LENA: Lebensmittelsicherheit und Nanotechnologie - Methoden zum Nachweis von Nanopartikeln

Projektlaufzeit

Januar 2013 bis Dezember 2016

Zielsetzung

Das Bayerische Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit führte in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IVV das Projekt „Lebensmittel und Nanotechnologie (LENA)“ durch. Ziel des anwendungs- und praxisbezogenen Forschungsprojektes war, erste Erkenntnisse zur oralen Aufnahme von Nanopartikel durch Lebens- bzw. Nahrungsergänzungsmittel zu gewinnen.

Fragestellungen

Im ersten Modul wurden Fragen zur Verwendung von Nanopartikeln in Lebensmittelverpackungen und zur Migration von Partikeln in Lebensmittel beantwortet:

  • Welche nanoskaligen Materialien und Stoffe werden bei der Herstellung von Lebensmittelverpackungen verwendet?
  • Können Nanopartikel aus Verpackungsmaterialien in nanoskaliger Form in Lebensmittel übergehen (Migration)?
  • Wenn ja, unter welchen Bedingungen (Kontaktbedingungen Verpackung-Lebensmittel, Art der Nano-Materialien und der Verpackung) kann es zu Exposition und in welchem Umfang kommen?
  • Wie können Nanopartikel analytisch erfasst werden und wie lassen sich solche Migrationsprozesse praktikabel prüfen?

Im zweiten Modul sollten Nanopartikel in Nahrungsergänzungsmitteln und ggf. anderen Lebensmitteln charakterisiert werden.

  • Sind in Nahrungsergänzungsmitteln, die auf dem deutschen Markt oder im Internethandel erhältlich sind, Nanomaterialien enthalten?
  • In welcher Form liegen diese im Produkt vor und kommt es zu Veränderungen durch Lagerung?
  • Wie können diese Partikel, die in Pulverform, aber auch in Suspensionen vorliegen, analysiert werden?

Aus den Ergebnissen des Projekts ergaben sich erstmals konkrete Hinweise zur oralen Exposition durch Nanopartikel und Ansatzpunkte für eine Risikoabschätzung der Verbraucher. Gerade für eine Behörde in der Lebensmittelsicherheit ist es interessant und wichtig, frühzeitig analytische Methoden zu entwickeln, um für eventuelle zukünftige Vollzugsaufgaben vorbereitet zu sein. Mit dem Projekt sollten auch notwendige praxisnahe Grundlagen für eine sachgerechte Risikokommunikation gelegt werden.

Methoden und Analytik bei LENA

Die vollständige Charakterisierung von Nanopartikeln beinhaltet die Bestimmung der Partikelgröße und -form, der Konzentration und Größenverteilung der Partikel sowie deren chemische Zusammensetzung. Bislang existierten noch keine standardisierten analytischen Methoden, Nanomaterialien in Nahrungsmitteln direkt nachzuweisen. Neben der direkten Beobachtung (Detektion) mit bildgebenden Verfahren wie Rasterelektronenmikroskopie ist die Trennung und Isolierung von Nanopartikeln aus komplexen Matrizes wie Nahrungsergänzungsmitteln und Lebensmitteln mittels geeigneter analytischer Verfahren ein vielversprechender Untersuchungsansatz.

Bei den bildgebenden Verfahren werden in der Regel einzelne Partikel betrachtet, wobei nicht nur die Größe und Gestalt/Form der Partikel bestimmt werden können, sondern auch mit modernen elektronenmikroskopischen Verfahren die chemische Zusammensetzung. Durch die große Anzahl einzelner Partikel in Partikelsuspensionen ist diese Methode allerdings weniger praktikabel, um die gesamte Partikelgrößenverteilung zu bestimmen.
Abhilfe leisten hier Verfahren, die die Gesamtheit der Partikel in einer Suspension untersuchen. Methoden zur Auftrennung der unterschiedlich großen Partikel sind dabei erforderlich, um die Größenverteilung bestimmen zu können. Ohne Trennung der Partikelfraktionen besteht die Möglichkeit, dass sehr kleine Partikel durch die Anwesenheit großer Partikel übersehen werden.

