Nanotecnologie nell'industria alimentare

Effetti avversi delle nanoparticelle sulla salute umana

Le nanoparticelle, caratterizzate da un elevato numero di particelle per unità di massa, presentano una reattività maggiore rispetto alle controparti micro e macro. Questo può causare effetti avversi per la salute del consumatore. Le superfici dei materiali funzionalizzati con nanotecnologie possono reagire con l'ambiente in modo efficiente, ma questo significa che possono avere lo stesso effetto anche nel corpo umano, causando ad esempio effetti allergici e tossicità.

La reattività delle nanoparticelle dipende non solo dalla loro dimensione, ma anche da caratteristiche fisico-chimiche come la morfologia e la composizione interna. La morfologia sferica risulta essere la più pericolosa, a causa della sua alta capacità di movimento all'interno di una matrice polimerica. Inoltre, nel caso in cui la nanoparticella subisca una disgregazione controllata, la sua composizione interna può influenzare la sua reattività.

di dimensione: è importante conoscere la distribuzione delle dimensioni delle nanoparticelle presenti nel campione, in modo da valutare se sono presenti particelle di dimensioni critiche che potrebbero essere più tossiche▪ Forma: la forma delle nanoparticelle può influenzare la loro tossicità, ad esempio particelle a forma di bastoncino possono essere più tossiche di particelle sferiche▪ Superficie: la superficie delle nanoparticelle può essere modificata con rivestimenti che possono influenzare la loro tossicità, ad esempio rendendole più o meno reattive con i tessuti umani▪ Carica: la carica delle nanoparticelle può influenzare la loro interazione con i tessuti umani, ad esempio particelle cariche positivamente possono essere più facilmente assorbite dalle cellule▪ Composizione chimica: la composizione chimica delle nanoparticelle può influenzare la loro tossicità, ad esempio particelle contenenti metalli pesanti possono essere più tossiche di particelle composte da materiali biocompatibili▪ Solubilità: la solubilità delle nanoparticelle può influenzare la loro tossicità, ad esempio particelle insolubili possono accumularsi nei tessuti e causare danni a lungo termine▪ Concentrazione: la concentrazione delle nanoparticelle nel campione può influenzare la loro tossicità, ad esempio una concentrazione elevata può aumentare il rischio di effetti tossici.

dimensionale: creando una gaussiana andando a controllare il picco e quindi qualesia la dimensione che si ritrova più spesso all’interno dell’insieme delle particelle

Composizione chimica: è indispensabile stabilire ad esempio la natura polare-apolare e i gruppifunzionali delle nanoparticelle

Proprietà di superficie: S , carica e chimicaR

Organizzazione: come nanoemulsioni, micelle o micelle inverse, quindi come i componenti nano siassemblano tra di loro 34

Forma

Persistenza: anche detta bio-persistenza, possibilità che un ENM possa essere digerito ed espulso,piuttosto che risiedere in organi e tessuti

È di forte importanza la sensibilità strumentale, poiché i limiti di rilevabilità strumentali non sono spessoidonei per la quantificazione di nanoparticelle

Tipi di potenziale tossicità delle nanoparticelle

Tossicità ambientale

I sistemi nano potrebbero essere rilasciati nell’ambiente in

corrispondenza del loro fine vita, entrando poi all'interno della catena alimentare. Tossicità biologica Riguarda il corpo umano, ma anche gli animali, poiché le nanoparticelle possono essere ingerite, inalate, assorbite tramite la pelle, il che può portare ad un accumulo all'interno di organi come sistema linfatico, cervello, pelle, fegato. Si ipotizza che alcune nanoparticelle potrebbero persistere a livello cellulare, in specifico a livello degli organelli. Persistenza Le ENM persistenti sono quelle che permangono all'interno del corpo umano, quindi non digerite e non espulse (spesso di natura inorganica). Le ENM non persistenti sono al contrario quelle che vengono digerite e/o espulse. Risulta quindi importante verificare la persistenza, in primo luogo, con esperimenti in vitro, dopodiché con studi in vivo, che permettono di verificare gli effetti di una specifica particella, all'interno di un specifico corpo (cavie) per capire se la

particella tenda all'accumulo a livello di un determinato tessuto.

Esposizione "È la dose che fa il veleno"

Ogni nanoparticella può presentare un rischio, non di per sé ma anche e soprattutto in relazione alla quantità assunta, con delle specifiche differenze tra adulti e bambini. Bisogna quindi definire la quantità minima giornaliera per cui, superato tale limite, la particella possa essere un rischio per la salute umana, effettuando studi specifici. Tale dose minima è chiamata benchmark dose.

Strumenti che permettono la valutazione del rischio

In relazione ai parametri precedenti (distribuzione dimensionale, composizione chimica, proprietà di superficie, organizzazione, forma, persistenza) devono essere definite delle analisi e delle strumentazioni specifiche che permettano di studiare i vari benchmark dose delle nanoparticelle.

