Ústav potravinárstva a výživy STU

Ústav potravinárstva a výživy (ÚPV, riaditeľ prof. Ing. Ľubomír Valík, Ph.D.) je jednou z organizácií Fakulty chemickej a potravinárskej technológie na Slovenskej technickej univerzite v Bratislave. Pozostáva z dvoch oddelení, oddelenia potravinárskej technológie (OPT, vedúca Ing. Lucia Minarovičová, Ph.D.) a oddelenia výživy a hodnotenia kvality potravín (OVHKP, vedúca doc. Ing. Lucia Birošová, Ph.D.)

Zjednodušený koncept výuky na ÚPV možno charakterizovať tak, že poslaním OPT je učiť študentov, ako sa potraviny a kozmetické prípravky vyrábajú a OVHKP, ako hodnotiť kvalitu a bezpečnosť finálnych výrobkov, čo sa uskutočňuje jednak z pohľadu možných chýb, ku ktorým mohlo pri výrobe dôjsť, a na druhej strane z pohľadu konzumenta a ochrany jeho zdravia.

Oddelenie potravinárskej technológie

Na oddelení potravinárskej technológie sa venujeme všetkým potravinárskym technológiám a kozmetike, prirodzene aj problematike bezpečnosti potravín a kozmetiky, predovšetkým z hľadiska obsahu rizikových látok alebo kontaminantov. Spotrebiteľ očakáva pri nákupe potravín a kozmetiky, že budú vyrobené z kvalitných surovín, technológiou šetrnou k životnému prostrediu a bez prídavku nadmerného množstva syntetických látok. Tieto požiadavky sú súčasťou našej výuky a odovzdávame ich aj našim študentom. Sme si tiež vedomí, že vedľajšie produkty z potravinárskych technológií musia byť v maximálnej možnej miere využité tak, aby sme prispeli k udržateľnosti výroby širokého spektra kvalitných a bezpečných výrobkov, potravinárskych aj kozmetických.

Oddelenie výživy a hodnotenia kvality potravín

Oddelenie výživy a hodnotenia kvality potravín má za úlohu poskytnúť študentom základné informácie o výžive, fyziológii, ako aj patofyziológii výživy, vrátane nutričnej hodnoty potravín tak, aby si vytvorili vlastný komplexný názor o zásadách správnej výživy a mohli ich na odbornej úrovni komunikovať aj s konzumentmi. Koncept výuky v oblasti hodnotenia kvality potravín sa začína od konca potravinového reťazca, od požiadaviek konzumenta a vlastností finálnych potravinárskych výrobkov, prirodzene vrátane hodnotenia ich bezpečnosti.

Poznajúc systémy Správnej výrobnej a hygienickej praxe, systémy kvality a bezpečnosti potravín založených na princípoch HACCP, Analýzy rizika a iných moderných vedeckých konceptov, riešenia prehreškov voči kvalite a bezpečnosti potravín hľadáme spoločne s OPT v procesoch opracovania a spracovania, v dodržiavaní požadovaných procesných parametrov a ich kontrole v každom významnom kroku technologického postupu výroby. Výstupné chemické, fyzikálne a mikrobiologické ukazovatele kontroly finálnych výrobkov považujeme za prostriedok overenia účinnosti procesov a použitia správnych postupov pri výrobe. V oblasti bezpečnosti potravín sa zaoberáme aj hodnotením rizika – pravdepodobnosti a závažnosti možných ochorení, ktoré sa môžu konzumentovi prihodiť, či už po konzumácii kontaminovanej potraviny alebo vyplývajúcich z environmentálnych záťaží ovplyvňujúcich celý potravinový reťazec. Preto náš výskum zahŕňa aj povrchové vody a prostredie potravinárskych prevádzok.

Študenti pri práci v laboratóriách STU

Aby sme zámery a ciele nášho študijného programu POTRAVINY-HYGIENA-KOZMETIKA vrátane modulu VÝŽIVA A HODNOTENIE KVALITY POTRAVÍN naplnili na vysokej úrovni, každý z nás je zapojený do riešenia vedeckých projektov. Preto dovoľte uviesť vybrané vedecké problémy, ku ktorých riešeniu sa snažíme prispieť.

Príklady výskumných aktivít ÚPV:

•  Cereálne výrobky

Nevhodná výživa je považovaná za jednu z hlavných príčin nepriaznivého zdravotného stavu nielen slovenskej, ale aj celosvetovej populácie. Cereálne výrobky patria medzi potraviny, ktoré sa konzumujú denne, a preto sú považované za vhodné matrice, pomocou ktorých je možné zvýšiť príjem výživovo dôležitých zložiek v ľudskej strave. Výskumníci z OPT vyvíjajú rôzne druhy inovatívnych cereálnych výrobkov, ktoré ponúkajú konzumentom pridanú hodnotu vo forme zvýšeného obsahu vybraných zdraviu prospešných zložiek (napr. vláknina, vitamíny, bielkoviny, polyfenoly a pod.). Na výrobu týchto produktov vedci používajú predovšetkým netradičné cereálie (pšenica špaldová, ovos), pseudocereálie (pohánka, amarant, quinoa), strukoviny (hrach, fazuľa, šošovica, lupina) a alternatívne plodiny (chia, konope, jedlé gaštany, ľan, nopál, teff). Vzhľadom na to, že prevažná väčšina týchto surovín neobsahuje lepok, značné úsilie vedcov je venované aj vývoju výrobkov vhodných pre celiatikov. Samostatná časť cereálneho výskumu je venovaná zhodnoteniu druhotných surovín, ktoré sú produkované ako vedľajšie produkty pri výrobe potravinárskych výrobkov na báze ovocia, zeleniny a obilnín (výlisky, semená, šupky, obalové častice). Hlavným cieľom vedcov v tejto sfére je izolácia zdraviu prospešných látok, ich stabilizácia a následná inkorporácia do cereálnych produktov.

• Funkčné potraviny

V priebehu posledných desaťročí je vo vyspelých krajinách sveta trendom vývoj a konzumácia funkčných potravín, spolu s poznaním ich prospešných účinkov pre zdravie človeka. K funkčným potravinám nesporne patria aj kyslomliečne výrobky fermentované kultúrami s vylepšenými vlastnosťami, predovšetkým zvýšenou mierou prežívania v gastrointestinálnom trakte a s posilneným ochranným a preventívnym účinkom voči nežiaducim vplyvom. Základná úloha kultúr mliečnych štartérov zložených z kyslomliečnych baktérií (KMB) je riadiť fermentačný proces. Súčasne prispievajú k senzorickým vlastnostiam výrobkov a k ich bezpečnosti. V súčasnej dobe je preto snaha o hľadanie potenciálnych organizmov štartérov zo skupiny divých kmeňov získavaných zo surového mlieka, nedefinovaných kultúr alebo z tradičných výrobkov pre diverzifikáciu produktov. V rámci riešených projektov výskumníci z OPT identifikujú a charakterizujú nové izoláty mikroorganizmov kyslomliečnych baktérií (KMB). Používajú klasické mikrobiologické metódy ako aj moderné molekulárno-biologické metodiky, ako sú Maldi Tof typizácia baktérií, PCR a klasické DNA sekvenovanie. HPLC techniky využijú na deklarovanie vlastností o zdravotnej bezpečnosti pre štartovacie kultúry. Vykonáva sa kontrola tvorby biogénnych amínov, ako aj schopnosť redukovať biogénne amíny, schopnosť tvorby organických kyselín a ďalších ochranných metabolitov (reuterín, peroxid vodíka, acetoín…). V neposlednom rade sa vytypované mikroorganizmy overujú za laboratórnych a postupne poloprevádzkových podmienok na výrobu konkrétnych fermentovaných výrobkov. Pritom sa monitorujú parametre ich kinetiky rastu, acidifikácie, proteolýzy a zmeny senzorického profilu vyrábaných produktov. Pokusmi sa vyselektuje najvhodnejšia kombinácia kmeňov.

