Nanocząstki w żywności. Cykl “Poznaj świat nauki o żywności”

Czym są nanocząstki? Czy stanowią zagrożenie? Dlaczego stały się powszechnie stosowane w produktach? Czego dowiodły badania w Katedrze Biotechnologii, Mikrobiologii i Żywienia człowieka? Odpowiedzi znajdziemy w kolejnym artykule z Cyklu.

Wraz ze wzrostem gospodarczym na świecie w coraz większym stopniu jesteśmy narażeni na kontakt pośredni lub bezpośredni metalicznych nanocząstek. Ze względu na nowe właściwości oferowane przez ich niewielkie rozmiary, nanocząstki (NPs) są wprowadzane do coraz większej liczby produktów komercyjnych.

Ditlenek tytanu klasy spożywczej (TiO2) jest powszechnie stosowany jako dodatek do żywności na świecie (poza UE od 2022 r.). Jest białym pigmentem i środkiem rozjaśniającym stosowanym w dużych ilościach w produktach cukierniczych, białych sosach i glazurach (Weir i in., 2012), również ma zastosowanie m.in. w kosmetyce, farmaceutykach i pastach do zębów (Baranowska-Wójcik i in., 2020).

Barwnik ten zawiera różne frakcje cząsteczek – w tym nano – czyli frakcje o wielkości cząstek poniżej 100 nm i to właśnie ta frakcja od lat wzbudza obawy dotyczące ich potencjalnego wpływu na zdrowie człowieka po przedostaniu się tych nanocząstek wraz z żywnością do przewodu pokarmowego (Winkler i in., 2018; Baranowska-Wójcik i in., 2020). Gdy wykazano, iż TiO2 NPs mogą być wchłaniane w przewodzie pokarmowym, ich zastosowanie w żywności wzbudziło obawy o potencjalną toksyczność spowodowaną jego przewlekłym spożyciem (Li i in., 2018). Ze względu na swój rozmiar NPs mogą przekroczyć barierę komórkową i doprowadzić do stresu oksydacyjnego i uszkodzenia komórek wyścielających przewód lub warstwę śluzu (Kassama i Liu 2017, Talbot i in., 2018). Ostatnie doniesienia wskazują, że te NPs mogą powodować niekorzystne skutki przyczyniając się do zapalenia jelita, zmian patogennych w składzie mikrobiomu jelit (Cao i in., 2020) i tworzenia zmian przednowotworowych okrężnicy (Bettini i in., 2017).

Potencjalne zagrożenia dla zdrowia związane ze spożywaniem żywności zawierającej NPs są nadal dość słabo poznane, ale przypuszcza się, że toksyczność TiO2 NPs zależy od ich wielkości, morfologii, szybkości migracji i ekspozycji (Baranowska-Wójcik, 2021). E171 dostaje się do organizmu jako składnik produktów spożywczych i napojów (Chen i in., 2012), co oznacza, że przewód pokarmowy (GIT – gastrointestinal tract) stanowi kluczowe połączenie pomiędzy organizmem a środowiskiem zewnętrznym, w którym ten dodatek do żywności jest wchłaniany (Guo i in., 2017).

Żywność, przechodząc przez układ pokarmowy, zmienia swoje właściwości fizykochemiczne i strukturę (Baranowska-Wójcik i in., 2022a). Enzymy trawienne, zmiany pH podczas trawienia w przewodzie pokarmowym i składniki płynów trawiennych mogą przyczynić się do zmiany właściwości fizykochemicznych E171, a to z kolei może potencjalnie wpływać na wchłanianie in vivo (Baranowska-Wójcik i in., 2023). Wykazano również iż TiO2 NPs mogą tworzyć kompleksy z polifenolami poprzez grupy funkcyjne enediolu (Cao i in., 2016) wynikiem czego biodostępność polifenoli może zostać zaburzona (Li i in., 2021).