Ein Verfahren zur Trennung von Partikeln stellt die sogenannte Feldflussfraktionierung (FFF) dar, bei der die suspendierten Partikel aufgrund ihrer größenabhängigen Beweglichkeit in einem flachen Trennkanal aufgetrennt und anschließend mit geeigneten Detektoren „sichtbar“ gemacht werden (siehe Abbildung). Dadurch erhält man die Größe der einzelnen Partikel und die Konzentration der einzelnen Partikelfraktionen. Anschließend werden die aufgetrennten Partikelfraktionen wieder aufgefangen und können durch andere analytische Methoden weiter charakterisiert werden.

Als Detektoren kamen Brechungsindex-Detektor, UV-VIS-Absorption und Vielwinkel-Lichtstreuung (MALS: multi angle light scattering) zum Einsatz. Die chemische Zusammensetzung der Partikel kann mit Atom-Absorptions-Spektroskopie (AAS), Massenspektrometrie mit induktiv-gekoppeltem-Plasma (ICP-MS) oder Flüssigchromatographie-Massenspektrometie (LC-MS) untersucht werden, wobei die beiden ersten Verfahren zur Bestimmung der chemischen Elemente dienten und letzteres zur weiteren Charakterisierung organischer Bestandteile. Zur vollständigen Untersuchung der Nanopartikel wurde ein Rasterelektronenmikroskop gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) eingesetzt, mit dem die Form der Partikel sowie die chemische Elementarzusammensetzung bestimmt wird.

Bei LENA eingesetzte analytische und theoretische Methoden:

  • Trennung, Nachweis, Größenbestimmung und Isolierung von Partikeln mittels Feldflussfraktionierung (FFF) gekoppelt mit z. B. Brechungsindex-Detektor, UV-VIS-Absorption und Vielwinkel-Lichtstreuung (MALS: multi angle light scattering)
  • Konventionelle Analytik der mittels FFF gesammelten Fraktionen mit z. B. Atom-Absorptions-Spektroskopie (AAS), Massenspektrometrie mit induktiv-gekoppeltem-Plasma (ICP-MS) oder Flüssigchromatographie-Massenspektrometie (LC-MS)
  • Elektronenmikroskopische Untersuchungen (Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie) gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX)
  • Migrationstheoretische Ansätze zur Abschätzung möglicher Stoffübergänge von Nanopartikeln aus Verpackungsmaterialien

Das Projekt ist abgeschlossen: Den Abschlussbericht finden Sie hier.

Kooperationspartner

Das Sachgebiet Chemikaliensicherheit und Toxikologie arbeitete in diesem Projekt mit dem Sachgebiet "Grundsatzfragen zu Lebensmitteln und zur Lebensmittelqualität, Novel Food, gentechnisch veränderte Lebensmittel" des LGL und mit dem Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising zusammen.

Ergebnisse

Nanotechnologie verspricht im Lebensmittelsektor vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, jedoch stehen Verbraucher gerade dem Einsatz von Nanopartikeln in der Lebensmittelproduktion äußerst kritisch gegenüber. Denkbar ist, dass Lebensmitteln Nanopartikel zugesetzt werden könnten, um neue Eigenschaften zu erzeugen, diese Lebensmittel gelten dann als „Novel Food“ und unterlägen der Verordnung über neuartige Lebensmittel ("Novel Food-Verordnung") und müssten extra zugelassen werden.

Auch seit langem zugelassene Lebensmittelzusatzstoffe könnten Nanopartikel enthalten. Zu den wichtigsten Lebensmittelzusatzstoffen, die möglicherweise technisch hergestellte Nanomaterialien enthalten, zählen u. a. Titandioxid (E 171), Silber (E 174), Gold (E 175), und Siliziumdioxid (E 551).

Die Lebensmittelinformationsverordnung schreibt vor, dass Zutaten in Lebensmitteln, die in Form technisch hergestellter Nanomaterialien vorhanden sind, seit 2014 durch das in Klammern gesetzte Wort „Nano“ zu kennzeichnen sind. Dabei bedeutet „technisch hergestelltes Nanomaterial“, dass mindestens die Hälfte aller Einzelpartikel bzw. Zusammenballungen in mindestens einer Dimension zwischen 1 und 100 nm groß sind. Damit die Einhaltung dieser Kennzeichnungspflicht überprüft werden kann, sind entsprechende Methoden zum Nachweis von Nanopartikeln notwendig.

