«Печатные» торты и шоколад: российские ученые создали 3D-принтер для изготовления продуктов питания с улучшенными свойствами

Исследователи из Московского государственного университета пищевых производств занимаются производством пищевых 3D-принтеров и 3D-ферм для «печати» продуктов питания повышенной полезности. Цель разработки – создать продукты питания, обогащенные витаминами, микронутриентами и антиоксидантами, которых становится все меньше и меньше в обычных продуктах. Ученые уже протестировали принтеры, и им удалось получить тесто и шоколад, однако дальше – больше: в планах у специалистов создавать на принтере искусственно выращенное мясо без потери его полезных свойств.

Проблема нехватки важных макро- и микроэлементов в обычной пище сегодня достигла небывалых масштабов: изготовители все чаще заменяют привычные продукты промышленными аналогами, и многие люди страдают от недостатка необходимых для нормального развития организма элементов. Ученые уверены, что это может привести к массовому «скрытому голоду» во всем мире.

Питаться полноценно очень важно, так как это обеспечивает возможность проживать активную и здоровую жизнь. Однако быть сытым – мало. Даже при нормальном питании и достаточной калорийности может возникнуть «скрытый голод». Это форма недоедания, которая обусловлена однообразным и несбалансированным питанием.

«Скрытый голод» характеризуется потреблением преимущественно крахмалосодержащих продуктов, риса, пшеницы и кукурузы, сахара и жиров; такой рацион сейчас актуален более чем для трети мирового населения по причине дешевизны и чувства насыщения. Продукты, которые содержат крахмал, не обладают достаточным количеством витаминов, железа, йода, цинка, селена, других полезных макро- и микроэлементов и важных питательных веществ, приводя к серьезным проблемам со здоровьем.

Из тени ковида в глобальную проблему

В 2021 году, по данным международного СМИ Project Syndicate, именно COVID-19 вывел из сумрака понятие «скрытый голод». Так, например, пандемия коронавируса значительно сказалась на жизни жителей ЮАР, и проблема была не только в дефиците продовольствия, богатого на полезные вещества.

Размер доходов, который влияет на получение достаточного количества калорий и адекватных питательных веществ, во время пандемии отошел на второй план. Дело в том, что в ЮАР голод стал результатом отсутствия доступа к нормальной пище. Ограниченный доступ к питательной еде в районах, где живут люди с низкими доходами, а также высокая стоимость энергоресурсов для хранения и приготовления еды и отсутствие доступа к земельным участкам для производства домашнего продовольствия привели к печальным последствиям. У 47% жителей Южной Африки просто кончились деньги на покупку еды, которую они могли позволить себе до начала пандемии. Строгий контроль в эпоху коронавируса, локдауны, комендантские часы, потеря работы, рост цен – все это привело к «скрытому голоду», и не только в ЮАР, но и во многих других уголках мира.

Пандемия также дала понять, что последствия «скрытого голода» могут быть губительными для здоровья человека, а именно – для его иммунной системы. Люди, которые плохо питались, или же питались обычно, но продуктами без необходимых полезных веществ, заболевали ковидом и заболевают другими серьезными вирусами и инфекциями с большей вероятностью. Помимо всего прочего, пандемия высветила тесную связь между течением COVID-19 и серьезнейшим заболеванием «плохого питания» – диабетом. Данные из Кейптауна, например, показывают, что люди с ковидом, у которых был диабет, в четыре раза чаще оказывались в больницах и в три раза чаще умирали из-за COVID-19, чем пациенты, которые не болели диабетом.

пресс-служба МГУПП 

Пандемия усилила дефицит продовольствия и подчеркнула тяжелые последствия голода, но одновременно с этим дала возможность найти потенциальные решения для расширения доступа к здоровой еде. Так, на фоне сбоя в поставке продовольствия, в той же Африке стали возникать локальные продовольственные системы, цепочки поставок между мелкими фермерами и населением, «народные рестораны», где подают ежедневно субсидируемые здоровые обеды, овощные и фруктовые лавки, палатки фермеров, продовольственные банки и прочее. Это все помогает поддержать доходы локальных производителей и здоровье местного населения, так как большинство государственных продовольственных пакетов, распределяемых среди местных, оказывались с нулевой питательной ценностью.

«Скрытый голод» ранее чаще наблюдался среди бедного населения, и упомянутые выше инициативы работают. Однако сегодня ученые бьют тревогу, так как с каждым годом процент людей, которым недостает питательных элементов в пище, увеличивается, и уже не всегда зависит от достатка человека или доступности пищи. Мы вновь возвращаемся к тому, что массовые производители продовольствия, к сожалению, зачастую не следят за адекватным количеством полезных веществ в еде.

