Современное производство пива — это бизнес стоимостью 117 миллиардов долларов в США, где пивовары производят более 170 миллионов баррелей пива в год. Процесс пивоварения требует много времени и энергии, и на каждом этапе образуются большие объёмы отходов.
Твёрдые компоненты, такие как использованное зерно и дрожжи, из этих отходов попадают на свалки, где вредные соединения могут проникать в почву. Пивоваренные сточные воды, попадающие в водные экосистемы, могут загрязнять ручьи и озёра, снижать уровень кислорода в этих средах и угрожать организмам.
Чтобы предотвратить попадание этих отходов в окружающую среду, учёные, такие как я, изучают возможность их переработки в полезные продукты. Я — химик, и моя исследовательская группа и я заинтересованы в том, чтобы выяснить, как можно перерабатывать и повторно использовать отходы пивоваренного производства в крошечные частицы, которые можно использовать для создания новых типов рецептурных лекарств.
В ходе процесса пивоварения из сырья — обычно ячменя — получают крахмал и белки, которые затем преобразуются в более простые химические вещества путём солодования. Пивовары добавляют воду, которая выводит семена из состояния покоя, а затем поддерживают температуру, чтобы зерно проросло.
В это время высвобождаются важные ферменты, которые могут преобразовывать крахмал и белки в зёрнах в сбраживаемые сахара и аминокислоты. Затем полученный продукт нагревают, чтобы высушить его и остановить дальнейшее прорастание. После процесса солодования добавляют горячую воду и измельчают солод, чтобы высвободить соединения, которые придают пиву его характерный вкус.
Отходы пивоваренного производства, такие как использованное зерно, дрожжи и другие компоненты, могут содержать соединения, которые потенциально можно использовать повторно. Учёные пытались использовать эти отходы для создания биотоплива и веганской кожи, используя либо некоторые соединения, извлечённые из отходов, либо сами отходы.
Хотя пивоварни всё больше осознают свои отходы и переходят к устойчивым подходам, спрос на пиво продолжает расти, и с отходами по-прежнему приходится бороться.
В моих исследованиях я заинтересован в том, чтобы определить, могут ли соединения из отходов пивоваренного производства помочь в создании наночастиц, которые совместимы с клетками человека, но борются с бактериями. Наночастицы — это чрезвычайно маленькие частицы размером около одной миллиардной метра.
В медицине, когда одни и те же антибиотики используются снова и снова, бактерии могут развить устойчивость к ним. Одним из потенциальных применений наночастиц является использование их в качестве активного компонента в некоторых антибиотиках. Эти наночастицы также могут работать в качестве дезинфицирующих и чистящих средств.
Моя команда и я разработали наночастицы, покрытые некоторыми соединениями, обнаруженными в отходах пивоваренного производства. Мы создали частицы, добавив отходы с любого этапа пивоварения к источнику металла.
Когда мы добавили химическое вещество, содержащее серебро (например, нитрат серебра), к отходам, комбинация процессов преобразовала соединение серебра в наночастицы. Один из процессов называется восстановлением: здесь соединения, обнаруженные в отходах пивоваренного производства, вступают в химическую реакцию, которая преобразует ионы серебра из нитрата серебра в металлическую наночастицу.
Другой процесс, называемый осаждением, похож на то, как в раковине образуется меловая мыльная пена, когда мыло реагирует с минералами, такими как кальций в жёсткой воде. Оксид и фосфат из отходов пивоваренного производства соединяются с ионом серебра из нитрата серебра, в результате чего серебро образует твёрдое соединение, которое составляет ядро наночастицы.
Органические соединения из отходов пивоваренного производства, такие как белки, углеводы, полифенолы и сахара, образуют покрытие на наночастицах. Это покрытие предотвращает любые другие реакции на поверхности этих частиц, что очень важно для придания наночастицам стабильности для их применения.
Эти наночастицы, приготовленные из отходов пивоваренного производства, состоят из трёх компонентов: серебра, оксида серебра и фосфата серебра. Экологичные процессы, которые сокращают использование опасных химических веществ и минимизируют вредные побочные продукты, известны как зелёная химия. Поскольку наша процедура была простой и не использовала никаких других химических веществ, она относится к этой категории.
Мой коллега Неха Рангам обнаружила, что покрытие, образованное соединениями из отходов пивоваренного производства, делает эти наночастицы нетоксичными для клеток человека в лаборатории. Однако серебро из этих наночастиц убило Escherichia coli, распространённую бактерию, ответственную за кишечные заболевания во всём мире.
Мы обнаружили, что особый тип наночастиц, содержащих большое количество фосфата серебра, работал против E. coli. Оказалось, что у этой наночастицы фосфата серебра было более тонкое покрытие из органических соединений из отходов пивоваренного производства, чем у серебра и его оксидов, что привело к лучшему контакту с бактериями. Это означало, что достаточное количество серебра могло достичь бактерий и нарушить их клеточную структуру.
Несколько наночастиц были в клинических испытаниях, и некоторые из них были одобрены FDA для использования в лекарствах для снятия боли, лечения зубов и таких заболеваний, как рак и COVID-19. Большинство исследований наночастиц в биотехнологии было посвящено наночастицам на основе углерода. Учёным ещё предстоит выяснить, как эти металлические наночастицы будут взаимодействовать с человеческим организмом и могут ли они потенциально вызвать другие проблемы со здоровьем.
Поскольку эти частицы настолько малы, их трудно удалить из организма, если они не прикреплены к носителям лекарств, предназначенным для безопасной транспортировки наночастиц. Прежде чем врачи смогут использовать эти наночастицы в качестве антибактериальных препаратов, учёным необходимо изучить судьбу этих материалов после их попадания в организм.
Некоторые инженерные наночастицы могут быть токсичны для живых организмов, поэтому в исследованиях необходимо выяснить, безопасны ли наночастицы, полученные из отходов пивоваренного производства, для человеческого организма, прежде чем их использовать в качестве нового компонента антибактериальных препаратов.