CC BY
31
УДК:664:330.341.1.62.001.7 (00)
Детектирование наночастиц серебра в молоке
методом лазерного динамического светорассеяния
О.В. Рыхтик, В.Г. Панфёров, Н.Н. Котова, канд. хим наук, доцент, К.И. Попов, д-р хим. наук, профессор Московский государственный университет пищевых производств А.Ш. Абдулпатахов
ГБОУ № 204, г. Москва
В последние годы нанотехнологии интенсивно внедряются в пищевой промышленности [1, 2]. В связи с этим возникает проблема выявления соответствия продукта понятию «на-нопродукт». Кроме того, возможна контаминация пищевой продукции наночастицами, поступающими в него из упаковки, в частности - наночастицами серебра [3]. Несмотря на очевидные преимущества пище-
Метод динамического лазерного светорассеяния принципиально позволяет обнаружить инженерные наночастицы серебра в молоке.
Ключевые слова: наночастицы серебра; молоко; детектирование; динамическое лазерное рассеяние света.
Key words: silver nanoparticles; milk; detection; dynamic laser light scattering.
вых нанотехнологии, однозначного ответа о безопасности воздействия таких наночастиц на организм человека пока нет, а результаты воздействия их на организм при оральном поступлении с пищей изучены недостаточно [4].
Существующие методы обнаружения и контроля наночастиц в пищевой продукции имеют существенные ограничения. Основные трудности в выборе метода обнаружения введенных наночастиц связаны с тем, что пищевые матриксы содержат естественные частицы (агрегаты белков, жиров, полисахаридов), соразмерные с искусственно введенными наночастицами, что существенно затрудняет анализ. Кроме того, получившие широкое распространение методы, базирующиеся на просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ), требуют высушивания пробы, что может приводить к агрегации и ложноотрицательным результатам. В целом, универсальные
методы детектирования искусственно введенных наночастиц в пищевых продуктах и упаковочных материалов отсутствуют [5].
В данной работе экспериментально исследована возможность детектирования наночастиц серебра в модельных системах на основе молока методом динамического лазерного рассеяния света (ДЛС). Присутствие в пищевых продуктах наночастиц серебра может быть обусловлено их миграцией в продукт из антибактериального слоя поверхности упаковочного материала. Для жидких пищевых продуктов метод ДЛС не требует пробоподготовки. Следовательно, он свободен от проблем, связанных с высушиванием пробы, характерных для ПЭМ и АСМ [6]. Вместе с тем, всегда существует угроза ассоциации наносеребра с капельками жира или молекулами белка, маскирующей наночастицы.
В работе использовали молоко «Домик в деревне» (жирность 0,5%), деионизированную воду (прибор «Водолей») и раствор нано-серебра в воде с концентрацией 50 мг/л, предоставленный А.И. Сазоновым (МАТИ). Наносеребро получали в дуговом разряде из Ag-электро-дов.
Измерения проводили на лазерном анализаторе размеров частиц Zetatrac (MicrotracInc., США) с длиной волны лазерного диода 780 нм, при угле рассеяния 180° в диапазоне гидродинамических значений диа-
метра частиц от 0,8 до 6500 нм при 25 °C. Для каждого исследуемого образца была проведена серия измерений для обеспечения достаточной статистической выборки, обработку полученных данных проводили с помощью программного обеспечения Microtrac FLEX 10.5.4. Необходимые для измерения данные по плотности серебра, плотности молока и др. были взяты из работы [7].
Молоко в неразбавленном и разбавленном состоянии смешивали с водным раствором серебра в объемном соотношении 1:1, выдерживали 10 мин до установления равновесия и помещали в измерительную кювету. Аналогичным образом разбавляли водой раствор серебра и молоко. Эти образцы служили растворами сравнения.
Кроме того, с целью анализа влияния разбавления молока водой на размер его натуральных частиц проводили серию разбавлений 1:10; 1:100; 1:200; 1:400; 1:500; 1:600; 1:800 и 1:1000. Параллельно были получены образцы молока, из которых перед разбавлением молока водой удаляли жир при помощи центрифуги с охлаждением при 13 тыс. мин-1 в течение 5 мин при температуре -5 оС. После этого молоко подвергали повторному центрифугированию при этих же условиях с целью максимального удаления жира и белка молока. Результаты представлены на рис. 1-5 и в таблице.
