Нанотехнологии в производстве пищевых продуктов: состояние нормативной базы и проблемы безопасности

Нанотехнологии проникают во все сферы деятельности человека и становятся всё более коммерчески жизнеспособными. Первая попытка стандартизировать основные термины в этой области относятся к 2006 г., когда Американское общество испытаний и материалов (ASTM) выпустило стандарт ASTM Е 2456-06 «Общепринятая терминология, относящаяся к нанотехнологии».

Нанотехнологии (nanotechnology) – термин, относящийся к широкому кругу технологий измерения, манипулирования или объединения материалов и/или особенностей, по крайней мере, с одним измерением приблизительно между 1 и 100 нм. При этом используются свойства наномасштабных компонентов системы, отличные от объем-ных/макроскопических свойств.

Наночастица (nanoparticle) – в нанотехнологии субклассификация ультрамелкой частицы размером в двух или трёх измерениях больше, чем ~0,001 микрометр (1 нм), и меньше, чем ~0,1 микрометра (100 нм), которая может или не может проявлять интенсивные свойства, обусловленные размерами (ASTM E 2456-06).

Нанотехнологии уже внедрены в производство серийных изделий в микроэлектронике, авиакосмической, фармацевтической промышленности. Однако в пищевой промышленности применение нанотехнологий ограничено, хотя достижения и открытия в данной области начинают оказывать сильное влияние. Это касается ряда важных аспектов, начиная от безопасности продуктов питания до молекулярного синтеза новых продуктов и ингредиентов. Применение нанотехнологии даст много преимуществ пищевому сектору за счет создания новых оттенков вкуса, структур и ощущений, сокращения использования жиров, повышения усвоя- емости питательных веществ, улучшения эффективности упаковки, контроля и безопасности продуктов.

В докладе консалтинговой фирмы Cientifica (2006 г.) сообщается, что затраты на нанотехнологии в пищевой промышленности были оценены в 410 млн дол. (переработка продуктов питания – 100 млн дол., пищевые ингредиенты – 100 млн дол., упаковка – 210 млн дол.). К 2012 г. рынок нанопищи составит 5,8 млрд дол. (переработка продуктов питания – 1,303 млрд дол., пищевые ингредиенты – 1,475 млрд дол., безопасность продуктов питания – 97 млн дол., упаковка – 2 930 млн дол.) [1].

Поскольку наноматериалы уже сегодня находят применение в пищевой промышленности (фильтрация жидких продуктов, упаковочные материалы, обогащение продуктов микронутриентами, создание нанобиосенсоров и т.д.), становится актуальной задача обеспечения безопасности таких продуктов. В ряде стран ЕС и США начата разработка нормативной документации, направленной на оценку безопасности производства и продуктов, производимых с использованием нанотехнологий. В России сделаны первые попытки сформировать нормативную базу по данной проблеме.

Вопросы безопасности в наноиндустрии в той или иной мере рассматриваются в федеральных законах «О качестве и безопасности пищевых продуктов», «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения», «О российской корпорации нанотехнологий», в ряде постановлений Правительства РФ, в приказах Роспотребнадзора и других документах. Осо- бенно усилилось нормативное обеспечение в этой области в 2007 – 2010 годах.

Остановимся на некоторых свойствах и факторах безопасности использования нанотехнологий для производства пищевых продуктов. Исследования показали, что наночастицы обладают биологическим действием (в том числе токсическим) и часто радикально отличаются от свойств этого же вещества в форме сплошных фаз или макроскопических дисперсий. Наночастицы увеличивают химический потенциал веществ на межфазной границе глубокой кривизны; благодаря небольшим размерам и разнообразным формам имеют большую удельную поверхность и высокую адсорбционную активность, а также высокую способность к аккумуляции [2].

Существующие методы оценки рисков не могут быть использованы для оценки пищевых наноматериалов, так как научные данные и методы исследования, полученные для более крупных структур, не могут быть экстраполированы на наноуровень. Учитывая возможные риски при использовании наноматериалов, Роспотребнадзор (приказ № 280 от 12 октября 2007 г.) утвердил методические рекомендации «Оценка безопасности наноматериалов». Постановлением главного государственного санитарного врача РФ от 31 октября 2007 г. № 79 была утверждена Концепция токсикологических исследований, методология оценки риска, методы идентификации и количественного определения наноматериалов. В методических рекомендациях разработан алгоритм определения уровня потенциальной опасности наноматериалов для здоровья человека. Вы- делены три уровня потенциальной опасности наноматериалов:

– низкий уровень потенциальной опасности (низкий приоритет). Соответствующий наноматериал оценивается по имеющимся показателям для составляющих его компонентов в традиционной форме (макродисперсной или в виде сплошных фаз). Исследования по специфическому биологическому действию компонентов в виде наночастиц не требуются;

– средний уровень потенциальной опасности (средний приоритет). Осуществляется общетоксикологическая оценка материалов, при необходимости проводятся некоторые виды специальных исследований;

– высокий уровень потенциальной опасности (высокий приоритет). Учитывая, что наночастицы – вещества, способные проникать через биологические мембраны и барьеры организма, распределяться по органам и тканям, накапливаться в жировой ткани, необходимы комплексные специальные исследования, включающие тестирование генотоксичности, мутагенности, тератогенности, влияния наноматериалов на геномный (экс-перссия генов), протеомный и метабо-ломный профиль организма, иммунотоксичности, органотоксичности, проницаемости барьера желудочно-кишечного тракта, аллергенности. Поэтому необходимы нестандартные подходы в оценке действия наноразмерных структур.

В настоящее время в мире зарегистрированы и выпускаются промышленно- стью более 1 800 наименований наноматериалов, среди которых есть наночастицы простых веществ, бинарных соединений и сложных веществ. Число известных наноматериалов, их производимые количества и область использования постоянно расширяются. В пищевой промышленности наноматериалы применяются в фильтрах для очистки воды при получении нового поколения бактерицидных упаковочных материалов, при обогащении пищевых продуктов микронутриентами. Предлагается использовать наночипы для идентификации условий и сроков хранения пищевых продуктов, обнаружения патогенных микроорганизмов.

Учитывая, что наноматериалы относятся к новым видам материалов и продукции, характеристика их потенциального риска для здоровья человека и состояния среды обитания является обязательной. На рисунке приведена обобщённая схема путей поступления наноматериалов в организм человека, распределения и выведения их [3].

Имеющиеся в настоящее время в небольшом количестве исследования в этом направлении указывают на то, что наноматериалы могут быть токсичными, тогда как их эквивалент в обычной форме в этой же концентрации безопасен.

В отношении влияния наноматериалов на генотоксичность, гормональный и иммунный статус, тератогенность, эмбриотоксичность, мутагенность, канцерогенность достоверные данные в литературе отсутствуют.

Рисунок - Схема путей поступления наноматериалов в организм человека, распределения и выведения их [3]

Возрастает число разработок так называемой «нанопищи», то есть использования некоторых нутриентов (главным образом жирорастворимых витаминов, макро- и микроэлементов, биологически активных веществ) в виде наночастиц или в комплексе с инертными наноматериалами - носителями с целью обогащения как продуктов массового потребления, так и специализированных продуктов питания для профилактики алиментарнозависимых состояний у населения.

Однако эффективность использования в питании человека продуктов, содержащих наночастицы пищевых веществ, в настоящее время практически не изучена. Это обусловливает необходимость оценки биодоступности и усвояемости компонентов пищевых продуктов, получаемых нанотехнологическим путём. Токсичность наноматериалов, согласно имеющимся литературным данным, обусловлена в первую очередь развитием окислительного стресса и повреждением ДНК, что может приводить к развитию воспалительной реакции, апоптозу и некрозу клети. Нельзя исключать и наличие других механизмов токсичности наноматериалов, связанных, в частности, с их повреждающим действием на клеточные мембраны и органеллы, усилением транспорта потенциально токсичных компонентов через барьеры организма, а также возможной генотоксичностью и аллерге-зирующим действием.

В Концепции [3] установлен порядок организации надзора и проведения токсикологических исследований наномате- риалов, который включает создание и организацию ведения регистра наночастиц и наноматериалов в рамках федерального регистра потенциально опасных химических и биологических веществ; оценку безопасности и проведение глубоких, всесторонних токсикологических исследований. В частности, оценка безопасности и проведение токсикологических исследований продукции, содержащей наноматериалы, включает в себя оценку безопасности наноматериалов используемых:

• -    в пищевых продуктах;

• -    при создании лекарственных препаратов и вакцин;

• -    в упаковочных материалах для пищевых продуктов;

• -    при создании парфюмернокосметической продукции;

• -    при создании дезинфекционных средств;

• -    при создании средств защиты растений;

• -    при использовании в воде и очистке воды.

Предусмотрено также осуществлять оценку эффективности использования в питании человека продуктов, содержащих наночастицы пищевых веществ, биодоступность и усвояемость компонентов пищевых продуктов, получаемых нанотехнологическими методами.

Будет осуществляться пострегистрационный мониторинг наноматериалов федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия населения (Роспотребнадзором).

