Oblasti možného využití nanotechnologie. Iniciativy v USA a Evropě. Trh nanopotravin.

Rutgers University (N.J., USA) se stala první univerzitou v USA, která přijala do pracovního poměru “profesora potravinářské nanotechnologie”. Firma Kraft Foods založila v roce 2000 NanoteK, konsorcium výzkumníků z 15 univerzit a vládních laboratoří, které má vyšetřovat, jak lze nanotechnologii využít pro dosažení pokroku v potravinářském průmyslu. Je zajímavé, že konsorcium se skládá pouze z fyziků, techniků a molekulárních chemiků a ne z odborníků na potravinářskou vědu. Je to proto, že konsorcium chce přistupovat k výzkumu speciálně z odlišného pohledu, než jaký mají potravinářští vědci. Firma Kraft si chce výzkumem v oblasti nanotechnologie zajistit vedoucí postavení v potravinářské vědě.

Uplatnění nanotechnologie v potravinářském průmyslu může být široké, přičemž se očekává, že aplikace nanotechnologie povede ke zvýšení kvality a bezpečnosti potravin. Jednotlivé oblasti budoucího uplatnění nanotechnologie v potravinářské oblasti jsou např.:

Obaly

Podle Dr. Manuela Marquez-Sancheze, vědeckého pracovníka z Kraft Foods a ředitele NanoteK konsorcia, je potravinářský obal první oblastí, kde se nanotechnologie uplatní.

Nanocor, dceřiná společnost Amcol International Corp. je světový lídr ve výrobě nanokompozitů, což jsou polymery vázané nanokrystaly tak, aby vytvořily materiály se zdokonalenými vlastnostmi. Uvedená společnost v současné době vyrábí nanokompozity pro výrobu plastových pivních lahví, které zajišťují údržnost obsahu 6 měsíců. Zavedením nanokrystalů do plastu materiál pracuje tak, že se v podstatě vytváří bludiště (labyrint), ze kterého je pro molekuly kyslíku obtížné vyskočit. Nanocor a další společnost, Southern Clay pracují na zdokonaleních, o nichž se předpokládá, že zvýší údržnost piva až na 18 měsíců.

Kromě toho, že se nanokompozity zaměřují na problematiku kažení a organoleptických vlastností, poskytnou také další výhody jako je nižší hmotnost a lepší recyklovatelnost. Předpokládá se, že výrobce bude schopen výrazně snížit náklady na dopravu a výrobu snížením množství materiálu používaného na obaly. V současné době jsou nanokompozity dražší než většina plastových pryskyřic, ale jejich cena stále klesá. Podle představitele Nanocor se očekává, že v blízké budoucnosti budou jejich nanokompozity “vysoce konkurenceschopné” materiály.

Tyto předpovědi a skutečnost, že nanokompozity nevyžadují od výrobců plastů, aby změnili své existující systémy výroby, jsou dva důvody, proč konzultační firma Principia Markets, která zkoumá trh s plasty, odhaduje, že trh pro nanokompozity by mohl dosáhnout v roce 2010 jedné miliardy liber.

Chytré obaly

Již delší dobu výzkumníci věří ve výrobu materiálů, které budou měnit své vlastnosti v závislosti na vnějších nebo vnitřních podmínkách. Výzkumníci například doufají, že využijí měnícího se molekulárního složení mléka, které se začíná kazit, k vyvolání reakce s nanočásticemi zabudovanými do obalu, což povede ke změně barvy obalu. Výhodou takové technologie bude, že obchodníci i spotřebitelé snadno rozpoznají, jestliže se kvalita výrobku sníží.

Výzkumníci dělají dokonce pokusy s materiály, které budou měnit své vlastnosti na základě vnějších faktorů prostředí, jako je teplota nebo vlhkost. Vymýšlejí například karton pro zmrzlinu, který by zpevnil svou existující molekulární strukturu tak, aby zamezil teplu ovlivnit obsah, pokud se výrobek v horkém letním dni zapomene v zadní části automobilu.

