Актуальный контаминант пищевой продукции – наночастицы из пластика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Российский биотехнологический университет (РОСБИОТЕХ)»

Институт ветеринарии, ветеринарно-санитарной экспертизы и агробезопасности

«Кафедра ветеринарно-санитарной экспертизы и биологической безопасности»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Пищевое производство»

На тему: «Актуальный контаминант пищевой продукции - наночастицы из пластика»

Выполнил: Шемятин М.А.

студент группы 19-ВС-3

Научный руководитель: Нитяга И.М.

Кандидат биологических наук, доцент кафедры «Ветеринарно-санитарная экспертизы и биологическая безопасность»

Москва

2022

Содержание

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Классификация наноматериалов

1.2 Наноматериалы в сельском хозяйстве

1.3 Наноматериалы в производстве продуктов питания

1.4 Способы воздействия приоритетных наночастич на качество пищевых продуктов и здоровье человека

2. Собственные исследования

2.1 Источники наночастиц из пластика и их распространенность в природных объектах

2.2 Санитарно-эпидемиологический надзор за пищевой продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащей наноматериалы

2.3 Методы лабораторного контроля наночастиц из пластика

2.4 Проблема оценки рисков наночастиц из пластика

2.5 Результаты собственных исследований

Практическое применение результатов исследования

Выводы

Библиографический список

Введение

Масштабное и повсеместное применение материалов и изделий из пластмасс привело к глобальному загрязнению бытовыми отходами. В настоящее время ежегодно на планете производится более одной трети миллиарда тонн пластика. Этот колоссальный объем постоянно накапливается на мусорных полигонах, в окружающей среде, продуктах питания. Уникальные технико-эксплуатационные качества пластиков привели к тому, что их стали предпочитать дереву, металлу и бумаге. Из синтетических полимеров изготавливают ткани для одежды, делают одноразовую посуду, пакеты и другую упаковку, бытовую технику, строительные материалы, изделия и конструкции.

За счет механических воздействий, под действием солнечного излучения и кислорода мусор из пластиковых изделий деградирует и измельчается, превращаясь в микропластик, а затем в наночастицы. Учитывая все возрастающее загрязнение окружающей среды пластиком, многие страны на законодательном уровне принимают меры по ограничению его использования. Прежде всего это касается одноразовой пластиковой посуды, пластиковых пакетов, бутылок и упаковки. Вообще предпринимаются попытки внедрения биоразлагаемых пластиков. Разрабатываются технологии вторичного использования пластиков. Однако не только одноразовая посуда и свалки мусора -- источники микропластика и нанопластика. Установлено, что особенно много частиц из пластика образуется при машинной стирке одежды из синтетических тканей. По канализации частички и волокна попадают в очистные сооружения и, будучи слишком мелкими, легко проходят через промышленные фильтры и сбрасываются в реки и другие водоемы. Установлено, что с каждого килограмма синтетики в сточные воды попадает до сотни миллиграммов пластиковых волокон. Еще один масштабный источник микро- и наночастиц пластика -- износ автомобильных шин, некоторых видов дорожных покрытий и красок.

В настоящее время получены новые данные о вызывающей опасения способности наночастиц пластика неблагоприятно влиять на организм высших животных и человека при поступлении с пищей. В связи с этим встает вопрос об оценке рисков нанопластика, содержащегося в воздухе, воде и пищевой продукции, для здоровья человека и о возможных способах управления этими рисками. Совокупность воздействия нанопластика на человека из разных источников является значимой, однако для выяснения характера его воздействия на организм необходимы дополнительные исследования. Наличие больших пробелов в знаниях относительно вредного воздействия на организм микропластиков ни в коем случае не должно рассматриваться как доказательство их безопасности.

Целью нашей курсовой работы мы определили анализ современного состояния вопроса о содержании наночастиц из пластика в пищевой продукции и характеристика их опасности.

Исходя из этой цели задачами курсовой работы, мы определили: изучение путей поступления наночастиц пластика в продукты питания и способы воздействия нанопластика на качество пищевых продуктов и здоровье человека, а так же анализ возможных методов лабораторного исследования наночастиц.

Наличие микро- и наночастиц пластика в пищевых продуктах в настоящее время является актуальнейшей проблемой пищевой промышленности и одним из главных вопросов пищевой безопасности. При этом не существует конкретных методик по определению таких частиц. Такая же проблема касается и способов очистки от нанопластика пищевых продуктов. В связи с тем, что вопрос о переработке пластика до сих пор не решён, а разлагающиеся пластиковые объекты находятся повсюду вокруг, крайне актуальным является изучение вопроса о наличии микроскопических частиц пластмасс в пищевых продуктах, об их размерах и количестве.

1. Обзор литературы

1.1 Классификация наноматериалов

Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут быть представлены макроскопическими объектами, атомарная структура которых контролируемо создается с разрешением на уровне отдельных атомов, а с другой стороны - объектами, имеющими характеристические размеры менее 100 нм.

Нижняя граница диапазона структурных размеров наноматериалов обусловлена критическим размером существования нанокристаллического материала как структурного элемента, имеющего упорядоченное строение, т.е. кристаллическую решетку. Такой критический размер, в частности, для железа составляет около 0,5 нм. Верхняя граница диапазона обусловлена тем, что заметные и интересные, с технической точки зрения, изменения физико-механических свойств материалов (прочности, твердости и др.) начинаются при размерах наноструктурных элементов существенно меньше 100 нм.

В зависимости от соотношения характеристических размеров можно выделить следующие группы объектов:

1. Объекты, которые имеют три характеристических размера в диапазоне до 100 нм. Наиболее распространенные из них - наночастицы и нанопорошки - частицы размером до 100 нм, способные к самостоятельному выстраиванию в отдельные структуры и обладающие улучшенными каталитическими, адсорбционными и оптическими свойствами.

Оксиды металлов составляют не менее 80 % всех производимых нанопорошков, они характеризуются низкой температурой спекания (менее 100 єС), высокой химической активностью и наличием избыточной (запасенной) энергии.

Наибольшая доля в мировом производстве нанопорошков приходится на диоксид титана. Он используется в обрабатывающей промышленности для производства красок, защитных покрытий, абразивов и полировки. Этот материал играет важную роль в оптике как фотокатализатор и покрытие для линз, задерживающее ультрафиолетовое излучение. Диоксид титана находит все более широкое применение в области экологии, например при очистке сточных вод, в воздушных фильтрах. Кроме того, он применяется при производстве строительных материалов, косметики, пластмасс, печатных красок, стекла и зеркал, а также для уничтожения боеголовок химических ракет. наноматериал пищевая продукция

Значительный процент от общего производства нанопорошков составляют диоксиды кремния и алюминия, широко используемые в электронике и оптике. Диоксид кремния применяется в обрабатывающей промышленности как абразив, краска и пластический наполнитель, покрытие и грунтовка для строительных материалов, а также как водоотталкивающее средство. Оксид алюминия, или кремнезем, в основном используется в обрабатывающей промышленности как абразив, для струйной очистки, притирки и полировки, особенно в электронике и оптике. Кроме этого, он используется для очистки воздуха, в качестве катализатора, в конструкционной керамике и для производства конденсаторов.

2. Объекты, два характеристических размера которых находятся в диапазоне до 100 нм. К таким объектам относятся:

- нанотрубки - протяженные цилиндрические структуры диаметром от 1 до 10 нм и длиной до нескольких микрометров состоят из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой. Нанотрубки обладают такими характеристиками, как прочность, жесткость, ударная вязкость, химическая стойкость, теплопроводность и электропроводность. Нанотрубки обладают возможностью поглощать и удерживать водород [2, с.12].

В нанотрубки можно «загонять» атомы и молекулы не только поодиночке. Как показали эксперименты, открытая нанотрубка обладает капиллярными свойствами, т.е. она как бы втягивает в себя вещество. Таким образом, нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйти наружу: концы нанотрубок надежно «запаяны», а углеродное ароматическое кольцо слишком узкое для большинства атомов. В таком виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки раскрываются с одного конца и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах.

- нановолокна и нанопроволки - цилиндрические структуры с внешним диаметром менее 1,000 нм и аспектным отношением (отношением между длиной и шириной) более 50. В настоящее время разработано несколько типов нановолокон: углеволокно, керамическое, стеклянное, металлическое, композитное, полимерное нановолокно.

Наноразмерные волокна пластика важны для различных технологий будущего, включая самоочищающиеся поверхности, прозрачную электронику, биомедицинские инструменты. Нановолокна, нанесенные на поверхность, могут притягивать или отталкивать масло. С помощью нановолокон можно придать материалам электропроводность. Еще одно из применений таких волокон - покрытие стекол (например, противотуманное покрытие), которые за счет отталкивания воды будут дольше сохраняться чистыми.

На основе нановолокон можно создать платформу для изучения взаимодействия ДНК с другими молекулами. Также планируется использовать ДНК для построения новых наноструктур.

3. Объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм. К таким объектам относятся нанопленки и нанопокрытия - объекты, сочетающие макроскопическую поверхность и наноскопическую толщину, благодаря чему они устойчивы к различным внешним средам и значительным механическим напряжениям. Как правило, пленка формируется одновременно из двух исходных веществ на плоской центрифуге.

В промышленности широко используются пленки на основе нитрида титана. Введение в состав пленки третьего компонента позволяет повысить физико-механические свойства и значительно расширить область применения защитных покрытий. Большой интерес к системе Ti-Si-N связан, в первую очередь, с тем, что пленки обладают высокими значениями твердости, термической стабильностью, стойкостью к окислению при высоких температурах и сопротивлением абразивному износу.

Наноструктурные пленки в системе Ti-B-N также обладают целым рядом важных эксплуатационных характеристик: высокой твердостью, термической стабильностью вплоть до 1000 ? в вакууме, повышенной жаростойкостью, износо- и коррозионной стойкостью, устойчивостью к ударным воздействиям, высокими значениями электросопротивления [2, с.13].

Использование нанотехнологических методов нанесения и создания покрытий должно существенно улучшить их характеристики. За последнее десятилетие были достигнуты успехи в практическом применении дисперсии, покрытия, пленки, структуры с развитой поверхностью. Рассмотрим, например, покрытие на основе оксида титана.

Также были открыты методы нанесения монослоя органических молекул на подложку (алкатиолов на золото), придающие этому монослою кристалличность. Сочетание самосборки с новыми методами нанесения покрытий, например с микропечатью и микроформованием, привело к созданию нелитографических методов нанесения покрытий на плоские и изогнутые поверхности.

Покрытие из пиролитического хрома, полученное методом химического осаждения из газовой фазы, имеет слоистую структуру. Механизм образования слоистой структуры покрытия объясняется специфическими свойствами процесса термического разложения бис-ареновых комплексов хрома. Основная роль в формировании слоистой структуры принадлежит изменению концентрации металлоорганических соединений и продуктов распада в реакторе или непосредственно у поверхности, на которую происходит осаждение. Покрытие из пиролитического хрома имеет коррозионную и эрозионную стойкость, износостойкость и термостойкость, беспористость, невысокую адгезию к подложке. В работе установлены оптимальные параметры нанесения покрытия с металлоорганической жидкостью «Бархос» на изделия из чугуна и технической керамики.

Пленки с высоким сопротивлением царапанию можно изготовить из нанокомпозитов. Полимерные нанокомпозиты дадут возможность получить «настраиваемые» поверхностные и объемные характеристики (например, адгезионные и др.).

Получены дисперсии и взвеси гидрофобных материалов с регулируемыми динамическими характеристиками течения. В медицине использование препаратов гидрофобного типа может решить проблему переноса и доставки лекарств в определенные внутренние органы. Можно отметить возможность применения таких дисперсий в фотопленках, где включение наночастиц в противоореальный слой позволит создать спецэффекты при получении изображения.

