CC BY
65
►АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
| ТЕМА НОМЕРА]
УДК 330.341.1: 62.001.7:664: 621.798.1 (045)
Анализ наночастиц в пищевых продуктах и упаковочных материалах
методом электронной микроскопии
Ключевые слова: анализ; наночасти-цы; нанотехнологии; токсичность; пищевые продукты; упаковка; обнаружение.
Keywords: analysis, nanoparticles, nanotechnology, toxicity, food products, packing, detection.
Н.В. Осташенкова, канд. техн. наук, проф., Н.Н. Котова, канд. техн. наук, доцент, О.В. Красноярова, аспирант
Московский государственный университет пищевых производств
Конец XX- начало XXI века ознаменовались формированием одной из ключевых технологий будущего -нанотехнологии, первое определение которой ввел в 1974 г. японский профессор Норио Танигухи как «технологии, контролирующей поведение и/или структуру на уровне молекул и атомов».
Сегодня под нанотехнологией понимают технологию получения объектов с характерными структурами размером менее 100 нм (1 нм -10-9 м).
В настоящее время растет число публикаций по пищевым нанотехно-логиям. Мировой уровень объема продаж нанопродуктов в пищевом секторе и в секторе упаковки напитков непрерывно увеличивается и следует ожидать, что такая тенденция сохранится и в дальнейшем [1].
Перспективные области применения нанотехнологий в пищевой промышленности: функциональные продукты (здоровое питание); изменение структур продуктов и основных компонентов (наноэмульсии, нанопорошки); нанофильтрация (выделение чистых пищевых ингредиентов и тонкая очистка жидких пищевых сред); упаковочные материалы нового поколения; анализ ка-
чества пищевых продуктов, оценка их безопасности (биосенсоры).
Развитие нанотехнологий происходит быстрыми темпами и в будущем увеличится количество продуктов, содержащих наночастицы, о свойствах и токсичности которых в настоящее время известно мало. Из-за малых размеров наночастицы легко проникают через естественные биологические барьеры (клетки, мембраны и т. д.), изменяют физико-химические свойства биоматериалов. Пищевые продукты имеют собственные нанонутриенты (белки, ли-пиды и т. д.), а также могут иметь чужеродные включения (пыль) и искусственно введенные в продукты наночастицы. На сегодняшний день недостаточно проработаны и изучены вопросы пищевой безопасности наноматериалов. Поскольку естественные пищевые наночастицы не опасны с точки зрения токсикологии, то, в первую очередь, встает вопрос о методах обнаружения и количественного определения искусственных наночастиц в продуктах пищевой промышленности и упаковочных материалах [2]. Предполагается, что к 2015 г. доля упаковочных материалов с применением нанотехнологий составит не менее 25 % [3]. Такие
упаковочные материалы увеличивают сроки годности пищевых продуктов. Установлено, что использование наноразмерного диоксида титана и наноструктурированных алюмосиликатов (глина) при производстве упаковки пищевых продуктов и напитков приводит к улучшению барьерных свойств упаковки [3]. Это происходит за счет снижения микробной контаминации (уменьшение размеров пор), снижения воздействия УФ-излучения (наночастицы диоксида титана поглощают УФ-излучение) и повышения газобарьерных свойств упаковки путем модификации полимерных материалов частицами на-ноглин. В целях активного предохранения продуктов от микробиологической порчи в состав упаковки вводят наночастицы серебра и оксида цинка [4], которые обладают антимикробным действием. Поэтому проблема определения содержания наночастиц в пищевых объектах чрезвычайно актуальна как для России, так и для мирового сообщества.
Ограниченность знаний о наличии наночастиц в пищевых продуктах и упаковке обусловлена отсутствием методологии их обнаружения и определения характеристических свойств.
Жидкие и твердофазные пищевые системы представляют особый по сложности объект для обнаружения и количественного анализа искусственных наночастиц.
