NANOTUTKIMUKSET Liv Kukkonen, Evira Ajankohtaista Laboratoriorintamalla

Transkriptio

1 NANOTUTKIMUKSET 1

2 SISÄLTÖ Mitä on nanoteknologia elintarvikkeissa? Miksi käyttää nanomateriaalia (NM) tai nanopartikkeleita (NP) elintarvikkeissa? Miksi Evira/KETO on kiinnostunut nanotukimuksesta? Käytettävät menetelmät nanotutkimuksessa Miten NM/NP valvotaan elintarvikkeissa? Nanotutkimuksen tulevaisuus vahvuudet ja heikkoudet 2

3 Mitä on nanoteknologia elintarvikkeissa? Nanoteknologia: The RS/RAEng 2004 report ISO/TS :fi materiaalien valmistamista ja kontrolloimista nanomittakaavassa hyödyntämällä ja muokkaamalla rakenteita, yhdistämällä yksittäisiä atomeja ja molekyylejä bulkkimateriaaleihin Elintarvikealueella: nanotiede on passiivista havainoimista, joka edesauttaa ymmärtämään ruoan rakennetta ja käyttäytymistä nanoteknologia on aktiivista ruoan manipulointia, jotta saadaan tiettyä haluttua ominaisuutta 3

4 Päärynä ja nano-au Kuva: Päärynät ja nanokulta; Eom Jung-ui (farmer) ja SM Nanotech Inc. South Korea(2009). Päärynät sisältävät 0,05 0,14 mg Au/kg, ja hinta: 10 / päärynä. Photo by EPA/Yonhap. 4

5 Miksi käyttää nanomateriaalia tai nanopartikkeleita elintarvikkeissa? Hyödyt Nanomateriaalien ja nanopartikkelien avulla toivotaan parannettavan elintarvikkeiden käyttäytymistä, tai niihin saadaan uusia ominaisuuksia esim. vähentämällä suolan, rasvan tai sokerin käytön - tai lisäämällä vitamiinien ja ravinnon osuutta (mm. vapauttaa kontrolloitua tai stabilisoitua koteloitua ravintoa, kosteutta) Nanoteknologian avulla voi suunnitella uusia käyttömahdollisuuksia, jotka parantavat ympäristöä ja ihmisten hyvinvointia uusia makuja, tuoksuja ja muuttamalla rakennetta terveellisempi ruoka parantaa ruoan säilyvyyttä mahdollistaa patogeenien tutkiminen elintarvikkeista elintarvikkeiden säilyminen kylmässä tai jäähdytettynä pienentää energiakulutusta 5

6 Miksi käyttää NM tai NP elintarvikkeissa? Heikkoudet - lisääntyykö pakkausmateriaalin monimutkaisuus? - jätteiden määrä? - kierrätys - vaikeaa? Smart food wrapper made of polyester and dye known as Bis(benzoxazolyl)-stilbene (BBS) excimers (A.Pucci, Univ. of Pisa, Italy). ( Nanowerk News, Jan 2007) 6

7 Miksi käyttää NM tai NP elintarvikkeissa? Nanomateriaalien sovellukset Elintarvikesektorin alueella käytetään pääasiassa ihmisen tekemät NM/NP mm: pakkausmateriaalit bio-indikaattorit elintarvikkeiden lisäravinteet elintarvikkeiden lisäaineet 7

8 Miksi käyttää NM tai NP elintarvikkeissa? Nanomateriaalien ja nanopartikkelien käyttö sovelletaan elintarvikkeissa mm: ruoka-aineiden koostumuksen muuntamisessa elintarvikekomponenttien/lisäaineiden kapseloituminen kehittämällä uusia tuoksu ja maku tuntemuksia kontrolloimalla, säädellen makujen vahvenneiden vapautumista ravintoaineiden biokäytettävyyden lisääminen Nämä antavat mahdollisuuden nanoteknologian käytön potentiaalisesti epäsuorissa tai suorissa elintarvikesovelluksissa 8