Нанокристаллические порошки и консолидированные структуры получены методом сушки в системах золь-гель и аэрогель - пересыщенный пар. Это позволяет синтезировать неорганические оксиды, имеющие огромную площадь поверхности пор и, соответственно, более высокие хемосорбционные характеристики. При таком синтезе ультратонкие порошки консолидируются под давлением, образуя высокопористые гранулы с очень большим объемом открытых пор, размер которых можно частично контролировать. Химические свойства поверхности таких ультратонких порошков и консолидированных гранул зависят от многогранной формы отдельных нанокристаллов, а образуемые ими материалы могут использоваться в качестве суперадсорбентов токсичных веществ и кислотных газов.

1.2 Наноматериалы в сельском хозяйстве

Наноматериалы в сельском хозяйстве Наноматериалы играют значительную роль в сельском хозяйстве благодаря включению их в состав удобрений и обеспечению необходимым питанием растения. Так, в растениеводстве применение нанопрепаратов в качестве микроудобрений обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности почти всех продовольственных и технических (хлопок, лен) культур. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счет наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса. В животноводстве и птицеводстве НЧ железа и других микроэлементов включают в состав премиксов для повышения жизнестойкости животных и их продуктивности. Нанотехнологии и наноматериалы (в частности, наносеребро, наномедь и другие) находят широкое применение в фильтрах и других деталях оборудования молочной промышленности для ингибирования процессов брожения и скисания молока, дезинфекции сельскохозяйственных помещений и инструментов, при упаковке и хранении молочнокислых пищевых продуктов. Наноматериалы используют в качестве катализаторов горения для биотоплива или для гидрирования растительного масла в масложировой промышленности.

Наноматериалы и нанотехнологии, используемые в производстве удобрений и средств защиты растений, делятся на три категории: наноразмерные удобрения, наноразмерные добавки и наноразмерные покрытия или носители для удобрений.

Нанобиотехнология -- область науки на стыке биологии и нанотехнологии, которая охватывает широкий круг технологических подходов, включая применение нанотехнологических устройств и наноматериалов в биотехнологии; использование биологических молекул для нанотехнологических целей; создание биотехнологических продуктов, свойства которых определяются размерными характеристиками (для объектов, размер которых лежит в диапазоне 1-100 нм); использование биотехнологических подходов, в основе которых лежит принцип контролируемой самоорганизации наноструктур. Бионанотехнология занимается изучением взаимодействия различных нанообъектов с живыми системами и исследует функциональное применение биомолекул в нанотехнологиях [16, с.67].

Современным направлением нанобиотехнологии в растениеводстве является создание культурных растений, особенно устойчивых к насекомым вредителям и сорной растительности. Нанотехнологии в сельском хозяйстве -- это динамично развивающаяся научная дисциплина, которая включает решение традиционных проблем генетики и селекции сельскохозяйственных растений путем использования ДНК технологий, преобразование сельскохозяйственных и пищевых отходов в энергию и другие полезные побочные продукты путем ферментативной нанообработки, профилактику заболеваний и обработку растений с использованием различных наноматериалов. При разработке «умных систем доставки» наноматериалов, т. е. с целью успешного таргетинга (target -- цель, мишень) ведется строгий комплексный контроль времени, селективности действия и дистанционно регулируемых, запрограммированных многофункциональных характеристик.

Наноматериалы и бионанокомпозиты обладают рядом особых характеристик, включая высокие показатели кристалличности, прочности, термической стабильности, растворимости и биоразлагаемости, а также низкую проницаемость, что позволяет увеличить дисперсность и смачиваемость сельскохозяйственных рецептур с одновременным уменьшением стоков органических растворителей, что открывает возможности для производства эффективных нанопрепаратов, в частности нанопестицидов.

В качестве примера контролируемого применения нанопестицидов на Рисунке 1 приведена схема включения нанорецептур в аэрозольные капли для эффективного распыления нанопрепаратов. Так, при использовании обычных садовых распылителей типа ранцевых происходит распыление капель пестицидов большого размера и с широким распределением по размерам (9-266 мкм), что приводит к неэкономичному и неравномерному нанесению жидкостей, а также их большей потере за счет расплескивания. Использование же сверхлегких объемных распылителей позволяет контролируемо распылять капли с ограниченными размерами (3-28 мкм) за счет использования инкапсулированных НЧ или наноразмерных пестицидов.

Рисунок 1 - Схема включения нанорецептур в аэрозольные капли для эффективного распыления: а) капля, б) капля, содержащая инкапсулированные пестицидом НЧ; в) капля, содержащая наноразмерные пестициды

1.3 Наноматериалы в производстве продуктов питания

Наука о продуктах питания включает изучение химических и физических свойств продуктов питания и их изменений, возникающих при производстве, обработке, упаковке, транспортировке, хранении и т. д. Нанотехнологии оказывают влияние на многие аспекты продовольственных и сельскохозяйственных систем, включая продовольственную безопасность, методы доставки терапевтических средств, новые инструменты молекулярной и клеточной биологии, новые материалы для обнаружения патогенов и защиты окружающей среды. [16, с.70].

Из всех нанопродуктов наиболее широко при производстве продуктов питания и напитков используются биокатализаторы, или ферменты. Фермент -- наноразмерная молекула белка, которая выступает катализатором в химической реакции и обладает рядом преимуществ, включая биоразлагаемость и большую специфичность, благодаря которой уменьшается количество побочных реакций и побочных продуктов и, следовательно, повышается качество продукции и снижается вероятность загрязнения [16, с.71]. Наиболее часто используемый фермент -- карбогидролаза -- используется в хлебопечении, пивоварении, производстве алкогольных напитков и крахмала. Ферменты широко применяются в производстве пищевых продуктов для улучшения текстуры, внешнего вида, питательной ценности и аромата продуктов питания. Ферменты также служат в качестве биодатчиков на токсичность и используются для оценки качества при производстве продуктов питания. В молочной промышленности нанотехнологии используются для создания продуктов функционального назначения, в частности, за счет насыщения пищевого сырья витаминами в виде наночастиц.

