Текст книги "Тайны запаха и вкуса"
Автор книги: Анатолий Томилин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 11 страниц)
Глава 6. О техническом прогрессе и об электронном анализаторе запахов
Запахи, их воздействие на человека и умение жрецов и алхимиков изготавливать душистые и исцеляющие снадобья всю историю человечества были окружены ореолом таинственности и наукой исследовались недостаточно полно. Природа химических чувств по сей день весьма загадочна. В её исследовании так или иначе сталкиваются индивидуальные особенности и возможности человека с объективными данными и выводами, необходимыми науке. Может быть, поэтому многие годы осуществлялись лишь отдельные попытки решения проблем объективного распознавания запахов. Я не зря подчёркиваю слово «объективного». Потому что, как, надеюсь, вы помните, никакие данные существующих биолокаторов, или данные живых существ, не могут считаться истиной в последней инстанции. Все люди по-разному воспринимают ароматы. Каждую собаку-ищейку могут сбить с толку тысячи случайностей… Каков же выход? Только один: нужен искусственный аппарат, прибор, лишённый эмоций и не зависящий от внешних или внутренних факторов, способный различать запахи и давать исследователю однозначные ответы.
Подобные требования были понятны и известны всем. Но как их воплотить в конкретном приборе, когда, строго говоря, мы не совсем представляем себе природу того, что ищем?
Успехи электроники в области техники оптических и слуховых устройств конца XX века не могли обойти стороной и моделирование таких ощущений, как запах и вкус.
Дело в том, что электронное устройство в принципе может решить массу проблем, которые существуют даже для специально обученных и тренированных людей. Например, каждый живой нос имеет свои индивидуальные параметры, которые как-то влияют на его обоняние. При долгой работе любой человек-«нюхач» (как и собака-ищейка) устаёт. Его обоняние адаптируется к запаху, притупляется.
Да и в любом состоянии чувствительность к запаху зависит от физического состояния (начиная от здоровья «нюхача», его настроения и душевного настроя). Всё это влияет на субъективность в оценках исследуемого запаха и вкуса. «Электронный же нос» неутомим. Он не подвержен простуде и настроению, и два, три, десять и сто одинаково настроенных электронных приборов, анализируя один и тот же запах или вкус, будут давать единый результат.
Среди инженеров-разработчиков давно существует убеждение, что в принципе электронное устройство может и должно превосходить возможности существующих биологических анализаторов. Всё дело в создании избирательных приборов. А их свойства зависят от технологии (в частности, от нанотехнологии).
Немного о названииВ 1980 году исследователи английского университета Вар-вика в Ковентри впервые всё же отобрали наиболее часто встречающиеся запахи и предложили «линейку сенсоров» для их детектирования. Получились, может быть, и не совсем основные ароматы (как, скажем, чистые цвета спектра или ноты – до, ре, ми, фа, соль, ля, си), но их анализаторы выделяли запахи, которые входили во многие другие букеты.
Новые технологии позволили синтезировать и создать вещества, которые из букета запахов избирали всё больше отдельных ароматов и реагировали только на те, на которые были настроены. Это означало улучшение избирательности – главной трудности синтетических сенсоров.
Придумали и новый подход для анализа ароматов. Если раньше разработчики старались выдёргивать из «душистого букета» по цветочку и каждый исследовали по отдельности, последовательно друг за другом, то теперь стали сразу исследовать весь «образ запаха» множеством по-разному настроенных сенсоров одновременно. Такой мультисенсорный подход оказался весьма плодотворным. И эта идея позволила создать новый тип искусственных аналитических систем.
Кстати, название новому направлению работ дали тоже специалисты университета Варвика. Они решили по аналогии с носом человека назвать его «электронным носом» или «Е-nose». Название укоренилось, и в настоящее время, когда за разработку новых устройств взялись многие солидные фирмы, является общепризнанным.
