Печенье из пластика? Учёные объяснили, как работает µBites

Пластиковая бутылка не отправляется прямо в тесто. В системе µBites Университета Южного Иллинойса в Карбондейле PET-пластик и сельскохозяйственные отходы сначала химически расщепляют до углеродных соединений. Затем генетически модифицированные дрожжи используют их в качестве сырья, производя белки, жиры, органические кислоты, витамины и ароматические молекулы. Полученную смесь можно соединить с клетчаткой, крахмалом и подсластителем, а затем сформировать на пищевом 3D-принтере в виде белкового печенья. 81011

Проект создавался прежде всего для условий, где обычные цепочки поставок продовольствия работают с трудом, — особенно для будущих дальних космических миссий. Потенциал у технологии заметный, однако доступные данные описывают раннюю исследовательскую платформу, а не готовый продукт питания.

Как из PET и растительных отходов получается µBites

1. Пластик и кукурузные остатки расщепляют

Исследователи используют полиэтилентерефталат, или PET, — пластик, из которого делают многие бутылки для воды и напитков, — вместе с выброшенными кукурузными стеблями, листьями и другой биомассой. Сырьё измельчают и обрабатывают методом окислительного гидротермального растворения. Он объединяет воду, кислород, высокую температуру и давление, чтобы превратить исходные материалы в растворимые в воде углеродные молекулы. 101113

Этот этап принципиален: цельный PET и волокнистые растительные отходы плохо подходят для обычной микробной ферментации. После обработки образуется богатая углеродом суспензия, которую уже могут использовать специально подготовленные микроорганизмы. 1011

2. Инженерные дрожжи производят пищевые компоненты

Разные штаммы дрожжей настраивают на получение определённых веществ. Среди заявленных продуктов — белки, жиры, органические кислоты, витамины и ароматизаторы. В работе задействуют, в том числе, хлебопекарные дрожжи: один из вариантов предназначен для производства ванильного аромата, другие штаммы — для соединений вроде бета-каротина. 571013

Иными словами, учёные не пытаются «накормить» человека пластиком. Микроорганизмы используют углерод из переработанных отходов как питательную основу для ферментации, а затем из произведённых ими веществ собирают более привычную пищевую формулу.

3. Смесь печатают на 3D-принтере

Микробную суспензию смешивают с клетчаткой, крахмалом и подсластителем, после чего послойно наносят с помощью пищевого 3D-принтера. Прототипы сделали в форме греческой буквы µ — отсюда название µBites, которое произносится как «майкро-байтс» или «микробайтс». 101114

При этом печенье — лишь один из возможных вариантов. В платформу можно добавлять пищевые добавки, специи и другие компоненты, а конечный продукт потенциально может быть не только твёрдым, но и полужидким или жидким. 1011

Что известно о безопасности и вкусе

Здесь особенно важно отделять многообещающий эксперимент от продукта, разрешённого для свободного употребления.

Университет Южного Иллинойса сообщал, что более ранний прототип проверяли по показателям безопасности и питательной ценности, а затем оценивали с помощью сенсорного анализа с участием людей. Средняя общая оценка приемлемости составила 6,5 балла из 9 по гедонической шкале. Лучше всего участники оценили аромат — 7,33 балла из 9; цвет, форму и текстуру оценили выше 5 баллов. 11

Это говорит о том, что как минимум один прототип оказался приемлемым для участвовавшей в тестировании группы. Но такие результаты не доказывают безопасность нынешней многокомпонентной версии для неограниченного употребления. В открытых публикациях нет всех данных, необходимых для независимой оценки: полного размера выборки, результатов анализа на загрязнители, токсикологических показателей и независимой рецензируемой валидации безопасности. Другие сообщения указывают, что официальное тестирование вкуса ещё ожидало разрешения, а печенье не получило допуска к употреблению людьми. 11

Самый осторожный вывод таков: у проекта есть перспективный прототип и обнадёживающие показатели аромата и сенсорной приемлемости, но не коммерчески одобренный снек. Для более уверенных выводов потребуются масштабные, контролируемые и независимо документированные испытания с потребителями.

