Як пластикові пляшки та кукурудзяні відходи перетворюють на білкове печиво µBites

Пластикова пляшка не потрапляє просто в тісто. У системі µBites Університету Південного Іллінойсу в Карбондейлі PET-пластик і сільськогосподарські відходи спершу хімічно перетворюють на вуглецеві сполуки. Потім спеціально модифіковані дріжджі використовують ці сполуки для виробництва білків, жирів, кислот, вітамінів і ароматичних молекул. Отримані компоненти змішують і формують на харчовому 3D-принтері у вигляді білкового печива. 81011

Концепцію створювали передусім для середовищ, де звичайні ланцюги постачання продовольства працюють із труднощами, — зокрема для майбутніх польотів у далекий космос. Потенціал технології великий, однак наразі йдеться про ранню дослідницьку платформу, а не про готовий продукт харчування.

Як працює µBites

1. Пластик і рослинні відходи розщеплюють

Дослідники використовують поліетилентерефталат, або PET, — пластик, із якого виготовляють багато пляшок для води та напоїв. До нього додають викинуті кукурудзяні стебла, листя та іншу біомасу. Сировину подрібнюють і обробляють методом окиснювального гідротермального розчинення: вода, кисень, висока температура та тиск розкладають матеріали на водорозчинні вуглецеві молекули. 101113

Цей етап принципово важливий. Цілий PET і волокниста рослинна сировина не є зручним живильним середовищем для звичайних мікроорганізмів. Після обробки утворюється багата на вуглець суспензія, яку вже можуть метаболізувати модифіковані мікроорганізми. 1011

2. Дріжджі виробляють харчові компоненти

Різні штами дріжджів налаштовують на перетворення отриманих сполук у конкретні речовини. Серед заявлених результатів — білки, жири, органічні кислоти, вітаміни та ароматичні молекули. Зокрема, дослідники модифікують хлібопекарські дріжджі для виробництва ванільного ароматизатора; інші штами мають продукувати такі сполуки, як бета-каротин. 571013

Суть підходу — у своєрідному мікробному «перезбиранні». Пластик і рослинні відходи не намагаються вживати безпосередньо: їхній вуглець використовують як сировину для ферментації. Продукти роботи мікроорганізмів потім можна поєднати у звичнішу харчову формулу.

3. Суміш формують на 3D-принтері

Суспензію з продуктами мікробної ферментації змішують із клітковиною, крохмалем і підсолоджувачем. Потім суміш пошарово наносить харчовий 3D-принтер. Прототипи печива мають форму грецької літери µ — звідси й назва µBites, яку вимовляють як «майкро-байтс» («мікробайти»). 101114

Платформа задумана як гнучка система: до рецептури можна додавати харчові добавки, спеції та інші компоненти. Крім того, кінцевий продукт потенційно може бути не лише печивом, а й напівтвердою або рідкою їжею. 1011

Що відомо про безпеку, запах і смак

Наявні дані виглядають обнадійливо, але залишаються попередніми. Важливо не плутати випробуваний прототип із продуктом, дозволеним для вільного продажу.

У SIU повідомляли, що ранній прототип печива перевіряли за показниками безпеки та поживної цінності, після чого провели сенсорний аналіз за участю людей. Загальна оцінка прийнятності склала 6,5 бала з 9 за гедонічною шкалою. Найкраще учасники оцінили аромат — 7,33 бала з 9; колір, форму й текстуру кожен окремо оцінили більш ніж на 5 балів. 11

Це свідчить, що принаймні один прототип був прийнятним для залученої до тесту групи. Але такі результати не доводять безпечність нинішньої багатокомпонентної версії для необмеженого споживання. У відкритих повідомленнях немає всіх даних, необхідних для незалежної оцінки: повного розміру групи учасників, результатів аналізу на забруднювачі, токсикологічних показників і незалежної рецензованої перевірки безпеки. Інші публікації вказують, що формальне тестування смаку ще очікувало на дозвіл, а печиво не мало дозволу для споживання людьми. 11

Найобережніший висновок такий: проєкт створив перспективний прототип із цікавими результатами щодо аромату й сенсорного сприйняття, але це ще не комерційно схвалений снек. Для сильніших висновків потрібні масштабні, контрольовані та незалежно задокументовані випробування за участю споживачів.

