Characterization of silver nanoparticles migration from packagematerials destined for contact with foods

AbstractThere was studied migration of artificial silver nanoparticles from polyethylene films destined for package of such foods as bread and poultry into model media reproducing physico-chemical properties and composition of said products. Modification of films was performed by 5- or 10-fold spraying of silver nanoparticles on the surface of package material. Model media were composed from water, alcohol and plant oil according to US FDA and Russian Federal Service for Surveillance of Consumer Rights Protection and Human Well-Being official recommendation. Nanoparticles were detected in model media by means of transmission electron and atomic force microscopy. Quantification of silver in nanoparticles migrating from films was performed by mass-spectrometry with inductively coupled plasma. The results obtained showed that silver migrated from films into test media in form of nanoparticles with mean diameter close to 10–20 nm. Migrated particles were partially aggregated to complexes with dimension about 50 nm with degree of aggregation depending on media composition. Quantification showed that amounts of silver nanoparticles migrating in foods did not exceed save level of this nanomaterial consumption even in aggravated conditions when almost all volume of product was consumed in form packaged in films modified with nanosilver.

Keywords:nanoparticles, silver, package materials, migration, food, safety

Вопр. питания. - 2012. - № 2. - С. 34-39.

В настоящее время в производстве материала, предназначенного для упаковки пищевых продуктов, стали довольно широко применять наночастицы (НЧ) различных химических элементов [6, 8, 13-16]. Однако существующая миграция НЧ из упаковочного материала в пищевой продукт может быть источником попадания этих частиц в организм человека. Вследствие наличия у многих видов НЧ новых, недостаточно хорошо изученных свойств, в том числе возможной токсичности для живых организмов [1, 9, 10-12, 14, 16], упаковочные материалы с НЧ должны рассматриваться как потенциальный источник риска для здоровья населения. Ключевым моментом при оценке безопасности упаковочных материалов является количественная характеристика миграции НЧ из них в пищевой продукт [15].

Одним из приоритетных видов искусственных наноматериалов являются НЧ металлического серебра (НМС). Модификация НМС упаковочных материалов осуществляется в целях придания им антимикробных свойств, что позволяет значительно снизить риск микробиологической контаминации продуктов и увеличить их срок годности [13]. Согласно действующим гигиеническим нормативам, НМС нормируются в составе питьевой воды, ориентировочный безопасный уровень воздействия (ОБУВ) при этом составляет 50 мкг/л [2]. В остальных видах пищевой продукции в настоящее время НМС не нормируются.

Целями настоящей работы являются изучение миграции НМС из содержащих их упаковочных материалов и оценка возможного поступления этих частиц в пищевые продукты, расфасованные в такую упаковку.

Материал и методы

Для исследования использовали контрольные и обработанные серебром образцы упаковочных пленок на основе полиэтилена с 5- и 10-кратным напылением НМС, предназначенные для хранения хлеба и мяса птицы.

Миграцию НМС из образцов упаковочных материалов изучали в соответствии с МУ 1.2.2637-10 [6, 7]. В качестве модельных сред использовали 4 вида жидкостей, состав которых представлен в табл. 1 [7, 15]. Соотношение между объемом модельной среды и поверхностью тестируемого образца упаковочного материала составляло 1 см3 модельной среды на 2 см2 поверхности пленок с односторонним напылением НЧ серебра. Образцы упаковочных материалов с точно измеренной (±0,25 мм2) площадью поверхности и рассчитанное количество модельной среды помещали в плоскодонные колбы, и при легком встряхивании осуществляли их инкубацию. Температурный режим и время инкубации выбирали в соответствии с МУ 1.2.2637-10 [7]. По окончании инкубации

отбирали жидкую фазу и ее делили на 2 части. В образце № 1 определяли содержание серебра методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) согласно МР 1.2.2641-10 [5]. Вторую часть пробы объемом 2,5-3 см3 подвергали 10-кратному концентрированию путем центрифугирования при ускорении 10 000 об/мин и температуре +4 оC в течение 1 ч, после чего осадок с небольшим количеством надосадочной жидкости (0,25 см3) гомогенизировали. Полученный образец делили на две равные части, получая образцы № 2 и 3. Образец № 2 был предназначен для исследования методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на "NTegra" ("НТ-МДТ", Россия) с применением полуконтактного метода (топография) с кантилевером NSG10-A. Радиус кривизны иглы кантилевера составлял 10 нм, резонансная частота - от 140 до 390 кГц, силовая константа - от 5,5 до 22,5 Н/м. Образец № 3 использовали для исследования с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (электронный микроскоп CX-100, "Jeol", Япония, при ускоряющем напряжении 80 кВ и увеличении от Ч25 000 до Ч80 000) в соответствии с утвержденным методом [3, 5, 18].