Jest niewiele badań dotyczących zmiany właściwości TiO2 NPs podczas przemieszczania się przez układ pokarmowy człowieka. W wielu badaniach, w celu oceny efektów wchłaniania i transportu składników pokarmowych w organizmie człowieka szeroko stosowany jest model jelita ludzkiego in vitro (Szwajgier i in., 2021, Baranowska-Wójcik i in., 2022b, 2023). Zastosowanie tego typu modelu daje możliwości wiernego odwzorowania wielu aspektów trawienia, w tym interakcji TiO2 NPs z dowolnymi składnikami płynu żołądkowego, jelitowego, w tym z bakteriami wchodzącymi w skład jelita grubego.

Pracownicy Katedry Biotechnologii, Mikrobiologii i Żywienia Człowieka przeprowadzają badania na tego typie modelu przewodu pokarmowego (Fig.1).

W ostatnich swoich badaniach przeprowadzili symulacje trawienia przykładowej porcji pokarmowej (zupa przecierowa, smoothie owocowe) w celu określenia interakcji TiO2 ze składnikami żywności. Chcieli wykazać czy możliwe jest uwięzienie TiO2 (obniżenie „biodostępności” Ti) w trójwymiarowej sieci stworzonej przez składniki takich produktów jak zupa przecierowa, smoothie owocowe. Wykazali, iż składniki tych produktów wykazują zdolność do obniżania “biodostępność” TiO2 z przewodu pokarmowego podczas symulowanego procesu trawienia in vitro, prawdopodobnie w wyniku wiązania tych składników (Baranowska-Wójcik i in., 2022b, 2023).

Fig 1. Model in vitro „przewodu pokarmowego”

Systematyczne dostarczanie do organizmu TiO2 NPs nawet w małych dawkach może wpływać na błonę śluzową jelita, mózg, serce i inne organy, a to może prowadzić do zwiększonego ryzyka rozwoju wielu chorób, nowotworów lub progresji istniejących procesów nowotworowych. Potrzebne są zaawansowane modele in vivo w warunkach eksperymentalnych, by umożliwić systematyczne badania które są potrzebne do lepszej oceny toksyczności nanocząstek.

Piśmiennictwo:

Weir. A., Westerhoff. P., Fabricius. L., Hristovski. K., & von Goetz. N. (2012). Titanium dioxide nanoparticles in food and personal care products. Environmental Science & Technology, 46(4), 2242–50.

Baranowska-Wójcik, E., Szwajgier, D., Oleszczuk, P., & Winiarska-Mieczan, A. (2020). Effects of titanium dioxide nanoparticles exposure on human health—a review. Biological trace element research, 193, 118-129.

Winkler, H. C., Notter, T., Meyer, U., & Naegeli, H. (2018). Critical review of the safety assessment of titanium dioxide additives in food. Journal of Nanobiotechnology, 16(1). doi:10.1186/s12951-018-0376-8

Li, J.; Yang, S.; Lei, R.; Gu,W.; Qin, Y.; Ma, S.; Chen, K.; Chang, Y.; Bai, S.; Xia, S.; et al. Oral administration of rutile and anatase TiO2 nanoparticles shifts mouse gut microbiota structure. Nanoscale 2018, 10, 7736–7745.

Kassama, L.S.; Liu, L. In Vitro Modeling of the Gastrointestinal Tract: Significance in Food and Nutritional Research and Health Implications. Food Nutr. J. 2017, 2, 131.