• Cyklodextríny

Cyklodextríny sú cyklické oligosacharidy zložené z molekúl glukózy v rôznom počte. V potravinárstve je β-cyklodextrín schválený ako prídavná látka s kódom E 459. Vďaka svojej štruktúre, ktorá má tvar zrezaného kužeľa s hydrofóbnym vnútrom a hydrofilným vonkajškom, sa široko používa na stabilizáciu labilných zložiek potravín, postupné uvoľňovanie prchavých látok, elimináciu nežiaducich organolepticky účinných látok, obohatenie potravín o prebiotický substrát, alebo elimináciu nežiaducich zlúčenín z mlieka, spôsobujúcich off flavour fenomén a pod. Súčasný výskum tiež potvrdil možnosť odstraňovania kontaminujúcich resp. zdravotne nežiaducich látok z potravín pomocou β-cyklodextrínu. Jedna z vedeckých skupín na OPT sa venuje možnostiam odstraňovania cholesterolu z mlieka a mliečnych výrobkov pomocou aplikácie β-cyklodextrínu. Priemerný denný príjem cholesterolu obyvateľov na Slovensku dlhodobo prekračuje denný príjem odporúčaný zdravotníckymi organizáciami (300 mg/deň). Podľa našich výsledkov ide z mlieka odstrániť až do 98 % cholesterolu, a preto konzumáciou takýchto výrobkov by sa mohlo výrazne znížiť riziko rozvoja srdcovocievnych ochorení. Celkový proces je jednoduchý a okamžite aplikovateľný v priemysle. Najväčšia pozornosť je venovaná maslu, ktorého obsah cholesterolu prekračuje aj 250 mg/100 g. Našim výskumom sa zistilo, že týmto procesom ide odstrániť až 95 % cholesterolu z masla bez zmeny iných chuťových, farebných, či mechanických vlastností hotového výrobku. V súčasnosti sa na OPT tiež rozbieha projekt odstraňovania aflatoxínu M1 z mlieka aplikáciou β-cyklodextrínu. Aflatoxíny sú sekundárne metabolity určitých vláknitých húb a v súčasnej dobe je približne jedna tretina ľudstva chronicky vystavená pôsobeniu rakovinotvorného aflatoxínu M1, ktorý mlieko a mliečne výrobky obsahujú.

•  Nové látky z rastlinnej biomasy

Výskumníci na OPT sa tiež venujú izolácii látok z rastlinnej biomasy, ktorá je bohatým zdrojom biologicky aktívnych látok s významnými nutričnými a antioxidačnými vlastnosťami. Rôznymi extrakčnými technikami je možné z rastlinnej biomasy získavať výťažky látok s antioxidačnými vlastnosťami, ktoré môžu nájsť ďalšie uplatnenie v potravinárskom, kozmetickom, či farmaceutickom priemysle pri zvyšovaní oxidačnej stability finálneho produktu. Opätovným spracovaním odpadnej rastlinnej biomasy sa prispieva k znižovaniu množstva odpadu a emisií CO2, ktoré by vznikali pri jej spaľovaní. Zároveň sa týmto spôsobom zvyšuje samotná cena odpadnej suroviny, nakoľko extrahované antioxidačne aktívne látky sú z ekonomického hľadiska vysoko cenené. Na základe dostupných informácií, výskumníci z OPT ako prví potvrdili vznik esterov tokoferolov s mastnými kyselinami počas rafinácie jedlých rastlinných olejov a počas vyprážania potravín. Vzniknuté estery tokoferolov sú stabilné látky a nepodliehajú ďalšej oxidácii. Viaceré štúdie potvrdili rozklad týchto látok pri trávení v gastrointestinálnom trakte, z čoho vyplýva, že ak skonzumujeme estery tokoferolov v rafinovanom oleji, je vysoko pravdepodobné, že enzýmy tráviaceho traktu ich rozložia na mastnú kyselinu a samotný tokoferol, ktorý môže v našom tele pôsobiť ako efektívny antioxidant.

