Хүнсний сав баглаа боодолд зориулсан био-хуванцар үйлдвэрлэх био суурьтай материалын инноваци, хайрс болон бусад загасны үйлдвэрлэлийн хаягдлыг ашиглан!

2019 онд дэлхийн загасны үйлдвэрлэл 177.8 сая тонн гэж тооцоолж байгаа бөгөөд ирээдүйд мэдэгдэхүйц өсөх төлөвтэй байна. Нэгдсэн Үндэстний Байгууллагын 2030 оны Тогтвортой хөгжлийн хөтөлбөр болон ХХААБ-ын өргөнөөр хүлээн зөвшөөрөгдсөнчлөн загас агнуур, загасны аж ахуй нь хүнсний аюулгүй байдал, хоол тэжээлд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Загас, далайн хоол хүнсний 70 орчим хувийг борлуулахаас өмнө боловсруулдаг бөгөөд энэ нь толгойг нь таслах, хальсыг нь авах, дотор эрхтнийг цэвэрлэх, тодорхойлох, хальсыг нь авах, филе авах зэрэг үйл ажиллагаанд их хэмжээний хатуу хог хаягдал үүсгэдэг.

Загасны дайвар бүтээгдэхүүнд ихэвчлэн дотор эрхтэн, булчингийн эд, гулууз мах, толгой, сэрвээ, арьс, хайрс, яс багтдаг бөгөөд эдгээр нь төрөл зүйлээс хамааран шинэхэн жингийн 50-75 хувийг эзэлдэг. Жишээлбэл, сам хорхой, филе боловсруулахад бараг 50% ба 75% (жингээр) хаягдал гардаг. Загасны дайвар бүтээгдэхүүний 20 орчим хувийг малын тэжээлд бага үнэ цэнэтэй орц болгон ашигладаг бөгөөд ихэнхийг нь газар дээр дүүргэдэг эсвэл шатаадаг тул байгаль орчин, эрүүл мэнд, эдийн засгийн алдагдалд хүргэдэг.

Тиймээс загасны хаягдал нь шинэлэг арга барил, шийдлүүдийг шаарддаг өсөн нэмэгдэж буй асуудал юм. Үүний тулд дэлхий даяар хүнсний хаягдлыг урьдчилан сэргийлэх зорилгоор хэд хэдэн төсөл, арга хэмжээг хэрэгжүүлсэн. Эдгээрийн дотор биохуванцар үйлдвэрлэх шинэ түүхий эд болох загасны хаягдал нь янз бүрийн хэрэглээний салбарт (голчлон хүнсний сав баглаа боодол) улам бүр анхаарал татаж байгаа бөгөөд эдийн засаг, байгаль орчны хувьд ихээхэн давуу талтай юм.

Тэдгээрийг тос, уураг, будагч бодис, био идэвхт пептид, амин хүчил, коллаген, хитин, желатин зэрэг хэд хэдэн үнэ цэнэтэй молекулуудыг дахин боловсруулснаар хүнсний савлагаа болгон хийж болно. Сав баглаа боодол нь одоо ч гэсэн гол сегмент гэж тооцогддог.биопластик үйлдвэрлэл, 2020 онд биохуванцар зах зээлийн 47% (990,000 тонн)-ыг эзэлж байна. Эдгээр шинэлэг ногоон материалуудын дунд хүнсний сав баглаа боодлын хэрэглээнд зориулсан идэж болох/биологийн задралд ордог хальснууд нь эрдэм шинжилгээний болон үйлдвэрлэлийн салбарын судлаачдын анхаарлыг татсан.

Салентогийн Их Сургуулийн Инновацийн Инженерийн тэнхимийн Франческа Рионетогийн бүтээл Полимер сэтгүүлд нийтлэгдсэн. "Хүнсний сав баглаа боодол дахь загасны үйлдвэрлэлийн хаягдлаас гаргаж авсан биополимерийн сүүлийн үеийн хэрэглээ" гарчигтай энэхүү тойм өгүүлэлд загасны үйлдвэрлэлийн хаягдлыг үнэлэх чиглэлээр гарсан сүүлийн үеийн дэвшил, эдгээр дайвар бүтээгдэхүүнийг хүнсний сав баглаа боодолд зориулсан биохуванцар бэлтгэхэд эргэлтийн эдийн засгийн арга барилд дахин ашиглах боломжийг нэгтгэн дүгнэсэн болно.

