В статье авторы рассматривают использование нанокристаллической целлюлозы наряду с ее уникальными свойствами в качестве сенсорной системы, которая позволит решить проблему контроля качества продуктов питания в пищевой промышленности.

Ключевые слова: полисахариды, целлюлоза, углеродные точки, рефлюкс.

Отравление некачественными или просроченными продуктами может привести к заболеваниям пищевого происхождения, а в случае тяжелых осложнений ЖКТ — к неблагоприятным последствиям. Наиболее распространенной причиной развития осложнений являются патогенные бактерии, которые быстро размножаются с течением времени. Поэтому возникает потребность в разработке различных сенсорных систем, способных выявлять эти болезнетворные бактерии или вещества, которые они выделяют в процессе своей жизнедеятельности, приводящие к порче продуктов питания. Разработка «умного» материала на основе модифицированной нанокристаллической целлюлозы позволит обеспечить детектирование испорченной пищи посредством гашения флуоресценции углеродных точек, благодаря чему данный материал можно будет использовать в качестве сенсора для контроля качества продуктов, как производителям, так и реальным потребителям.

Полисахариды — высокомолекулярные соединения из класса углеводов, состоящие из остатков моносахаридов, связанных гликозидными связями [1]. Полисахариды, в отличие от других классов биополимеров, могут существовать как в виде линейных, например целлюлоза и амилоза, так и разветвленных структур. Тип структуры полисахарида определяет в значительной степени их физико-химические свойства, в частности растворимость в воде [1]. Большинство полисахаридов устойчиво к щелочам. При действии кислот происходит их деполимеризация — гидролиз. Исследование вторичной структуры полисахаридов проводится с помощью физико-химических методов, в частности рентгеноструктурного анализа, который с успехом был применен, например, при исследовании целлюлозы [1].

Целлюлоза — линейный полисахарид, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки клеток деревьев и других высших растений [5]. Формула целлюлозы: (C ₆ H ₁₀ O ₅ ) _n .

Рис. 1. Структура целлюлозы

Как можно заметить каждое второе кольцо остатка глюкозы повернуто на 180° относительно первого, что обеспечивает плотную упаковку цепей макромолекул целлюлозы. Каждый остаток содержит три гидроксильные группы из-за этого между цепями макромолекул целлюлозы образуется прочные межмолекулярные водородные связи. Это также увеличивает механическую прочность целлюлозу по сравнению с прочностью крахмала. Благодаря своей прочности она является основным компонентом клеточной стенки растений.

Выделяют три основных вида наноцеллюлозы: нанокристаллическая; нанофибриллированная; бактериальная.

Нанокристаллическая целлюлоза представляет собой наноцеллюлозу с высокой прочностью, которая обычно извлекается из целлюлозных фибрилл кислотным гидролизом. Она имеет форму короткого стержня диаметром 2–20 нм и длиной 100–500 нм. Это — 100 %-й химический состав целлюлозы, характерный в основном для кристаллических областей с высокой кристалличностью, составляющей 54–88 % [4].

Рис. 2. Образование нанокристаллической целлюлозы в присутствии серной кислоты

Углеродные квантовые точки, в состав которых входят графеновые квантовые точки и углеродные квантовые точки (C-точки), являются новым классом углеродных наноматериалов с размерами ниже 10 нм. Они были впервые получены во время очистки одностенных углеродных нанотрубок с помощью препаративного электрофореза в 2004 году, а затем путем лазерной абляции графитового порошка и цемента в 2006 году [2]. Рассмотрим метод химической абляции.

Абляция — сложный физико-химический процесс, результатом которого является очистка поверхности чего-либо [3].

Фотолюминесцентные CQD синтезируются с использованием полиэтиленамина, как источника углерода, через окисление азотной кислоты. рН-реагирование поведения полиэтиленамина было обратимым. Это свойство наделяет углеродных точек возможностью служить протонными датчиками в мониторинге процессов метаболизма клеток с высвобождением протонов. Поэтому этот метод является самым подходящим для нашего проекта, так как это свойство поможет нам зафиксировать продукты обмена веществ развивающихся на продуктах питания бактерий [2].

Синтез сенсора на основе нанокристаллической целлюлозы

1. Синтез С-точек на поверхности нанокристаллической целлюлозы. Подготовить 50 мл суспензии CNC с концентрацией вещества 2 %, затем к суспензии CNC добавить 10 ммоль борной кислоты и 10,4 ммоль этилендиамина. Оставить на 8 часов при температуре 100ºС. Важно отметить, что весь синтез проходит при постоянном перемешивании. Используется рефлюкс — метод, включающий конденсацию паров и возврат этого конденсата в систему, из которой он возник [6]. После окончания реакции полученную смесь охладить до комнатной температуры и очистить от низкомолекулярных веществ с помощью диализа в течение 5–7 дней.
2. Изучение зависимости гашения флуоресценции углеродных точек от различных факторов. Для определения зависимости флуоресценции полученного материала от рН среды необходимо провести анализ с использованием pH метра и растворов с различными pH. Для этих целей необходимо подготовить растворы NaOH и HCl, которые будут соответствовать значениям рН от 1 до 14.
3. Процесс гелеобразования на основе раствора ЦНК. Формирование гидрогеля на основе раствора ЦНК можно осуществить с помощью ионно-опосредованного гелеобразования, где гелеобразующим агентом будет выступать соль Са ⁺² . Для этого к суспензии ЦНК с углеродными точками с концентрацией 2 % необходимо добавить раствор CaCl ₂ .

3.1 Эксперимент по оценки термочувствительности гидрогелей из ЦНК с углеродными точками. Для этого необходимо подготовить несколько чашек Петри с гидрогелем. Систему лучше всего изолировать от всех воздействий, кроме температуры. Оптимально использовать температуру 25 ^° С, 4 ^° С, -20 ^° С, и проводить эксперимент в течение 7 дней с ежедневной фотофиксацией под УФ-излучением (395 нм).

3.2 Эксперимент по применению гидрогелей для детекции порчи пищевых продуктов. Гидрогель добавить на чашку Петри и высушить до образования сухой пленки. После этого сухие пленки снять и переместить на чистые чашки Петри с пищевым тест-объектом. В этом случае «датчик» и продукт будут находиться в непосредственном контакте, а вся система — под вакуумом. После, эти образцы необходимо будет наблюдать при 2 различных температурах в течение 1 недели с ежедневной фотофиксацией под УФ-излучением (395 нм).

Выводы

Краткий обзор на полисахариды показало, что наиболее доступным и биосовместимым среди них является целлюлоза. Таким образом, использование целлюлозы, в частности нанокристаллической, в пищевой промышленности является экологичным, быстрым и выгодным способом улучшить контроль качества продуктов питания.

Литература:

1. Стейси М., Баркер С., Углеводы живых тканей, пер. с англ., М., 1965; Химия углеводов, М., 1967.
2. J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 6921–6939
3. Петров М. Лазерная обработка материалов в электронике // Компоненты и технологи. — 2002. — N 8.
4. Зарубина А. Н., Иванкин А. Н., Кулезнев А. С., Кочетков В. А. Целлюлоза и нано-целлюлоза. Обзор // Лесной вестник / Forestry Bulletin, 2019. Т. 23. No 5. С. 116–125.
5. П. Ф. Кольер., Collier's Encyclopedia, 1928.
6. Альбом технологических схем процессов переработки нефти и газа. — Под ред. Б. И. Бондаренко. — М.: Химия, 1983. — 128 с., ил.