Für eine Bewertung möglicher Gesundheitseffekte durch die Aufnahme von Nanopartikeln mit der Nahrung liegen nur wenige Untersuchungen vor. Für derartige Studien ist vor allem auch eine genaue Charakterisierung der verwendeten Nanopartikel notwendig, um unterschiedliche Studien miteinander vergleichen zu können und zu aussagekräftigen Bewertungen zu gelangen.

Vor diesem Hintergrund wurden in dem vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz finanzierten Forschungsprojekt LENA vom Bayerischen Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit verschiedene Untersuchungsmethoden zur Charakterisierung von Nanopartikeln entwickelt. Dazu wurden entsprechende analytische Methoden und Verfahren für die optimale Probenvorbereitung getestet.

Insgesamt verfügt das Bayerische Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit mittlerweile über vier sich ergänzende Methoden für die Untersuchung und den Nachweis von Nanopartikeln (siehe Abbildung 1). Zum Einsatz kamen Verfahren wie die Elektronenmikroskopie, mit deren Hilfe es möglich ist die Form und Größe einzelner Nanopartikel zu bestimmen. Hierbei kann immer nur eine relativ kleine Anzahl von Nanopartikeln untersucht werden, d. h. man erhält nur einen kleinen Ausschnitt aus der Gesamtheit aller Nanopartikel, deren Größe in der Regel nicht einheitlich ist und über einen weiten Bereich variieren kann.

Um die Gesamtheit der Nanopartikel zu erfassen wurden daher auch Verfahren eingesetzt, die es ermöglichen alle Partikel in einem bestimmten Größenintervall zu zählen und somit eine vollständige Größenverteilung aller Nanopartikel zu erhalten. Zu diesen Verfahren zählen die dynamische Lichtstreuung und die Feldflussfraktionierung. Ein weiteres Verfahren stellt die ICP-Massenspektrometrie dar, mit dem ebenfalls eine Größenverteilung der Nanopartikel bestimmt werden kann, zusätzlich erhält man aber auch noch Informationen über die chemische Zusammensetzung der Nanopartikel.

Eingesetzte Methoden zur Untersuchung von Nanopartikeln

Abbildung 1: Eingesetzte Methoden zur Untersuchung von Nanopartikeln.

Mit diesen Methoden wurden zunächst eine Reihe von Nanopartikeln bekannter Zusammensetzung und Größe (sogenannte Referenzmaterialien) untersucht, um den Einsatzbereich und die Leistungsfähigkeit der einzelnen Verfahren zu testen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen und Erfahrungen wurden dann folgende Fragestellungen untersucht:

1) Untersuchung von im Internet erhältlichem „Silberwasser“ (Nanosilber) hinsichtlich Größe und Silbergehalt

In einer ersten Studie wurden Proben von Silberwasser untersucht und die Größenverteilung von eventuell vorhandenem Nanosilber gemessen sowie der Silbergehalt bestimmt. Aufgrund seiner antibiotischen Wirkungen wird Nanosilber heutzutage nicht nur in der Medizin sondern auch in Verbraucherprodukten eingesetzt. Zusätzlich wird es aber auch in der sogenannten alternativen Medizin in Form von „Silberwasser“ oder „kolloidalem Silber“ als „Allheilmittel“ bzw. „natürliches Antibiotikum“ angepriesen und über den Internethandel vertrieben. Die Untersuchung ergab, dass alle Silberwasser Nanosilber mit mittleren Größen unter 100 nm enthielten, allerdings waren die gemessenen Silberkonzentrationen bei fast allen Produkten unterhalb der auf den Produkten angegebenen Werte.

2) Charakterisierung von Silber und Titandioxidpartikeln in Nano- und Mikrogröße für eine vergleichende Studie zur Aufnahme im menschlichen Körper.

