Автореферат и диссертация по медицине (14.02.01) на тему:Токсиколого-гигиеническая оценка наноматериалов, используемых в упаковке пищевых продуктов

Нанотехнологии представляют собой совокупность методов направленного манипулирования материальными объектами в околомолекулярном диапазоне размеров 1-100 нм. Особенности поведения искусственных наночастиц (НЧ), находящихся в ультравысокодисперсной форме, открывают широкие перспективы использования нанотехнологических продуктов в различных областях человеческой деятельности. Одним из лидирующих по количеству существующих разработок и масштабам внедрения в практику направлений нанотехноло-гий является их применение в производстве упаковки для пищевых продуктов [142].

Прогнозные оценки указывают на резкое возрастание в ближайшие годы объёмов производства нанотехнологического упаковочного материала и других материалов, контактирующих с пищевыми продуктами, полученных с применением НЧ [55, 81, 106, 142]. К 2015 году доля таких материалов будет составлять не менее 25%.[55, 104]. С этим связано большое внимание, которое в настоящее время во всем мире уделяется проблеме обеспечения безопасности на-нотехнологий для здоровья потребителей продукции и население в целом. Очевидно, что наиболее актуален вопрос безопасности применения нанотехноло-гий при изготовлении упаковки для пищевых продуктов, поскольку экспозиция человека искусственными НЧ через пищу может приобрести наиболее массовый характер и широкие масштабы. Применительно к использованию НЧ в упаковке ключевым моментом является определение возможности их миграции из упаковочных материалов собственно в пищевой продукт [142].

Целью работы является токсиколого-гигиеническая оценка некоторых приоритетных видов наноматериалов (НМ), используемых при производстве упаковочных материалов для пищевых продуктов.

Задачи исследования.

1. Изучение общетоксического действия наночастиц, применяемых для упаковки пищевой продукции, в экспериментах на лабораторных животных.

2. Изучение влияния НМ, используемых в упаковке для пищевых продуктов, на аллергическую чувствительность в эксперименте на лабораторных животных.

3. Изучение миграции НЧ из упаковки в пищевую продукцию в условиях модельных экспериментов.

4. Определение возможной экспозиций человека НЧ, содержащимися в упаковке для пищевой продукции, и расчёт неканцерогенного риска от её использования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

Разработана система токсиколого-гигиенической оценки НМ, применяемых при производстве упаковочных материалов, предназначенных для хранения пищевых продуктов, включающая токсикологические исследования in vivo, оценку миграции НЧ из упаковочных материалов в модельные среды с количественным и качественным их определением с использованием методов электронной, атомно-силовой микроскопии, масс-спектрометрии, и расчёт экспозиции для населения при поступлении наночастиц, мигрирующих из упаковочных материалов.

Впервые в России на лабораторных животных проведены токсикологические исследования приоритетных, практически значимых наноматериалов, используемых в упаковке пищевых продуктов - серебра, диоксида кремния и на-ноглины, что позволило обосновать их уровни миграции из упаковочных материалов в пищевые продукты.

В результате экспериментов по изучению миграции наночастиц серебра из упаковочных материалов в модельные среды, воспроизводящие физико-химические свойства основных видов пищевых продуктов, показано, что поступление наночастиц серебра в организм человека из упаковочных материалов при их использовании по целевому назначению не превышает верхнего допустимого уровня потребления.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Материалы проведённых исследований использованы при разработке нормативно-методических документов в рамках выполнения Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры в Российской Федерации на период 2008-2011 гг.», по государственным контрактам с Министерством образования и науки Российской Федерации по темам: «Создание проектов нормативно-правового и методического обеспечения комплексной системы безопасности в процессе исследований, освоения, производства, обращения и утилизации НМ в Российской Федерации» и «Разработка нормативно-методического обеспечения и средств контроля содержания и безопасности НЧ в продукции сельского хозяйства, пищевых продуктах и упаковочных материалах».

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Общая, неорганическая, физическая и коллоидная химия» в Институте технологии и производственного менеджмента ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на XI Всероссийском Конгрессе диетологов и нутрициологов «Питание и здоровье» (Москва, 2009); на III научно-практической конференции «Контроль содержания и безопасности НЧ в продукции сельского хозяйства и пищевых продуктах» (ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств», Москва 2011).

ПУБЛИКАЦИИ

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 2 методических указаний и 2 методических рекомендаций.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

Экпериментально обоснованная система токсиколого-гигиенической оценки наноматериалов, применяемых при изготовлении упаковочных материалов, предназначенных для хранения пищевых продуктов, включающая оценку миграции наноматериалов, расчёт потенциальной экспозиции наночастицами и токсикологические исследования.