1. Булчингийн уураг
Булчингийн уургуудыг уусах чадвараар нь гурван өргөн ангилалд хуваадаг: миогенийн фибрин, саркоплазмын уургууд болон матрицын уургууд. Миоффибрин нь араг ясны булчингийн гол бүрэлдэхүүн хэсэг бөгөөд нийт булчингийн уургийн 65-75%-ийг эзэлдэг. Миоффибринд миозин ба актин зэрэг зарим агшилтын уургууд, протомиозин ба тропонин зэрэг зохицуулагч уургууд болон бусад хоёрдогч уургууд багтдаг. Бүтэц, байршлаасаа шалтгаалан миоффибринүүд нь уусч, гаргаж авахын тулд өндөр ионы бат бэхтэй уусмал зэрэг денатурацийн нөхцөл шаарддаг.

Уургууд нь тэжээллэг чанар, хоргүй, биологийн задралд ордог, гель үүсгэх чадвараараа хүнсний үйлдвэрлэлд хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг биоматериалуудын нэг юм. Сүүлийн жилүүдэд загасны матрицын уураг болон миоген фибрин нь усанд уусдаггүй боловч уусмалын рН-ийг тохируулснаар уусдаг, сайн саадтай хий, органик дэгдэмхий бодис, липидийн шинж чанартай биологийн задралд ордог, идэж болдог хальс үүсгэх чадвараараа ихээхэн анхаарал татаж байна. Загасны булчингийн фибрил буюу булчингийн уургаар хийсэн эдгээр хальснууд нь хэд хэдэн давуу талтай: (i) PVC-ээр хийсэн арилжааны сав баглаа боодлын хальстай харьцуулахад маш сайн хэт ягаан туяаны хаалт; (ii) хүчилтөрөгч ба нүүрстөрөгчийн давхар ислийн сайн хаалт; (iii) бага зэрэг тунгалаг байдал; (iv) идэвхтэй сав баглаа боодол үйлдвэрлэх боломж.

Эдгээр хальсны өргөн хэрэглээг хязгаарладаг гол сул талууд нь хатуулаг, механик бат бэх чанар багатай байдаг бөгөөд нимгэн хальсны сүлжээнд уураг-уургийн гинжин хэлхээний өргөн хүрээтэй харилцан үйлчлэлээс үүдэлтэй дисульфидын холбоо, устөрөгчийн холбоо болон/эсвэл электростатик харилцан үйлчлэлээр улам бүр нэмэгддэг. Энэ асуудлыг даван туулахын тулд уураг-уургийн гинжин хэлхээний хоорондох хүчийг бууруулснаар хэврэг байдлыг бууруулж, уян хатан чанар, хатуулгийг нэмэгдүүлэхийн тулд био задралд ордог хальсанд өндөр түвшний хуванцаржуулагч (ойролцоогоор 40-60%) нэмж болно. Загасны фибрин мембраны өөр нэг хязгаарлалт нь усны уурын саад бэрхшээл муу байдаг бөгөөд энэ нь уураг дахь амин хүчлүүдийн өндөр гидрофил чанар, мембранд хангалттай уян хатан байдлыг өгөхийн тулд олон тооны гидрофил хуванцаржуулагч (глицерол, сорбитол гэх мэт) нэмсэнтэй холбоотой юм. Химийн хөндлөн холбоос, электрон туяа, гамма цацраг нь илүү бат бөх, нэвчилт багатай хальс олж авах үр дүнтэй арга гэж мэдээлсэн.

2. Далайн коллаген

Коллаген нь бүх холбогч эд (жишээ нь арьс, яс, шөрмөс, шөрмөс, мөгөөрс) болон паренхимийн эрхтнүүдийн завсрын эдэд агуулагддаг тул хамгийн түгээмэл амьтны уураг юм.

