Nanoteknologi i livsmedel

Nanoteknologi

Nanoteknologin är en stor mängd olika processer, material och teknologiska tillämpningar, i vilka den gemensamma nämnaren är att det använda materialet är mycket litet till storleken. Eftersom partiklarna är så små kan materialen få nya egenskaper – de närmar sig atomära egenskaper. Ett gott exempel på förändrade materialegenskaper är guldet, vars färg och egenskaper – gult, smältpunkten 1200 ºC och en kemiskt svagt reagerande metall – vi väl känner till. Om vi tittar närmare på guld i storleksklassen nano upptäcker vi stora förändringar i egenskaperna. Guldpartiklar på en nanometer är blåskiftande till färgen, aningen reagerande och smältpunkten är också endast 200 ºC, medan guldpartiklar på ca 3 nanometer är röda till färgen och kan tjäna som kemiska katalysatorer i många slags kemiskbiologiska reaktioner.

Nanopartiklar är mycket små till storleken och som nanopartiklar betraktas partiklar under 100 nm, även om det inte finns någon exakt storleksgräns då man betraktar nanopartiklarnas biologiska inverkningar.

Definitionen försvåras också av nanopartiklarnas varierande form – de kan vara bollformiga, enkelväggiga rörformiga, flerväggiga rörformiga etc. En nanometer är således en miljarddels meter dvs. 10-9 meter och kan åskådliggöras med att en meters förhållande till en nanometer är någorlunda lika stort som en fotbolls förhållande till jordklotet.

Nanomaterial i livsmedelssektorn

Nanopartiklar har alltid förekommit i miljön (vulkaner) och sannolikt också i livsmedel (kristaller och miceller). Med nanotekniska tillämpningar avses t.ex. nanomaterial som tillsatts i livsmedelskedjan i avsikt att förbättra produkters egenskaper på ett eller annat sätt. Inom livsmedelssektorn kan följande tillämpningsområden för nanomaterial fastställas:

1. förpackningsmaterial
2. bioindikatorer
3. livsmedelsingredienser
4. livsmedelstillsatser
5. övriga tillämpningar inom livsmedelsekonomin

Även om man kan konstatera att livsmedelstillämpningarna ännu befinner sig i startgroparna, är det lätt att finna motiveringar till en enorm utveckling inom denna sektor. Av material av storleksklassen nano tillåtna att användas i förpackningsmaterial och tillsatser förutsätts alltid en egen säkerhetsvärdering.

Förpackningsmaterial

För förpackningsmaterialens del kan som exempel tas läskedrycksflaskor. I plasten till sådana blandas in en lerkomponent av storleken nano för att förhindra att gaser såsom koldioxid läcker ut.

För att användas i förpackningsmaterial har också utvecklats bioindikatorer som bygger på färgförändringar hos silver och som upptäcker att produkten förskämts.

Livsmedelsingredienser

Nanoutvecklingen inom livsmedelsingredienser sker bl.a. i form av utveckling av nya nanoemulsioner, i vilka man utnyttjar vattendroppar av storleksklassen nano. Produkten kan utnyttjas bl.a. i majonnäser, gräddprodukter och yoghurtar för att sänka produktens fetthalt. Vid sidan om förpackningsmaterialen är inkapslingen av livsmedelstillsatser i storleksklassen nano kanske det område inom livsmedelssektorn som har den största tillväxtpotentialen. Med inkapslingstekniken eftersträvas bl.a. en bättre upptagning av vitaminer och mineraler, smakegenskaperna hos choklad kan också förstärkas då nanopartiklar överdras med kakao.

De kraftigt ökade nanotekniska tillämpningarna inom livsmedelssektorn har väckt många frågor som hänför sig till säkerheten och lagstiftningen. En av frågorna som bekymrar säkerhetsexperterna är den nuvarande bristen på information som hänför sig till eventuella hälsokonsekvenser hos material av storleksklassen nano. För livsmedlens del hänför sig också oron bland konsumenterna vanligen till säkerheten. Enligt en tysk konsumentundersökning borde säkerheten hos nanoteknikprodukter säkerställas av oberoende instanser innan nanoprodukter tas i bruk på bred front. Det är också numera praxis, eftersom EU-kommissionen förutsätter en egen säkerhetsvärdering av ämnen i storleksklassen nano.