Экпериментально доказанное влияние наночастиц серебра в дозе 1 мг/кг массы тела, вводимых ежедневно внутрижеледочно в течении 28 дней на показатели состояния организма крыс.

Количественная оценка миграции наночастиц серебра из упаковочных материалов, предназначенных для хранения пищевых продуктов в среды, моделирующие физико-химические свойства различной пищевой продукции.

Расчётные величины экспозиции человека наночастицами серебра, миг-рировшими из упаковочного материала для пищевой продукции при использовании по целевому назначению, не превышающие верхнего допустимого уровня потребления серебра.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

6. выводы

1. На основании информационного поиска технологических и качественных характеристик наноматериалов, используемых при производстве упаковочных материалов предназначенных для хранения пищевых продуктов, определены наиболее часто используемые, практически значимые и приоритетные наночастицы - серебра, диоксида кремния, диоксида титана и наноглины.

2. Разработана система токсиколого-гигиенической оценки наноматериалов, применяемых для упаковки пищевых продуктов, включающая оценку миграции, расчёт потенциальной нагрузки (или экспозиции) наночастицами и собственно токсикологические исследования (влияние на биохимические, гематологические биомаркёры, аллергическую чувствительность).

3. Установлено, что наночастицы серебра мигрируют из упаковочных материалов в среды, моделирующие физико-химические свойства различной пищевой продукции (деионизованную воду, 10% и 50% этиловый спирт и растительное масло), в виде ультрадисперсных систем разной степени агрегации (от 100 нм до 300 нм). Количество наночастиц серебра, мигрировавших из упаковочных материалов в модельные среды, зависит от состава модельных сред и составляет от 2,46 мкг/кг (50% спиртовой раствор) до 331 мкг/кг (растительное масло).

4. Определена степень риска для человека, создаваемого наночастицами серебра, мигрировшими из упаковочных материалов, путём расчета суммарной экспозиции наночастицами серебра для каждого упаковочного материала при его использовании для упаковки основных видов пищевой продукции и при использовании по назначению, рекомендуемому изготовителем, т.е. для упаковки хлебных продуктов и мяса птицы. Показано, что экспозиция человека наночастицами серебра, мигрировшими из упаковочного материала, предназначенного для целевого использования не превышает его верхнего допустимого уровня потребления.

5. В эксперименте на крысах установлено, что ежедневное в течение 28 дней внутрижелудочное введение наночастиц серебра в дозе 1 мг/кг массы тела в сутки приводит к достоверному увеличению (на 30%, Р<0,05) кишечного всасывания овальбумина куриного яйца, снижению (на 22%, Р<0,05) уровня глюкозы в крови, увеличению (на 31%, Р<0,05) активности аспартатаминотрансферазы в сыворотки крови. Введение наночастиц серебра в дозе ОД мг/кг массы тела в сутки не оказывает влияния на показатели организма экспериментальных животных.

6. В эксперименте на крысах показано, что при ежедневном в течение 28 дней внутрижелудочном введение наночастиц диоксида кремния и на-ноглины в дозах 1 и 100 мг/кг массы тела в сутки не были выявлены такие эффекты, которые могли бы рассматриваться как потенциально опасные.

7. В экспериментах на крысах не выявлено достоверного влияния на тяжесть реакции системной анафилаксии и продукцию антиген-специфических антител к овальбумину куриного яйца при ежедневном внутрижелудочном введении в организм крыс в течение 28 дней наночастиц диоксида кремния, диоксида титана (в форме анатазы), наноглины в дозе 50 мг/кг массы тела в сутки и наночастиц серебра в дозе 1 мг/кг массы тела в сутки.

8. Сравнительный анализ токсиколого-гигиенических характеристик нано-материалов, применяемых для упаковки пищевых продуктов, показал, что наибольшее влияние на организм крыс оказывают наночастицы серебра. Установленные уровни миграции наночастиц серебра значительно ниже действующих доз и не могут являться ограничительным фактором при создании и использовании по целевому назначению упаковочных материалов для пищевых продуктов.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основании информационного поиска технологических и качественных характеристик наноматериалов, используемых при производстве упаковочных материалов для хранения пищевых продуктов, определены наиболее часто используемые, практически значимые наночастицы - серебра, обладающие антимикробным действием, диоксида кремния, диоксида титана и наноглины, проявляющие барьерные свойства в отношении ультрафиолетового излучения и диффузии газов.

