Обгрунтування застосування наночастинок SiO2 та ZnO в технологіях харчових продуктів на основі сироватки молочної

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено науковому обґрунтуванню можливостей застосування наночастинок пірогенного кремнезему та оксиду цинку в технології харчових продуктів на основі сироватки молочної для підвищення якості, безпечності та ефективності виробництва харчових продуктів. У дисертаційній роботі проведено аналіз сучасного світового досвіду використання наноматеріалів у харчовій промисловості задля оцінки перспективи застосування пірогенного кремнезему і оксиду цинку в технологіях харчових продуктів на основі сироватки молочної. Встановлено конкретні закономірності впливу наночастинок SiO₂ та ZnO на сироватку молочну та харчові продукти на її основі. Показано, що наночастинки пірогенного кремнезему ефективно адсорбують сироваткові білки з сироватки молочної. Відповідно до збільшення внесеної наважки кремнезему 0,25 %...2 % ступінь вилучення сироваткових протеїнів зростає 17 %...55 %. Оптимальні умови адсорбції білків сироватки встановлено при використанні гідрофільного пірогенного кремнезему в концентрації близько 1,5 % за температури ~45 °C. За таких параметрів масова частка білка у сироватці знижується більш ніж удвічі – з 1,10 % до 0,5 %. Подальше підвищення температури вище 45 °C не призводить до значного покращення ефективності адсорбції, що свідчить про ймовірне насичення поверхневих центрів кремнезему або часткову денатурацію білкових молекул. Використання ультразвукового диспергування суспензії кремнезему сприяло інтенсифікації процесу за рахунок руйнування агломератів наночастинок та рівномірного розподілу активних центрів, що забезпечує більш повне зв’язування білків. Досліджено якісний склад протеїнів сироватки молочної. На основі проведеного аналізу, шляхом електрофоретичного методу було доведено відсутність вираженої селективності наночастинок пірогенного кремнезему щодо конкретного молекулярного класу білків. Оцінено можливості застосування кремнезему для стабілізації властивостей сухої молочної сироватки. Додавання ~1 % пірогенного SiO₂ до порошку сироватки підвищило температуру склування продукту на ~10°C, що покращує його стійкість під час зберігання (за звичайних умов зберігання 0…20 °C та відносної вологості ≤80 % порошок із підвищеною Tg залишається у склоподібному стані). Встановлено, що кремнезем є дієвим антизлежувальним агентом: після прискореного тесту на злежування ступінь злежування зразка з SiO₂ становив лише ~8 %, що дозволяє класифікувати продукт як такий, що не злежується. Отже, пірогенний кремнезем вітчизняного виробництва (марки А-300) рекомендовано як ефективну харчову нанодобавку для запобігання злежуванню сухої молочної сироватки та підтримання її якості в процесі зберігання. Доведено здатність нанокремнезему адсорбувати радіонукліди, зокрема ¹³⁷Cs із сироватки молочної. Механізм очищення полягає у комплексоутворенні наночастинок кремнезему з молочними білками та адсорбції радіоцезію цими білково-кремнеземними комплексами, які потім видаляються шляхом центрифугування або фільтрації. Даний підхід сприяє зниженню радіаційного навантаження на готову продукцію та відкриває можливості безпечного використання молочної сироватки з екологічно проблемних територій. Досліджено вплив нанодисперсного оксиду цинку на процеси ферментації сироватки молочної. Наночастинки ZnO, синтезовані методом електроіскрового диспергування безпосередньо у рідкій сироватці, введено у концентраціях, що забезпечують збагачення середовища іонами цинку в межах технологічно допустимих норм. Показано, що присутність наночастинок ZnO позитивно впливає на розвиток молочнокислих бактерій: збільшується електропровідність середовища та підвищується окисно-відновний потенціал, що свідчить про зростання концентрації іонів і зміну редокс-умов на більш сприятливі для біохімічних процесів. У результаті, наростання кислотності відбувається інтенсивніше – тривалість ферментації до досягнення заданої кислотності (150±5 °Т) скорочується майже вдвічі порівняно з контролем (з 32±0,5 год до 17±0,5 год). Отриману ферментовану сироватки молочну, збагачену наночастинками ZnO, запропоновано використовувати як натуральний функціональний інгредієнт у подальших харчових технологіях. Зокрема, встановлено її ефективність у виробництві кисломолочного продукту – м’якого сиру, отриманого термокислотним способом. Доведено ефективність застосування сироватки молочної у хлібопекарському виробництві. Внесення концентрованої сироватки молочної, отриманої з використанням наночастинок ZnO, до рецептури житньо-пшеничного тіста сприяє підвищенню титрованої кислотності тіста та активізує бродильні процеси. В результаті під час випікання якісні показники хліба поліпшуються: питомий об’єм буханця збільшується більш ніж на 11 % порівняно з контролем, підвищується формостійкість виробів. Покращена структура м’якушки характеризується рівномірною пористістю і еластичністю. Показано, що використання ферментованої сироватки уповільнює процес черствіння хліба: через 72 години зберігання хліб із додаванням сироватки мав ступінь черствіння на 26…31 % нижчий, ніж у контрольного