Värdering av nanopartiklarnas hälsokonsekvenser

Kvaliteten och karaktären hos nanopartiklar i livsmedelstillämpningar är mångahanda och det är mycket viktigt att särskilt noggrant känna till egenskaperna hos använda nanoprodukter. På denna punkt ställs den livsmedelstoxikologiska forskningen inför en utmaning, eftersom det är betydligt svårare att karaktärisera nanoprodukter än till exempel skadliga kemikalier som förekommer i livsmedel. För att man skall kunna värdera hälsokonsekvenserna som är förknippade med nanoprodukter måste man till exempel veta partikelstorleken och partikelfördelningen, agglomerations- och aggregationsnivån, partiklarnas area, ytmaterialets laddningsbalans och den därmed förknippade kemin. En del eller alla av dessa egenskaper kan ännu förändras i livsmedlen och/eller matsmältningskanalen. Analyseringen av livsmedel och foder med tanke på nanopartiklar/produkter utgör en utmaning för sig. Sedvanlig kemisk analysutrustning lämpar sig just inte detta, utan specialutrustning krävs.

Nanopartiklarnas livsmedelstoxikologi

Inom det vetenskapliga samfundet råder ännu ingen enighet om vilken/vilka av nanopartiklarnas egenskaper som är kritisk/kritiska då en nanoprodukts eventuella toxicitet fastställs. Det anses ändå sannolikt att några tillförlitliga uppskattningar inte kan göras då endast nanoproduktens massa används vid fastställande av det s.k. dos-respons-sambandet.

Världshälsoorganisationen WHO och Livsmedels- och jordbruksorganisationen FAO under FN definierar livsmedelsburen exponering som en händelse, då de kemiska, biologiska och fysikaliska agenserna som hamnat i kroppen värderas kvalitativt och/eller kvantitativt. Denna definition passar också på nanopartiklarna som i detta avseende inte skiljer sig från vanliga kemikalier.

Nanopartiklar kan ha liknande egenskaper som motsvarande partiklar av annan storleksklass och då kan man i skadlighetsvärderingar hålla sig till vanlig testning. Saken kan också förhålla sig på ett annat sätt. På grund av den ytterst ringa storleken skiljer sig då toxikologin klart från motsvarande produkter av annan storleksklass.

Nanopartklarnas migration

Upptagningen av nanopartiklar ur tarmen är ett invecklat fenomen som börjar med att partiklarna upptas i tarmens slemhinna med flera olika påföljande stadier. För närvarande verkar det som om upptagningen och migrationen skulle vara förknippad med partiklarnas storlek och laddning – anjoniska partiklar tränger igenom slemmet, men katjoniska partiklar stannar kvar i slemmet utan att komma vidare till epitelcellerna. Slemmet kan sålunda betraktas som kroppens första skyddsmur som hindrar nanopartklar från att tränga in i kroppen. Epitelcellerna i mag-tarmkanalen utgör kroppens nästa försvarsnivå. Sipprande via mellanrummet mellan cellerna kan partiklarna komma in i kroppen på s.k. paracellulär väg, men det är sällsynt i en frisk tarm.

En annan metod, med vilken partiklarna kan migrera in i kroppen är tarmens normala näringsupptagning dvs. den transcellulära vägen. Man har konstaterat att nanopartiklar effektivt migrerar in i kroppen, men upptagningen av nanopartiklar påverkas i hög grad av bl.a. storleken och ytstrukturen.

Då partiklarna har passerat de första hindren och kommit in i blodomloppet kan de reagera med komponenterna i blodet såsom proteinerna. Denna faktor kan ha en stor inverkan på partiklarnas spridning, eftersom man hos försöksdjur konstaterat att de minsta partiklarna sprider sig överallt i kroppen och nanopartiklar har kunnat lokaliseras i alla inre organ hos de exponerade försöksdjuren. Kroppens naturliga skyddsbarriärers såsom blod-hjärnbarriärens, placentabarriärens, blod-mjölkbarriärens och blod-testikelbarriärens förmåga att stoppa nanopartiklar är för närvarande oklar.

Toxikologisk riskvärdering

Nanopartiklarna har nya egenskaper som är förknippade med den ringa storleken, de fysikaliskkemiska egenskaperna, den kemiska uppbyggnaden och ytkomponenternas strukturaktivitet. Dessa egenskaper utnyttjas i nanotekniska tillämpningar, men just dessa egenskaper är samtidigt viktiga vid värdering av hälsokonsekvenserna.

Mer information ger:
professor Kimmo Peltonen, forskningsenheten för kemi och toxikologi, Evira,
tfn 02077 24410, kimmo.peltonen evira.fi