До чого тут NASA та NSF

NASA надала проєкту прикладний контекст через конкурс Deep Space Food Challenge — програму пошуку технологій харчування для тривалих космічних місій. У 2021 році NASA обрала дизайн µBites команди SIU як один із 18 перспективних американських проєктів і виділила команді 25 000 доларів на продовження роботи у фазі 2. Система мала забезпечувати харчування чотирьох людей під час трирічної місії на Марс, використовуючи обмежені запаси води, енергії та поповнення припасів. 110

Конкурс був зосереджений на головній проблемі майбутніх польотів: астронавтам потрібна поживна, прийнятна на смак і водночас ресурсоефективна їжа, яку можна виробляти з мінімумом відходів. µBites пропонує розглядати викинутий вуглець як потенційну сировину для мікробного виробництва їжі, а не лише як сміття. 110

Грант NSF CAREER підтримував пов’язані наукові дослідження гідротермального зрідження біомаси. Назва гранту — «CAREER: Manipulating Polarity to Enhance Hydrothermal Liquefaction of Biomass for Biofuels» («Керування полярністю для посилення гідротермального зрідження біомаси для біопалива»). Він стосується базової науки обробки біомаси, але сам по собі не є доказом готовності харчової системи µBites до виходу на ринок. 8

Де така технологія могла б знадобитися

Далекі космічні місії

Компактна система, яка перетворює окремі потоки відходів і використане пакування на харчові інгредієнти заданого складу, потенційно могла б зменшити залежність екіпажу від постачання із Землі. Вона також підтримувала б більш замкнений цикл виробництва їжі в умовах, де обмежені вода, енергія, місце для зберігання та час екіпажу. 110

Екстремальні та малоресурсні умови на Землі

На Землі модульна система виробництва їжі могла б бути корисною там, де складно підтримувати традиційне сільське господарство, охолодження або регулярні поставки. Серед потенційних прикладів називають зони стихійних лих, підводні човни, полярні станції та інші середовища з обмеженими ресурсами. 1113

Втім, це лише можливі сфери застосування, а не вже продемонстровані впровадження. Для кожного такого сценарію технологія має довести, що працює стабільно, безпечно й економічно.

Найбільші перешкоди — ціна та масштабування

Заявлена собівартість становить приблизно 60 доларів за кілограм. На нинішньому прототипному етапі це робить µBites значно дорожчим за звичайні базові продукти. До того ж це оцінка, а не підтверджена ціна масового виробництва. Доступні матеріали не пояснюють, чи враховує вона всі витрати на енергію, збір і сортування сировини, обладнання, працю, контроль якості, регуляторні вимоги та поводження з відходами.

Для масштабування кілька складних систем мають працювати одночасно:

• високопродуктивні реактори для окиснювального гідротермального оброблення;
• надійна ферментація за участю модифікованих мікробних штамів;
• повернення води та збалансоване постачання поживних речовин;
• стабільний контроль забруднювачів і небажаних побічних продуктів;
• автоматизоване змішування інгредієнтів і 3D-друк;
• незалежні випробування безпеки та реалістичний шлях до регуляторного схвалення. 11

Окремий виклик — ставлення споживачів. Навіть якщо хімічні та ферментаційні процеси підтвердять свою безпечність, людям може бути психологічно складно їсти продукт, початковою сировиною якого був пластиковий відхід. Самі дослідники також вказували на потребу повністю інтегрованої автоматизованої системи, подальшої розробки та роботи над політикою регулювання. 11

Чи з’явиться µBites у магазинах найближчим часом?

За наявними доказами — підстав так вважати немає. SIU описував можливість появи µBites на столах протягом наступних кількох років, але це мета розробників, а не підтверджена дата запуску. 11

До виходу на ринок проєкту знадобляться переконливіші дані про контроль забруднювачів, стабільність поживного складу, токсикологічну безпеку, регуляторне схвалення, економіку виробництва та ставлення споживачів. Поки цього немає, µBites найкраще сприймати як пов’язаний із NASA дослідницький прототип, що демонструє вражаючу можливість: вуглець із відходів можна обробити й біологічно перетворити на компоненти їжі.

Це робить проєкт науково незвичайним. Але до того, щоб печиво з «пластиковим минулим» стало звичайним продуктом, ще дуже далеко.