Примерами нанотехнологий как инструмента в пищевой промышленности являются:

1) использование датчиков обнаружения патогенов и загрязняющих веществ с целью повышения безопасности производства, обработки и транспортировки пищевых продуктов;

2) устройства для ведения экологического паспорта конкретного продукта и отслеживания индивидуальных грузов;

3) системы, обеспечивающие интеграцию зондирования, локализации, отчетности и дистанционного управления пищевыми продуктами (умные/интеллектуальные системы), повышающие эффективность и безопасность обработки, а также транспортировки продуктов;

4) инкапсулирование и создание системы целевой доставки функциональных пищевых ингредиентов.

Нанохимические датчики в основном связаны с ароматизацией и ароматизаторами продуктов питания и напитков. В 2003 г. запатентован химический «электронный нос» на основе НЧ, предназначенный для анализа химического состава различных паров или жидкостей. Чувствительность к различным молекулам достигается за счет количественного и качественного варьирования состава проводящих и/или непроводящих участков на матрице датчика. В качестве проводящих участков при этом используются проводящие НЧ.

В биодатчиках могут использовать флуоресцирующие или магнитные НЧ, которые выборочно прикрепляются к определенным болезнетворным микроорганизмам в пище, после чего для обнаружения присутствия даже малейших следов этих микроорганизмов используются приборы, чувствительные к инфракрасному или магнитному излучению.

Нанофильтрация используется для деминерализации сыворотки, т. е. удаления минеральных солей, сохранения лактозы и витаминов, сгущения молока при изготовлении сыра, в сахарной промышленности -- для получения сахара в концентрированной форме, выделения этанола при производстве кукурузного масла, обессоливания желатина, при производстве супов и соусов, для выделения пищевых масел из рабочих растворителей, а также очистки и ректификации алкогольных и безалкогольных напитков.

Нанодисперсии и нанокапсулы являются функциональными ингредиентами лекарств, витаминов, противомикробных препаратов, антиоксидантов, ароматизаторов, красителей и консервантов. К ассоциативным коллоидам относятся мицеллы ПАВ, везикулы, бислои, обратные мицеллы и жидкие кристаллы, которые используются в течение долгих лет для инкапсулирования и доставки полярных, неполярных и/или амфифильных функциональных ингредиентов. Наноэмульсии получают в процессе микрофлюидизации при высоком давлении гомогенизаторов с диаметром капель меньше 100-500 нм. Наноструктурированные многослойные эмульсии состоят из капель масла (ядро), окруженных наноразмерными тонкими слоями (оболочка) из различных полиэлектролитов. Эти слои формируются методом послойного электростатического осаждения (ПЭО) с последовательной адсорбцией полиэлектролитов на поверхности противоположно заряженных коллоидных частиц [3, с. 105].

Состав, толщина, структура и свойства многослойного наноламината, формируемого вокруг объекта, могут контролироваться различными способами путем варьирования типа адсорбирующих веществ в растворе, общего количества слоев, последовательности введения компонентов в раствор и (4) состава раствора и условий окружающей среды (рН, ионной силы, диэлектрической проницаемости, температуры).

Нанотехнологии в сельском хозяйстве направлены на применение продуктов с использованием двух различных подходов: «снизу -- вверх» и «сверху -- вниз». Подход «сверху -- вниз» в пищевой промышленности основан на физической обработке продуктов, включающей дробление и измельчение. Например, технология сухого помола может быть использована для получения мелкодисперсной пшеничной муки с высокой влагосвязывающей способностью и повышения антиоксидантной активности порошка зеленого чая. Подход «снизу -- вверх» в пищевой индустрии используется для создания и выращивания более крупных структур из атомов и молекул, например организация мицелл казеина или фолдинг белков [3, с.107].

Наноматериалы в обработке пищевых продуктов. Обработка пищевых продуктов -- проведение ряда механических или химических операций с продуктами с целью изменения или сохранения их свойств. При обработке пищевых продуктов НЧ используются для улучшения качества продуктов, их свойств, вкуса, цвета, запаха, стабилизации свойств или увеличения сроков хранения. В настоящее время рынок нанопродукции неуклонно растет, сотни компаний проводят исследования и разрабатывают нанотехнологии для обработки, упаковки, доставки продуктов питания и пищевых ингредиентов.

Нанокапсулирование. Нанокапсулирование при обработке продуктов представляет собой технологию их упаковки в нанонаполненные материалы с целью улучшения регидратации (восполнения потери жидкости) пищевых продуктов и обеспечения защиты от влаги, жиров и газов. Для хранения фруктов, овощей, мяса, шоколада, конфет и выпечки используется пищевая съедобная упаковка. Нанокапсулирование применяется и при производстве кондитерских изделий, фармакологических и диетических добавок, а также для создания наноносителей пищевых систем. Нанокапсулирование может быть достигнуто путем использования трех методов: физического, основанного на создании покрытия в процессе распылительной сушки и экструзии, физико-химического, основанного на простой или сложной коацервации и захвата в липосомы, и химического, включающего межфазную полимеризацию и молекулярное включение.

Три известных вида наносистем, выступающих в качестве оболочки при нанокапсуляции пищевых ингредиентов: 1) липидные наносистемы, включая нанолипосомы, коллоидосомы, твердые липидные НЧ и археосомы, (2) наносистемы полимерного типа, включая нановолокна, НЧ на основе углеводов, крахмал, целлюлоза, пектин, гуаровая камедь, альгинат, хитозан, декстран, и (3) наносистемы на основе белков, включая кукурузный белок или сверхтонкие волокна зеина и нанотрубки молочных белков.