Výskumníci a študenti Oddelenia potravinárskej technológie FCHPT STU

• Aplikácie v kozmetike

Stále znečistenejšie životné prostredie spôsobuje u človeka oxidačný a fotooxidačný stres vyúsťujúci do narastajúcich degeneratívnych procesov a civilizačných ochorení. Možnosťami boja proti týmto vplyvom sa aktuálne venujú aj výskumníci z OPT. Tento tím sa zameriava na hodnotenie antiradikálovej účinnosti vybraných karotenoidov a ďalších prírodných látok priateľských pre spotrebiteľa i environment, a to metódami in vitro. Aplikovali aj unikátny biologický model, pričom využili skutočnosť, že už vyše desať rokov majú dobre zavedenú metodiku na in vitro hodnotenie dermálnej absorpcie látok cez explantáty z prasacích uší s použitím difúznych Franzových komôrok. Koža získaná zo špeciálneho druhu prasiat, ktorú ako alternatívny model za ľudskú kožu ex vivo uznala aj WHO, je bez podkožného tuku a hrúbkou podobná ľudskej koži. Zaujímavé je aj samotné prevedenie oxidačného stresovania kože. Kožný explantát umiestnený v špeciálnych komôrkach sa vopred ošetrí hodnotenou látkou a následne sa úmyselne exponuje štandardizovanému cigaretovému dymu zo 4 cigariet, ktorý okrem iných polutantov je bohatým donorom voľných radikálov. Na vyhodnotenie bola využitá známa metóda fluorescenčnej mikroskopie. Výskumníci z OPT tiež preukázali, že ošetrenie niektorými karotenoidmi (najmä astaxantínom a čiastočne i krocínom), významne znižuje poškodenie kože spôsobené rôznymi typmi voľných radikálov. Po adekvátnej úprave metódy plánujú tiež skúmať aj účinnosť látok voči výfukovým plynom automobilov prípadne i iným zložkám znečisteného ovzdušia.

Odber vzorky po prestupe kožou cez Francove komôrky na Oddelení potravinárskej technológie FCHPT STU

•  Prediktívna potravinárska mikrobiológia a hodnotenie mikrobiologického rizika

Bezpečnosť potravín a zdravie konzumenta je aj prioritou EÚ, čo sa odráža v legislatíve týkajúcej sa bezpečnosti potravín spoločnej pre všetky štáty spoločenstva. Podľa Svetovej zdravotníckej organizácie každoročne ochorie približne 600 miliónov ľudí (takmer každý desiaty človek) v dôsledku konzumácie kontaminovaných potravín, z čoho cca 420 000 ochorení končí letálne. Tieto alimentárne ochorenia sú spôsobené buď patogénnymi mikroorganizmami alebo ich sekundárnymi metabolitmi – toxínmi. Na OVHKP sledujeme nielen výskyt vybraných pôvodcov nákaz v potravinách, ale aj to, ako môžeme rôznymi procesmi a faktormi prostredia v konkrétnych potravinách nežiadúce mikroorganizmy eliminovať. Takisto overujeme, ako sa budú „správať“, či pomaly alebo rýchlo rásť a rozmnožovať sa, a či je to v poriadku s legislatívnymi kritériami, deklarovanou dobou spotreby alebo minimálnej trvanlivosti. Tieto prístupy si vyžadujú vedomosti a zručnosti v aplikácii matematických modelov pri opise správania sa mikroorganizmov, a to napríklad aj pri klasických tepelných procesoch alebo opracovaní rôznych surovín studenou plazmou. Ústav potravinárstva a výživy je jediným univerzitným pracoviskom na Slovensku, na ktorom sa vedecky a pedagogicky riešia problematiky z modernej vedeckej oblasti Prediktívnej potravinárskej mikrobiológie. Platí to aj pre kvantitatívne hodnotenie mikrobiologického rizika z kontaminovaných potravín.

