τα διάφορα είδη του γένους Listeria και το Clostridium botulinum, τα οποία είναι οι κύριοι και πιο επικίνδυνοι μικροοργανισμοί που μπορούν να αναπτυχθούν στο κρέας και τα προϊόντα κρέατος. Ωστόσο, η νομοθεσία έχει επιβάλει όρια στην ποσότητα νιτρωδών αλάτων που μπορούν να προστεθούν προκειμένου να αποφευχθούν τυχόν παρενέργειες μέσω της προσθήκης υπερβολικών ποσοτήτων νιτρωδών στα τρόφιμα. Αυτές οι παρενέργειες μπορεί να αποδοθούν στον σχηματισμό επιβλαβών νιτροζαμινών που μπορούν να προκαλέσουν καρκίνο. Επιπλέον, αν και το βενζοϊκό νάτριο (SB) έχει αποτελεσματική αντιμικροβιακή δράση και χρησιμοποιείται ευρέως σε χυμούς και ποτά, έχει επίσης ορισμένες παρενέργειες στον ανθρώπινο οργανισμό, όπως επιβάρυνση του ήπατος, πρόκληση ανοσολογικών αποκρίσεων, ενώ επίσης μεταλλαξιογόνες και κυτταροτοξικές επιδράσεις έχουν αποδειχθεί in vitro σε ανθρώπινα λεμφοκύτταρα, προκαλώντας τελικά καρκίνο. Έτσι, ο περιορισμός των χημικών συντηρητικών φαίνεται να είναι επιτακτική ανάγκη.Ακολουθώντας αυτή την τάση, σε αυτό το μέρος της έρευνας, στοχεύσαμε στη μείωση των χημικών συντηρητικών στα τρόφιμα. Αυτό επιτεύχθηκε με την ενθυλάκωση νιτρώδους καλίου (KNO2) και βενζοϊκού νατρίου (SB) σε βρώσιμη σωληνωτή κυτταρίνη (ETC), που προέρχεται από φυσικές πηγές, και σε ETC χρησιμοποιώντας πηκτή αμύλου (SG) ως ενδιάμεσο φορέα (ETC/SG). Το ενθυλακωμένο KNO2 εφαρμόστηκε σε χοιρινό και μοσχαρίσιο κρέας και χοιρινά λουκάνικα, και το ενθυλακωμένο SB εφαρμόστηκε σε χυμό πορτοκαλιού.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ενθυλάκωση με τη χρήση ETC και η σταδιακή απελευθέρωση του KNO2 σε κρέας και προϊόντα αυτού επιτεύχθηκε σε μεγάλο βαθμό και κυρίως η απελευθέρωση KNO2 που ενθυλακώθηκε σε ETC/SG, ειδικά σε χαμηλές θερμοκρασίες αποθήκευσης, μπορεί να ελεγχθεί και ένα μεγάλο μέρος του συντηρητικού μπορεί να παραμείνει ενθυλακωμένο στην ETC/SG για μεγάλο χρονικό διάστημα. Επίσης, μέσω της μελέτης του μικροβιολογικού φορτίου, προσδιορίστηκε η αποτελεσματικότητα αυτής της μεθόδου συντήρησης. Τα δείγματα κρέατος και λουκάνικων που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με KNO2 ενθυλακωμένο σε ETC/SG, έδειξαν σημαντική αναστολή στην ανάπτυξη μικροοργανισμών ακόμη και μετά από 10 ημέρες αποθήκευσης. Επομένως, αυτή η μέθοδος οδήγησε σε επιτυχή συντήρηση των προϊόντων. Η τεχνολογία αυτή αξιολογήθηκε τεχνοοικονομικά και, σύμφωνα με εκτιμήσεις τις ερευνητικής μας ομάδας, αποδείχθηκε οικονομικά συμφέρουσα δίνοντας τη δυνατότητα για scale-up πειράματα και την εφαρμογή της διαδικασίας παραγωγής συντηρητικών με αυτή τη μέθοδο σε βιομηχανικό επίπεδο.Και στην περίπτωση του SB, η παρουσία της SG επηρέασε έντονα την απελευθέρωση του συντηρητικού, υποδηλώνοντας έτσι τη δυνατότητα ενθυλάκωσης χρησιμοποιώντας SG για τον έλεγχο του μηχανισμού απελευθέρωσης των ενθυλακωμένων ουσιών. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στην καλύτερη ενθυλάκωση των KNO2 και SB στη μήτρα πηκτής αμύλου που επιτρέπει χαμηλή κινητικότητα των μορίων των συντηρητικών. Ωστόσο, τόσο η ETC όσο και το ETC/SG θα μπορούσαν να είναι πρακτικής χρήσης ανάλογα με τον απαιτούμενο ρυθμό απελευθέρωσης των συντηρητικών. Επιτεύχθηκε σταδιακή απελευθέρωση SB στον χυμό πορτοκαλιού, καθώς το μεγαλύτερο μέρος του SB παρέμεινε εγκλωβισμένο στην ETC και ETC/SG επιτυγχάνοντας περιορισμένη απελευθέρωση. Η επεξεργασία με SB ενθυλακωμένο σε ΕTC/SG έδωσε σημαντική μείωση στο μικροβιολογικό φορτίο των χυμών, υποδεικνύοντας μια αποτελεσματική μέθοδο συντήρησης.Τα αποτελέσματα αυτής της διατριβής είναι ελπιδοφόρα και χρήσιμα για πιθανές εφαρμογές, προσφέροντας τη δυνατότητα για περεταίρω έρευνα σε πολλούς τομείς. Μπορούν επίσης να έχουν μεγάλο αντίκτυπο στην παγκόσμια οικονομία, καθώς αφορούν τεχνολογίες χαμηλού κόστους που είναι φιλικές προς τον άνθρωπο και το περιβάλλον και εφαρμόζονται σε τομείς όπου το μέγεθος της αγοράς είναι αρκετά μεγάλο και υψίστης σημασίας.