Наноэмульгирование. Наноэмульгирование при обработке продуктов -- это процесс получения наноэмульсий с использованием методов инверсии фаз, гомогенизации под высоким давлением, ультразвуковой обработки и микрофлюидизации. Гомогенизация -- это стадия промышленного процесса, осуществляемая с помощью гомогенизаторов, которые уменьшают размеры частиц дисперсной фазы в жидкой дисперсной среде [16, с.73].

Наноразмерные системы доставки, такие как микроэмульсии, эмульсии, наноэмульсии, множественные эмульсии, многослойные эмульсии, твердые липидные НЧ, липосомы, НЧ биополимеров и микрогелей, должны быть выбраны для конкретного применения в пищевой промышленности на основе следующих критериев: безопасность, рентабельность,совместимость продукты/матрица, надежность, производительность и требования к маркировке.

Гидроколлоидные белки, полученные из молока, яиц, сои, коллагена и желатина, наиболее широко используются как эмульгаторы в пищевых эмульсиях.

Образование микроэмульсий вода/масло (в/м) и масло/вода (м/в) связано с переменной кривизной межфазной поверхности: отрицательной, нулевой и положительной. Кривизна определяется разницей между областями, занятыми гидрофильной головкой и липофильным хвостом капель. Отрицательная кривизна характеризуется контактным углом h < 0 для гидрофобных частиц, тогда как контактный угол для положительной кривизны h > 90 для гидрофильных частиц в стабилизированных эмульсиях.

1.4 Способы воздействия приоритетных наночастич на качество пищевых продуктов и здоровье человека

Аморфный диоксид кремния (SiO2), Е551, применяется в качестве антислеживающего агента и носителя. ТР ТС 029/20122 устанавливает допустимые уровни его содержания в пряностях (не более 30 г/кг), продуктах, плотно обернутых фольгой (30 г/кг), сахарной пудре (10 г/кг), соли и ее заменителях (10 г/кг), сырах и сырных продуктах (10 г/кг), ароматизаторах (50 г/кг). Использование пищевого сырья, содержащего Е551, допускается при производстве продуктов для питания детей. В таблетированной пищевой продукции, БАД к пище, сахаристых кондитерских изделиях (кроме шоколада) содержание Е551 не регламентируется. Помимо указанной пищевой продукции, поступление аморфного SiO2 возможно с фармацевтическими препаратами и косметической продукцией (зубные пасты и др.).

В общем объеме используемой Е551 значительную долю составляет такая ее форма, как высокодисперсный пирогенный SiO2 (аэросил), имеющий удельную площадь поверхности 300-380 м2/г, то есть состоящий, как показывает простейший геометрический расчет, из НЧ. Анализ структуры данной формы Е551, выполненный с использованием трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) и атомно-силовой микроскопии, динамического рассеяния света и спектроакустики, показал, что данный материал образован на ультраструктурном уровне слабо связанными (агломерированными) НЧ сферической формы и размером около 20-60 нм [5, с 113].

Вместе с тем в спецификации JECFA на данную пищевую добавку отсутствует информация о размере ее частиц, который, как правило, не контролируется и не декларируется производителями продукции, вследствие чего значительный объем пищевой продукции, находящейся в обороте, может содержать данное вещество в форме НМ. По данным пищевая экспозиция человека НЧ SiO2 может превышать в настоящее время 1,8 мг/кг массы тела в сутки.

В исследованиях на лабораторных животных НЧ SiO2 были биодоступны при поступлении в желудочно-кишечный тракт. В 92-суточном подостром эксперименте на крысах показано, что при дозе наноразмерного SiO2 типа «Аэросил» 100 мг/кг массы тела у животных наблюдается лейкопения, снижается доля Т-хелперов, возрастает доля цитооксических лимфоцитов, снижается иммунорегуляторный индекс (CD4/CD8), отмечается дисбаланс про- и противовоспалительных цитокинов, таких как TNF-¬ и IL-10, что в совокупности означает неблагоприятное воздействие на систему иммунитета. Морфологическое исследование показало, что мишенью воздействия поступающих с пищей НЧ SiO2 является слизистая оболочка тонкой кишки, где наблюдается массивная лимфомакрофагальная и эозинофильная инфильтрации ворсинок, указывающие на усиление местной иммунной реакции. С учетом введения двух 10-кратных коэффициентов запаса при переносе данных, полученных в in vivo модели, на человека возможная допустимая суточная дозы НЧ SiO2, поступающих с пищей, составляет не более 1 мг/кг массы тела, что делает актуальной проблему гигиенического нормирования и регуляции наноразмерного SiO2, используемого в качестве пищевой добавки.

Наноразмерный диоксид титана. Диоксид титана (TiO2) применяется в пищевой промышленности в качестве белого красителя Е171 в составе рыбной, молочной, кондитерской продукции, а также в оболочках и капсулах БАД к пище. Другие области применения этого вещества включают солнцезащитные косметические кремы, лакокрасочные изделия, фармацевтическую промышленность и фотокаталитические нейтрализаторы-очистители воздуха. Спецификация JECFA на данную пищевую добавку не содержит информацию о размере ее частиц. Присутствующие на рынке коммерческие продукты TiO2 представлены двумя кристаллическими модификациями этого вещества: рутилом и анатазой. Последнее со значительной степенью вероятности может содержать НЧ. С учетом этих обстоятельств поступление НЧ TiO2 в организм, в том числе пероральным путем, следует признать высоко вероятным. При ингаляционной экспозиции в эксперименте на животных НЧ TiO2 вызывают эмфиземоподобное поражение легочной ткани. При подостром пероральном введении НЧ TiO2 лабораторным животным в дозах 1 мг/кг массы тела и более выявлены нарушения в функции ферментов энергетического и аминокислотного обмена , системе цитохромов Р450, функции иммунной системы, протеоме печени. При поступлении в кишку эти НЧ способны оказывать повреждающее действие на энтероциты и в определенной степени биодоступны. Максимальная недействующая доза НЧ TiO2 в анатазной и рутильной форме для крыс в 30-суточном эксперименте составляет менее 1 мг/кг массы тела. При этом оценить точно экспозицию человека этим НМ не представляется возможным, так как неизвестно, какая доля пищевой добавки Е171 применяется в наноформе. Имеющиеся сведения о пероральной токсичности наноразмерного TiO2, в отличие от его традиционной формы («титановых белил» с частицами микронного размера), позволили Национальному агентству по безопасности пищевых продуктов Франции (ANSES) выступить в 2017 г. с предложением о пересмотре вопроса о безопасности Е171 в наноформе для человека.