Проведены токсикологические исследования наночастиц на лабораторных животных и установлено, что ежедневное в течение 28 дней внутрижелу-дочное введение наночастиц серебра в дозе 1 мг/кг массы тела в сутки приводит к достоверному увеличению (на 30%, Р<0,05) проницаемости кишечной стенки для овальбумина куриного яйца, снижению (на 22%, Р<0,05) уровня глюкозы в крови, увеличению (на 31%, Р<0,05) активности аспартатаминотра-сферазы. Введение наночастиц серебра в дозе 0,1 мг/кг массы тела в сутки не оказывало существенного влияния на показатели организма экспериментальных животных при данном сроке эксперимента.

Анализ результатов токсикологических исследований наночастиц диоксида кремния и наноглины показал, что при ежедневном в течении 28 дней внутрижелудочном введении указанных наночастиц в дозах 1 и 100 мг/кг мас-ссы тела выявлены изменения в активности ACT, AJIT и ЩФ сыворотки крови, общего содержания цитохрома Р-450 в микросомах печени, уровня глюкозы крови, мочевины, однако все указанные изменения были небольшими по абсолютной величине и не выходили за границы физиологической нормы. Таким образом, в эксперименте на крысах показано, что ежедневное в течение 28 дней внутрижелудочное введение наночастиц диоксида кремния и наноглины в сутки не вызывало эффектов, которые могли бы рассматриваться как потенциально опасные.

В отдельном эксперименте было изучено влияние внутрижелудочного введения крысам дисперсии наночастиц диоксида титана (в форме анатазы), диоксида кремния, серебра и наноглины на сенсибилизацию к овальбумину куриного яйца и чувствительность в реакции активного анафилактического шока на модели системной анафилаксии. Сенсибилизацию животных осуществляли на фоне внутижелудочного зондового введения водной дисперсии наночастиц (опытные группы) и дистиллированной воды (контрольная группа). После введения разрешающей дозы аллергена показатели летальности, тяжелых реакций анафилаксии, анафилактического индекса, а также продукции спецефических ^ в антител к овальбумину куриного яйца у животных, получавших НЧ, различались статистически недостоверно по сравнению с животными контрольной группы (Р>0,05).

Тем самым, в экспериментах на крысах не было выявлено достоверного влияния на тяжесть реакции системной анафилаксии и продукцию антиген-специфических антител при ежедневном внутрижелудочном введении в организм крыс в течение 28 дней наночастиц диоксида кремния, диоксида титана (в форме анатазы), наноглины в дозе 50 мг/кг массы тела в сутки и наночастиц серебра в дозе 1 мг/кг массы тела в сутки.

С учётом вышеизложенного, проведены последующие санитарно-химические исследования упаковочных материалов, содержащих наночастицы серебра и с применением просвечивающей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии выявлена их миграция в среды, моделирующие физико-химический состав пищевых продуктов. Как свидетельствуют данные, полученные для различных модельных сред, наибольшая степень агрегации наночастиц серебра наблюдалась, главным образом, при использовании водно - спиртовых растворов, а наименьшая - растительного масла. Таким образом, основной действующей формой серебра, выявляемой в модельных средах, является нанодисперсная форма. Данные, полученные с использованием методов элементного анализа, доказали, что количество наночастиц серебра, мигрировавших из упаковочных материалов в модельные среды, зависело от состава модельных сред и составляло от 2,46 мкг/кг (50% спиртовой раствор) до 331 мкг/кг (растительное масло). Органолептические исследования модельных сред с исследуемыми образцами упаковочных материалов после всех видов обработки не обнаружили наличия мути, осадка, постороннего запаха.

Оценка величины экспозиции наночастиц серебра для человека через пищевые продукты и расчет неканцерогенных рисков показал, что поступление наночастиц серебра из упаковочных материалов при использовании их по целевому назначению не превышает его верхнего допустимого уровня потребления.

Полученные данные позволили разработать систему токсиколого-гигиенической оценки наноматериалов, применяемых для упаковки пищевых продуктов, включающую оценку миграции, расчет потенциальной экспозиции наночастицами и собственно токсикологические исследования.

Подводя итог всему вышеизложенному, можно отметить, что цель настоящей работы - токсиколого-гигиеническая характеристика некоторых приоритетных видов наночастиц, используемых при производстве упаковочных материалов для пищевых продуктов была выполнена.