ANALYTICAL DEVICES FOR FOOD PROCESSING INDUSTRY
<W£f«nM 44.1« rm ^43.08 „„,
т43'6®^! « 62.77 nm
48.69 пгщ^э rxn „.. / ,50,60 nm
ft J ^ %
/■\ U.S7 nm r
^ Î2.S1 nm/ ^ 64.04 nm
42.19 ncn K^ 42,78 ^
V^1 u«i™\ Б7.77 nm 61,19 tun /
j ™ MOlnm S6.61 nm Щ
WJ6mn ^ 41.18 nm / 43.88 nm
Г 62.00im ' ЛВ.вЗ nm 62.61 nm i—i t44 00nm J-
i / У 48.04 nm 4&S3 nm 48.00 nm
Э2_31 tun '< nm 6016 nm S
Г _ ^TTJtOmu т
32.26 nm V / I
/ 44.72 nm Л" nm nm ^
^«nUMrt, /У S llSOnrr
Л9.62 nm 76.16 nm
48.62 nm_fifiJ4 nm 42.19 nm У 6128 nm
15kV XIQfl^WnnP-^im_/11 OS SEI ^
Рис. 2. Микрофотография образца колбасной оболочки с наночастицами серебра, полученные методом сканирующей электронной микроскопии На рисунке видны наночастицы серебра на поверхности оболочки. Большинство наночастиц имеет сферическую форму.
Проведение качественных и количественных измерений объектов в нанометровом диапазоне (1-100 нм) требует применения, прежде всего, методов электронной микроскопии, а также сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Определение геометрических размеров искусственных наночастиц, обнаруженных в пищевых продуктах и упаковке, -основной критерий, определяющий их безопасность. На сегодняшний день метод сканирующей зондовой микроскопии метрологически аттестован, что позволяет принимать полученные результаты измерений в качестве достоверных [5].
Цель наших исследований - выявление и обоснование методов обнаружения и количественного определения наночастиц в пищевых продуктах и упаковочных материалах.
В качестве наноматериалов для исследования были выбраны суспензия коллоидного серебра, кристаллический диоксид титана и нанопо-рошок оксида цинка. Выбор наночастиц обусловлен составом известных упаковочных материалов для пищевых продуктов. Предполагается, что при контакте с пищей наночастицы частично могут мигрировать из упаковки в продукт. Для обнаружения наночастиц на поверхности упаковочного материала радиационно-химическим методом были получены модельные образцы колбасной оболочки с наночастицами серебра [6]. Для проведения испытаний жидких пищевых продуктов с наночастицами готовили модельные образцы путем внесения водных дисперсий
соответствующих наночастиц в молоко (0,5 %-ное молоко «Домик в деревне») и в пиво (пиво «Портер-Балтика»).
Пробоподготовка образцов пищевой продукции и пищевой упаковки для проведения измерений существенным образом зависит от выбранного метода анализа. Наши исследования по пробоподготовке образцов для последующего анализа методами электронной микроскопии показали, что невозможно создать унифицированную методику для всех групп пищевых продуктов.
Исследования проводили с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) JEOL JSM-6490LV (Япония), просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) JEOL JSM-100CX/SEG (Япония).
К достоинствам метода просвечивающей электронной микроскопии можно отнести возможность анализа всего объема образца. За счет этой особенности данный метод позволяет гораздо наглядней, чем СЗМ, производить счет количества наночастиц в единице объема и, соответственно, определять их концентрацию и распределение по размерам. Задача измерения геометрических параметров наночастиц - наиболее сложная и решается с помощью метода сканирующей зондовой микроскопии. Именно измерения в нанометровом диапазоне будут определять степень метрологического обеспечения всей наноиндустрии в целом.
На рис. 1 представлены микрофотографии суспензий наночастиц ТЮ.
в пиве и в воде, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии, а на рис. 2 - микрофотография образца колбасной оболочки с наносеребром, полученная методом сканирующей электронной микроскопии.
Математическая обработка полученных данных показала распределение частиц по размерам (рис. 3). Средний размер наночастиц - 50 нм.
Таким образом, проведенные исследования показали, что метод электронной микроскопии (просвечивающей и сканирующей) дает возможность обнаруживать и количественно оценивать содержание на-ночастиц в пищевых продуктах и упаковочных материалах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Попов К.И., Филиппов А.Н., Хур-шудян С.А. Пищевые нанотехноло-гии//Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева. 2009. Т. LIII. № 2. С. 86-97.
2. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ N54 от 23.07.2007 «О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащих наноматериалы».
3. Chaudhry Q, Scotter M., Blackbum J., Boxall A, Castle M., Altken R, Watrins R. Applications and implications of nanotechnologies for food sector//Food Additives and Contaminais. 2008. V. 25. P. 241-258.
4. Miller G., Senjen R. Out of the laboratory and on to our Platls. Nanotechnology in Food & Agriculture. - Friends of the Earth. Australia Nanotechnology Project, 2008. http: nano.foc.org.au
5. Новиков Ю, Тодуа П. Нанотех-нология и нанометрология//Нано-индустрия. 2007. № 1. С. 20-22.
6. Сергеев Г. Нанохимия. - М.: Изд-во МГУ, 2007.