Наноразмерное коллоидное серебро. По состоянию на 2016 г. в Российской Федерации зарегистрировано 20 наименований биологически активных добавок к пище, содержащих НЧ металлического серебра в качестве активного компонента - источника микроэлемента серебра. Помимо этого, НЧ серебра могут мигрировать в пищевые продукты из упаковочных материалов с антимикробными свойствами. Использование НЧ серебра в пищевых производствах в качестве пищевых добавок (консервантов и технологических вспомогательных средств), применяемых для дезинфекции, не разрешено действующим законодательством. Однако наличие большого числа разработок в данной области позволяет предположить, что в более или менее близкой перспективе возможна регистрация и появление на рынке и таких видов продукции. НЧ серебра являются наиболее широко применяемым НМ при производстве парфюмернокосметической, лакокрасочной продукция, дезинфицирующих средств (по состоянию на 2016 г. в России зарегистрировано более 130 наименований такой продукции), что создает возможность непреднамеренной контаминации пищевых продуктов этим видом НЧ. По данным литературы, годовое производимое количество НЧ серебра в мире составляло в 2011 г. свыше 500 тонн в пересчете на Ag, а в 2015 г. могло превысить 1000 тонн, что соответствует порядка 140 мг/год на каждого жителя Земли.

По данным трансмиссионной электронной микроскопии НЧ серебра имеют размеры, как правило, от 8-10 до 60-80 нм, округлую, реже треугольную или полиэдрическую форму, четкие контуры, высокую электронную плотность. Промышленностью выпускается несколько видов НЧ серебра. Это, впервых, так называемое «безионное» серебро, полученное методом лазерной абляции или электровзрыва металлической мишени. Во-вторых, выпускается «кластерное» серебро, синтезируемое фотокаталитическим методом в присутствии поливинилпирролидона (пищевая добавка Е1201), а также коллоидное серебро, полученное методом химического восстановления (под действием альдегидов) и стабилизированное анионом лимонной кислоты (Е330), и коллоидное серебро так называемого «биохимического синтеза», получаемое при восстановлении соли серебра кверцетином в присутствии диоктилсульфосукцината натрия.

Поступающие с пищей и водой в желудочно-кишечный тракт НЧ серебра могут всасываться (биодоступность по данным радиоизотопных исследований составляет около 1-3 %). Всосавшиеся НЧ распределяются по органам и тканям, максимальное количество накапливается в печени и селезенке; небольшие количества НЧ способны проникать через гематоэнцефалический барьер в мозг и персистировать там длительное время. С использованием радиоизотопной метки показано, что количества НЧ серебра, составляющее доли процента от скормленной дозы, могут проникать у беременных крыс через фетоплацентарный барьер и накапливаться в плодах, а также экскретироваться с грудным молоком.

По данным многочисленных экспериментов, представленных в литературе, НЧ серебра обладают токсическими эффектами в отношении клеток эукариот в культуре, водных и почвенных организмов, лабораторных животных при ингаляционном, эпикутанном и пероральном введении.

Данные о токсическом действии НЧ серебра при многократном пероральном введении лабораторным животным противоречивы. С одной стороны, в работе не выявили признаков токсичности для крыс НЧ серебра в дозе 90 мг/кг массы тела. С другой стороны, отмечалось наличие токсического действия НЧ серебра на печень крыс в дозе 125 мг/кг массы тела и более. У мышей, получавших НЧ серебра в дозах свыше 1 мг/кг массы тела, происходили гистопатологические изменения в печени и почка. Ряд неблагоприятных сдвигов интегральных и бихимических показателей в организме крыс выявлен при действии НЧ серебра в дозе 1 мг/кг массы тела/сут в течение месяца. По данным пороговая доза НЧ серебра, вызывающая вредное действие на организм мышей, составила менее 0,01 мг/кг. В совместных исследованиях ФГБНУ «Научно-исследовательский институт питания» и ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Роспотребнадзора была изучена наиболее распространенная и практически важная в России форма НЧ серебра, стабилизированного поливинилпирролидоном, на модели введения в желудочно-кишечный тракт крыс и мышей в дозах от 0,1 до 10,0 мг/кг массы тела в расчете на серебро в 90-92-суточных подострых экспериментах. При этом у мышей-самцов линии BALB/c выявлены различные дозозависимые эффекты со стороны поведенческих реакций в тесте «Открытое поле», включая уменьшение частоты действий, требующих физических усилий, и сокращение времени выполнения данных действий; повышение тревожности по показателям частоты и длительности актов ориентировочно-исследовательской активности и груминга. Морфологическое исследование выявило изменения тканей печени и селезенки, в меньшей степени - почек и сердца с нарастанием спектра и степени выраженности по мере увеличения дозы НМ. В аналогичном эксперименте на крысах-самцах линии Вистар отмечались неблагоприятные сдвиги при дозе НМ 10 мг/кг массы тела в расчете на Ag по показателям прибавки массы тела, относительной массы легких, среднего объема эритроцита, содержания и концентрации гемоглобина в эритроцитах, относительной доли нейтрофилов и лимфоцитов. В печени крыс в интервале доз НМ 1-10 мг/кг массы тела было отмечено повышение активности ключевых ферментов I и II стадий системы детоксикации ксенобиотиков, снижение активностей общих арисульфатаз А и В, в-галактозидазы (при отсутствии изменений в их неседиментируемой активности). В плазме крови выявлено снижение уровня мочевой кислоты, повышение активности щелочной фосфатазы. Подострое введение НЧ Ag не приводило к значительным изменениям в составе нормальной микробиоты, оказывая, тем не менее, угнетающее действие на рост ряда транзиторных компонентов, представленных в том числе условно-патогенными видами микроорганизмо. Анализ микроэлементного статуса крыс, получавших НЧ Ag, выявил дозозависимое накопление Ag в печени, почках и селезенке, что сопровождалось достоверным снижением содержания Cu в почках, снижением Zn и Co и повышением Mn в печени, повышением Cd, Cr и Ni в селезенке. Показатели обеспеченности Se (экскреция с мочой, содержание в плазме крови, активность глутатионпероксидазы эритроцитов) были достоверно снижены у крыс, получавших НЧ Ag в дозе 1-10 мг/кг массы тела, что свидетельствует об антагонизме Ag (в составе НЧ) и Se. Морфологические изменения в печени, селезенке и почках крыс нарастали по мере увеличения дозы НМ. При этом в печени выявлялись отек, эозинофильная и лимфомакрофагальная инфильтрация портальных трактов, средние и крупнокапельные жировые вакуоли в цитоплазме гепатоцитов. Пороговая доза НМ для этих изменений составляла не более 1,0 мг/кг массы тела.

