Проблемы оценки безопасности наноматериалов, применяемых в упаковке пищевых продуктов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Современные нанотехнологии открывают перспективы получения принципиально новых пищевых упаковочных материалов. Объем внедрения в производство новых видов упаковки, обладающих значительно улучшенными антибактериальными, газобарьерными свойствами, а также способных «сигнализировать» потребителю о качестве продукта, в ближайшие годы может достигнуть нескольких миллиардов долларов. При этом необходимо учитывать, что нанотехнологии, как и любые принципиально новые виды технологий, наряду с очевидными преимуществами, заключают в себе и всевозможные неучтенные риски, связанные с новыми и, часто, заранее непредсказуемыми свойствами используемых наночастиц и наноматериалов.

В связи с этим актуальной является задача регулирования и контроля использования нанотехнологий, применяемых в производстве упаковочных и других материалов, контактирующих с пищей. Разработка системы регулирования использования нанотехнологий в пищевых производствах и других товарах народного потребления проводится в Российской Федерации с 2006 г. по инициативе Роспотребнадзора в соответствии с законами РФ № 52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» и № 29-ФЗ «О качестве и безопасности пищевых продуктов». При этом учитывается опыт международных и зарубежных контролирующих организаций.Ключевым моментом разработки системы регулирования является наличие методов, позволяющих выявлять, характеризовать и количественно анализировать наноматериалы в составе упаковочных материалов, а также оценивать такой важный показатель, как величину миграции (диффузии) наночастиц, проникающих из упаковочного материала в продукт.

Задачами настоящей работы являются определение круга приоритетных наноматериалов, контроль которых в пищевой упаковке представляется на данный момент наиболее актуальным, анализ зарубежных концепций контроля и оценки риска, связанных с применением нанотехнологий при производстве упаковочных материалов, и рассмотрение существующих в настоящее время методических подходов контроля миграции наноматериалов из упаковки в пищевой продукт.

Приоритетные виды наноматериалов, присутствующих в упаковке пищевой продукции, и материалах, контактирующих с пищей.

Лидирующей по объему производства сферой применения нанотехнологий в производстве упаковки для пищевой промышленности является улучшение барьерных свойств упаковки, продлевающих срок годности пищевых продуктов. Согласно прогнозам доля таких материалов в общем массиве применяемой упаковки к 2015 г. будет составлять не менее 25%.

Повышение барьерного потенциала упаковки достигается в трех основных аспектах: а) снижение микробной контаминации (за счет уменьшения размеров пор), б) уменьшение воздействия УФ-излучения на продукт (за счет введения в упаковку наночастиц, поглощающих УФ-излучение, например наночастиц диоксида титана), в) повышение газобарьерных свойств упаковки путем модификации частицами наноглин. По данным, приведенным фирмой-изготовителем, тонкие пленки, модифицированные наночастицами ТЮ2, характеризуются (в отличие от добавок органических веществ) практически равномерным поглощением УФ-лучей в ближней (290-350 нм) и дальней (250-290 нм) областях. Ламинарное расположение частиц наноглины, имеющих форму тонких пластинок, в массиве полимерного нанокомпозита позволяет данному материалу препятствовать процессам диффузии молекул О2 из внешней среды в продукт, помогая предохранять от перекисного окисления растительные масла и предупреждать выход молекул СО2 из продукта во внешнюю среду (увеличивая длительность сохранения газированных напитков и пива). Композиты на основе природных биосовместимых полимеров (крахмал), содержащие наноглины, характеризуются легкой биодеградацией в окружающей среде, что позволяет в значительной мере снять существующую проблему утилизации упаковочных материалов.

Тонкие пленки восков или парафинов (разрешенные пищевые добавки Е905 и Е908-Е910), традиционно применяются для защиты некоторых пищевых продуктов (фруктов, овощей, сыров и др.) от высыхания. Нанотехнологии позволяют существенно модифицировать данный вид защитной упаковки путем введения пленок нанометровой толщины. Это значительно уменьшает количество поглощаемых с продуктом восков или парафинов, а значит - и потенциальный риск, связанный с потреблением этих веществ. Нанотехнологические пленочные покрытия могут применяться и для таких видов продуктов, где ранее это не практиковалось (например, хлебобулочные изделия).