Как видно из рис. 1, исходный образец молока не содержал наночас-тиц. Размеры частиц эмульсии соответствовали диапазону от 150 до 1100 нм, что соответствует наличию в образце мицелл казеина (150-300 нм) и капелек молочного жира (8001000 нм) и хорошо согласуется с литературными данными [8]. Средне-числовые значения гидродинамического диаметра составили 270±30 нм, а среднеобъемные - 354±40 нм.
Оказалось, что по мере разбавления до 1:500 среднечисловой размер частиц молока монотонно уменьшается до 149 нм, а среднеобъемный -до 270 нм. При этом в системе появляются фракции наночастиц размером 70-100 нм. Вероятно, это уменьшение размеров является результатом дезагрегации мицелл казеина и жира при разбавлении. Таким образом, «нанодиапазон» оказывается для молока свободным от натуральных наночастиц, и если таковые появляются, то их целиком можно отнести к искусственно введенным или контаминантным наночастицам.
Как видно из рис. 2, исходный раствор серебра соответствует понятию нанодисперсии со среднечисловым
гидродинамическим диаметром 13 нм и среднеобъемным - 14 нм в очень узком диапазоне размеров от 10 до 15 нм, не перекрывающемся с размерами частиц казеина и жира.
Вместе с тем, объемное распределение выявило наличие малой доли более крупных частиц серебра в диапазоне от 80-110 нм, вероятно, указывающее на незначительную агрегацию частиц. При смешении равных объемов неразбавленного молока и исходного водного раствора серебра обнаружить серебро на гистограммах не удалось ни в среднечисло-вом, ни в среднеобъемном режиме наблюдения (рис. 3).
Вероятно, это происходит вследствие недостаточной чувствительности метода: количество и объем натуральных частиц молока настолько велики по сравнению с количеством и объемом фракции наносеребра, что последняя оказывается на уровне «шумов». Другим объяснением могла бы служить гомо- или гетероагре-гация частиц серебра, вызванная взаимодействием с компонентами молока. Однако это не так. При введении серебра в разбавленное молоко, фракция наносеребра проявляется как в среднечисловом, так и в среднеобъемном представлении (рис. 4).
При этом на гистограмме числового распределения натуральных частиц молока не наблюдали. Это связано с тем, что число частиц молока в данной системе мало относительно числа частиц серебра. Однако на объемном распределении частицы молока достаточно большого объема по сравнению с объемом частиц серебра и поэтому они регистрируются вместе с частицами серебра. Молоко вызывает слабую агрегацию частиц серебра. Их среднечисловой диаметр увеличивается с 13 до 21,7 нм.
Необходимо отметить, что когда в результате центрифугирования из исходного молока была удалена большая часть жира и белка, необходимый для обнаружения частиц серебра предел разбавления существенно снизился. Таким образом, центрифугирование можно рассматривать как полезный этап пробопод-готовки. Однако в самом молоке при этом увеличилась доля наночастиц: нижний предел размеров частиц в неразбавленном молоке снизился до 85 нм, сужая «окно» наблюдения и обнаружения контаминантных нано-компонентов (рис. 5).
Таким образом, метод динамического лазерного светорассеяния принципиально позволяет обнаружить инженерные наночастицы серебра в молоке на фоне натураль-
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
Га L.i.ijjjiü ЩЛл--
V
:::::: : :::::: : :::::: :!
1 i J 1
'-----\----------
- ........1.........1--г-........1--Л ........
..... ........Г
: ::::::: : : :: : ----- ...
■■: : ■ :
.......... ......1" :
.......... М-
:::::: : :: : : .....2 "
......i.^..;.;.. : ...../ .
............ ,,„;/.....