Далайн коллагеныг голчлон загасны арьс, загасны яс, сэрвээ, хайрс эсвэл медуз, далайн зараа, далайн од загас эсвэл далайн өргөст хэмхийн холбогч эдээс гаргаж авдаг. Загасны арьсыг коллаген гаргаж авахад ашиглаж ирсэн, учир нь түүний хуурай бодисын 70-80% нь коллаген юм. Үүнээс гадна, загасны хайрс нь далайн коллагены өөр нэг ирээдүйтэй, хямд эх үүсвэр бөгөөд загасны дайвар бүтээгдэхүүний жилийн нийт жингийн 4% орчим буюу 18-30 сая тонн орчим хувийг эзэлдэг. Загасны хайрс нь органик бүрэлдэхүүн хэсгүүд (коллаген, өөх тос, лецитин, хатуу уураг, янз бүрийн витамин гэх мэт) болон органик бус бүрэлдэхүүн хэсгүүд (гидроксиапатит, кальцийн фосфат гэх мэт) агуулдаг.

Хөхтөн амьтдын коллагентай харьцуулахад далайн коллаген нь харьцангуй бага молекул жинтэй, денатураци (хайлах) температур багатай байдаг бөгөөд энэ нь ихэнх загасны хувьд 20-35°C орчим байдаг бол бүлээн усны зүйлийн коллагены хэмжээ өндөр байдаг. Дулааны тогтвортой байдлыг сайжруулахын тулд тохиромжтой хөндлөн холбоосын эмчилгээг судалсан.

Коппола гэх мэт судлаачдын үзэж байгаагаар загасны дайвар бүтээгдэхүүнээс гаргаж авсан коллагены хуурай масс 50%-иас дээш хүрч болно. Үүнээс гадна, загас боловсруулах явцад тосыг арилгах нь ямар ч үнэр, амт өгөхгүй. Химийн аргаар загасны хайрснаас коллаген гаргаж авахад ихэвчлэн удаан хугацаа шаардагддаг. Үүний үр дүнд судлаачид загасны хайрсны коллаген гаргаж авах тохиромжтой процесст улам бүр сонирхолтой болж байна.

Хөхтөн амьтдын коллагентай харьцуулахад далайн коллаген нь шашны шалтгаанаар болон халдварт өвчний улмаас хэрэглэхэд хязгаарлалтгүй бөгөөд үүний зэрэгцээ маш сайн хальс үүсгэх чадвартай, био нийцтэй, бага эсрэгтөрөгчтэй, өндөр био задралтай, эсийн өсөлтийн чадвартай. Энэхүү хаягдлыг байгаль орчинд ээлтэй, хямд өртөгтэй коллагены эх үүсвэр болгон хөгжүүлэх боломжтой бөгөөд эрүүл мэндийн хүнс, гоо сайхан, био анагаах ухаан зэрэг янз бүрийн салбарт эм/хүргэлтийн тээвэрлэгч эсвэл шархны боолт болгон ашиглах боломжтой. Ус шингээх өндөр чадвартай тул коллаген нь бүтэцжих, өтгөрүүлэх, гель үүсгэхэд тохиромжтой нэр дэвшигч юм. Үүнээс гадна, энэ нь гадаргуугийн зан төлөвтэй холбоотой сонирхолтой шинж чанартай бөгөөд үүнд эмульс, хөөс үүсэх, тогтворжуулах, наалдах, нэгдэх, хамгаалалтын коллоид үйл ажиллагаа, хальс үүсгэх чадвар орно. Хүнсний реологийн шинж чанарыг сайжруулахын тулд хүнсний нэмэлт болгон ашиглаж байсан ч далайн коллагеныг бүрэн ашиглаж чадаагүй бөгөөд хэрэглээ нь хөхтөн амьтдын коллагенаас хамаагүй бага байдаг.