Talbot, P., Radziwill-Bienkowska, J. M., Kamphuis, J. B. J., Steenkeste, K., Bettini, S., Robert, V., … Mercier-Bonin, M. (2018). Food-grade TiO2 is trapped by intestinal mucus in vitro but does not impair mucin O-glycosylation and short-chain fatty acid synthesis in vivo: implications for gut barrier protection. Journal of Nanobiotechnology, 16(1). doi:10.1186/s12951-018-0379-5

Cao, X., Han, Y., Gu, M., Du, H., Song, M., Zhu, X., … Xiao, H. (2020). Foodborne Titanium Dioxide Nanoparticles Induce Stronger Adverse Effects in Obese Mice than Non‐Obese Mice: Gut Microbiota Dysbiosis, Colonic Inflammation, and Proteome Alterations. Small, 2001858. doi:10.1002/smll.202001858

Bettini, S., Boutet-Robinet, E., Cartier, C., Coméra, C., Gaultier, E., Dupuy, J., … & Houdeau, E. (2017). Food-grade TiO2 impairs intestinal and systemic immune homeostasis, initiates preneoplastic lesions and promotes aberrant crypt development in the rat colon. Scientific reports, 7(1), 40373.

Baranowska-Wójcik, E. (2021). Factors conditioning the potential effects TiO2 NPs exposure on human microbiota: a mini-review. Biological Trace Element Research, 199(12), 4458-4465.

Chen, X.-X., Cheng, B., Yang, Y.-X., Cao, A., Liu, J.-H., Du, L.-J., … Wang, H. (2012). Characterization and Preliminary Toxicity Assay of Nano-Titanium Dioxide Additive in Sugar-Coated Chewing Gum. Small, 9(9-10), 1765–1774. doi:10.1002/smll.201201506.

Guo, Z., Martucci, N. J., Moreno-Olivas, F., Tako, E., & Mahler, G. J. (2017). Titanium dioxide nanoparticle ingestion alters nutrient absorption in an in vitro model of the small intestine. NanoImpact, 5, 70–82. doi:10.1016/j.impact.2017.01.002.

Baranowska-Wójcik, E., Szwajgier, D., Winiarska-Mieczan, A., (2022a). A critical review of research on the impact of E171/TiO2 NPs on the alimentary system. J Trace Elem Med Biol 72, 126988. doi:10.1016/j.jtemb.2022.126988.

Baranowska-Wójcik, E., Szwajgier, D., Gustaw, K., Jośko, I., Pawlikowska-Pawlęga, B., & Kapral-Piotrowska, J. (2023). Reduced bioaccessibility of TiO2 (E 171) during puree soup digestion in a gastrointestinal tract simulated in vitro. Food Research International, 164, 112189.

Cao, X.; Ma, C.; Gao, Z.; Zheng, J.; He, L.; McClements, D. J.; Xiao, H. Characterization of the interactions between titanium dioxide nanoparticles and polymethoxyflavones using surfaceenhanced Raman spectroscopy. J. Agric. Food Chem. 2016, 64, 9436−9441

Li, Q., Duan, M., Liu, L., Chen, X., Fu, Y., Li, J., Zhao, Z., & McClements, D. J. (2021). Impact of polyphenol interactions with titanium dioxide nanoparticles on their bioavailability and antioxidant activity. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 69(33), 9661-9670.

Szwajgier, D.; Baranowska-Wójcik, E.; Kukula-Koch, W.; Kowalik, K.; Polak-Berecka, M.; Waśko, A. Evolution of the anticholinesterase,antioxidant, an d anti-inflammatory activity of Epilobium angustifolium L. infusion during in vitro digestion. J. Funct. Foods 2021, 85, 104645.

Baranowska-Wójcik, E., Szwajgier, D., Jośko, I., Pawlikowska-Pawlęga, B., & Gustaw, K. (2022b). Smoothies Reduce the “Bioaccessibility” of TiO2 (E 171) in the Model of the In Vitro Gastrointestinal Tract. Nutrients, 14(17), 3503.

Autor: dr hab. inż. Ewa Baranowska-Wójcik

Katedra Biotechnologii, Mikrobiologii i Żywienia Człowieka

Wydział Nauk o Żywności i Biotechnologii

                                                                     
     * * *

Cykl „Poznaj świat nauki o żywności” to seria artykułów popularnonaukowych przygotowywanych przez naukowców z Wydziału Nauk o Żywności i Biotechnologii Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie].