Nová technologie prodlužuje trvanlivost čerstvé produkce

Všichni známe ten pocit viny, když ovoce a zelenina zkazí dříve, než je stihneme sníst. Vědci z MIT a Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) nyní ukázali, že mohou prodloužit trvanlivost sklizených rostlin injekcí melatoninu pomocí biologicky odbouratelných mikroihel.

Je to velký objev, protože problém plýtvání potravinami přesahuje rámec našich salátů. Více než 30 procent světových potravin se ztratí po sklizni – to stačí na zasycení více než 1 miliardy lidí. Chlazení je nejběžnějším způsobem konzervace potravin, ale vyžaduje energii a infrastrukturu, kterou si mnoho oblastí světa nemůže dovolit nebo k ní nemá přístup.

Vědci se domnívají, že jejich systém by mohl nabídnout alternativu nebo doplněk k chlazení. Středem jejich přístupu jsou náplasti z hedvábných mikroihel. Mikroihlu dokáží proniknout pevnou, voskovou slupkou rostlin bez vyvolání stresové reakce a dodávat přesné množství melatoninu do vnitřních tkání rostlin.

„Je to poprvé, co jsme dokázali použít tyto mikroihlu k prodloužení trvanlivosti čerstvě nakrájené plodiny,“ říká Benedetto Marelli, hlavní autor studie, docent stavebního a environmentálního inženýrství na MIT a ředitel mise Wild Cards projektu MIT Climate Project. „Mysleli jsme si, že bychom tuto technologii mohli použít k dodávání něčeho, co by mohlo regulovat nebo kontrolovat fyziologii rostlin po sklizni. Nakonec jsme se zaměřili na hormony a melatonin se již používá u rostlin k regulaci těchto funkcí. Potraviny, které plýtváme, by mohly nakrmit asi 1,6 miliardy lidí. I v USA by tento přístup mohl jednoho dne rozšířit přístup k zdravým potravinám.“

V rámci studie, která vyšla v časopise Nano Letters, Marelli a výzkumníci ze SMART aplikovali malé náplasti mikroihel obsahujících melatonin na základnu listové zeleniny pak choi. Po aplikaci výzkumníci zjistili, že melatonin dokázal prodloužit trvanlivost zeleniny o čtyři dny při pokojové teplotě a o 10 dní v chladničce, což by umožnilo více plodin dosáhnout spotřebitelů dříve, než se zkazí.

„Plýtvání po sklizni je obrovský problém. Tento problém je extrémně důležitý na rozvíjejících se trzích v Africe a jihovýchodní Asii, kde se pěstuje mnoho plodin, ale nelze je udržet při cestě z farem na trhy,“ říká Sarojam Rajani, spoluautorka studie a vedoucí hlavní výzkumná pracovnice v laboratoři Temasek Life Sciences Laboratory v Singapuru.

Odstraňovače stresu rostlin

Marelliho laboratoř léta zkoumala využití hedvábných mikroihel pro věci, jako je dodávání živin plodinám a monitorování zdraví rostlin. Mikroihlu vyrobené z hedvábného fibroinu jsou netoxické a biologicky odbouratelné a Marelliho předchozí práce popsala způsoby jejich výroby ve velkém měřítku.

Aby vědci otestovali schopnost mikroihel prodloužit trvanlivost potravin, chtěli studovat jejich schopnost dodávat hormon, o kterém je známo, že ovlivňuje proces stárnutí. Kromě toho, že lidem pomáhá spát, je melatonin také přirozeným hormonem v mnoha rostlinách, který jim pomáhá regulovat růst a stárnutí.

„Dávka melatoninu, kterou dodáváme, je tak nízká, že je plně metabolizována plodinami, takže by to významně nezvýšilo množství melatoninu běžně přítomného v potravinách; nekonzumovali bychom více melatoninu než obvykle,“ říká Marelli. „Vybrali jsme si pak choi, protože je to velmi důležitá plodina v Asii a také proto, že pak choi je velmi rychle kazivý.“

Pak choi se obvykle sklízí tak, že se listová rostlina odřízne od kořenového systému, čímž se odkryje báze výhonku, která umožňuje snadný přístup k cévním svazkům, které rozvádějí vodu a živiny do zbytku rostliny. Na začátku studie vědci nejprve použili své mikroihlu k injekci fluorescenčního barviva do báze, aby potvrdili, že cévní systém může rozprostřít barvivo po celé rostlině.