9 Miksi käyttää NM tai NP elintarvikkeissa? Ref. International Unison of Food Science & Technology (IUFoST) Scientific Information Bulletin, Dec Potentiaalisesti epäsuorat ruokasovellukset Elekroniikka, tietotekniikka ja kommunikointi silikoonimikrosirut, nanosensorit, polymeeriset säteilevät diodit, valoa heijastavat C-pisteet uusi tapa merkitä tuotteita Metallic nanobarcodes particles; Nanoplex Technologies Inc. Sisällytetyt ruoka-aineisiin/pakkauksiin ja skannaus tuotekoodina 9

10 Miksi käyttää NM tai NP elintarvikkeissa? Viite: Chengkun Jiang et al. Presence of photoluminescent carbon dots in Nescafe orginal instant coffee: Application to bioimaging; Talanta 127(2014) Nescafe orginal nanopikakahvi TEM image: C-dots Ø 4,4 nm -Photoluminescent C-dots (C, O ja N): nm UV-valossa - turvallinen: max 20 mg/ml C-dots kahvipaahtoprosessi tehostaa makua ja on aromivahvenne kahvissa, toimii myös merkkiaineena käytetään myös hiilihydraattisessa sokeripitoisessa ruoassa esim. leivässä, raakasokerissa, corn flakesissa, keksissä 10

11 Miksi käyttää NM tai NP elintarvikkeissa? Tieto elintarvikkeista lisääntyy mm.: - paloturvallisuus - tuoteketjun jäljittäminen ja seuraaminen - lähde - historia - varastointi Nanomaterialit /-tutkimus kehittää/parantaa älykkäitä tuotteita mm. ruokabiopolymeerejä, nanokomposiittejä. 11

12 Miksi käyttää NM tai NP elintarvikkeissa? D. Parker; MNT Network,UK, Durethan Polyamide (PA) film, layered with layered silica barrier. Ohut SiO 2 -kalvo kerroksittain kontrolloi veden, CO 2 (g) tai O 2 (g) kaasun läpäisynopeutta PA:n kalvon läpi Hyödyt avautunut nanokomposiittikalvosta on: Silika kerrokkosittain -parantaa veto ja jännityslujuutta -pienentää kalvon jäykkyyttä -alentaa kalvonviskositeettiä -estää UV-valon tunkeutumista kalvon läpi Polymeeri 12

13 Miksi käyttää NM tai NP elintarvikkeissa? Polylactic acid (PLA) pakkaus sis. antibakteerinen kerroksen,tio 2, Ag, Al 2 O 3 tai nanosavi. Tomimax:Käyttö:Oraalinen, Antibakteerinen 13 Bioneer HQ: SEM-kuvat synteetinen hopeananokolloidipartikkelit, Ø ~ nm.

14 Miksi käyttää NM tai NP elintarvikkeissa? Ref. International Unison of Food Science & Technology (IUFoST) Scientific Information Bulletin, Dec Parker D, MNT for food&packaging, MNT Network, UK Potentiaalisesti suorat elintarvikesovellukset Nanorakenne elintarvikkeissa voi edistää hyvää ruoan laatua Elintarvikeproteiini globularinen rakenne noin Ø 1 10 nm 14 J.F. Graveland Bikker; Trends in Food-Science and Technology, 2006 Maitoproteiini, jossa α- lactalbumiini, joka on hydrolysoitu nanoputkiksi Ca 2+ - ioninen avulla. Nanoputket on tehty aerobisesti hydrolysoimalla Bacillus licheniformis. Kestää pastörointia ja nanoputket ovat vahvoja ja jäykkiä. Mahdollistaa lääkkeiden ja vitamiinien sisällyttämisen nanoputkeihin. Tarvitaan vähemmän rasvaa ja hyytelöimisaineita

15 Miksi käyttää NM tai NP elintarvikkeissa? Kotelot (Cochleates) fosfolipiidikerroksia (soija papu), pinottuja levyjä jotka on kääritty rullalle; Ø 50 nm (CaCl 2 on lisätty tippoittain rasvaliuokseeen aiheuttaen liposomien yhdistymisen) Voivat kuljettaa rasvasoluja tai kolloidoituja partikkeleita. Rullattu nanotuubi on hyväskytty ruokaaineeksi. Kuva: Rullattu nanotuubi. Copyright BioDelivery Sciences International, Inc. 15

