Wprowadzenie
Kwestie wymagań w odniesieniu do opakowań żywności reguluje Rozporządzenie (WE) Nr 1935/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 października 2004 r. w sprawie materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z żywnością. Definiuje ono również pojęcie opakowań inteligentnych jako „materiałów i wyrobów, które monitorują stan opakowanej żywności lub jej otoczenia” [16]. Opakowania inteligentne, zwane również indykatorowymi, rozwinęły się równocześnie z opakowaniami aktywnymi, dlatego też często są mylnie interpretowane jako grupa opakowań aktywnych lub ich synonim. Ich zadaniem nie jest aktywne oddziaływanie na produkt, lecz monitorowanie i informowanie konsumenta o jakości i bezpieczeństwie produktu [10]. Wskaźniki diagnostyczne zostały zaprojektowane w celu dostarczania informacji na temat warunków przechowywania żywności, takich jak temperatura, czas, zawartość tlenu lub dwutlenku węgla, a co za tym idzie pośrednio dostarczają informacji o jakości żywności. Wskaźniki te mogą być umieszczane w etykietach, włączane do materiału opakowaniowego lub nadrukowane na materiał [7]. Wybrane typy i zastosowania nanosensorów w ocenie jakości żywności przedstawiono w tabeli 1.
Termin przydatności do spożycia jest dla żywności ustalany z uwzględnieniem warunków panujących podczas przechowywania i dystrybucji (głównie temperatury). Nie zawsze warunki założone są zgodne z rzeczywistymi i produkty są przechowywane często w wyższych temperaturach, co jest szczególnie niebezpieczne w przypadku żywności wymagającej zachowania ciągłości łańcucha chłodniczego. Ponadto mikropory lub defekty szczelności w materiałach opakowaniowych mogą prowadzić do wysokiej ekspozycji na tlen i niekorzystnych zmian w produkcie [12]. Dlatego w najnowszej generacji opakowań inteligentnych stosowane są tzw. nanosensory. Są to reaktywne cząsteczki zdolne do odpowiedzi na zmiany w środowisku, np. zmiany temperatury czy wilgotności w pomieszczeniach magazynowych; na zmiany poziomu tlenu w otoczeniu; na obecność produktów rozkładu czy zanieczyszczenie mikrobiologiczne [4].
Mogą one być wykorzystywane do wykrywania związków chemicznych, patogenów, alergenów czy toksyn [5]. Biorąc pod uwagę kluczowe znaczenie czasu w mikrobiologii żywności, głównym celem stosowania nanosensorów jest redukcja czasu detekcji patogenów w produktach z kilku dni do kilku godzin lub nawet minut. Nanosensory mogą być umieszczane w strukturze materiału opakowaniowego, gdzie służą jako „elektroniczne nosy” lub „elektroniczne języki” i wykrywają związki chemiczne powstające w czasie procesów psucia się żywności. Innym rodzajem nanosensorów mogą być układy mikroprzepływowe i mogą one służyć efektywnej detekcji patogenów w czasie rzeczywistym i z wysoką czułością. Główną ich zaletą są bardzo małe wymiary i zdolność do szybkiego wykrycia składników już w próbce o objętości kilku mikrolitrów. Przykładowy nanosensor może stanowić układ tysięcy nanocząsteczek zaprojektowanych tak, aby dawać efekt fluorescencyjny w różnych kolorach w momencie zetknięcia z wybranym patogenem [17].
Sensor można zdefiniować jako system generujący specyficzny sygnał w odpowiedzi na bodziec zewnętrzny, pozwalający na określenie czynników fizycznych (temperatura, ciśnienie, wilgotność) czy chemicznych (pH, zawartość tlenu). Biosensory są klasą sensorów, w której czynnikiem generującym sygnał są składniki biologiczne: białka, oligonukleotydy, komórki czy tkanki. Nanotechnologia przyczyniła się do rozwoju biosensorów przez umożliwienie tworzenia specyficznych warstw bioreceptorowych. Zasada działania biosensorów polega na reakcji składnika (bio)chemicznego (DNA, białka, gazy) z biosensorem złożonym z trzech podstawowych elementów: bioreceptora – biologicznej cząsteczki rozpoznającej specyficznej dla wykrywanej cząsteczki, przetwornika oraz systemu integracji. Dzięki temu interakcja pomiędzy bioreceptorem a jego cząsteczką docelową może zostać przekształcona w sygnał (np. elektryczny) [18].
Nanosensory rejestrujące zmiany stężenia gazów wewnątrz opakowania
Zepsucie żywności powodowane rozwojem mikroorganizmów prowadzi do zwiększenia stężenia gazów powstałych wskutek ich metabolizmu. Gazy te mogą być wykrywane przez sensory złożone z nanokompozytów polimerów przewodzących lub z tlenków metali. Dzięki temu możliwa jest identyfikacja lub nawet oznaczenie ilościowe drobnoustrojów produkujących te gazy [8]. Polimery przewodzące to elektroaktywne polimery posiadające w łańcuchu głównym układy wiązań sprzężonych. Mogą być syntetyzowane poprzez chemiczną bądź elektrochemiczną oksydację. Do najważniejszych polimerów przewodzących zaliczyć można polianilinę, poliacetylen, polipirol i politiofen [1]. Sensory bazujące na polimerach przewodzących składają się z przewodzących cząsteczek wbudowanych w polimerową matrycę o charakterze izolatora. Sensory pokryte są cienką warstwą substancji, której celem jest wychwyt cząsteczek gazów z powietrza. Zmiany rezystancji sensora wywołane zmianami stężenia gazów pozwalają na wytworzenie wzoru odpowiedzi dla konkretnego drobnoustroju, który umożliwia jego późniejszą identyfikację [2].
Firma Kraft Foods przy współpracy naukowców z Uniwersytetu Rutgersa w stanie New Jersey opracowała system „elektronicznego języka”. Urządzenie może być umieszczone w opakowaniu i składa się z układu nanosensorów wrażliwych na obecność gazów wydzielanych przez mikroorganizmy. W momencie wykrycia zepsucia żywności „elektroniczny język” zmienia barwę [8].
W przypadku pakowania z zastosowaniem atmosfery modyfikowanej lub próżni, dla grupy produktów wrażliwych na tlen (obejmującej m.in. kawę czy oleje) szczególnie przydatne są sensory wykrywające obecność tego gazu [8]. Lee i wsp. [11] stworzyli kolorymetryczny indykator tlenu aktywowany promieniami UV. Wykorzystuje on nanocząsteczki dwutlenku tytanu jako fotouczulacz reakcji redukcji błękitu metylenowego trietanoloaminą w obecności promieni UV. W czasie ekspozycji na światło ultrafioletowe sensor odbarwia się i pozostaje bezbarwny do momentu wykrycia obecności tlenu. Wówczas przywrócony zostaje właściwy niebieski kolor. Intensywność zabarwienia jest proporcjonalna do ilości tlenu w opakowaniu. Na podobnej zasadzie opiera się działanie indykatora tlenu stworzonego przez Millsa i Hazafy’ego [13], który jako fotouczulacz wykorzystuje nanokrystaliczny dwutlenek cyny. Ekspozycja na promienie UVB powoduje redukcję błękitu metylenowego, w której donorem elektronów jest glicerol.
Kluczowym wyzwaniem przy tworzeniu tego typu sensorów jest ich nietoksyczność oraz nieodwracalność działania, tj. utrzymanie sygnału o pojawieniu się tlenu podczas przechowywania produktu nawet po usunięciu tego gazu [15].
Nanowsporniki
Nanowsporniki są kolejną innowacyjną klasą nanosensorów. Zasada ich detekcji opiera się na zdolności do wykrycia biologicznych połączeń – takich, jakie występują pomiędzy antygenem i przeciwciałem czy enzymem i substratem – dzięki sygnałom fizycznym i/lub elektromechanicznym. Zbudowane są z drobnych cząsteczek materiałów na bazie krzemu, posiadających zdolność do wykrywania drobnoustrojów patogennych. Detekcja patogenów oparta jest na zdolności do drgań w różnych częstotliwościach w zależności od biomasy organizmów patogennych [9].