Нанотехнологии открывают новые возможности в производстве так называемой активной упаковки, предохраняющей продукт от микробиологической порчи. В состав таких упаковочных материалов вводятся наночастицы серебра и оксида цинка, антимикробный эффект которых хорошо изучен.

Так называемая интеллектуальная упаковка представляет собой материал со встроенными наносенсорами. Последние позволяют сигнализировать потребителю о соответствии продукта требуемым показателям (особенно показателям безопасности). Устройства наносенсоров являются, как правило, ноу-хау изготовителей. Однако на основе немногочисленных обзорных сообщений по данному вопросу можно предположить, что они являют собой гибридные структуры, состоящие из рецепторных молекул органического происхождения (ДНК, РНК, ферментов, антител), гибко связанных элементов углеродных нанотрубок и «эффекторных механизмов». Последние представляют собой структуры на основе органических полимеров, меняющие свой цвет и отражающую способность флюоресценции в зависимости от изменения локального химического окружения. Большинство систем данного типа находятся в стадии разработки или внедряются в весьма ограниченных количествах, поэтому потенциальные риски, связанные с ними, следует, по-видимому, признать незначительными.

Таким образом, анализ имеющейся литературы позволяет заключить, что приоритетными видами наноматериалов, используемых при производстве упаковки пищевых продуктов, являются наноразмерные диоксид титана, оксид цинка, алюмосиликаты (наноглины), коллоидное серебро, воск или парафины в виде пленок нанометровой толщины.

Данные о токсичности основных видов наноматериалов, используемых в пищевой упаковке. пищевой наночастица каталитический полимер

Наночастицы диоксида титана.

Токсическое действие наночастиц TiO2 связано с тем, что для них установлена возможность каталитической генерации реакционноспособных форм кислорода (РСК) с последующей стимуляцией перекисных процессов. Покрытие наночастиц диоксида титана оболочкой из органического полимера в значительной мере подавляет эти процессы.

В системах in vitro наноразмерный диоксид титана обладал генотоксическим эффектом. Его фотогенотоксическое действие in vitro установлено в исследовании. По данным работы, выполненной на эмбриональных клетках хомяка, наноразмерный TiO2 может оказывать эмбриотоксическое действие. Однако in vivo он не проявлял генотоксического эффекта в клетках легочной ткани крыс.

Установлена способность наночастиц диоксида титана вызывать морфологические изменения клеток альвеолярного эпителия человека, однако стимуляция гибели клеток и некроза легочной ткани была незначительной. Показаны также цитотоксическое и генотоксическое действия наноразмерного TiO2 для альвеолярных макрофагов крысы. Аналогичные результаты получены в исследовании в отношении токсического действия наночастиц TiO2 на альвеолярные макрофаги и эпителиальные клетки мыши и человека.

Результаты исследования токсического действия наноразмерного диоксида титана в модельных системах in vitro (на культурах клеток) во многом не совпадают с данными их тестирования in vivo (в организме животных). Так, было показано, что эти частицы не способны проникать через кожный барьер. Согласно данным работы, полученным в опытах на мышах, при остром (4 ч) ингаляционном воздействии наночастиц TiO2 в концентрации от 0,77 до 7,22 мг/м3 токсическое действие на легкие животных было минимальным. Однако при длительной ингаляции (по 4 ч в день на протяжении 10 дней) в концентрации 8,88 мг/м3 было выявлено достоверное увеличение количества альвеолярных макрофагов в бронхоальвеолярной ткани. При этом в легких были выявлены транзиторные признаки острого воспаления. Авторы отмечали, что у мышей, подвергнутых ингаляции наноразмерного диоксида титана, наблюдается развитие эмфиземы легких, увеличение в легочной ткани числа макрофагов, усиление гибели эпителиальных клеток на фоне обширных разрушений клеточных мембран и развития цитогиперплазии 2-го типа. Было обнаружено, что наночастицы TiO2 вызывают экспрессию генов GCH и Muc5ac в клетках альвеолярного эпителия и увеличение количества в легочной ткани бокаловидных клеток, что, скорее всего, связано с повышением выработки интерлейкина (ИЛ)-13. Токсичность для крыс двух кристаллических модификаций наноразмерного ТЮ2 (рутила и анатазы) варьирует в широких пределах в зависимости от степени дисперсности, кристаллической структуры, химической модификации поверхности и степени гидратации частиц. Отмечено статистически значимое увеличение числа аденокарцином и доброкачественных чешуйчато-клеточных опухолей у крыс, получавших респираторно диоксид титана в форме частиц размером 15-40 нм в концентрации 10 мг/м3 в течение 2-х лет, что объясняется значительной аггравацией применяемой дозы.