зразка. Окрему увагу приділено оцінці безпечності запропонованих нанотехнологічних рішень. Проаналізовано нормативні вимоги щодо використання діоксиду кремнію (E551) і сполук цинку у харчових продуктах. Діоксид кремнію дозволений як харчова добавка- антиконсолідант у сухих продуктах у кількості до 1 % і вважається інертним та безпечним для вживання у зазначених дозах. Солі цинку застосовуються у харчових технологіях для збагачення продуктів цим мікроелементом, проте для наноформи ZnO прямих регламентів ще немає, що зумовлює необхідність додаткових досліджень. В роботі проведено токсикологічну оцінку наночастинок ZnO методами in vitro. Показано, що високі концентрації нанодисперсного ZnO можуть спричиняти цитотоксичні ефекти: експозиція плазмових білків людини до ZnO викликає структурні зміни білків та утворення активних форм кисню. У культурах клітин відмічено зниження метаболічної активності та життєздатності при перевищенні певного порогу концентрації наночастинок. На основі цих даних визначено умовно безпечні рівні додавання наночастинок ZnO в харчові продукти: концентрації, що забезпечують збагачення продукту цинком на рівні 10…20 % від добової норми споживання, не спричиняють помітної цитотоксичності та відповідають нормативам по вмісту цинку. Таким чином, доведено безпечність запропонованих нанотехнологій за умови дотримання рекомендованих концентрацій наночастинок, що підтверджує можливість їх впровадження у харчове виробництво. Соціальний ефект від впровадження наукової розробки полягає у забезпеченні раціональної та безпечної утилізації молочної сироватки як побічного продукту молокопереробної галузі, що дозволяє зменшити екологічне навантаження на довкілля, скоротити втрати цінних харчових речовин і створити нові продукти функціонального призначення. Розроблена технологія сприяє підвищенню продовольчої безпеки завдяки збагаченню харчових продуктів біодоступними мікронутрієнтами. Запропоновані рішення відповідають принципам сталого розвитку, сприяють розширенню асортименту інноваційних продуктів харчування і можуть бути адаптовані на підприємствах малого та середнього бізнесу. Достовірність отриманих результатів підтверджено за рахунок використання стандартизованих методів дослідження, сучасного аналітичного обладнання, а також застосування математичної статистики, включно з методами моделювання та кореляційного аналізу. Повторюваність експериментів засвідчила стабільність виявлених закономірностей. Проведення досліджень у лабораторіях Національного університету харчових технологій і партнерських наукових установ підтвердило надійність результатів у різних експериментальних умовах. This dissertation is devoted to the scientific justification of the potential use of pyrogenic silica and zinc oxide nanoparticles in the technology of dairy whey-based food products, with the aim of improving their quality, safety, and production efficiency. The dissertation analyzes current global experience in the use of nanomaterials in the food industry to assess the prospects of applying pyrogenic silica and zinc oxide in food product technologies based on dairy whey. Specific patterns of the influence of SiO₂ and ZnO nanoparticles on dairy whey and whey-based food products have been established. It has been shown that pyrogenic silica nanoparticles effectively adsorb whey proteins from dairy whey. As the amount of added silica increases from 0.25 % to 2 %, the degree of whey protein removal increases from 17 % to 55 %. The optimal conditions for whey protein adsorption were determined when using hydrophilic pyrogenic silica at a concentration of approximately 1.5% and a temperature of ~45 °C. Under these conditions, the protein content in whey decreases by more than half — from 1.10 % to 0.5 %. Further increases in temperature above 45 °C do not lead to a significant improvement in adsorption efficiency, indicating a probable saturation of the active surface sites of the silica or partial denaturation of the protein molecules. The use of ultrasonic dispersion of the silica suspension intensified the process by breaking up nanoparticle agglomerates and ensuring a uniform distribution of active sites, which facilitated more complete protein binding. The qualitative composition of whey proteins was investigated. Electrophoretic analysis demonstrated the absence of pronounced selectivity of pyrogenic silica nanoparticles toward any specific molecular class of proteins. The potential of silica to stabilize the properties of dry whey was also evaluated. The addition of approximately 1 % pyrogenic SiO₂ to whey powder increased the glass transition temperature (Tg) by about 10 °C, thereby improving the product’s stability during storage. Under standard conditions (0–20 °C and relative humidity ≤80 %), the powder with elevated Tg remains in a glassy state. It was established that silica is an effective anti-caking agent: after accelerated caking tests, the caking degree of the sample with SiO₂ was only ~8%, which qualifies the product as non-caking. Therefore, domestically produced pyrogenic silica (grade A-300) is recommended as an efficient food-grade nanomaterial for preventing caking