Полученные экспериментальные данные согласуются с предположением, что основным механизмом токсического действия НЧ серебра in vivo является дозированное высвобождение ими цитотоксичных ионов серебра (Ag+ ) под воздействием продуцируемых мононуклеарными клетками эндогенных окислителей (супероксид-анион, перекиси, пероксинитрит, гипохлорит-ион и др.) в соответствующих органах-мишенях (в первую очередь в печени). При этом постулируемый в литературе эффект НЧ серебра в отношении компонентов микробиоты в восстановительной среде содержимого толстого кишечника оказывается незначительным.

На основе полученных данных был сделан вывод, что значимые признаки токсичности НЧ серебра отмечаются, начиная с дозы 1 мг/кг массы тела, вводимой перорально, и максимальная недействующая доза (NOAEL) может быть оценена как величина, равная 0,1 мг/кг массы тела. По отношению к человеку, с учетом введения двух десятикратных коэффициентов запаса, безопасная доза НЧ в расчете на серебро должна составить 0,001 мг/кг, что соответствует для человека с массой тела 70 кг дозе 70 мкг в день по серебру. Следует отметить, что данная оценка совпадает с принятым в настоящее время в России верхним допустимым уровнем потребления серебра как химического элемента.

Углеродные нанотрубки (УНТ), обладающие рядом уникальных физико-химических качеств, в настоящее время начинают широко использоваться в композитных строительных материалах, ионных источниках тока, микроэлектронике и другой продукции. Имеются предложения по использованию УНТ в качестве стимуляторов роста растений, носителей для агрохимикатов, средств контроля численности грызунов-вредителей, компонентов упаковочных материалов для пищевой продукции. Сведения о пероральной токсичности как одностенных, так и многостенных УНТ фрагментарны. Получены данные об их неблагоприятном воздействии на мужскую репродуктивную сферу, повышении уровней печеночных ферментов, оксидантном стрессе, неблагоприятных изменениях в уровнях липопротеидов. Многие эффекты УНТ в подострых экспериментах сильнее проявляются при их крайне малых дозах (менее 0,1 мг/кг массы тела), чем при больших (50 мг/кг массы тела и более). Полученные данные указывают на УНТ, контаминирующие пищевую продукцию, как возможный фактор риска для здоровья человека, требующий углубленной токсиколого-гигиенической оценки.

2. Собственные исследования

2.1 Источники наночастиц из пластика и их распространенность в природных объектах

Как правило, размер частиц микропластика находится в интервале 0,1-5000 мкм, а НП -- от 1 до 100 нм. Нанопластик может иметь разнообразную форму, включая частицы сферической либо неправильной формы, хлопья, пластинки, волокна и другие.

Контакт человека с наночасицами из пласика возможен тремя путями: через ингаляцию, пероральное поступление и кожную экспозицию. Перорально в организм человека поступают частицы, содержащиеся в питевой воде, пищевых продуктах, мигрирующие в них из контактирующих с пищей материалов. Глобальный характер контаминации биосферы нанопластиком находит выражение в том, что они присутствуют в качестве взвешенных частиц не только в воздухе рабочей зоны и помещений, но и в атмосфере, включая воздух высокогорных районов. Дополнительные количества наночастиц могут образовываться при истирании автомобильных шин, выветривании строительных конструкций из пластмасс.

Химическая структура наночастиц из пластика. В составе наночастиц выявляются частицы большинства синтетических полимеров, применяемых в промышленности и быту. Так, сообщается о присутствии в воздушной среде наночастиц полиэтилена (ПЭ), полипропилена, полиэтилентерефталата (ПЭТ), полистирола (ПС) и поливинилхлорида, полиэфиров, полиуретанов, полифенольных и эпоксидных смол, полиамидов и арамидов [5, с.2].

Наночастицы из пластика в пищевой продукции. Общее содержание наночастиц в морской воде может превышать 105 частиц/м3. Поступающий из нее в организм рыб нанопластик концентрируется в пищеварительном тракте; количество частиц микропластика размером от 0,1 до 5000 мкм может составлять в морях бассейна Атлантического океана от 1 до 7 частиц на одну рыбу. В креветках выявляется около 750 частиц/кг, в двустворчатых моллюсках 2-4000 частиц/кг. В пелагических крупных рыбах и ракообразных основная часть нанопластика сосредоточена в жабрах и пищеварительном тракте, то есть в несъедобной части. Однако это может не распространяться на мелкую рыбу, часто потребляемую целиком (кильки, шпроты, анчоусы) и в особенности на организмы-фильтраторы, такие как двустворчатые моллюски. По количеству публикаций относительно выявления в них наночастиц первое место занимают мидии. После употребления 225-граммовой порции мидий возможно поступление в организм до 900 частиц нанопластика общей массой 7 мкг.