Studi tossicocinetici

Hanno come obiettivo il capire se gli ENM sono assorbiti all'interno del

corpo e che percorso seguono. Avvengono tramite l'approccio ADME:

▪ Assorbimento: a livello intestinale possono attraversare la barriera tramite le cellule M, tramite enterociti e tramite persorpion (permeabilità intestinale e giunzioni tra cellule). È fortemente dipendente da determinate caratteristiche delle nanoparticelle come la dimensione, la presenza di ligandi (gruppi funzionali), presenza di coatings, forma, elasticità e proprietà meccaniche, stabilità fisico-chimica, carica superficiale (ENM anionici raggiungono la superficie dell'epitelio molto più rapidamente, al contrario dei cationici che vengono intrappolati nel muco) 35

▪ Distribuzione: una volta che le nanoparticelle vengono assorbite possono essere distribuite per via linfatica, entrando all'interno del sistema circolatorio e quindi all'interno di tessuti ed organi. È importante quindi capire se le particelle tal quali entrano nel sistema circolatorio

oppure sevengono escrete.

• Metabolismo
• Escrezione

Le ultime due, metabolismo ed escrezione, sono le due caratteristiche ad oggi più sconosciute e meno studiate.

Studi tossicodinamici

Hanno come obiettivo il capire la relazione che intercorre tra le nanoparticelle e i singoli organi, singole cellule. La relazione può creare ad esempio fibrosi, allergie, danni ai tessuti, danni genetici, danni ossidativi, infiammazione, accumulo negli organi, citotossicità, danni al microbiota.

Effetto cavallo di troia: legato al fatto che le nanoparticelle per loro natura possono interagire con altre molecole che possono essere pericolose di per sé (fitofarmaci), veicolando tali molecole pericolose all'interno dell'organismo

Esempi di ENM nel settore alimentare

Alcune nanoparticelle sono presenti non intenzionalmente all'interno di matrici alimentari (packaging), mentre altre sono inserite intenzionalmente all'interno del prodotto (veicolanti di composti).

nanoparticelle di natura inorganica sono:

• Nanoparticelle d'argento

Sono state proposte nell'industria alimentare perché tale materiale presenta delle spiccate attività antimicrobiche, sia per le matrici alimentari sia per materiali di packaging. I problemi riscontrati sono relativi alla potenziale tossicità dell'argento, anche se non sono presenti molti studi in merito. I pochi studi in merito però hanno riscontrato delle tossicità relative al consumo di nanoparticelle d'argento, per questo motivo non sono utilizzate in ambito food. Con studi in vivo si è riscontrato che esse tendono ad accumularsi, creare stress ossidativo tramite formazione di ROS e anche all'alterazione del microbiota intestinale, proprio per l'effetto antimicrobico.

• Nanoparticelle di ossido di zinco

Esse sono ammesse dalla legislazione che regola le plastiche a contatto con gli alimenti. I vantaggi sono relativi alla prevenzione del

1. UVadsorber: passaggio della radiazione UV all'interno del packaging.
2. Nanoparticelle di perossido di ferro: utilizzate come coloranti e fonte di ferro. Possono sviluppare forme di stress ossidativo.
3. Nanoparticelle di diossido di titanio: utilizzate come sbiancante. L'effetto sbiancante è dovuto alla diffusione della radiazione incidente. Il biossido di titanio può accumularsi nell'organismo e avere un effetto citotossico.

ossido potrebbe sviluppare delle forme ROS ^▪ Nanoparticelle di ossido di silicio Tali nanoparticelle migliorano le proprietà reologiche di diversi alimenti e sono tra le più piccole ³⁶utilizzate (10-50 nm). Come per tutte le nanoparticelle sotto forma di ossido potrebbe sviluppare delle forme ROS, ma non ci sono ancora solidi studi che affermerebbero la tossicità e la citotossicità di tali nanoparticelle. Le nanoparticelle di natura organica sono di forma sferica (capsule, micelle, liposomi), ma anche sotto forma di nanocristalli con geometrie bastoncellari. Tali composti si comportano in maniera differente in relazione alla zona in cui si trovano all'interno dell'organismo, in base alla loro natura (cariche, pH). Le nanoparticelle organiche hanno rischi minori rispetto ai corrispettivi inorganici, perché nella maggioranza dei casi possono essere digerite ed escrete. Esse possono presentare però spesso dei rischi non correlati alla

nanoparticella stessa ma alla correlazione con l'ambiente che esse hanno

Nanoparticelle lipidiche

Si trovano sottoforma di emulsioni in molti alimenti e bevande, infatti possono essere utilizzate per l'incapsulazione, poiché presentano una coda apolare ed una testa polare. Si utilizzano lipidi neutri oppure lipidi con una certa polarità (anfifilici). Tali nanoparticelle vengono idrolizzate facilmente dagli enzimi (lipasi e fosflipasi), infatti non presentano particolari rischi

Nanoparticelle proteiche

Come ad esempio le micelle caseiniche, che non vengono aggiunte intenzionalmente, ma possono anche essere aggiunte anche delle nanoparticelle che fungono da veicolanti all'interno di matrici. Il punto isoelettrico in questo caso risulta molto importante, quindi l'ambiente circostante può interferire con l'assorbimento di tali particelle e favorire o meno lo stato di aggregazione

Nanoparticelle carboidratiche

I più utilizzati sono

Gli amidi, le cellulose, le emicellulose e le gomme sono carboidrati complessi che vengono digeriti facilmente nel primo tratto dell'apparato digerente.