Сенсорные технологииГлавным препятствием для разработчиков первых моделей «электронного носа» являлась всё-таки неважная избирательность имеющихся синтетических сенсоров, их технологическое несовершенство. Это положение качественно изменилось в конце 1980-х годов.
Ещё в самом начале десятилетия в печати появились сообщения о разработке керамического сверхпроводящего материала (на основе оксидов ряда металлов), годного для анализа газов. Раньше других в качестве первичных приёмников были использованы металлооксидные сплавы. Эти ранние и достаточно несовершенные разработки позволили возникнуть нескольким коммерческим проектам, а следовательно, и получить финансирование. «Металлооксидные детекторы» применили для первых моделей электронных анализаторов. Конечно, у них имелось много недостатков. Но благодаря относительно простой технологии изготовления, низкой стоимости и коммерческой доступности именно этот тип детекторов получил вначале наиболее широкое распространение.
В августе 1991 года под руководством научно-исследовательского центра НАТО состоялся первый симпозиум в данной области. Он вызвал значительный интерес других исследовательских групп в мире, и количество научных коллективов, работающих над сходными проблемами, стало неуклонно возрастать. Были созданы более удачные (но и более дорогие) материалы и детекторы для последующих моделей «Е-nose».
Немного об оксидахОксиды – соединения химических элементов с кислородом, в которых сам кислород связан только с менее электроотрицательными элементами. Поэтому к оксидам относятся почти все соединения химических элементов с кислородом. Оксиды могут вступать в окислительно-восстановительные реакции и таким образом работать в качестве детекторов среды, в которую помещены.
Ныне существует уже не только металлооксидные детекторы, но и целый отряд других, предназначенных для анализа газообразных смесей. Есть, например, перспективные модели для анализа паров пахучих веществ на базе проводящих органических полимеров. Есть семейство сенсоров, основанных на измерении приращения массы, есть оптические волоконные сенсоры, есть и другие. Сегодня созданы уже модели третьего поколения.
Всё это результаты развития нанотехнологий, о которых так много говорят в наши дни и которым в какой-то мере принадлежит будущее современной техники.
«Е-nose» – «Электронный нос»Создание прибора, распознающего запахи, – задача сугубо нашего времени. Времени быстрого прогресса в области электроники, создания небывалых оптических и акустических устройств. Тут вам и приборы ночного видения, способные видеть в темноте, как совы, и микрофоны, улавливающие звуки лучше любых живых существ, и многие иные диковинки. Немудрено, что проблема создания техники, подобной «обонятельному снаряду», встала перед учёными и инженерами во весь рост.
Главной препоной на начальном этапе создания высокочувствительных сенсоров являлась, как я уже говорил, их низкая избирательность (селективность). Первые модели путались в запахах, не могли чётко разделять их. Новый принцип мультисенсорного анализа дал мощный толчок развитию этой техники. Сегодня уже целый ряд компаний сделали серьёзные заявки на применение разработанных приборов для оценки, например, качества пищевых продуктов, для мониторинга окружающей среды и медицинской (по запаху) диагностики, а также для весьма нетрадиционного использования в криминалистике и в специальной военной технике.
Запах и обоняние всегда были окружены ореолом таинственности. Люди с трудом представляли себе природу химических чувств. А их исследование в течение многих лет проводилось лишь в практических целях. И лишь изредка предпринимались отдельные попытки воспроизвести их искусственным путём.
О линейке запахов и о неподкупности «Е-nose»Надо признать, что современные технологии, участвовавшие в создании «электронного носа», немало сделали вообще для аналитического приборостроения, обеспечив переход на новый, более высокий уровень. Немудрено, что количество научных коллективов и коммерческих фирм, работающих над проблемами и технологиями в области «электронного носа» и приборостроения вообще, неуклонно растёт.
Каковы же, хотя бы очень кратко, возможные области применения новых разработок? Прежде всего детекторы смогут фиксировать бактерии и компоненты химического оружия. В отличие от собаки, «электронный нос» может точно указать на конкретное вещество. Есть и другие возможности, например, антитеррористического плана – определение наличия взрывчатки на расстоянии. А это верная ловушка для террористов и смертников. «Е-nose» на таможне может служить для поиска оружия и наркотиков, запрещённых препаратов, веществ, загрязняющих воздух, и поможет в решении множества иных задач. Немаловажным является и то, что «Е-nose» неподкупен. Большой интерес к новому направлению проявляют и военные.
Исследователи, занимающиеся решением этих проблем, уверены, что «электронный нос» может превзойти возможности не только человеческого носа, но, возможно, и других биолокаторов.
Как работает «Е-nose»«Электронный нос» – комплексная система. Проба засасывается воздушным насосом через входной патрубок в нагреваемую кюветную камеру, которая состоит из трёх основных узлов. Первый занят периодическим приёмом пахучих веществ: отбором проб и их обработкой. Второй узел содержит линейку, или матрицу, сенсоров с заданными свойствами. Третий блок – процессорная обработка сигналов матрицы сенсоров с установленной в ней линейкой сенсоров. Исследуемые пахучие вещества взаимодействуют с ними, воссоздавая общий отклик системы. Дальше он анализируется и передаётся на процессорный модуль, а в систему подаются пары промывочного газа (например, спирта), чтобы удалить пахучее вещество из объёма и с поверхности сенсоров. А в их ячейку подаётся газ-носитель, чтобы подготовить прибор к новому измерительному циклу.
Пока что, вы наверняка это заметили, процедура получается не такой простой, какой бы хотелось её видеть. Но ведь это ещё только начало…
Сегодня и завтра «Е-nose»Главной задачей «электронного носа» является отождествление (установление совпадения исследуемого запаха с запахом образца) и по возможности определение концентрации пахучего вещества. (Не будем забывать, что сложный «образ запаха» всегда является многомерной картиной.) Обычно «Е-nose» решает поставленную задачу в несколько этапов: сначала идёт предварительная обработка данных, затем следует выделение отличительных признаков из полученной смеси, далее классификация и решение о результатах анализа.
Один из таких приборов был проверен при оценке аромата нескольких марок кофейных зёрен. Сначала кофе изучали специально подготовленные профессиональные дегустаторы. На это ушло немало дней. А потом ту же задачу в считанные минуты решил «электронный нос». Результаты обеих экспертиз почти полностью совпали.
В дирхемском медицинском центре (США) поставили задачу выявления источников неприятных запахов в изделиях фармацевтической промышленности. Приглашённые люди («нюхачи») оказались не в состоянии продолжительное время эффективно проводить отбор лекарственных препаратов. Их носы быстро утомлялись. И тогда привезли коммерческий «электронный нос» с 32 сенсорами (все – на основе проводящих органических полимеров). И поставленная задача была полностью решена. «Е-nose» оказался лишён недостатков человеческого носа.
Ныне в лабораториях уже проходят испытания мультисенсорных анализаторов различных водных растворов. Пока их по аналогии с «электронным носом» называют «электронным языком», поскольку их главное назначение – вкусовой и обонятельный контроль водных источников и пищевых продуктов.
Пока «Е-nose» довольно сложная, громоздкая и тяжёлая махина, поглощающая массу электроэнергии. Но прогресс движется. Не так давно и вычислительная машина, прообраз сегодняшнего ноутбука, занимала здание в несколько этажей и обслуживалась специальной электростанцией.
Не исключено, что развитие нанотехнологий приведёт и к тому, что «электронный нос» вполне совпадёт по габаритам, энергопотреблению и возможностям со своим биопрототипом. Подождём…
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
Глава 7. Природные ароматы для здоровья
Не может быть, чтобы вы не догадались, что я имел в виду, назвав так эту главу. Конечно, главным живительным источником ароматов является сама Природа, и в первую очередь зелёный покров нашей родной планеты – растительность. Ведь до того как древний человек в каменном веке изобрёл оружие и получил возможность добывать себе дичь, он был в основном вегетарианцем, т. е. наши прапредки питались преимущественно растительной пищей. И не только питались, но и укрывались от непогоды, лечились, используя растения. Растительный мир тысячи и тысячи лет был основой жизни перволюдей.
Давайте посмотрим на примере истории, как люди познавали и осваивали этот мир и как приспосабливали его для себя.
Культивировать растения и приручать животных люди начали примерно 10–15 тысяч лет назад. Это сразу изменило образ жизни первобытного человека. И если раньше, скажем, для лечения люди просто ели лекарственные травы, которые находили инстинктивно (как дикие звери), то теперь положение изменилось. В роду или в племени появились знатоки – знахари. Как правило, это были старики или старухи, имевшие опыт собирания трав и составления из них натуральных эфирных масел (правильнее – растительных эссенций). Использовали их как притирания (мази), настойки и фимиамы.
Антропологи считают, что первобытные ритуалы непременно сопровождались сжиганием смолы различных деревьев, в частности ладана. Его дым успокаивал, снимал депрессию. Сам ладан входил в состав лечебных эмульсий и мазей против всяких наружных болячек.
Со временем растения, богатые ароматическими веществами, стали смешивать с жиром животных и растительными маслами для смазывания тела. В жаркой Африке люди покрывали себя ароматными маслами, защищаясь от жары и пересыхания кожи.
Сначала об «эфирных маслах», которые вовсе маслами не являются, а потом об их взаимодействии с организмомГлавными поставщиками ароматов являются эфирные масла. Это пахучие смеси жидких, летучих веществ из соков растений (а ныне также полученных синтетически, с помощью химии).
Название «эфирные масла» ошибочно (правильнее называть их фитоэссенциями). Они лишь внешне сходны с жирными маслами. Как написано в словаре Брокгауза и Ефрона: «Они жирны на ощупь, плавают на воде (теперь и в этом отношении есть исключения. – А. Т.) и дают на бумаге и тканях просвечивающее пятно. С другой стороны – они, как эфир, летучи. В этом видели их главное и почти единственное отличие от жирных масел. Пятно на бумаге от этих последних не пропадает даже при нагревании, а пятно от эфирных масел исчезает без следа через некоторое время на холоде и ещё скорее при нагревании. В действительности же эфирные масла, кроме внешнего вида, ничего общего с жирными не имеют…»
Кстати, заметим, что по химическому составу искусственно созданные эфирные масла тоже не имеют ничего общего с натуральными фитоэссенциями. Одинаков у них только запах.
Можно ещё добавить что эфирные масла легко взаимодействуют с белками живого организма.
Одни концентрированные летучие вещества реагируют с гормонами (это продукты внутренней секреции нашего организма, которые вырабатывают специальные железы и отдельные клетки). Гормоны получают сигналы от рецепторов (в частности, от рецепторов в нашем носу) и передают их молекулам. Молекулы выделяются в кровь, которая разносит их по всему организму и заставляет белки реагировать на изначально полученный сигнал. Примерно так фармакологически воздействуют компоненты эфирных масел на наш организм. (Это, конечно, очень приблизительное объяснение, но подробности можно найти в курсе молекулярной биологии.) Другие реагируют с ферментами – органическими веществами белковой природы, которые ускоряют протекающие в клетках реакции. Сами же ферменты при этом химическим превращениям не подвергаются.
Таким образом, эти концентрированные летучие вещества действуют на весь организм.
Из истории фармацевтикиВ городе Солнца – древнеегипетском Гелиополисе – утром, в полдень и на заходе солнца жрецы сжигали в честь бога Ра различные ароматные смолы. А душистые растения использовались для бальзамов.
В Древней Индии и Древнем Китае вокруг представителей растительного мира создавались целые философские учения. И прежде чем приступить к лечению травами, следовало пройти обряд очищения и совершить священные ритуалы.
Последователи традиционного учения даосизма в Китае считали, что душа растений живёт в их ароматах. И первая книга по траволечению появилась в Китае за двадцать веков до начала нашей эры.