• Bakteriálne toxíny a otravy z jedla

Zdravie konzumenta môžu ohroziť aj mikrobiálne toxíny. Bakteriálne toxikózy spôsobujú každoročne vážne zdravotné problémy nielen v rozvojových krajinách, ale aj vo vyspelých štátoch, pričom najčastejšie ide o alimentárne intoxikácie. Na OVHKP sa preto venujeme aj toxinogénnym baktériám, a to najmä stafylokokom a ich enterotoxínom, ktoré sú zodpovedné za mnohé otravy jedlom po celom svete. Takéto baktérie a ich toxíny izolujeme nielen z potravín, ale vďaka spolupráci s Univerzitou veterinárskeho lekárstva a farmácie v Košiciach aj zo zvierat. V našich laboratóriách sa snažíme tieto baktérie identifikovať a charakterizovať, či už z pohľadu produkcie toxínov ale aj ich odolnosti voči antibiotikám, či produkcie biofilmu. Takáto charakterizácia baktérií je veľmi dôležitá, pretože nám veľa napovie o tom, ako dokáže odolávať rôznym faktorom prostredia, a to aj počas spracovania potraviny. Keď sa pozrieme do minulosti, v roku 2011 otriasla Európou tzv. klíčková epidémia kedy sa 3950 ľudí nakazilo a 53 skončilo fatálne. Pôvodcom nákazy z klíčkov Senovky gréckej bola baktéria Escherichia coli produkujúca tzv. šigatoxín. Okrem toho bol tento kmeň rezistentný voči niektorým antibiotikám bežne používaným v klinickej praxi. Aj toto poukazuje na dôležitosť charakterizácie pôvodcov alimentárnych nákaz, aby sme mohli nastaviť efektívne procesy na ich elimináciu v celom potravinovom reťazci. V rámci tejto témy v našich laboratóriách študujeme ako jednoduchou úpravou prostredia (zmena pH, teploty, prítomnosť konkurenčných kyslomliečnych baktérií) dokážeme v potravine potlačiť rast takýchto baktérií, a teda aj ich prípadnú tvorbu toxínov.

Charakterizácia baktérií v Petriho miskách

• Rezistencia voči antibiotikám v potravinovom reťazci

Odolnosť baktérií voči antimikrobiálnym látkam už niekoľko rokov predstavuje jednu z najväčších celosvetových hrozieb tejto doby. Hoci bol tento problém na nejaký čas v úzadí vzhľadom na pandémiu, nikam nezmizol. Na OVHKP sa zaoberáme výskytom, vývojom a šírením bakteriálnej rezistencie voči antibiotikám v celom potravinovom reťazci z pohľadu „Jedného zdravia“, čiže od environmentu cez zvieratá, potraviny až po človeka. Zaoberáme sa aj sledovaním výskytu vybraných rezistentných baktérií v odpadovej, či povrchovej vode, u domácich miláčikov, u človeka, ale aj v potravinách, ktoré si získavajú čoraz väčšiu popularitu u konzumentov a zároveň predstavujú určité mikrobiologické riziko (tzv. raw foods alebo ready-to-eat foods – RTEF). Výsledky okrem iného preukázali dôležitosť zlepšenia technológií čistenia odpadových vôd, nakoľko odpadové vody môžu predstavovať významný zdroj kontaminácie prostredia, a teda aj potravinového reťazca rôznymi mikropolutantami a rezistentnými baktériami. Výskum tiež naznačil možné progresívne metódy, ktoré by v budúcnosti mohli riešiť problém takejto kontaminácie. Kontaminácia rezistentnými baktériami prichádza do úvahy aj v potravinách rastlinného pôvodu. Hoci takéto potraviny nemusia spôsobiť nákazu, rezistentné baktérie a s nimi aj gény rezistencie sa môžu šíriť do prostredia a preniesť na citlivejšie baktérie, napríklad aj v našom gastrointestinálnom trakte. Výskum tejto skupiny je zameraný aj na vplyv znečistenia prostredia rôznymi farmaceutikami alebo mikroplastami na vývoj bakteriálnej rezistencie voči antibiotikám a ostatným biocídnym látkam.

Skúmané materiály v laboratórnych podmienkach