Nanoteknologia

Nanoteknologia on suuri joukko erilaisia prosesseja, materiaaleja ja teknologisia sovellutuksia, jossa yhteisenä nimittäjänä on käytetyn materiaalin erittäin pieni koko. Erittäin pienestä koosta johtuen materiaalien ominaisuudet muuttuvat – ne lähenevät atomaarisia ominaisuuksia. Hyvänä esimerkkinä muuttuvista materiaaliominaisuuksista voidaan mainita kulta, jonka värin ja ominaisuudet – keltainen, sulamispiste 1200 ºC ja huonosti kemiallisesti reagoiva metalli - tunnemme hyvin. Tarkasteltaessa nanokokoluokan kultaa havaitsemme suuria muutoksia ominaisuuksissa. Yhden nanometrin kultapartikkelit ovat väriltään sinertäviä, jonkin verran reagoivia ja sulamispistekin on vain 200 ºC, kun n. 3 nanometrin kultapartikkelit ovat väriltään punaisia ja voivat toimia kemiallisina katalyytteinä mitä moninaisimmissa kemiallis-biologisissa reaktioissa.

Nanohiukkaset ovat kooltaan hyvin pieniä ja nanohiukkasiksi luetaan alle 100 nm olevat hiukkaset, joskin nanohiukkasten biologisia vaikutuksia tarkasteltaessa tarkkaa kokorajaa ei ole.

Lisäksi määritelmää vaikeuttavat erimuotoiset nanohiukkaset – on pallomaisia, yksiseinäisiä putkimaisia, moniseinäisiä putkimaisia jne. Yksi nanometri on siis metrin miljardisosa eli 10-9 metriä ja sitä voisi havainnollistaa siten, että metrin suhde nanometriin on jotakuinkin samansuuruinen kuin jalkapallon suhde maapalloon.

Nanomateriaalit elintarvikesektorilla

Nanohiukkasia on esiintynyt ympäristössä (tulivuoret) ja todennäköisesti elintarvikkeissakin (kiteet ja misellit) aina. Nanoteknologisilla sovellutuksilla tarkoitetaan vain esim. elintarvikeketjuun lisättyjä nanomateriaaleja, tarkoituksenaan tuotteiden ominaisuuksien parantaminen tavalla tai toisella. Elintarvikesektorilla voidaan tunnistaa seuraavat nanomateriaalien sovellutusalueet:

1. pakkausmateriaalit
2. bioindikaattorit
3. elintarvikkeiden ainesosat
4. elintarvikkeiden lisäaineet
5. muut elintarviketalouden sovellutukset

Vaikka voidaan todeta elintarvikesovellutusten olevan vielä lähtökuopissaan, niin perustelut tämän toimialan huimalle kehitykselle ovat helposti löydettävissä. Pakkausmateriaaleissa ja lisäaineissa käytettäväksi sallituilta nanokokoluokan aineksilta edellytetään aina oma turvallisuusarviointinsa.

Pakkausmateriaalit

Pakkausmateriaalien osalta esimerkiksi voidaan ottaa virvoitusjuomapullot, jossa maailmalla muoviin sekoitetaan nanomuotoista saven komponenttia estämään kaasujen, kuten hiilidioksidi ulosvuotoa.

Pakkausmateriaaleihin liitettäväksi on kehitetty hopean värinmuutokseen perustuvia bioindikaattoreita, jotka havaitsevat tuotteen pilaantumisen.

Elintarvikkeiden ainesosat

Elintarvikkeiden ainesosien nanokehitys tapahtuu mm. uusien nanoemulsioiden kehityksessä, joissa hyödynnetään nanokokoluokan vesipisaroita. Tuotetta voidaan hyödyntää mm. majoneeseissa, kermavalmisteissa ja jogurteissa alentamaan tuotteen rasvapitoisuutta.

Elintarvikelisäaineiden kapselointi nanokokoluokkaan on pakkausmateriaalien ohella ehkä elintarvikesektorin kasvavin alue. Kapselointitekniikalla tavoitellaan mm. vitamiinien ja mineraalien parempaa imeytymistä, myös suklaan makuominaisuuksia voidaan voimistaa päällystämällä nanohiukkasia kaakaolla.

Voimakkaasti lisääntyvät nanoteknologiset sovellutukset elintarvikesektorilla ovat nostaneet esille useita turvallisuuteen ja säädöksiin liittyviä kysymyksiä. Yksi turvallisuusasiantuntijoita puhuttavista kysymyksistä on tämän hetkisen tiedon vähyys, joka liittyy nanokokoluokan materiaalien mahdollisiin terveysvaikutuksiin. Elintarvikkeiden osalta myös kuluttajien huolestuneisuus liittyy yleensä turvallisuuteen. Saksassa tehdyn kuluttajatutkimuksen mukaan nanoteknologiatuotteiden turvallisuus tulisi varmentaa riippumattomien tahojen toimesta ennen nanotuotteiden laajaa käyttöönottoa. Tämä onkin käytäntö, sillä EU-komissio edellyttää nanokokoluokan aineilta omaa turvallisuusarviointia.