Таким образом, результаты изучения биологического действия наночастиц ТЮ2 неоднозначны. Возможность проявления ими токсических и канцерогенных свойств зависит от степени дисперсности частиц, а также от их кристаллической структуры, степени гидратации, модификации поверхности, дозировки и длительности воздействия. Следует отметить, что токсичность наночастиц ТЮ2 при пероральном поступлении, особенно в низких дозах, практически не охарактеризована, что соответствует миграции этого наноматериала из упаковки в пищевые продукты.

Наночастицы аморфного диоксида кремния.

В доступной литературе токсикологическая характеристика наночастиц глины, используемых в пищевой упаковке, отсутствует. В этой связи уместно рассмотреть немногочисленные данные о биологических эффектах такого родственного им соединения, как аморфный диоксид кремния (кремнезем).

Изучалось токсическое действие наночастиц кремнезема различного размера и структуры в отношении нейробластомных клеток человека (линии БК-БН). Выраженной цитотоксичностью обладали пористые наночастицы кремнезема, в меньшей степени - химически модифицированные и компактные частицы. У флюоресцентномеченых наночастиц кремнезема не были выявлены гено- и цитотоксические свойства. При этом следует принимать во внимание, что адсорбция на развитой поверхности этих наночастиц некоторых «посторонних» токсических веществ (соединения ртути), может значительно усиливать проникновение последних в клетки.

Использование наноразмерных силикатов и алюмосиликатов в пищевых производствах, в том числе в упаковке, вызывает настороженность, поскольку эти наночастицы, обладающие высокой адсорбционной активностью, могут, как предполагается, легко проникать через мембраны клеток, осуществляя транспорт некоторых связанных с ними токсикантов (по механизму «троянского коня»).

Наночастицы оксида цинка.

Публикации о биологическом действии наноразмерного ZnO на клетки немногочислены. Сообщается о токсичности наночастиц ZnO в концентрации до 50 мкг/мл для культуры клеток эндотелия аорты человека. Изучаемые показатели включали экспрессию генов белков 1C AMI, ИЛ-8 и фактора 1 хемотаксиса моноцитов крови. В отличие от этого токсичность наноразмерного (13 нм) ZnO для лимфоцитов человека не была выявлена. Концентрация, использованная в исследовании (3,4 мМ), соответствовала максимуму проявления наноразмерным оксидом цинка бактерицидных свойств. Как и в случае диоксида титана, практически не изучен вопрос о токсических эффектах наноразмерного ZnO при пероральном пути поступления.

Наночастицы металлического серебра.

Наноразмерное (коллоидное) металлическое серебро в настоящее время является крупнотоннажным химическим продуктом и значимым кон- таминантом среды обитания. Исключительно сильно выраженные антимикробные, бактерицидные свойства этого материала заставляют рассматривать его как дезинфицирующее средство и, в определенной степени, как пестицид. Многочисленные данные литературы о биологических эффектах коллоидного серебра и возможных экологических последствиях его применения должны стать предметом рассмотрения в отдельном обзоре.

Миграция наночастиц из упаковки в пищевой продукт.

Несмотря на то что использование нанотехнологий при производстве упаковки для пищевых продуктов уже внедрено в практику, достоверные данные о возможной миграции наночастиц в пищевые продукты отсутствуют. Изучение диффузии наночастиц в пищевые продукты весьма затруднительно, поскольку существующая методология определения степени миграции наночастиц из упаковочного материала в пищевые продукты требует дальнейшего развития, усовершенствования и адаптации к специфическим свойствам наноматериалов.

Проведенные немногочисленные исследования показали, что на миграцию наночастиц существенное влияние оказывает характер упаковки. Так, при использовании наночастиц глины в изготовлении пластиковой тары для напитков миграции наночастиц не наблюдалось. Миграция наночастиц из полимерных материалов была крайне ограничена (например, наблюдали низкий уровень диффузии ионов серебра при использовании пластиковых контейнеров с наночастицами серебра для хранения пищевых продуктов).

В США, согласно рекомендациям Агентства по пищевым продуктам и лекарственным средствам (Food & Drug administration, FDA), количественная оценка риска от мигрирующего из упаковочного материала вещества основана на определении его миграции из матрикса в трех средах: 10%-ном этаноле, 50%-ном этаноле и неполярном органическом растворителе, что соответствует моделированию ситуации с безалкогольными или слабоалкогольными напитками, с алкогольными напитками и с растительными маслами.

Концентрацию компонента в «усредненной» диете (С), выражаемую в мг/кг, рассчитывают по уравнению:

С _ (faqueous + facidic) х (M 10% ethanol) + falcohol x (M 50% ethanol) + ffatty x (Mfatty),

где f - безразмерный фактор, определяющий среднестатистическую долю продукта того или иного типа в общем объеме продукции, заключаемой в данный вид упаковки (используемые в расчетах FDA значения f для основных типов упаковки представлены в работе [45]; М - экспериментально определенная равновесная величина миграции в соответствующий продукт, выраженная в мг/кг.

После умножения величины С на количество потребляемых в день напитков и пищи (оценочно - 3 кг) получают значение нагрузки, которое сравнивают с известной из токсикологических экспериментов величиной безопасного уровня поступления, и на основании этого рассчитывают риск.

Принято, что при содержании любого компонента в ежедневной диете на уровне менее 0,0005 мг/кг (что соответствует потреблению компонента не более 1,5 мкг в день) ни одно из известных химических соединений не может оказать вредное действие1. При содержании компонента в диете на уровне от 0,0005 до 0,05 мг/кг (около 150 мкг/сут) необходимо проводить тестирование потенциальной канцерогенности и генотоксичности стандартными методами мутагенеза на культурах микроорганизмов. При достижении уровня 1 мг/кг (3 мг/сут) обязательно тестирование канцерогенных и мутагенных эффектов в исследованиях in vivo на лабораторных животных. В дополнение к этому рекомендуется проведение двух субхронических токсикологических экспериментов: одного - на грызунах, другого - на животных, принадлежащих к иному таксону. Целью этих исследований является определение допустимого уровня суточного поступления исследуемого компонента. При содержании >1 мг/кг (упаковочные и контактные материалы) достаточно редко требуется, согласно рекомендациям FDA, детальная токсикологическая характеристика, включающая максимально полный сбор данных литературы, проведение хронических и субхронических токсикологических исследований, а также специальных исследований (эмбрио-, иммунотоксичность, тера- тогенность, мутагенность и т.д.). Каждое из этих значений концентрации снижается в 5 раз применительно к компонентам, для которых декларируется биоцидное действие (в частности, к коллоидному серебру).

Данная система, используемая в исследованиях, проводимых под эгидой FDA, применима к наночастицам и наноматериалам с той оговоркой, что существенна необходимость подтверждения миграции материала из упаковки в продукт именно в форме наночастиц. Для этого в дополнение к методам элементного анализа должен быть использован комплексный подход с применением электронной микроскопии, хроматографии и спектральных методов, позволяющих получить содержательную информацию о размере и форме частиц в составе изучаемого объекта.

В Российской Федерации оценка миграции компонентов упаковки в состав пищевых продуктов осуществляется в соответствии с «Инструкцией по санитарно-химическому исследованию изделий, изготовленных из полимерных и других синтетических материалов, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами», принятой еще в 1972 г. Эта методология оценки миграции принципиально не отличается от рекомендуемой FDA, однако для нее характерна большая детализация. Вместо определения миграции только в трех средах предлагается набор из не менее чем 9 модельных сред, представляющих собой водные растворы органических кислот, солей и этанола в различных соотношениях. Такой подход позволяет более адекватно учитывать возможную миграцию компонента в продукты с самыми различными физико-химическими свойствами, однако он же до известной степени затрудняет оценку такого важного показателя, как интегральная кумуляция анализируемого компонента в дневной диете.

Анализ зарубежного опыта в области контроля наноматериалов в пищевой упаковке.

В настоящее время ни в одной из зарубежных стран не приняты специальные нормативные акты, направленные на регламентацию и контроль содержания наночастиц и наноматериалов в упаковке пищевых продуктов. В большинстве случаев речь идет об адаптации существующего законодательства, разработанного применительно к контаминантам и пищевым добавкам традиционной структуры.

FDA рассматривает различные компоненты, входящие в состав упаковки и материалов, контактирующих с пищей, как пищевые добавки, подпадающие под действие Федерального закона США о пищевых продуктах, лекарствах и косметических средствах. Агентство США по охране окружающей среды (EPA) в ряде случаев распространяет действие федерального закона о пестицидах на область контроля содержания антимикробных средств в некоторых видах упаковки. В основе обоих подходов лежит фундаментальное положение о том, что бремя доказательства безопасности новых видов упаковочных и других контактных с пищевыми продуктами материалов возлагается на их разработчика и (или) производителя. Понятие «пищевая добавка» трактуется законом расширенно: в это понятие входят не только вещества, непосредственно добавляемые в пищевые продукты, но и в компоненты упаковки, которые могут тем или иным образом влиять на свойства продукта.

Важным моментом рассматриваемого законодательства является введение понятия компонентов, «обычно признаваемых безопасными» (generally recognized as safe - GRAS). Под этим понимаются химические вещества, которые добавляются в пищу задолго до 1958 г., причем за всю историю их применения не было выявлено каких-либо вредных последствий. Смысл введения категории GRAS состоит в том, чтобы ограничить круг субстанций, подлежащих тщательной гигиенической проверке, теми из них, которые начали использоваться в производстве пищи недавно и в отношении которых отсутствует достаточно научной информации, подтверждающей их безопасность. Распространено мнение о том, что наноматериалы, даже являющиеся точными химическими аналогами традиционных GRAS-компонентов, в силу специфики их физико-химических свойств, определяемых высокими значениями удельной поверхности, могут обладать заранее непредсказуемыми биологическими эффектами и поэтому в любом случае не могут относиться к категории GRAS. Законодательный акт, возлагающий на FDA регуляцию упаковочных и контактных материалов, был принят в 1997 г. С тех пор на все материалы, для которых получено разрешение на контакт с пищей (FCN), распространяются те же правила, что и на собственно пищевые добавки, вносимые в продукт. FDA ведет список всех материалов, прошедших контроль безопасности, и представляет эти данные на соответствующем веб-сайте. Данная система является открытой: если возникают сомнения в безопасности какого- либо вещества, оно может быть лишено статуса FCN, и для его регистрации может потребоваться повторная процедура. Решающим условием, определяющим объем необходимых для получения статуса FCN исследований, является миграция компонента в продукт в определенных пороговых количествах (см. предыдущую главу настоящего обзора). Для большинства компонентов упаковки признается допустимым их возможное накопление их в продукте на уровне не более 1 мг/кг. Исключение делается для биоцидных (в частном случае - бактерицидных) веществ и тех веществ, для которых имеющиеся научные данные не позволяют исключить их возможное канцерогенное, тератогенное, эмбриотоксическое действие. Для всех этих веществ допустимый порог концентрации снижается до 0,2 мг/кг. Правилами FDA предусмотрен контроль возможного влияния компонентов упаковки на среду обитания. Однако требования обязательного тестирования экологической безопасности могут быть сняты, если компонент составляет в упаковке менее 5% по массе или если эта упаковка допускает реутилизацию или повторное использование. Таким образом, ключевыми моментами, определяющими выбор стратегии оценки безопасности применения нанотехнологий в производстве упаковочного материала для пищевых продуктов, являются:

1) определение возможной токсичности и отдаленных биологических эффектов наночастиц и наноматериалов, включаемых в состав упаковочного материала пищевой продукции;

2) изучение количественного аспекта миграции этих веществ в пищевые продукты и поступления в организм в виде наночастиц;

3) оценка (на основании этих данных) наличия возможных рисков, связанных с использованием наночастиц в упаковочном материале пищевой продукции.

Все это в обязательном порядке требует разработки надежных методов количественного определения регламентируемых веществ как собственно в упаковочном материале, так и в пищевых продуктах, с которыми она контактирует. Изучение зарубежных научных работ и нормативных документов в области контроля наноматериалов пищевого назначения позволяет сформулировать приоритеты при формировании отечественной системы нанобезопасности, что является важнейшей государственной задачей, которая должна быть решена в ближайшем будущем.

Размещено на Allbest.ru