Vědci poté porovnali trvanlivost běžných rostlin pak choi a rostlin, které byly postříkány nebo ponořeny do melatoninu, a nenašli žádný rozdíl.

Po stanovení základní trvanlivosti vědci ručně aplikovali malé náplasti melatoninem naplněných mikroihel na spodní část rostlin pak choi. Poté skladovali ošetřené rostliny spolu s kontrolními rostlinami v plastových boxech jak při pokojové teplotě, tak v chladničce.

Tým hodnotil rostliny sledováním jejich hmotnosti, vizuálního vzhledu a koncentrace chlorofylu, zeleného pigmentu, který s věkem rostlin klesá.

Při pokojové teplotě začaly listy neošetřené kontrolní skupiny žloutnout během dvou nebo tří dnů. Čtvrtý den se žloutnutí zrychlilo do té míry, že rostliny se pravděpodobně nedaly prodat. Rostliny ošetřené hedvábnými mikroihlu naplněnými melatoninem naopak zůstaly zelené pátý den a proces žloutnutí byl výrazně opožděn. Ztráta hmotnosti a snižování chlorofylu u ošetřených rostlin se také při pokojové teplotě výrazně zpomalily. Celkově vědci odhadli, že rostliny ošetřené mikroihlu si zachovaly svou prodejní hodnotu až do osmého dne.

„Jasně jsme viděli, že můžeme prodloužit trvanlivost pak choi bez chladicího řetězce,“ říká Marelli.

Za chlazených podmínek asi 40 stupňů Fahrenheita bylo žloutnutí rostlin v průměru opožděno asi o pět dnů, přičemž ošetřené rostliny zůstaly relativně zelené až do 25. dne.

„Spektrofotometrická analýza rostlin ukázala, že ošetřené rostliny měly vyšší antioxidační aktivitu, zatímco analýza genů ukázala, že melatonin spustil v rostlinách ochrannou řetězovou reakci, která zachovávala chlorofyl a upravovala hormony tak, aby zpomalila stárnutí,“ říká Monika Jangir, spoluautorka a bývalá postdoktorandka v laboratoři Temasek Life Sciences Laboratory.

„Studovali jsme účinky melatoninu a zjistili jsme, že zlepšuje stresovou reakci rostliny poté, co byla odříznuta, takže v podstatě snižuje stres, který rostlina zažívá, a to prodlužuje její trvanlivost,“ říká Yangyang Han, spoluautor a vědecký pracovník v interdisciplinární výzkumné skupině Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) v SMART.

Směrem k konzervaci po sklizni

Ačkoli mikroihlu mohou umožnit minimalizaci odpadu ve srovnání s jinými metodami aplikace, jako je postřikování nebo namáčení plodin, vědci říkají, že je zapotřebí více práce na zavedení mikroihel ve velkém měřítku. Například ačkoli výzkumníci v tomto experimentu aplikovali náplasti mikroihel ručně, náplasti by se v budoucnu mohly aplikovat pomocí traktorů, autonomních dronů a dalšího zemědělského vybavení.

„Aby se to široce přijalo, museli bychom dosáhnout prahové hodnoty výkonu versus nákladů, aby se jeho použití zdůvodnilo,“ vysvětluje Marelli. „Tato metoda by se musela stát dostatečně levnou, aby ji zemědělci pravidelně používali.“

V budoucnu výzkumný tým plánuje studovat účinky různých hormonů na různé plodiny pomocí technologie dodávání mikroihel. Tým věří, že technika by měla fungovat se všemi druhy produktů.

„Budeme pokračovat v analýze toho, jak můžeme zvýšit dopad, který to může mít na hodnotu a kvalitu plodin,“ říká Marelli. „Mohli bychom například modulovat nutriční hodnoty plodiny, její tvar, texturu atd.? Budeme také pokračovat ve zkoumání zvětšení technologie, aby se to dalo použít v terénu.“

Práce byla podpořena Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) a National Research Foundation of Singapore.