Nanohiukkasten terveysvaikutusten arviointi

Elintarvikesovellutuksissa olevien nanohiukkasten laatu ja luonne on moninainen, ja on erittäin tärkeää tuntea käytettävien nanotuotteiden ominaisuudet erityisen tarkkaan. Tässä kohdin elintarviketoksikologinen tutkimus kohtaa haasteen, sillä nanotuotteiden luonnehdinta on huomattavasti monimutkaisempaa kuin vaikkapa elintarvikkeissa esiintyvien haitallisten kemikaalien. Terveysvaikutusten arvioimiseksi nanotuotteissa tulee tuntea esim. hiukkaskoko ja -jakauma, agglomeraatio- ja aggregaatiotaso, hiukkasen pinta-ala, pintamateriaalin varaustase ja siihen liittyvä kemia. Näistä ominaisuuksista osa tai kaikki voivat vielä muuttua elintarvikkeissa ja/tai ruoansulatuskavavassa. Oman haasteensa muodostavat nanohiukkasten/tuotteiden analysointi elintarvikkeista ja rehuista. Tavanomaiset kemialliset analyysilaitteet eivät juuri tehtävään sovellu, vaan tarvitaan erityislaitteita.

Nanohiukkasten elintarviketoksikologia

Tieteellisessä yhteisössä ei ole vielä yksimielisyyttä siitä mikä/mitkä nanohiukkasten ominaisuuksista ovat kriittisiä määriteltäessä nanotuotteen mahdollista toksisuutta. Todennäköisenä pidetään kuitenkin sitä, että määritettäessä ns. annos-vastesuhdetta käyttäen ainoastaan nanotuotteen massaa ei luotettavia arvioita voida tehdä.

YK:n alaiset Maailman terveysjärjestö WHO ja Elintarvike ja maatalousjärjestö FAO määrittelevät elintarvikevälitteisen altistumisen tapahtumaksi, jossa joko laadullisesti ja/tai määrällisesti arvioidaan elimistöön joutuneet kemialliset, biologiset ja fysikaaliset altisteet. Tähän määritelmään sopivat myös nanohiukkaset, jotka tässä suhteessa eivät poikkea tavanomaisista kemikaaleista.

Nanohiukkasten ominaisuudet voivat olla samanlaisia kuin vastaavien ei nanokokoluokkaa olevien, jolloin haitallisuusarvioissa voidaan pidättäytyä tavanomaisessa testauksessa. Asia voi olla myös toisin. Tällöin erittäin pienestä koosta johtuen toksikologia eroaa selvästi, ei nanokokoluokan vastaavista tuotteista.

Nanohiukkasten kulkeutuminen

Nanopartikkelien imeytyminen suolesta on monimutkainen ilmiö, joka alkaa partikkelien imeytymisellä suolen limakalvoon ja sitä seuraaviin useisiin eri vaiheisiin. Tällä hetkellä näyttää siltä, että imeytyminen ja siirtyminen olisivat yhteydessä hiukkasten kokoon ja hiukkasten varaukseen - anioniset hiukkaset läpäisevät liman, mutta kationiset jäävät limaan eivätkä pääse epiteelisoluihin asti. Limaa voidaan siten pitää elimistön ensimmäisenä suojamuurina, jolla estetään nanohiukkasten pääsy elimistöön. Mahasuolikanavan epiteelisolut muodostavat elimistön seuraavan puolustustason. Solujen välitilasta tihkuen hiukkaset voivat päästä elimistöön ns. parasellulaarista reittiä, joka terveessä suolessa on harvinainen.

Toinen tapa, jolla hiukkaset kulkeutuvat elimistöön on suolen normaali ravinnonotto eli ns. transsellulaarinen reitti. Nanohiukkasten on todettu kulkeutuvan elimistöön tehokkaasti, mutta nanohiukkasten imeytymiseen vaikuttaa suuresti mm. koko ja pintarakenne.

Kun hiukkaset ovat selvittäneet tiensä ensimmäisten esteiden lävitse ja ovat kulkeutuneet verenkierron vietäväksi ne voivat reagoida veressä olevien komponenttien kuten proteiinien kanssa. Tämä tekijä voi olla merkittävä hiukkasten leviämiseen, sillä koe-eläin töissä on havaittu, että pienimmät hiukkaset leviävät kaikkialle elimistöön ja nanohiukkasia on voitu paikallistaa altistettujen koe-eläinten kaikista sisäelimistä. Elimistön luonnollisten suojaesteiden, kuten veri-aivoesteen, istukkaesteen, veri-maitoesteen ja veri kivesesteen, kyky pidättää nanohiukkasia on tällä hetkellä epäselvä.

Toksikologinen riskinarviointi

Nanohiukkasilla on uusia ominaisuuksia, jotka ovat yhteydessä pieneen kokoon, fysikaaliskemiallisiin ominaisuuksiin, kemialliseen rakenteeseen ja pintaosien rakenneaktiivisuuteen. Näitä ominaisuuksia hyödynnetään nanoteknologisissa sovellutuksissa, mutta samalla juuri nämä ominaisuudet ovat tärkeitä terveysvaikutusten arvioinnin kannalta,

Lisätietoja:
professori Kimmo Peltonen, kemian ja toksikologian tutkimusyksikkö, Evira,
puh. 02077 24410, kimmo.peltonen evira.fi