Mechanizm ten można zobrazować na przykładzie komórek Escherichia coli. Komórki E. coli są umieszczone na powierzchni powleczonego agarozą wspornika. Warstwa pożywki, o grubości 200 nm, pozostaje w równowadze z wilgotnością środowiska. Bakterie zaczynają się rozwijać i wykorzystywać wodę, białko, węglowodany i sole mineralne z pożywki. Aby odzyskać stan równowagi z wilgotnością środowiska, warstwa absorbuje wodę. Ta kompensacja prowadzi do dodatkowego o
bciążenia wspornika, co może być zarejestrowane dzięki zmianom częstotliwości jego drgań. Nanowsporniki odniosły już duży sukces w badaniach nad molekularnymi oddziaływaniami i detekcją szkodliwych związków chemicznych, toksyn oraz pozostałości antybiotyków w produktach żywnościowych [15].
Trwają także badania nad połączeniem nanotechnologii i technologii RFID (ang. Radio-Frequency Identification). Naukowcy z Georgia Institute of Technology pracują nad włączeniem nanocząsteczek w ultracienką warstwę polimerowego substratu chipu RFID, zawierającego biosensory, które mogą wykrywać patogeny oraz zmiany temperatury i wilgotności produktu [14].
W obliczu coraz większego problemu, jakim w ostatnich latach jest bioterroryzm, tworzenie i udoskonalanie nanosensorów zdolnych do wykrywania patogenów w produktach żywnościowych jest istotne nie tyko z punktu widzenia producentów i dystrybutorów żywności, lecz stanowi także czynnik zapewnienia bezpieczeństwa społeczeństwa w obliczu ataku terrorystycznego na dostawy żywności. Obecne systemy testowania żywności na obecność zakażeń mikrobiologicznych pozwalają na uzyskanie wyniku dopiero po 2-7 dniach, a stosowane urządzenia są zbyt duże, by je w sposób sprawny transportować. Stanowi to jeden z głównych czynników prac nad rozwojem i doskonaleniem nanosensorów [3].
Analiza literatury w tym zakresie wykazuje, iż większość omawianych rozwiązań znajduje się na etapie rozwoju. Ze względu na obecne uregulowania prawne Unii Europejskiej nie jest bardzo prawdopodobne, aby tego typu opakowania w najbliższym czasie pojawiły się na rynku. W szczególności dotyczy to tych inteligentnych rozwiązań, które w odpowiedzi na wykryte zanieczyszczenie lub nieprawidłowość podczas przechowywania mogą uwalniać do środowiska otaczającego produkt substancje mające przeciwdziałać powstałym nieprawidłowościom.
Należy podkreślić, iż istnieje ryzyko migracji nanocząstek z materiałów opakowaniowych do żywności. Ryzyko to może stanowić potencjalne zagrożenie dla zdrowia konsumentów. Skutki wystąpienia narażenia tą drogą nie są jeszcze wystarczająco przebadane, aby umożliwić określenie ryzyka związanego z konsumpcją żywności mającej kontakt z opakowaniami „nano”. Ocena ryzyka musi obejmować analizę toksyczności użytych nanocząstek, poziom migracji z opakowania do żywności oraz poziom konsumpcji danej grupy żywności [6].
Podsumowanie
W przemyśle opakowaniowym można wykorzystać szereg nanocząsteczek, zapewniając materiałom opakowaniowym funkcję indykatorową, informującą o poziomie ekspozycji na czynniki wywołujące zepsucie żywności podczas jej przechowywania i dystrybucji. Nanotechnologia stwarza możliwość udoskonalenia systemów zapewnienia jakości żywności dzięki lepszemu jej zabezpieczeniu i stworzeniu nowych sposobów śledzenia warunków panujących wewnątrz opakowania. W tym ujęciu stosowanie nanosensorów w celu detekcji mikroorganizmów i zanieczyszczeń jest szczególnie obiecującym kierunkiem wykorzystania nanotechnologii w opakowalnictwie. Doskonalenie i opracowywanie nowych nanosensorów pozwoli na znaczne skrócenie czasu i pracochłonności analiz jakościowych żywności i w razie potrzeby na szybkie wycofanie z rynku partii produktu niespełniającej wymagań jakościowych, głównie mikrobiologicznych.