16 Miksi käyttää NM tai NP elintarvikkeissa? D. Parker; MNT Network,UK,Omega-3 fatty acid cochleates (centre as powdered form) and baked goods with omega-3/ Nanocochleate 16

17 Miksi käyttää NM tai NP elintarvikkeissa? Nanokapselointi elintarvikkeissa Ruoan mikrokapselointi elintarviketeollisuudessa, on lisääntynyt valtavasti esim. ravintolisissä Peittää makua, hajua ja tehostaa makuelämyksiä D. Parker, MNT Network, UK, New natural and synthetic polymer capsules (from milli-to nano-meter size). Durarome, Flexarome, FirCaps and FirCryst are examples of commercial available systems C-vitamiini v Muita nanokapseleita ovat mm. vitamiinit, liuokset, nanohopea ja nanokulta tai elävät probiootiset mikrobit jotka, edesauttavat vatsan tai elinten toimintaa. 17

18 Miksi käyttää NM tai NP elintarvikkeissa? Funktionaalinen elintarvike (Nutraceuticals) - käytetään keinona toimittaa vitamiineja, antioxidanteja tai antimikrobeja - nanohäkki tai nanoklusteri, Ø < 100 nm. - väittää parantavan absorptiota ja biologista hyödynnettävyyttä kehossa. Shenzhen, China: Nano-seleeni rikastettua nano-teetä, 18

19 Miksi Evira/KETO on kiinnostunut nanotutkimuksesta? Elintarvikkeiden ja rehujen turvallisuudesta kuluttajille Elintarvikepakkausten vaikutuksesta elintarvikkeisiin ja siten ruoan laatuun Tulevaisuudessa Evirassa tehdään elintarvikeja rehusektorilla toksikologista turvallisuusarviointia, perustuen niihin tuotteisiin, jotka on valmistettu nanoteknologian avulla tai sisältävät nanotuotteita Osallistua myös tulevaisuudessa nanopartikkelien tutkimuksen sekä niiden terveysvaikutuksista elimistöön ja ympäristöön 19

20 Käytettävät menetelmät nanotutkimuksessa Taulukko 1: Karakterisointi parametrit NM/NP Kemikaali koostumus/identiteetti Partikkelikoko/-jakauma Liukoisuus ph Fysikaalinen muoto ja morfologia Partikkelin massa ja konsentraatio Ominaispinta-ala Pintakemia Pintavaraus Viskositeetti Tiheys ja huokostiheys Jauhomaisuus (esim. mausteet, maito- /kermajauheet, keittopulverit) Kemiallinen reaktiivisuus/katalyyttinen aktiivisuus Fotokatalyyttinen aktiivisuus (pinnoitteet, pakkaukset, musteet) Redoksipotentiaali 20

21 Nanotutkimuksen menetelmät Tällä hetkellä käytettyt analyyttiset menetelmät elintarvikkeissa Valonsironta Mikroskopia Spektrometria Kromatografia Partikkelikoon erotustekniikka Pintakarakterisointi Ei ole vielä olemassa gold standard - menetelmää, jota voitaisiin käyttää erilaisten NM tai NP ominaisuuksien tunnistamiseen EU:n projekti NanoLyse on kehittänyt ja validoinnut muutamia toteamis- ja kvantifiointianalyyttisiä menetelmiä NMelintarvikkeissa 21

22 Esim. Lisäaine SiO 2 (E551) Nanotutkimuksen menetelmät amorfinen synteettinen nano-sio 2 (CAS-nro ), 5 50 nm, pinta-ala m 2 /g) käytetään paakkuuntumisenestoaineena, kiilotusaineena mm. pirtelöissä, juustoissa, makeisien ja makkaroiden pintakäsittelyssä on hyväksytty tehoainevalmisteeksi hyönteis-, punkki- ja niveljalkaisten torjuntaan alkaen (täytäntöpanosasetus ei ole julkaistu) ADI (acceptable daily intake); SiO 2 :n päivittäisenimmäissaantia ei ole määritelty elintarvikkeissa 22