Bezpečnost potravin

Druhou oblastí, o které se Marque domnívá, že v ní nanotechnologie bude hrát prominentní úlohu, je bezpečnost potravin. Patogeny pocházející z potravin usmrcují každoročně velký počet osob a u nesčíslného počtu osob dochází k obrovským ztrátám z hlediska snížení produktivity práce a zvýšených požadavků na zdravotní péči v důsledku onemocnění z potravin. Ačkoliv se očekává, že nanotechnologie zmírní některé z těchto problémů, a to tím, že udrží výrobky po delší dobu čerstvé, podnětnějším využitím nanotechnologie je vyvinout nanosenzory, které se umístí do potravinářského výrobního a distribučního zařízení – a v delším časovém horizontu do samotného obalu – aby zaznamenaly přítomnost všeho, co pochází z mikroorganismů jako je  Escherichia coli, Listeria, Campylobacter a Salmonella.

Nanosenzory mohou pracovat na různých principech. Jeden typ, který vyvíjejí výzkumníci na Purdue University a Clemson University, využívá nanočástice, které jsou vyrobeny na míru tak, aby vyzařovaly různé barvy nebo alternativně jsou vyráběny z magnetických materiálů. Tyto nanočástice se pak mohou selektivně přilepit k jakémukoliv počtu potravinových patogenů. Zaměstnanci za pomoci přenosných senzorů pracujících na principu infračerveného světla nebo magnetu budou moci zaznamenat přítomnost dokonce nepatrného množství nebezpečných patogenů. Výhodou takovéhoto systému je, že doslova stovky a potenciálně tisíce nanočástic lze umístit na jeden nanosenzor, aby rychle, přesně a pohodlně zaznamenal přítomnost jakéhokoliv počtu různých bakterií a patogenů.

Druhou výhodou nanosenzorů je, že díky svým malým rozměrům mají přístup do nepatrných štěrbin, kde se patogeny často ukrývají. Rashid Bashir, výzkumník na Purdue University a spoluzakladatel Bio Vitesse, společnosti pro biosenzory využívající nanotechnologii, věří, že dojde ke zkrácení času potřebného k detekci přítomnosti mikrobiálních patogenů ze 2 až 7 dnů na několik hodin, případně několik minut nebo dokonce sekund.

Smrtící oděv

Další potenciální aplikací nanotechnolgie je “chytrý oděv”. Armáda USA investovala 50 milionů USD do “Institute of Soldiering Nanotechnology” na Massachusettském institutu technologie a veřejně deklarovala, že jeden z jejích primárních cílů je zajistit bezpečnost vojáků před chemickými a biologickými prostředky.

Jednou ze slibných aplikací, které se právě vyvíjejí, je vytvoření “smrtícího oděvu”, který, jak název napovídá, uměle zesiluje vlastnosti oděvu tak, aby při kontaktu s nebezpečnými činidly tyto zabíjel. Princip technologie, kterou někteří přirovnali k “nanodýce”, ve skutečnosti spočívá v řetězci atomů vodíku upevněných molekulou dusíku, která je pak připevněna k proteinům v tkanině. Kladný náboj dusíkatého atomu přitahuje záporně nabité bakteriální a plísňové spory a způsobuje jejich probodnutí na “dýce” vodíkových atomů, čímž je zneškodní. Kromě oděvu institut pracuje na senzorech na bázi nanotechnologie k detekci onemocnění a dále na řadě krémů a sprejů, které zamezují účinkům různých činidel způsobujících smrt.

Pro potravinářský průmysl je zajímavé to, že Institute of Soldiering Nanotechnologies byl pověřen Kongresem, aby tyto technologie co možná nejrychleji komercializoval. Například společnost Dupot a Raytheon se již domlouvají s institutem na uvedení vynálezů na trh.

Interaktivní nápoje

Jedna z futurističtějších aplikací nanotechnologie spočívá ve výrobě “interaktivních” potravin a nápojů. Podle Marqueze jde v pravém slova smyslu o výrobky, “které by skutečně měnily barvu, chuť a aroma nebo nutriční složení v závislosti na chuti nebo zdravotním stavu konzumenta”.

