LU Bioloģijas institūts rada biopolimēru pārklājumus no dabai draudzīgiem materiāliem ilgākai ogu uzglabāšanai

Augļu un dārzeņu zudumu apjoms Eiropā sastāda 45 % no kopējās ražas. Zudumus un pārtikas atkritumus var vērtēt kā nelietderīgu dabas resursu izmantošanu. Pārtikas ražotāji izjūt arvien lielāku spiedienu ražot pārtikas produktus ar pagarinātiem derīguma termiņiem, lai nodrošinātu lielākus apjomus un samazinātu ražošanas izmaksas, taču ķimikāliju lietošanai pārtikas apstrādē ir kaitīga ietekme uz cilvēku organismu.

“Mūsu mērķis ir uzglabāt svaigas ogas cilvēkam nekaitīgā veidā, bet ilgāk, nekā tas ir iespējams šobrīd,” uzsver projekta zinātniskais vadītājs Dr. biol. Pāvels Semjonovs. Uzglabāšanas terminu palielinot, tiek celta ražotāja konkurētspēja, turklāt tas ir dabai draudzīgs risinājums.

Ogu uzglabāšanas laiku var paildzināt, tās apstrādājot ar efektīvu, veselībai nekaitīgu un bioloģiski noārdāmu polimēra pārklājumu, kuru iegūst no mikrobiāli sintezētiem polisaharīdiem, to atvasinājumiem un kompozītiem. Lai sasniegtu šo mērķi, pētnieki veica biotehnoloģiskos pētījumus par konkrētu biopolimēru iegūšanas īpatnībām no lauksamniecības un pārtikas pārstrādes rūpniecības blakusprodutiem, piemēram, sūkalām, augu atlieku biomasas hidrolizātiem, melasēm. Izmantojot dažādus blakusproduktus, bija iespējams ievērojami samazināt biopolimēru ražošanas izmaksas. Pēc barotnes sagatavošanas un sterilizācijas, ievērojot sterilitāti, tajā tika pievienotas baktērijas, kas spēj sintezēt biopolimērus. Pēc tām notika kultivācijas process (2–10 dienas), kura laikā baktērijas patērē barotnē esošas barības vielas un veido biopolimērus. Process beidzās ar biopolimēra ražas novākšanu  un tā attīrīšanu. Ja ir nepieciešams, tad polimērs tiek sajaukts kopā ar citiem savienojumiem, iestrādāts kompozītmateriālā.

Eksperimentu laikā pētnieki izstrādāja un optimizēja ne tikai barotnes sastāvu (koncentrāciju, piedevas, pirmapstrādes metodoloģiju), bet arī paveica biopolimēru producentu (baktēriju) atlasi. Piemēram, viens no biopolimēriem ir bakteriālā celuloze – vērtīgs savienojumā ar vairākiem potenciāliem pielietojumiem (medicīna, pārtika, iepakojumi, vides atjaunošana). Īpaši augstu bakteriālās celulozes sintēzi var sasniegt ābolu sulas barotnē, izmantojot baktēriju Novacetimonas hansenii MSCL 1646, kas spēj efektīvi veidot polimēru no barotnē esošiem cukuriem. Līdzīgā veidā citiem lauksaimniecības un pārtikas pārstrādes blakusproduktiem – substrātiem -  bija atlasītas savas piemērotākas baktērijas.

Projektu rezultātā BI pētnieki izstrādāja tehnoloģijas prototipu biopolimēru pārklājumu un iepakošanas materiālu iegūšanai ar tādiem raksturlielumiem, kas atbilst to pielietošanas veidam –  augļu pārklājumiem, bionoārdāmiem iepakošanas materiāliem – gan augļu, gan piena produktu iepakošanai. Izveidota iekārta – rotācijas disku bioreaktors – ļauj nodrošināt daudz augstāku bakteriālās celulozes sintēzi salīdzinājumā ar statisku kultivāciju kolbās, kas ir klasiskā pieeja. Bioreaktora izmantošana ļauj samazināt biopolimēru kultivācijas laiku, palielināt polimēra ražu un nākotnē virzīties uz lielā mēroga biopolimēru ražošanu. Nākamais solis būtu pilotražotnes izveide, lai detalizētāk izvērtētu bakteriālās celulozes ražošanas rentabilitāti.

Biopolimēru pārklājums būtu pieejams šķīduma formā, kuru patērētājs varētu apēst kopā ar ogu, tā papildus saņemot prebiotisko polisaharīdu (biopolimēru) devu un kā absorbējošie paliktņi un plēves, līdzīgas polietilēna maisiņiem, taču beigās tas dabā sadalīsies. 