Сав баглаа боодлын үйлдвэрлэлд загасны коллагены хальсыг ашиглах нь дулааны тогтвортой байдал бага, механик шинж чанар харьцангуй муу зэрэг зарим сул талуудаар хязгаарлагддаг. Үүнээс гадна, коллаген нь гидроксил бүлэгтэй гидрофилийн полимер юм. Тиймээс усны уур нь хальсаар амархан дамждаг. Эдгээр хязгаарлалтыг даван туулахын тулд коллагеныг бусад биополимерүүдтэй холих, хэд хэдэн химийн болон ферментийн процессууд зэрэг янз бүрийн хүчин чармайлт гаргасан. Жишээлбэл, Ахмед нар арьсан хүрэмний арьснаас гаргаж авсан коллаген ба хитозаныг холимог ашиглан хальсны бактериостатик чадвар болон бактериостатик идэвхжил нэмэгдсэн боловч хальсны уян хатан чанар эсвэл хэврэг байдалд нөлөөлдөг.

3. Загасны цавуу

Желатин нь коллагены хэсэгчилсэн гидролиз ба дулааны боловсруулалтаас гаргаж авсан денатурацилагдсан уураг юм. Энэ нь өөр өөр молекул жинтэй уураг ба полипептидийн багцаас бүрдэх бөгөөд тэдгээрийн найрлага нь голчлон эх коллаген болон гаргаж авах процессоос хамаарна. Гидролизийн үед коллагены гинж тус бүрийн хоорондох байгалийн молекулын холбоо задарч, зүүн мушгиа хэлбэртэй, 50-1000 амин хүчил агуулсан дан эсвэл олон судалтай полипептидийн холимог үлддэг. Хүчиллэг гидролиз ба шүлтийн гидролизээр хоёр төрлийн желатин гаргаж авдаг бөгөөд энэ нь А ба В төрөл юм.

Шашны асуудал болон хүмүүст өвчин тархахтай холбоотой эрүүл мэндийн талаарх санаа зовнилоос шалтгаалан загасны ялгадаснаас желатин гаргаж авах, хэрэглэх нь өргөн хүрээний сонирхлыг татсан. Желатин нь хүнс, эмийн болон бусад холбогдох салбарт ашиглаж болох гели болон хальс үүсгэх шинж чанартай чухал үйлдвэрлэлийн биополимер юм.

Кино үүсгэх сайн шинж чанар, хямд өртөг, био нийцтэй байдал, био задралын чадварын ачаар загасны желатиныг саяхан идэвхтэй хүнсний савлагаанд био задралын хальс бэлтгэхэд уламжлалт био задралын бус полимер болон бусад хөхтөн амьтдын гаралтай желатиныг орлуулахыг зөвлөж байна. Экструзион технологид дулаан болон механик стрессийг хэрэглэснээр желатиныг боловсруулахад хялбар байдаг. Уян хатан байдлыг нэмэгдүүлэхийн тулд хуванцаржуулагчийг молекулын шингэн чанарыг сайжруулдаг дотоод тослох материал болгон ашигладаг. Желатин усан уусмалыг желатин хальс цутгах замаар гаргаж авч болно. Эдгээр нь үнэргүй, өнгөгүй, тунгалаг, усанд уусдаг бөгөөд хүнсний савлагаанд ашигладаг бусад био суурьтай хальснаас илүү уян хатан байдаг. Желатины хайлах цэг нь биеийн температуртай ойролцоо тул желатин дээр суурилсан хальсыг хүнсний хальс бэлтгэхэд ашиглаж болно. Үүнээс гадна загасны желатин нь антиоксидант/бактерийн эсрэг бодис зэрэг сайжруулах функцтэй био идэвхт нэгдлүүдийн маш сайн матриц болох өндөр боломжтой болохыг харуулсан.