of dry whey and preserving its quality during storage. The ability of nanosilica to adsorb radionuclides, particularly ¹³⁷Cs from dairy whey, was also demonstrated. The purification mechanism involves the formation of complexes between silica nanoparticles and whey proteins, followed by the adsorption of radiocesium onto these protein–silica complexes, which are then removed by centrifugation or filtration. This approach helps reduce the radiation burden of the final product and enables the safe use of dairy whey originating from environmentally contaminated areas. The influence of nanosized zinc oxide on the fermentation processes of dairy whey was investigated. ZnO nanoparticles, synthesized via electro-spark dispersion directly in the liquid whey, were introduced at concentrations that ensured zinc ion enrichment within technologically acceptable limits. It was shown that the presence of ZnO nanoparticles positively affects the development of lactic acid bacteria: the electrical conductivity of the medium increases, and the redox potential rises, indicating a higher concentration of ions and more favorable redox conditions for biochemical processes. As a result, the acidification process accelerates significantly — the time required to reach the target acidity level (150±5 °T) is nearly halved compared to the control (reduced from 32±0.5 hours to 17±0.5 hours). The resulting fermented dairy whey enriched with ZnO nanoparticles is proposed for use as a natural functional ingredient in further food processing applications. In particular, its effectiveness has been demonstrated in the production of a cultured dairy product — soft cheese obtained via thermo-acid coagulation. The efficiency of using dairy whey in bakery production has also been confirmed. The incorporation of concentrated whey, obtained using ZnO nanoparticles, into the formulation of rye-wheat dough enhances the titratable acidity and activates fermentation processes. As a result, the quality characteristics of the bread improve during baking: the specific loaf volume increases by more than 11 % compared to the control, and the shape stability of the product is enhanced. The improved crumb structure is characterized by uniform porosity and elasticity. It was also shown that the use of fermented whey slows down bread staling: after 72 hours of storage, bread containing whey exhibited a 26…31 % lower staling rate than the control sample. Particular attention was paid to the safety assessment of the proposed nanotechnological solutions. Regulatory requirements concerning the use of silicon dioxide (E551) and zinc compounds in food products were analyzed. Silicon dioxide is permitted as an anti-caking food additive in dry products at levels up to 1 % and is considered inert and safe for consumption within the specified limits. Zinc salts are used in food technologies to enrich products with this essential micronutrient; however, there are currently no specific regulations for the nanoform of ZnO, which highlights the need for further research. The study included a toxicological evaluation of ZnO nanoparticles using in vitro methods. It was shown that high concentrations of nanosized ZnO can induce cytotoxic effects: exposure of human plasma proteins to ZnO leads to structural alterations of proteins and the formation of reactive oxygen species. In cell cultures, reduced metabolic activity and viability were observed when nanoparticle concentrations exceeded a certain threshold. Based on these findings, conditionally safe levels of ZnO nanoparticle addition to food products were established: concentrations that enrich the product with zinc at 10…20 % of the recommended daily intake do not cause noticeable cytotoxicity and comply with regulatory limits for total zinc content. Thus, the safety of the proposed nanotechnological approaches has been confirmed, provided that the recommended concentrations of nanoparticles are observed, which supports their potential implementation in food production. The social impact of the developed solution lies in enabling the rational and safe utilization of dairy whey as a by-product of the dairy industry, thereby reducing environmental burden, minimizing the loss of valuable nutrients, and enabling the creation of new functional food products. The developed technology contributes to food security by enriching food products with bioavailable micronutrients. The proposed solutions align with the principles of sustainable development, promote the diversification of innovative food offerings, and can be adapted for use by small and medium-sized enterprises. The reliability of the obtained results was ensured through the use of standardized research methods, advanced analytical equipment, and the application of mathematical statistics, including modeling and correlation analysis techniques. The reproducibility of experiments confirmed the consistency of the observed patterns. The studies conducted in the laboratories of the National University of Food Technologies and partner research institutions validated the reliability of the results under various experimental conditions.