Расчет возможного поступления НМС из продуктов, упакованных в пленку, содержащей НМС, проводили по формуле:

E = (1/365) c Ч m,

где с - годовое среднедушевое потребление каждого пищевого продукта, m - миграция НЧ в модельную среду.

В связи с тем, что данных об относительной доле наномодифицированного упаковочного материала в общем объеме упаковочных материалов любого типа в настоящее время нет, исходили из того предположения, что все используемые упаковочные материалы были наномодифицированы, что позволяет осуществить оценку сверху.

Расчет поступления НМС, используемых в упаковочном материале для пищевых продуктов, представляли как отношение уровня суточной экспозиции НМС к верхнему допустимому уровню суточного потребления серебра (независимо от его химической формы), составляющий 70 мкг/сут [4].

Таблица 1. Состав модельных сред

Результаты и обсуждение

Во всех исследуемых образцах модельных сред методом ПЭМ удалось обнаружить агрегаты НЧ серебра разного размера (рис. 1). Основная часть НЧ в препарате имела диаметр 10-20 нм, более крупная фракция была представлена частицами серебра диаметром до 50 нм. Для частиц серебра в препарате характерно формирование агрегатов разной плотности (рис. 1) в зависимости от состава модельной среды, использованной при оценке миграции НМС из пленки. Так, если в препаратах в качестве модельных сред использовалось подсолнечное масло, визуализированные агрегаты были упакованы плотнее и частицы в них оказались более крупными (рис. 1, В, Е). Если в качестве модельных сред были использованы водные и водно-спиртовые среды (рис. 1, А, Б, Г, Д), визуализированные агрегаты были рыхлыми, более крупного размера. Снятие дифрактограмм с групп выбранных агрегатов позволило идентифицировать в их составе серебро.

Результаты исследований методом АСМ проб модельных сред "ПЭ пленка с Ag (10-кратное напыление)" представлены на рис. 2. Были получены характерные изображения НМС, группирующиеся в неправильные или имеющие форму цепочек агрегаты. Для обнаруженных НМС среднее значение высоты НЧ составило 11,2 нм, стандартное отклонение высоты - 5,32 нм (рис. 3). Неодномодальный характер распределения НМС по их кажущимся размерам, представленный на рисунке, свидетельствует, по-видимому, о сложном, неодноступенчатом механизме агрегации, состоящем на I стадии в образовании плотных агрегатов 2-3 НМС с их последующим слипанием в рыхлые вторичные кластеры.

При использовании в качестве модельной среды растительного масла метод АСМ не позволил достоверно выявить наличие НМС из-за наличия на поверхности, подвергавшейся сканированию, глобул масляной эмульсии микронного или субмикронного размера, мешавших обнаружению НМС с диаметром на 1-2 порядка меньшим (данные не представлены).

Таким образом, исследование образцов модельных сред, содержащих НМС, методами ПЭМ и АСМ подтвердило, что НМС мигрирует в модельные среды в форме НЧ, которые подвергаются затем вторичной агрегации в процессе пробоподготовки.

Результаты количественного определения серебра в составе модельных сред методом ICPMS представлены в табл. 2. Видно что, высокая чувствительность метода ICP-MS позволила обнаружить присутствие серебра во всех пробах. Для всех образцов упаковочных материалов с НМС выявлена их миграция в модельные среды, существенно превосходящая фоновые значения для контрольных, не обработанных НМС, образцов. Следует отметить, что миграция НМС из пленки, предназначенной для хранения мяса птицы, в модельную среду № 1 была меньше, чем в модельные среды № 2-4. Следовательно, при использовании этой пленки не по назначению миграция НМС в другие виды пищевой продукции будет резко увеличиваться. Иные результаты получены при изучении миграции НМС из пленки, предназначенной для упаковки хлеба: здесь наибольшая миграция НМС наблюдалась именно в модельную среду № 1. Полученные данные требуют дополнительных исследований с целью объяснения этого факта.

Определенные величины миграции в модельные среды в ряде случаев характеризовались расхождением между параллельными опытами в 10 раз и более, что может быть следствием неравномерности напыления серебра на пленку.

Результаты расчета возможного поступления НМС из пищевых продуктов, упакованных в предлагаемые пленки (при том допущении, что все хлебобулочные изделия и мясо птицы будут упакованы в эти пленки), показали, что суммарная экспозиция НМС составляет в среднем 35,9 мкг на человека в сут (50% от верхнего допустимого уровня суточного поступления). Однако ввиду того что далеко не все указанные пищевые продукты могут быть упакованы в пленки, содержащие НМС, возможное поступление данных частиц (за счет их миграции) в пищевые продукты будет значительно ниже.