Загасны желатин хальсыг чийгэнд тэсвэртэй, биологийн задралд ордог полимерээр олон давхаргат хальсан дээр давхарлаж, тодорхой сав баглаа боодол, нөхцөлд тохируулан чийг ба хүчилтөрөгчийн саадтай давхаргатай болгосноор усны эсэргүүцлийг сайжруулдаг. Матутч гэх мэт. Дотор давхарга болгон монтмориллонит натрийн хуванцаржуулагч желатин, гадна давхарга болгон хөндлөн холбоостой диальдегидийн цардуул, хуванцаржуулагч желатин хальс ашиглан гурван давхар желатин хальсыг халуунаар шахсан. Тусдаа давхаргууд нь бие биетэйгээ хүчтэй устөрөгчийн холбоогоор харилцан үйлчилж чаддаг тул олон давхаргат мембранууд нь нягт, жигд бичил бүтэцтэй байдаг. Мөн ижил зохиогчид өндөр нягтралтай полиэтилен эсвэл поливинилхлорид зэрэг бусад арилжааны полимерүүдээс илүү өндөр усны уурын нэвчилттэй гадна давхарга болж ажилладаг олон давхаргат бүтцийг бэлтгэсэн.

Хүнсний сав баглаа боодлын загасны цавууны саад тотгорын шинж чанар, механик шинж чанар, дулааны шинж чанарыг сайжруулах өөр нэг ирээдүйтэй арга бол хөндлөн холбоос дээр суурилдаг. Ялангуяа Гараванд гэх мэт судлаачдын тоймд дурдсанчлан, байгалийн гаралтай хөндлөн холбоосууд нь байгаль орчин, эрүүл мэндийн асуудлууд болон эдийн засгийн асуудлуудыг харгалзан үзэхийн тулд илүү их анхаарал татаж байна. Лигуори гэх мэт судлаачид загасны желатиныг нимбэгийн хүчилтэй хөндлөн холбоос хийх протокол боловсруулсан. Бууруулах сахар (Майлардын урвал гэж нэрлэдэг) байгаа үед дулааны боловсруулалт нь хөндлөн холбоосын процесс болон сүлжээний бүтцийг өөрчлөхөд хүргэдэг болохыг харуулсан. Саяхан Маруфи гэх мэт судлаачид загасны желатиныг К-каррагенан альдегидийн бүлэгтэй химийн хөндлөн холбоосоор холбож байгааг харуулсан.

4. Хүнсний сав баглаа боодолд хитозан хэрэглэх нь

Целлюлозын дараа байгальд хоёрдугаарт ордог хамгийн элбэг тохиолддог биополимер болох хитин нь шугаман полимер болох полисахарид бөгөөд мөөгөнцрийн эсийн хананд болон планктон, хавч хэлбэртэн, шавьжны гадны араг ясанд жилд 100 тэрбум орчим тонн хитин үүсгэдэг эмх цэгцтэй талст микрофибер хэлбэрээр байрладаг.

Хитин болон хитозан биополимерүүдийн био-нийцтэй, хоргүй, био-үйл ажиллагааны шинж чанарууд нь тэдгээрийг хүнсний сав баглаа боодлын хэрэглээнд тохиромжтой болгодог. Ялангуяа сам хорхойноос гаргаж авсан хитозан биополимерүүдийг ерөнхийдөө Аюулгүй (GRAS) гэж урьдчилан тодорхойлдог. Нөгөөтэйгүүр, хитозан нь бусад биополимерүүдтэй харьцуулахад хамаагүй хямд байдаг. Гэсэн хэдий ч хитосаны маш сайн шинж чанарууд нь хүнсний сав баглаа боодлын хэрэглээнд илүү тохиромжтой болгодог. Жишээлбэл, талхны хадгалах хугацааг уртасгах саналыг амжилттай гаргасан, учир нь энэ нь бичил биетний өсөлтийг саатуулснаар цардуулын буцалтыг удаашруулдаг болохыг харуулсан.