In einer ebenfalls vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz geförderten Studie untersucht das Bayerische Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit das Aufnahmeverhalten von Partikeln im Magen-Darm-Trakt im Hinblick auf den Unterschied von nano- und mikroskaligen Partikeln. Um aussagekräftige und vergleichbare Ergebnisse bei derartigen Studien zu erhalten, ist es äußerst wichtig die Größe und Größenverteilung der verwendeten Partikel genau zu kennen.

Die dafür erforderlichen Untersuchungen wurden im Rahmen des Projekts LENA mit den oben beschriebenen Methoden durchgeführt. Als Modellpartikel wurden Silber und Titandioxid ausgewählt und die entsprechenden nano- und mikroskaligen Formen charakterisiert (siehe Abbildung 2).

Elektronenmikroskopische Aufnahmen der Mikro- und Nanoformen 
von Titandioxid und Silber

Abbildung 2: Elektronenmikroskopische Aufnahmen der Mikro- und Nanoformen von Titandioxid und Silber.

3) Dotierung von flüssigen Lebensmitteln mit Nanosilber und Titandioxid

Für die Untersuchungen von Nanopartikeln in Lebensmitteln wurden flüssige Lebensmittel wie Kaffee, Milch und Bier mit Nanosilber und Titandioxid in nano- und mikroskaliger Form dotiert. Dann wurde versucht, die zugesetzten Partikel nachzuweisen und deren Größe zu bestimmen. Die flüssigen Lebensmittel wurden ausgewählt, da sie einerseits ohne aufwändige Aufarbeitung mit den Partikeln dotiert werden können, andererseits aber eine Herausforderung bei der Analyse bilden, da bekanntlich in Lebensmitteln auch eine Reihe natürlicher Nanopartikel vorkommen (z. B. Proteine und Mizellen)

Im Falle von Nanosilber konnten die Partikel eindeutig wieder nachgewiesen werden und es kam zu keinen Veränderungen der Partikelgröße. Bei Titandioxid hingegen zeigte sich, dass in einigen Fällen, abhängig vom Lebensmittel und zugegebenem Partikeltyp, die Partikel dazu neigen größere Zusammenballungen zu bilden und nicht mehr in der Ursprungsform vorliegen. Derartige Effekte müssen bei der Entwicklung analytischer Methoden durch die Wahl geeigneter Referenzmaterialien berücksichtigt werden, da die Partikelgröße von dem Lebensmittel beeinflusst werden kann.

Ein Teil der Ergebnisse dieses Projekts wurde auf verschiedenen Konferenzen und in Fachgremien vorgestellt:

  • Winterhalter, R.: „Lebensmittelsicherheit und Nanotechnologie“, Arbeitsgruppe Nanomaterialien der Lebensmittelchemischen Gesellschaft, Frankfurt, 3.11.2014.
  • Winterhalter, R.: „Nano-Analytik in Lebensmitteln – Stand der Technik, Schwierigkeiten und Perspektiven“, Nanodialog der Bundesregierung, FachDialog 4: Anwendung von Nanomaterialien in Produkten Chancen und mögliche Risiken: Beispiel Lebensmittelbereich, Berlin, 15.6.2015.
  • Winterhalter, R. und Fromme, H.: „Methoden zur Analytik von Nanomaterialien in Lebensmitteln“, 2. LGL Kongress Lebensmittelsicherheit, Erlangen, 18.10.2016.
  • Winterhalter, R., Sysoltseva, M., Matzen, W., Schober, W. und Fromme, H.: „Measurement of the size distribution of nano-sized and micro-sized particles of silver and titanium dioxide to be used in human in vivo studies on gastrointestinal absorption”, German Pharm-Tox Summit, Heidelberg, 7.3.2017.

Veröffentlichungen:

  • Kohlhuber, M., Winterhalter, R., Schmid, W., Franz, R., Fromme, H.: „Lebensmittel und Nanotechnologie – Neues Forschungsprojekt des Bayer. LGL und des Fraunhofer IVV“. Deutsche Lebensmittel-Rundschau, Juni 2010, S. 308-317.
  • Nanomaterialien in Lebensmitteln und Verbraucherprodukten – Anwendungsbereiche, Analytik, rechtliche Rahmenbedingungen. September 2012. Band 24 der Schriftenreihe Gesundheit und Umwelt, Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit
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