Содержание частиц в меде составляет от 40 до 660 частиц/кг в форме волокон и 9 частиц/кг фрагментов другой формы. В пиве волокна, фрагменты и гранулы нанопластика были обнаружены в количествах соответственно 25, 33 и 17 частиц/дм3. В морской поваренной соли присутствовало от 550 до 680 частиц/кг, в выварочной озерной - 43-360 частиц/кг и в каменной 7-200 частиц/кг. С поваренной солью человек может потреблять до 4 частиц нанопластика в сутки.

МП в питьевой воде. По данным Cubadda, как питьевая, так и бутилированная вода могут быть значимыми источниками поступления нанопластика в организм человека. Многочисленные исследования выявили в водопроводной воде наночастиц пластика, представленные ПЭ или перфторэтиленом, в количестве до 10 частиц/дм3.

Наночастицы, образующиеся из бытовых отходов или выпадающие из атмосферы, загрязняют воду поверхностных водоемов. Об этом свидетельствуют данные работы, показавшей, что количество микропластика в воде централизованного водоснабжения, полученной из открытого источника на много порядков, превосходило загрязнение грунтовой воды, отобранной в том же регионе. Количество микропластика, содержащихся в бутилированной воде, может составлять от 350 до 1500 частиц/дм3, в безалкогольных напитках - от 400 до 4300 частиц/дм3. В воде и напитках, упакованных в бутылки из ПЭТ, обнаруженные ноночастицы представляли собой ПЭ, тем самым, основную роль играла, по-видимому, миграция из укупорочных материалов из ПЭ. Содержание микропластика в воде, упакованной в стеклянную тару, было ниже. Источниками нанопластика могут служить фильтры, применяемые при очистке воды.

Миграция из упаковочных материалов. Пластиковые пакетики, применяемые при заваривании чая, могут являться источниками миллиардов наночастиц. Частицы, выявленные в виноградных винах, как и в случае бутилированной воды, могут происходить из пластмассовых укупорочных материалов.

Токсичность нанопластика. C позиции гигиенической оценки рисков наночастиц из пластика для здоровья человека наибольший интерес представляют данные об их воздействии на клетки млекопитающих и человека in vitro, а также о токсичности in vivo.

Данные исследований in vitro [5]. В модельных системах in vitro показано, что частицы нанопластика (главным образом ПС) и в меньшей степени микропластика захватывались клетками слизистой оболочки кишки, респираторного тракта и иммунной системы по механизмам энергозависимого и клатрин-зависимого эндоцитоза. При прочих равных условиях захват частиц снижался с ростом их диаметра. Модифицированные аминогруппами положительно заряженные микропластики ПС сильнее захватывались клетками и были более цитотоксичными в сравнении с отрицательно заряженными или нейтральными. Цитотоксичность нанапластика и микропластика ПС для клеток кишечного эпителия Caco-2 была низкой и соответствовала угнетению их жизнеспособности не более чем на 20%. Несмотря на это, захват и перенос нанопласстика монослоями клеток Caco-2 был значительным. Нанопластик ПС обладали сравнительно высокой цитотоксичностью для клеток бронхолегочного эпителия, повреждение которых развивалось, предположительно, по механизму окислительного стресса. В культурах клеток иммунной системы, включая моноциты, дифференцированные макрофаги и ряд линий не фагоцитирующих клеток, нанопластики вызывали эффекты воспаления с выработкой провоспалительных цитокинов. В аналогичных условиях микропластики полипропилена размером 20 мкм и более имели низкую цитотоксичность.

Ограничения и проблемы, возникающие при интерпретации работ in vitro, связаны, во-первых, с трудностями в соотнесении действующих концентраций частиц с их уровнями in vivo, тем более что признаки клеточной токсичности наночастиц часто отсутствовали либо проявлялись только при очень высоких концентрациях. Во-вторых, не известно, проявляют ли наночастицы из пластика свое цитотоксическое действие непосредственно в корпускулярной форме либо же посредством эмиссии токсичных веществ. В-третьих, в подавляющем большинстве проведенных исследований in vitro наночастицы не проходили тестирование на контаминацию бактериальным эндотоксином, способным значительно исказить получаемые данные. Это было характерно даже для тех работ, где препараты эндотоксинов использовались в качестве положительных контролей.

Токсичность in vivo. Ключевым вопросом в оценке рисков нанопластика для здоровья человека является характеристика опасности in vivo, то есть способности вызывать патологические изменения.

Всасывание и системная транслокация наночастиц из пластика. В настоящее время получен целый ряд экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что нанопластик способен к кишечному всасыванию с последующим переносом во внутренние органы с током крови или лимфы. У мышей после перорального или внутрижелудочного введения нанопластика могут быть обнаружены в кишечнике, печени и почках. Накопление наночастиц ПС в селезенке, легких, почках, тонком и толстом кишечнике, яичниках и головном мозге мышей наблюдали после их перорального введения в течение 14 и 28 сут. После скармливания мышам флуоресцентно-меченных нанопластиков диаметром 5 мкм они были выявлены в костном мозге. В результате 35-суточного введения самкам мышей наночастиц ПС их обнаружили в ткани сердца, печени, селезенки, легких, почек, головного мозга, толстой и тонкой кишки, матки, яичников и в крови [5, с.5]. Кишечное всасывание наночастиц ПС размером 1 мкм было подтверждено с использованием радиоизотопной метки. Миикропластик ПЭ после 28-суточного внутрижелудочного введения мышам ICR были выявлены только в ткани легких.

2.2 Санитарно-эпидемиологический надзор за пищевой продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащей наноматериалы

При постановке на производство. При проведении санитарно-эпидемиологического надзо¬ра осуществляются:

-- санитарно-эпидемиологическая экспертиза технической документации на соответствие пищевого продукта установленным нормативным требованиям;

-- экспертиза проекта этикетки и потребительской упаковки пищевой продукции на соответ¬ствие установленным требованиям;