В заключение следует отметить, что результаты проведенных исследований свидетельствуют о наличии миграции НМС из содержащих их упаковочных материалов в пищевые продукты. Однако даже в аггравированных условиях при использовании упаковочных материалов, содержащих НМС, суточное поступление серебра не будет превышать его верхний допустимый уровень.

Настоящая работа выполнена за счет средств Федерального бюджета, по государственному контракту с Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2011 гг.".

Рис. 1. Электронные микрофотографии НМС, выявленных в образцах модельных сред:

a - упаковочный материал "ПЭ пакет с Ag (5-кратное напыление)", модельная среда № 1;

б - упаковочный материал "ПЭ пакет с Ag (5-кратное напыление)", модельная среда № 3;

в - упаковочный материал "ПЭ пакет с Ag (5-кратное напыление)", модельная среда № 4;

г - упаковочный материал "ПЭ пакет с Ag (10-кратное напыление)", модельная среда № 1;

д - упаковочный материал "ПЭ пакет с Ag (10-кратное напыление)", модельная среда № 3;

е - упаковочный материал "ПЭ пакет с Ag (10-кратное напыление)", модельная среда № 4

Рис. 2. Изображения НМС, полученных из проб модельных сред методом АСМ. Образец "ПЭ пакет с Ag (10-кратное напыление)", модельная среда № 2: вода (а) и 10% этанол (б). Размер области сканирования соответственно 1Ч1 и 2Ч2 мкм

Рис. 3. Распределение по размерам НМС, мигрировавших в модельную среду № 1 из образца "ПЭ пакет с Ag (10-кратное напыление)" по данным АСМ По оси абсцисс - размер частиц нм, по оси ординат - число частиц в интервале размеров ±4 нм

Таблица 2. Миграция наночастиц серебра из упаковочных материалов в модельные среды

Литература

1. Гмошинский И.В., Смирнова В.В., Хотимченко С.А. // Рос. нанотехнологии. - 2010. - № 6. - С. 6-10.

2. ГН 1.2.2633-10 "Гигиенические нормативы содержания приоритетных наноматериалов в объектах окружающей среды".

3. МР 1.2.2639-10 "Использование методов количественного определения наноматериалов на предприятиях наноиндустрии и в контролирующих организациях". - М.: Роспотребнадзор, 2010. - 25 с.

4. МР 2.3.1.1915-04 "Рекомендуемые уровни потребления пищевых и биологически активных веществ". - М.: Роспотебнадзор, 2004. - 20 с.

5. МР 1.2.2641-10 "Определение приоритетных видов наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и живых организмах". - М.: Роспотребнадзор, 2010. - 75 с.

6. МУ 1.2.2638-10 "Оценка безопасности контактирующих с пищевыми продуктами упаковочных материалов, полученных с использованием нанотехнологий". - М.: Роспотребнадзор, 2010. - 42 с.

7. МУ 1.2.2637-10 "Порядок и методы проведения контроля миграции наночастиц из упаковочных материалов". - М.: Роспотребнадзор, 2010. - 38 с.

8. Невзорова В.В., Гмошинский И.В., Хотимченко С.А. // Вопр. питания. - 2009. - Т. 78, № 4. - С. 54-60.

9. Онищенко Г.Г., Арчаков А.И., Бессонов В.В. и др. // Гиг. и сан. - 2007. - № 6. - С. 3-10.

10. Онищенко Г.Г., Тутельян В.А. // Вопр. питания. - 2007. -Т. 76, № 6. - С. 4-8.

11. Тутельян В.А., Хотимченко С.А., Гмошинский И.В. и др. // Здоровье населения и среда обитания. - 2011. - № 5. - С. 15-18.

12. Шумакова А.А., Смирнова В.В., Тананова О.Н. и др. // Вопр. питания. - 2011. - Т. 80, № 6. - С. 9-18.

13. Chaudhry Q., Scotter M., Blackburn J. et al. // Food Addit. Contam. - 2008. - Vol. 25, N 3. - P. 241-258.

14. Kuzma J., Romanchek J., Kokotovich A. // Risk Anal. - 2008. - Vol. 28, N 4. - P. 1081-1098.

15. Taylor M.R. Assuring the Safety of Nanomaterials in Food Packaging: the Regulatory Process and Key Issues. - Woodrow Wilson International Center for Scholars. Project on emerging nanotechnologies, 2008. - 100 p.

16. Tiede K., Boxall A.B., Tear S.P. et al. // Food Addit. Contam. - 2008. - Vol. 25, N 7. - Р. 795-821.