Нормативно-правовое регулирование по вопросам государственной регистрации новых пищевых продуктов в соответ- ствии с Постановлением Правительства РФ № 1009 от 14 декабря 2009 г. осуществляет Минсоцразвития совместно с Минсельхозом России.

Таким образом, можно считать, что минимально необходимая нормативноправовая база в области нанотехнологий создана и продолжает развиваться.

Сегодня нанотехнологии - модная тема и часто предмет для рекламных спекуляций. Вместе с тем в пищевой промышленности, как и в других областях, проводятся серьёзные научные исследования по практическому использованию микрона-норазмерных образований для создания продуктов функционального питания нового поколения. Современные достижения биотехнологии позволили выявить новые пищевые материалы, которым придают большое значение в третьем тысячелетии, - лактулозу, обладающую ярко выраженными бифидогенными свойствами, и нанотрубки из сывороточных белков, которые принципиально меняют систему формирования пищевых систем.

Обогащённые лактулозой молочные продукты находят всё больший спрос для детского, диетического и лечебного питания. Проблема синтеза нанотрубок белков молочной сыворотки ждёт своего реше-ния.По мнению академика Россельхоза-кадемии А.Г. Храмцова, молочная сыворотка является идеальным сырьём для нанотехнологических операций.

Более 80 % сухого вещества (не считая воды) представлено компонентами, размер которых идеализирован к нанообласти: лактоза (70 %) - на уровне 1 нм;

минеральный комплекс (в основном) – менее 1 нм в диссоциированном состоянии; сывороточные белки (от 10 нм) полностью соответствуют структуре нанокластеров. Примером реализации достижений нанотехнологии при получении продуктов функционального питания является направленный синтез пребиотиков на основе нанокластеров лактозы и сывороточных белков с использованием следующих процессов:

– изомеризация лактозы в лактулозу по механизмам L-A-трансформации и перегруппировки Амадори;

– гидролиз и трансгалактозилирование лактозы с использованием препаратов β-галактозидазы;

– ферментативный гидролиз сывороточных белков [4].

Ряд авторов рассматривает реакцию Майяра (сахароаминную), широко распространенную в природе и в пищевых технологиях, как основу для образования естественных и синтезированных наночастиц [5]. Считается, что применение наноструктур, получаемых в молочной промышленности, позволяет решить проблему их безопасности, поскольку используются естественные частицы на основе продуктов питания [4].

По нашему мнению, такое утверждение не является бесспорным, так как противоречит одному из определяющих свойств наночастиц, и здесь также необходимы глубокие теоретические и экспериментальные исследования. Технологии на основе ультрафильтрации и обратного осмоса, широко используемые за рубежом в молочной промышленности, также можно отнести к нанотехнологиям.

Практическое использование микро-наноразмерных образований даёт возможность включать в состав пищевой продукции полезные вещества без ухудшения вкусовых качеств, а при создании функциональных продуктов питания – вводить в рецептуры многие лекарственные вещества для последующего позиционирования продукции в качестве лечебно-профилактической. Введение микронанокомпозитов может менять микробиологический статус продукции и существенно пролонгировать сроки её хранения. Для повышения устойчивости витаминов при тепловой обработке и хранении пищевых продуктов их вводят в виде микронаноэмульсий. Установлено, что при иммобилизации витаминов в водножировых эмульсиях со стабилизаторами на основе альгината натрия и карбокси-метилцеллюлозы можно получать эмульгированные системы, которые обладают повышенной устойчивостью к тепловым режимам, используемым при производстве мясной продукции [6].

Нанотехнология как многообещающая область пищевой индустрии набирает темпы, что подтверждается ростом исследований и публикаций на данную тему.

Произведённые с использованием нанотехнологии здоровые продукты питания начинают распространяться во всём мире. Это позволяет понять, как физикохимические свойства веществ с наноразмерами могут изменить структуру, строение и качество продуктов. Сближение на- нотехнологии с другими науками также ведёт к дальнейшим инновациям.

Изучением наноструктур биологического происхождения занимаются специалисты по молекулярной биологии, вирусологии, генной инженерии, биофизике и другим областям.

Биотехнологами получены предварительные результаты недавно начатых исследований проникновения и выведения из организма наночастиц. Однако поиск и подтверждение безопасности продуктов, получаемых различными способами, должен базироваться на научно достоверном материале, поэтому теоретические и экспериментальные исследования и разработки активно ведутся как в нашей стране, так и за рубежом. Параллельно с нахождением новых знаний формируется правовая нормативно-техническая база этой области, позволяющая обеспечить безопасность человека и окружающей природной среды.