При чём здесь NASA и NSF

Практическую задачу для проекта задала NASA через конкурс Deep Space Food Challenge. В 2021 году агентство выбрало концепцию µBites Университета Южного Иллинойса в числе 18 перспективных американских разработок и выделило команде 25 000 долларов на продолжение работы над проектом второй фазы. Система должна была рассматриваться как способ обеспечить четырёх человек питанием во время трёхлетней миссии на Марс при ограниченных запасах воды, энергии и возможности пополнения запасов. 110

Конкурс был посвящён ключевой проблеме дальних космических полётов: астронавтам понадобятся питательные и приемлемые продукты, производство которых потребляет мало ресурсов и создаёт минимум отходов. В µBites эту задачу решают, рассматривая выброшенный углерод как сырьё для микробного производства пищи, а не только как мусор. 110

Грант NSF CAREER поддерживал связанное с проектом научное направление — исследование гидротермального ожижения биомассы. Название гранта переводится как «Управление полярностью для повышения эффективности гидротермального ожижения биомассы для биотоплива». Он относится к фундаментальной химии обработки сырья и сам по себе не подтверждает готовность пищевой системы µBites к выходу на рынок. 8

Где такая технология могла бы пригодиться

Дальние космические миссии

Компактная установка, способная превращать часть отходов и упаковочных материалов на борту в белковые и другие пищевые компоненты, потенциально могла бы снизить зависимость экипажа от регулярных поставок. Кроме того, она поддерживала бы более замкнутую систему производства пищи в условиях дефицита воды, энергии, места и рабочего времени экипажа. 110

Экстремальные и изолированные условия на Земле

На Земле модульная система производства пищи подобного типа могла бы оказаться полезной там, где сложно организовать сельское хозяйство, охлаждение или регулярные поставки: например, в зонах стихийных бедствий, на подводных лодках и полярных станциях. 1113

Однако это возможные сценарии, а не уже доказанные варианты применения. Для каждого из них технология должна продемонстрировать надёжность, безопасность и экономическую целесообразность.

Главная проблема — цена и масштабирование

Ориентировочная стоимость производства составляет около 60 долларов за килограмм. На нынешней стадии это намного дороже обычных базовых продуктов. Причём речь идёт об оценке для прототипа, а открытые материалы не позволяют понять, включены ли в неё все расходы на энергию, сбор и сортировку сырья, оборудование, труд, контроль качества, соблюдение нормативных требований и обращение с отходами.

Чтобы масштабировать процесс, сразу несколько сложных систем должны будут работать стабильно и согласованно:

• высокопроизводительные установки для окислительной гидротермальной обработки;
• надёжная ферментация с использованием инженерных штаммов микроорганизмов;
• возврат воды и балансировка питательных веществ;
• постоянный контроль загрязнителей и нежелательных побочных продуктов;
• автоматизированное смешивание ингредиентов и 3D-печать;
• независимые испытания безопасности и понятный путь к получению разрешений. 11

Остаётся и психологический барьер. Даже если химия и ферментация пройдут все проверки, часть людей может настороженно отнестись к пище, исходным сырьём для которой были пластиковые отходы. Сами исследователи также отмечали необходимость создать полностью интегрированную автоматизированную систему, продолжить техническую разработку и решить вопросы регулирования. 11

Появится ли µBites в магазинах в ближайшее время?

Судя по имеющимся данным, оснований ожидать скорого запуска нет. В SIU допускали, что µBites может попасть на обеденные столы в течение нескольких ближайших лет, но это цель разработки, а не подтверждённая дата выхода. 11

До публичной продажи проекту предстоит предоставить более полные данные о контроле загрязнителей, стабильности питательного состава и токсикологической безопасности, пройти регуляторные процедуры, снизить стоимость производства и подтвердить потребительскую приемлемость.

Пока µBites лучше воспринимать как связанный с NASA исследовательский прототип, демонстрирующий необычную, но вполне конкретную идею: углерод из отходов можно химически обработать и биологически преобразовать в компоненты для пищи. Это делает проект научно примечательным — но ещё не превращает печенье из пластика в обычный продукт для завтрака.