Marqueze připouští, že trh pro výrobky, které mění barvu, by asi nebyl příliš velký, avšak, pokud jde o chuť a aroma a nutriční složení, je optimističtější. Vize je, uvádí Marqueze, mít výrobky, které využijí nanosenzory k detekci profilu každého jedince – počínaje tím, co má rád a co ne, až po náchylnost k různým alergiím i deficitům nutričních faktorů – a následně použít nanotechnologie k uvolnění přesně regulovaného množství vhodných molekul, přesně podle požadavku konečného uživatele na chuť a vůni výrobku.

Výzkumníci zkoumají dokonce, jak uvolňovat odpovídající množství molekul vápníku osobě, která vykazuje počáteční příznaky osteoporózy. K ochraně osob před alergiemi se vyvíjejí  v laboratořích NanoteK Consortium “chytré filtry”, které by regulovaly svůj profil tak, aby se k příjemci dostaly pouze prospěšné molekuly, zatímco molekuly, které by mohly u osob způsobovat alergické reakce, by byly zachyceny.

Další oblasti využití nanotechnologie

Nanotechnologie může ovlivnit potravinářský průmysl v řadě dalších oblastí, např. může se využívat pro řešení různých provozních problémů i komplexních logistických záležitostí. Například firmy Asahi Glass a Pilkington Glass vyrábějí již samočisticí sklo. Sklo je obklopeno nanočásticemi oxidu titaničitého, které na světle reagují s nečistotami a mastnotou a odbourávají šmouhy na hromadu volných molekul, která se doslova odpojí od skla.

Nanophase Corporation v Romeoville (IL,USA) vyrábí nanočástice pro výrobce plastových obkladaček, které, když se přidají do plastu, zajistí, že dlaždice jsou stejně pevné jako keramické dlaždice, mají však tu výhodu, že jsou odolné vůči poškrábání a výmolům. Náklady na údržbu a provoz při použití těchto materiálů jsou nižší (je potřeba méně čisticích a dezinfekčních prostředků). Vybavení obchodů a výrobních provozů samočisticími materiály a materiály s nízkými náklady na provoz je možné již dnes, neboť tyto výrobky jsou již na trhu.

Další oblastí, ve které se předpokládá uplatnění nanotechnologie, je oblast skladového hospodářství. Řada společností, např. E Ink (Cambridge, MA) hledá způsob, jak rychle a účinně využít nanočástice tak, aby pohyby ve skladu reagovaly na poptávku.

Princip technologie spočívá v tom, že malá tělíska jsou potažena bílými nanočásticemi na jedné straně a černými nanočásticemi na straně druhé. Následně, prostřednictvím elektronického nebo magnetického signálu, je nastavena vhodná strana. A tak, pokud se poptávka po mléku snižuje, skladový manager by mohl rychle vyslat radiový nebo elektronický signál, aby byl vydán pokyn k odpovídajícímu snížení ceny.

V dlouhodobějším horizontu bude dokonce možné, aby tytéž nanosenzory v obalu mléka, které by vedly ke změně barvy obalu signalizující kažení, také signalizovaly etiketě na obalu, že výrobek má zkracující se dobu údržnosti a podle toho by se upravovala jeho cena. Cena mléka by tak odpovídala jeho čerstvosti. Stejně tak by to mohlo fungovat i u jiných rychle se kazících komodit.

Konečně, ačkoliv cena RFID čipů trvale klesá a prosazují se do hyperúčinné logistické kontroly skladových zásob, ještě menší a levnější nanosenzory jim těsně šlapou na paty. Nanosenzory budou schopné ukládat a přenášet dokonce větší množství informací než RFID čipy.

Nanotechnologie: iniciativy v USA

V USA byla odstartována iniciativa pod názvem “National Nanotechnology Initiative” (NNI). Cílem této iniciativy, do které je zapojeno velké množství organizací, je zajistit vedoucí postavení USA v této oblasti, přičemž nanotechnologie se považuje za klíčový nástroj ke zlepšení zdraví lidí, k dosažení lepších ekonomických výsledků i národní bezpečnosti.