Тилисчак нар хитозан хальс нь гүзээлзгэнийг хадгалж чаддаг болохыг харуулсан. Үүнээс гадна Закариа нар хитозан мембран нь хүнсний ногооны физик шинж чанарын өөрчлөлтийг дарангуйлдаг болохыг харуулсан. Хитозаныг мөн түүгээр бүрсэн хүнсний боолт үйлдвэрлэхэд ашиглаж болох бөгөөд ингэснээр бичил биетний өсөлтийг удаашруулдаг. Хүнсний сав баглаа боодлын хитозан хальсны гүйцэтгэлийг сайжруулах стратеги нь загасны желатин хальсанд ашигладагтай бараг ижил юм. Үнэндээ полимер хольцыг боловсруулах нь механик шинж чанарыг сайжруулж, усанд уусах чадвар болон усны уурын нэвчилтийг бууруулах үр дүнтэй арга юм. Хүнсний хэрэглээнд зориулсан сайжруулсан эцсийн шинж чанартай холимог хальс үйлдвэрлэх зорилгоор хитосанд хэд хэдэн полисахарид нэмсэн. Тэдгээрийн дотроос хямд өртөгтэй, өргөн боломжтой, био задралд ордог тул цардуул нь хитозан дээр суурилсан био хальс үйлдвэрлэхэд санал болгож буй хамгийн түгээмэл полисахаридын нэг юм.

Хитозан/цардуулын хальснууд нь савлагаан дээр бактерийн наалдац буурсан, антиоксидант үйлчлэл маш сайн, усны уурын хаалт нэмэгдсэн шинж чанарыг харуулдаг тул тодорхой хэрэглээнд тохиромжтой болохыг харуулж байна. Хэд хэдэн эрдэмтэд цэвэр хитозаны механик шинж чанарыг сайжруулахын тулд целлюлоз/хитозан хольц бэлтгэх боломжийг судалсан.

Загасны үйлдвэрлэлийн хаягдал нь биополимер үйлдвэрлэлийн шинэ түүхий эд болох асар их боломжтой бөгөөд голчлон хүнсний сав баглаа боодолд ашиглаж болно. Загасны хаягдлыг нэмүү өртөг шингэсэн байдлаар ашиглах нь эдийн засгийн давуу талтай бөгөөд учир нь энэ нь хог хаягдлыг аюулгүй зайлуулах зардлыг бууруулахад тусалдаг бөгөөд үнэ цэнэтэй байж болох хэд хэдэн молекулуудыг дахин боловсруулснаар нэмэлт үнэ цэнийг бий болгодог. Үүнээс гадна, загасны дайвар бүтээгдэхүүний нэмүү өртөг нь нөөцийн ноцтой хаягдал болох газрыг дүүргэх, шатаах, устгах үйл явцыг багасгах, мөн чулуужсан полимерүүдийг орлуулах зэрэг олон тооны байгаль орчны давуу талыг авчирдаг. Ийм байдлаар загасны аж ахуйн хаягдлыг дахин боловсруулах нь экосистем болон загасны аж ахуйн санхүүгийн тогтвортой байдалд эерэг нөлөө үзүүлж чадна. Үүний нөлөө ирэх жилүүдэд нэмэгдэх төлөвтэй байна.

Энэхүү тоймын гол хувь нэмэр нь нүүрстөрөгч дээр суурилсан хүлэмжийн хийн ялгаруулалттай холбоотой сонгодог газрын тос боловсруулах үйлдвэрүүдтэй харьцуулахад бүх загас агнуурын дайвар бүтээгдэхүүнийг био цэвэршүүлэх технологи боловсруулахад ашиглаж болохыг харуулах явдал юм. Үзүүлсэнчлэн, булчин, дотор эрхтэн, арьс, хайрс, сэрвээ эсвэл хавч хэлбэрийн хясаанаас гаргаж авсан фибро-фибрин, коллаген, желатин, хитин, хитозан нь ухаалаг сав баглаа боодол гэж нэрлэгддэг шинэ үеийн сав баглаа боодлын техникийн шаардлагыг хангадаг бөгөөд энэ нь сав баглаа боодол болон хүнсний бүтээгдэхүүн эсвэл сав баглаа боодлын агаар мандал дахь хүнсний харилцан үйлчлэлийг хамардаг. Ирээдүйн зах зээлийн хэтийн төлөвийг хүлээж болно!