Size(H Kilometer s >
А
Sizeillanometei si
Б
Рис. 1. Гистограммы числового распределения (А) и объемного распределения (Б) значений гидродинамического диаметра натуральных частиц в молоке «Домик в деревне» (0,5% жирности) при 25 оС
SfretilMwnetoraQ
Б
Рис. 2. Гистограммы числового распределения (А) и объемного распределения (Б) значений гидродинамического диаметра частиц серебра в воде при концентрации 25 мг/л при 25 оС
'-1 .'I ■ I >1 'I 5-
А Б
Рис. 3. Гистограммы числового (А) и объемного распределения (Б) значений гидродинамического диаметра частиц в пищевой модельной системе «серебро в молоке» (неразбавленное молоко, концентрации серебра - 25 мг/л) при 25 оС
А Б
Рис. 4. Гистограмма числового распределения (А) и объемного распределения (Б) значений гидродинамического диаметра частиц в пищевой модельной системе «серебро в молоке» (разбавление молока 1:500, концентрация серебра - 25 мг/л) при 25 оС
10 100 Size(Nanometers)
10 000
□,1 1 10 100 10ОО
У? <М 11<4 6:
А Б
Рис. 5. Гистограмма числового распределения (А) и объемного распределения (Б) значений гидродинамического диаметра частиц в отцентрифугированном молоке
А
Результаты определения гидродинамического диаметра частиц в системах «наносеребро - молоко»
Анализируемая система Содержание серебра, Содержание Гидродинамический диаметр частиц, нм
мг/л молока, % среднечисловой среднеобъемный
Молоко неразбавленное 0 100 270,1+30 354,2+40
Молоко разбавленное (1:500) 0 0.2 148,9+10 270,1+25
Водная дисперсия наносеребра: основная фракция фракция агрегированных частиц 25 0 13 + 5 14,19+10 100+15
Модельная система «серебро в молоке» 25 0.2 21,7+5 15,35+10
Отцентрифугированное молоко 0 100 110 +25 200+20
ных компонентов молока, если их гидродинамический диаметр находится в пределах от 5 до 80 нм и если эти частицы не образуют с молоком ассоциатов. Уточнение условий анализа должно стать предметом дальнейших исследований.
Исследования выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки России (государственное задание ФГБОУ ВПО «МГУПП» на 2013 г., проект № 4.2214.2011).
ЛИТЕРАТУРА
1. Попов, К.И. Пищевые нанотех-нологии/К.И. Попов, А.Н. Филип-
пов, С.А. Хуршудян//Российский химический журнал (Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева). - 2009. - Т. LIII. -№ 2. - C. 86-97.
2. Blasco, С. Characterization, Analysis and Risks of Nanomaterials in Environmental and Food Samples/C. Blasco, Y. Picy//Trends in Analytical Chemistry. - 2011. - Vol. 30. - Iss. 1. -Р. 84-99.
3. Simon, Р. Migration of engineered nanoparticles from polymer packaging to food - a physicochemical view/P. Simon, Q. Chaudry, D. Bakos//J. of Food and Nutrition Research. - 2008. - Vol. 47. - No 3. - P. 105-113.
4. К вопросу о токсичности наночастиц серебра при пероральном введении коллоидного раствора/ Е.Н. Петрицкая [и др.]//Альманах клинической медицины. - 2011. -№ 25. - С. 9-12.
5. Detection and characterization of engineered nanoparticles in food and the environment/К. Tiede [et al.]//Food Additives and Contaminants. Part A. -2008. - Vol. 25. - Iss. 7. - P. 795-821.
6. Berne, B.J. Dynamic Light Scattering With Applications to Chemistry/B.J. Berne, R. Pecora// Biology and Physics http://bookfi.org/ book/1122364
7. Challenges in the Identification of Engineered Nanomaterials in Foods.Max Rubner-Institut, Department of Food Technology and Bioprocess Engineering, Karlsruhe, Germany/R. Greiner [et al.] http:// www. icef11. org/content/papers/nfp/ NFP230.pdf
8. Urban, C. Development of Fiber Optic Based Dynamic Light Scattering for a Characterization of Turbid Suspensions. A dissertation submitted to the Swiss Federal Institute of Technology Zurich for the degree of Doctor of Natural Science/C. Urban. -Zürich, 1999.