“Fosilās izcelsmes plastmasas  mēs lielā mērā varētu aizstāt  ar to, ko iegūst no dabiskām izejvielām, kuras bieži vien rūpnīcās netiek lietderīgi izmantotas, piemēram, sūkalas. Labi jau, ja lielas rūpnīcas atdala proteīnu no sūkalām un pievieno dažādiem pārtikas produktiem kā piedevu, bet gadās,  ka  ar visu proteīnu sūkalas nonāk vidē un to piesārņo. No sūkalām mēs varam iegūt biopolimērus, mums vajadzētu mazāk naftas un gāzes,” piebilst P. Semjonovs.

Šādus materiālus var iegūt arī no zemas kvalitātes āboliem vai to pārstrādes atlikumiem, domājams, arī no citiem augļiem vai to atlikumiem.

Projektā “Bionoārdāmo polimēru iegūšana no atjaunojamiem resursiem augļu aizsargplēvju un iepakojuma materiālu izstrādei” LU bija kā vadošais partneris, bet iesaistītie sadarbības partneri: APP Dārzkopības institūts, AS “Rankas Piens”, SIA “Probiotika LV”, SIA “Skoru dārzi”, Auru pagasta zemnieku saimniecība “Pērles” un Valters Dambe.

Projekts “Bionoārdāmo polimēru iegūšana no atjaunojamiem resursiem augļu aizsargplēvju un iepakojuma materiālu izstrādei” (Nr19-00-A01612-000004) tika īstenots valsts un Eiropas Savienības atbalsta piešķiršanas kārtībā 16. pasākuma "Sadarbība" 16.1. apakšpasākuma "Atbalsts Eiropas Inovāciju partnerības lauksaimniecības ražīgumam un ilgtspējai lauksaimniecības ražīguma un ilgtspējas darba grupu projektu īstenošanai". Projekts uzsākts 2019. gada oktobrī un tika realizēts līdz 2022. gada jūnijam. Projektu atbalsta Zemkopības ministrija un Lauku atbalsta dienests.

Mikrobioloģiskā laboratorija. Iekārtas ļauj kultivēt mikroorganismus (termostats – pa labi un kratītājs-inkubators – pa kreisi). Lamināras plūsmas bokss (vidū) nodrošina sterilu darba vidi darbam ar mikroorganismiem.

BI pētnieki strādā ar biopolimēru veidojošām baktērijām. Pirms sākas biopolimēru sintēze, ir nepieciešams sagatavot iepriekš sasaldētas baktērijas kultivācijai.

Bakteriālās celulozes sintēze kolbās termostatā – polimērs veidojas barotnes virspusē. Termostats nodrošina optimālu temperatūru baktēriju augšanai.

Kolba, kurā notika bakteriālās celulozes sintēze. Kultivācija notiek optimizētajā barotnē;  var novērot vēlamā biopolimēra veidošanos.

Izmantojot īpašas mikroplātes, var nodrošināt gan biopolimēra sintēzi, gan eksperimentam nepieciešamu atkārtojumu skaitu. Tas arī ļauj taupīt resursus – šāda veidā tiek nodrošināta ilgtspējīga pieeja darbam laboratorijā.

Bakteriālās celulozes plēve pēc atmazgāšanas. Pēc baronets un baktēriju palieku izskalošanas plēve ir caurspīdīga un ķīmiski neitrāla.

Liela bakteriālās celulozes plēve, kuru var izmantot pelējuma sieru (Rokfora tipa) nogatavināšanās procesā. Sieru iesaiņo bakteriālās celulozes plēvē, kas nodrošina gāzes cirkulāciju un aizsardzību no kaitīgiem mikroorganismiem.

Institūta pētnieks stāsta par rotācijas diska reaktora darbības principu. Jauna tipa bioreaktors nodrošina optimālu vidi biopolimēru sintēzei.

Bakteriālās celulozes veidošanās uz perforētiem diskiem bioreaktorā. Izveidotais jauna tipa bioreaktors palielina bakteriālas celulozes iznākumu un nākotnē ļauj virzīties uz ražošanas mērogiem.

Rotācijas disku bioreaktora darbības principa demonstrācija. Uz perforētiem diskiem veidojas biopolimērs – bakteriālā celuloze.

Projektā izstrādātais biokompozīts. Materiāls līdzīgs polietilēnam, bet ir pilnībā biodegradējams.

Avenes, kas tika apstrādātas ar atšķirīgām biopolimēru suspensijām. Apstrāde ar biopolimēriem pagarina aveņu uzglabāšanas termiņu. Savukārt pārklājumi ir pilnīgi droši cilvēkam un ir ēdami kopā ar ogām.