23 Nanotutkimuksen menetelmät Viite: T. Burgdorf et al. First Evaluation on the Joint Research Strategy of German Governmental Research Institutions "Nanotechnology - Risks related to Nanomaterials for Humans and the Environment" ( ), s. 18, Federal Institute for Risk Assessment, Germany, SEM-kuva (transmission) nano-sio 2 NP (vasen) ja histogrammi (oikealla) partikkelijakauma 4400 partikkelit (oikealla), keskiarvo diameter: 25.2 nm ± 1.1 nm (photograph: PTB). Validoitu vertailumateriaali: SiO 2 (IRMM- 304) ja Au (NIST CRM 8011, 8012 and 8013) Uusi vertailumateriaali NP:s material: Ag kanaliha, SiO 2 -tomaattiskeitto, C 60 ruokaöljyssä, orgaaniset NP-juomissa 23

24 Miten NM /NP valvotaan elintarvikkeissa? Elintarvikepakkausmerkintävaatimukset Elintarviketietoasetuksen EY/1169/2011 mukaisesti kuluttajien on joulukuussa 2014 saatava tietää, jos on käytetty nanomuotoista aineosia tuotteissa i.e. aineosaluettelo; nano Elintarvikelainsäädäntö Yleinen Elintarvikelainsäädäntöasetus EY/178/2002 käytettävät työkalut ovat aineosien koostumus, tuotemerkinnät ja tuoteselosteasiakirjat Uuselintarvikelainsäädäntö Asetus EY/258/97 sovelletaan uuselintarvikkeisiin ja ruoka aineosiin. asetus ( ) sisältää nano-teknologia/ nanomateriaalit ja nanopartikkelit 24

25 Lisäaineet Miten EM/EP valvotaan? Ohjeistettu Neuvoston Direktiivissä 89/107/ETY ja asetuksessa EY/1333/2008 ainoastaan hyväksyttyjä lisäaineita voidaan käyttää elintarvikkeissa EFSA (European Food Safety Authority) on julkaisut tieteelliset mielipidedokumentit: 25 Guidance for the risk assessment of the application of nanoscience and nanotechnologies in food and feed chain. EFSA Journal 2011;9(5):2410, p Inventory of Nanotechnology applications in the agricultural, feed and food sector EFSA supporting publication 2014; EN-621 CFT/EFSA/FEED/2012/01 tähän päivään mennessä ei vielä ole tiettävästi saatu tuotehakemuksia, jotka sisältävät nano-modifioitua elintarvikkeita EU:ssa tai Suomessa

26 Nanotutkimuksen tulevaisuusvahvuudet ja heikkoudet Vahvuudet Tiedeyhteisö ja elintarviketeollisuus etsii ja kehittää uusia alku- ja lopputuotantomenetelmiä ja tuotteita kiihtyvällä tahdilla Tekniikka on olemassa Heikkoudet Lisättyinä NM/NP elintarvikkeissa aiheuttavat kontaminaatio- ja matriisiongelmia esim. stabiilisuus, liukoisuus, lämpö-, valoherkkyys Mittaaminen vaikeaa - ei systemaattista tutkimusta NM/NP elintarvikkeiden laadunvarmistusta pellolta laboratorioon ei vielä tehdä Suomessa Keskustelu elintarvikkeiden nanotutkimuksesta; teollisuuden, tiedeyhteisön ja viranomaisten välillä on hyvin heikkoa ja vähäistä Suomessa 26

27 Yhteenveto Nanoteknologian määritelmä elintarvikkeiden suhteen Nanomateriaalien ja nanopartikkelien käyttö ruoassa Miksi Evira on kiinnostunut NM/NP Menetelmät ja haasteet NM/NP mittauksesta elintarvikkeissa Miten NM/NP elintarvikkeet valvotaan EU:ssa/Suomessa Nanotutkimuksen vahvuudet ja heikkoudet 27 Kiitos!