В здоровом теле – здоровая еда!

Чтобы решить проблему «скрытого голода» и его последствий, помимо привлечения местных фермеров и субсидированных продовольственных банков, ученые со всего мира пытаются найти другое, более массовое и удобное решение.

Так, например, российские ученые из Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова предложили бороться со «скрытым голодом» с помощью активно развивающейся стратегии биофортификации, или биообогащения – это комплекс мер по улучшению и увеличению содержания незаменимых веществ в основных источниках питания с помощью селекции и использования удобрений с необходимым составом. Сотрудники института в своей работе рассказали о потенциале зерновых культур для получения сортов с более высоким содержанием целевых соединений, необходимых для здорового и безопасного питания.

От биофортификации к «печати» тортов и шоколада

В решении проблемы «скрытого голода» ученые из Московского государственного университета пищевых производств (МГУПП) продвинулись еще дальше. Специалисты решили, что производство альтернативной пищи с помощью 3D-принтеров и ферм кратно снизит негативные последствия голоданий и нехватки питательных веществ. Пищу, созданную на 3D-принтере, можно обогатить недостающими компонентами, чтобы нужные макро- и микроэлементы лучше усваивались в организме человека.

3D-принтеры – такие устройства, которые позволяют создавать объемные предметы на основе цифровых моделей, слой за слоем распечатывая цифровую модель с помощью специального пластика. Ученые из МГУПП немного поэкспериментировали с обычным принтером и создали такой, который может на клеточном уровне «печатать» продукты питания. Фермы с 3D-принтерами для пищи уже вовсю производят экспериментальные продовольствия, а студенты и аспиранты, помимо сбора приборов вручную, налаживают технологию производства.

«Принтеры для еды» отличаются от обычных тем, что модифицированы пищевым сырьем вместо пластиковых чернил. В принтер вставляют относительно простые компоненты: шоколад, тесто и пюреобразные массы, с помощью которых можно изготовить торты, блины, шоколад или другие десерты.

В скором времени ученые планируют искусственно выращивать и мясо. Процесс будет немного сложнее, но не менее интересным. Во-первых, мясо будет этичным и популярным за счет своей технологии производства. Во-вторых, ученые планируют использовать метод биопсии – у животных будут отщипывать кусочек ткани, не травмируя его, выделять из него клетки, которые будут размножать в специальных биореакторах. Этот этап займет около пары месяцев. Далее специалисты будут заниматься подготовкой сырья для принтера: напечатают специальную подложку на растительной основе, нанесут на нее живые клетки, чередуя слои животного и растительного материалов. Происходит это с помощью форсунка – устройства с одним или несколькими калиброванными отверстиями для распыления, которое позволяет печатать как клеточным материалом, так и растительными волокнами.

Алексей Кучумов, проректор по исследованиям и разработкам МГУПП, рассказывает, что в университете создали уникальный экструдер револьверного типа – коническую насадку на конце трубки принтера, которая регулирует выходящую струю сырья. Внутри находится барабан, в него подается разное сырье. Это позволяет ускорить процесс производства и использовать как можно меньше деталей.

Технология «биопечати», которую используют в университете, уникальна: она позволяет создавать продукт, который нужен человеку по состоянию здоровья и анализам, работая согласно заданной цифровой модели. Биопечать имеет прикладную ценность в специализированном питании, и с ее помощью люди могут получать персонифицированное количество недостающих витаминов, микроэлементов, антиоксидантов. Кому-то не хватает магния, кому-то – железа, и эти компоненты можно включить в состав «печатной еды», чтобы восполнить дефицит у каждого отдельно взятого человека. Можно принимать БАДы и другие таблетки, но именно обогащенные продукты повышают усвояемость и пользу человеческому организму. Сейчас ученые работают над базой смарт-рецептов, которые будут служить инструкцией для 3D-принтера, как книга рецептов для шеф-повара. При всем прочем, принтер выполняет и функцию холодильника или фризера с разной температурой схватывания – он спроектирован таким образом, что под каждый вид сырья будет формироваться нужная климатическая среда: от температуры до влажности.

В университете также открывается лаборатория по производству «культурного» мяса совместно с совместно с компанией 3D Bioprinting Solutions, которая и предоставила для исследователей биопринтеры.

Устройство для «печати полезной еды» на 99% состоит из отечественных материалов. В будущем такая технология производства пищи может быть использована как основа для вендинговых автоматов, которые будут печатать продукты или блюда по заказу клиента, если аппарат установят в офисе или торговом центре.

Сейчас производство «печатных» продуктов оценивается как недешевый процесс, однако в скором времени ученые надеются найти решения для того, чтобы снизить себестоимость производство того же культивированного мяса и уравнять его стоимость с натуральным.