NNI je program výzkumu a vývoje (V&V) na federální úrovni. Jeho úkolem je koordinovat činnosti související s nanotechnologií v oblasti výzkumu, inženýrství (engineeringu) a technologie. Dosud je do NNI zapojeno 18 federálních subjektů, z toho se deseti subjektům poskytují prostředky na V&V, ostatní se budou zabývat především aplikacemi výsledků V&V.

NNIN (National Nanotechnology Infrastructure Network) je celostátní systém, který je tvořen 13 universitními pracovišti. Vytvořením této sítě pracovišť se má zvýšit podpora výzkumu a vzdělávání, inženýrství a technologii. Vedoucí postavení v rámci NNIN zaujímá Cornell University. Síť byla spuštěna 1. března 2004 a slouží různým skupinám uživatelů (VŠ, průmysl, federální laboratoře aj.). Předpokládá se, že na provoz této sítě bude během pěti let vynaloženo 70 milionů USD.

Nanotechnologie: iniciativy v EU

V roce 1997 byl založen ve Velké Británii Institute of Nanotechnology (IoN). Jde o jednoho z předních poskytovatelů informací v oblasti nanotechnologie na světě, který dnes patří mezi přední pracoviště. IoN spravuje evropskou síť Nanoforum,  která je úplným zdrojem informací ze všech oblastí nanotechnologie. IoN úzce spolupracuje s vládními složkami, universitami, výzkumnými pracovišti a společnostmi na celém světě v oblasti mikro- a nanotechnologie.

6. rámcový program V&V v EU (2002–2006) obsahuje 7 tematických priorit, z nichž 3. priorita se týká nanotechnologie a nanovědy (“nanotechnologie a nanovědy, multifunkční materiály a nové výrobní procesy a zařízení založené na znalostech”). V databázi projektů financovaných z prostředků Evropské komise je pro oblast “nanotechnologie, materiály, nové procesy” zaneseno již 64 projektů. Na internetové adrese www.cordis.lu/nanotechnology/ Evropská komise zajišťuje servis týkající se nanotechnologie.

Trh nanopotravin

ETC group uveřejnila v listopadu 2004 zprávu pod názvem “Down on the Farm”, která se zabývá dopadem nanotechnologií na potravinářství a zemědělství.

Ve zprávě se uvádí, že na trhu již existují některé potraviny a nutriční produkty, které obsahují aditiva o rozměrech nano. Stovky společností pracují na výzkumu a vývoji zaměřeném na využití nanotechnologie ke komerčním účelům.

Podle Jozefa Kokiniho, ředitele Střediska pro zdokonalenou potravinářskou technologii na Rutgers University  “každá významná potravinářská korporace má program zaměřený na nanotechnologii nebo se snaží o jeho vývoj”. Ve zprávě z roku 2004 vypracované firmou Helmut Kaiser Consultancy pod názvem “Nanotechnology in Food and Food Processing Industry Worldwide” se odhaduje, že trh nanopotravin se zvýší ze současných 2,6 miliard USD na 7 miliard USD v roce 2006 a na 20,4 miliard USD v roce 2010.

Kromě několika nanopotravin, které jsou již na trhu, je více než 135 aplikací nanotechnologie v potravinářském průmyslu (hlavně v oblasti výživy a kosmetiky) v různém stadiu vývoje. Podle Helmuta Kaisera se více než 200 společností na světě zabývá nanotechnologickým výzkumem a vývojem vztahujícím se k potravinám. Mezi dvaceti nejaktivnějšími společnostmi je pět společností, které spadají mezi deset největších potravinářských a nápojových korporací (viz tabulka 1).

Tabulka 1: Přehled hlavních společností vyrábějících potraviny a nápoje, ve kterých se provádí nanotechnologický výzkum a vývoj (V&V)

Další informace na Agronavigatoru:

* Potravinářská aditiva nano-rozměrů: první výrobky na trhu

* Nanotechnologie a funkční potraviny/doplňky stravy

* Nutrikosmetika