Характеристика миграции наночастиц серебра из упаковочных материалов, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами

РезюмеИзучена миграция искусственных наночастиц (НЧ) металлического серебра из полиэтиленовых пленок, предназначенных для упаковки и хранения таких пищевых продуктов, как хлеб и мясо птицы, в модельные среды, воспроизводящие основные особенности физикохимических свойств и состава рассматриваемых пищевых продуктов. Модификация упаковочных пленок проведена путем поверхностного 5- или 10-кратного напыления НЧ. В состав модельных сред входили вода, этиловый спирт и растительное масло в соответствии с методическими указаниями Роспотребнадзора и совпадающими с ними рекомендациями FDA США. НЧ были выявлены в модельных средах с использованием методов трансмиссионной электронной и атомно- силовой микроскопии. Количественный анализ серебра в наночастицах, мигрировавших из пленок, проведен методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Полученные результаты показали, что серебро мигрировало из тестируемых пленок в модельные среды в виде НЧ диаметром 10-20 нм. Эти НЧ были частично агрегированы в комплексы размером около 50 нм, причем степень агрегации зависела от состава модельной среды. Количественный анализ показал, что величина поступления НЧ серебра из упаковочных материалов в пищевые продукты не превосходит безопасного уровня потребления этого наноматериала даже в аггравированных условиях, когда большая часть потребляемых продуктов заключается в упаковку, произведенную из пленок, модифицированных наносеребром.

Ключевые слова:наночастицы, серебро, упаковочные материалы, миграция, пищевые продукты, безопасность

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.