Индийские целители следовали указаниям священной книги Веды. В ней имелись и некоторые медицинские рецепты, которые считаются первыми записанными рецептами в истории человечества. Веды говорили, что человек – часть природы, а приготовление лекарств из растений – священнодействие, угодное богам. Приём лекарств должен был сопровождаться физическими упражнениями и духовной медитацией. Считалось, что только так можно достичь гармонии между физическим и духовным началами.
Поистине бесценны заслуги жрецов Древнего Египта в познании растительного мира. То, что они записали иероглифами в своих папирусах, было продолжено в книгах Диоскорида, Плиния Старшего и других древнегреческих авторов и стало основой европейского познания лечебных свойств растений.
В Афинах уже за семь столетий до нашей эры имелись лавки торговцев ароматными благовониями. Тут же продавались и густые мази из оливкового, миндального и касторового масел. Настои из майорана, цветов лилии, тимьяна (чабреца, или, позже, богородичной травки). Древние парфюмеры делали смеси из простого шалфея, зонтичного аниса, розы, ириса и других цветов. Благовония почитались как дар богов. Их применяли при совершении религиозных обрядов и для лечения.
Философы и жрецы, сопровождавшие Александра Македонского в его походах, привезли на родину традиции использования благовоний и ради наслаждения ароматами.
Немалый вклад в развитие траволечения внесли и римляне. Они добавляли благовония в массажные мази. Греческий врач Гален (131–200 годы н. э.), живший в Риме, описал множество способов приготовления лекарств из растений.
Постепенно из лекарской практики выросло и выделилось новое направление – фармацевтика. Врачи ставили диагноз и выписывали лекарства, а аптекари (или фармацевты) готовили снадобья. Наряду с бальзамами для лечения использовались и ароматы, которые привозили с Востока.
После нашествия варваров и падения Римской империи о лечении травами и ароматами в Европе забыли почти на тысячу лет. Христианская религия считала что любая болезнь «от Бога», и лечение почиталось грехом. Знахарей, потихоньку лечивших с помощью трав, монахи-инквизиторы объявляли пособниками дьявола и жгли на кострах…
Знания античного мира унаследовали арабские учёные. Они переводили книги древних философов на арабский язык и развивали дальше способы исцеления с помощью благовоний и продуктов растительного мира.
Великий арабский учёный – философ, астроном, математик, алхимик, врач и поэт Абу Али Хусейн ибн Абдаллах ибн Сина (в Европе – Авиценна, 980—1030) – написал непревзойдённый труд, дошедший до наших дней, – «Канон врачебной науки». Его кредо: «Три оружия есть у врача: слово, растение, нож».
В Средние века андалузский араб Ибн Байтар дополнил список лекарственных растений Авиценны до 1400 названий. (Ибн Байтар жил в 1190–1248 годах и считался в своё время крупным ботаником и фармацевтом. Его фундаментальный труд долгие годы был основным научным источником в этой области.)
Кроме больших и сложных трудов, арабские врачи писали и справочные книжки. Назывались они «карабаддинами». Их охотно переписывали в соседних с мусульманскими странами государствах Азии. Переписывали, переделывая и дополняя в соответствии с местными условиями и опытом, и в Европе.
Арабские лекари оказали значительное влияние на всю медицину. Они знали и составляли сложные рецепты из многих трав. Широко использовали ароматные курения. Писали сокращённые книги-справочники о лекарственных растениях. Возникло целое направление в фармакологии – фармакопея.
Среди объёмистых трудов по арабской медицине стали попадаться и более простые сборники стандартов лекарств с описанием способов их приготовления. Первая книга подобного рода относится к IX веку. По сути, она представляла собой свод обязательных правил, которые следовало соблюдать при изготовлении лекарств и при назначении их больным.
В России первый такой сборник на латинском языке был издан в 1770 году. На русском языке он появился почти сто лет спустя (в 1866 году).
