Żywność nowe możliwości i zagrożenia dla zdrowia

Ostatnia aktualizacja 28 lipca 2022

Żywność jest niezbędna do życia, wzrostu, przetrwania i utrzymania prawidłowego funkcjonowania organizmu. Rosnące zapotrzebowanie na żywność skłania zarówno producentów, jak i konsumentów do poszukiwania alternatywnych źródeł żywności o wysokiej wartości odżywczej. 

Koncepcja bezpieczeństwa żywności pojawiła się w ostatnich dziesięcioleciach jako dyscyplina naukowa zajmująca się postępowaniem z żywnością, jej przetwarzaniem, przechowywaniem i pakowaniem w celu zapobiegania chorobom przenoszonym przez żywność. Koncepcja ta została rozwinięta i poszerzona o kwestie związane z higieną żywności, etykietowaniem, dodatkami i innymi egzogennymi pozostałościami chemicznymi, a także produktami biotechnologicznymi. Podstawowe kategorie organizmów chorobotwórczych przenoszonych przez żywność to grzyby, bakterie, wirusy i pasożyty. Do nieodłącznych składników żywności należą czynniki żywieniowe oraz tysiące związków zanieczyszczających naturalnie występujących w żywności. Do niebezpiecznych związków chemicznych w żywności należą naturalnie występujące substancje toksyczne, zanieczyszczenia rolno-przemysłowe i dodatki do żywności. Naturalnie występujące toksyny to substancje chemiczne pochodzące ze środowiska naturalnego, które występują w żywności i paszach dla zwierząt, takie jak mikotoksyny, biotoksyny wodne i fitoaleksyny, wewnętrzne składniki roślin, toksyny bakteryjne, toksyny sinicowe i składniki rozkładu żywności. Na całym świecie, jeśli system zarządzania ryzykiem związanym z bezpieczeństwem nie jest w pełni funkcjonalny, żywność skażona patogenami lub ich toksynami może trafić do konsumentów. Ponadto, ze względu na niską efektywność ekonomiczną, producenci mogą uciekać się do fałszowania żywności. Niezależnie od rodzaju problemu, specjaliści zajmujący się kontrolą żywności muszą być przygotowani do stosowania najbardziej odpowiednich metod analitycznych. Ogromny postęp, jaki dokonał się w ostatnim okresie w dziedzinie badań nad kwasami nukleinowymi, przyczynił się do opracowania metod analitycznych, które można bezpośrednio zastosować do różnych celów praktycznych. Mnogość zasobów wykorzystywanych w analizie DNA jest dostępna na całym świecie, co prowadzi do rozwoju i doskonalenia technik laboratoryjnych. Powszechny rynek żywności, regulacje prawne w tym zakresie oraz rosnące wymagania konsumentów determinują producentów do dostarczania do konsumpcji produktów cenionych ze względu na ich walory organoleptyczne, pochodzenie i skład, a także bezpieczeństwo. Choroby związane z żywnością nie występują zbyt często. Niemniej jednak w przypadku ich wystąpienia udowodniono, że ich negatywny wpływ na społeczeństwo ludzkie i dostępność żywności jest znaczący. Dlatego badania prowadzone w laboratoriach badawczych odgrywają ważną rolę w identyfikacji źródeł zagrożeń zdrowotnych związanych z żywnością, w opracowywaniu procedur i produktów, które ograniczają skutki zagrożeń zdrowotnych i ekonomicznych. Badania te muszą zapewnić bezpieczeństwo dostaw pełnowartościowej żywności. Sposób wyboru żywności może odzwierciedlać aspekty stylu życia (wegetarianizm i dieta oparta na żywności ekologicznej), religii (brak wieprzowiny w niektórych dietach), sposobu odżywiania się oraz kwestie zdrowotne (np. obecność alergenów). Ponadto dokładne oznakowanie jest ważne dla wspierania sprawiedliwego handlu. Na etykiecie opisowej można umieszczać dodatkowe informacje, co jest konsekwencją budowania marki i przepisów dotyczących wprowadzania produktów do obrotu. Choć przepisy prawa krajowego i międzynarodowego stanowią podstawę obowiązkowych informacji na etykietach, to niestety nie są one wystarczające, by zapobiegać oszustwom żywnościowym. Najczęściej producenci decydują się na wprowadzanie konsumentów w błąd, dodając lub zastępując składniki żywności tańszymi, aby uzyskać większy zysk ekonomiczny, co prowadzi do pogorszenia ogólnej jakości żywności. Aby zapobiec takim oszustwom, istnieje wiele możliwości identyfikacji gatunków, których produkty stanowią składniki żywności, takiej jak mięso czy produkty mleczne. Pierwszą z nich jest identyfikacja fizyczna, polegająca na monitorowaniu oznakowania i analizie mikroskopowej, a także identyfikacja lipidów, lotnych związków organicznych i białek oraz analiza kwasów nukleinowych. Początkowe metody identyfikacji składu żywności opierały się na cechach morfologicznych, takich jak smak, barwa, kształt czy aromat. W krajach europejskich do wykrywania materiału zwierzęcego lub roślinnego w żywności i paszach nadal stosuje się metody mikroskopowe, które w większości przypadków są ograniczone. Autentyczność produktów pochodzenia zwierzęcego i kwestie identyfikowalności są coraz ważniejsze we współczesnym społeczeństwie, co można wywnioskować na przykład ze stosunkowo niedawnych wydarzeń dotyczących fałszowania produktów mięsnych gatunkami, które nie są deklarowane, takimi jak konina. Obecnie wielu konsumentów jest zaniepokojonych produktami pochodzenia zwierzęcego, które spożywają, a dokładne oznakowanie jest ważne dla informowania konsumentów o dokonywanych przez nich wyborach.

Inżynieria genetyczna to najpotężniejsza technologia tego stulecia, która radykalnie rewolucjonizuje rolnictwo, ochronę zdrowia, przemysł farmaceutyczny i spożywczy na całym świecie. Inżynieria genetyczna jest zaawansowaną dziedziną biologii, która zajmuje się modyfikacją genomowego kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) w organizmach w celu wprowadzenia pożądanych cech, z korzyścią dla ludzkości. Dzięki inżynierii genetycznej fragment DNA (gen) jest izolowany z organizmu dawcy i przenoszony do organizmu biorcy, gdzie może być przepisany na komunikacyjny RNA (mRNA) i przetłumaczony na białka przy użyciu mechanizmów biorcy.

Zgodnie z przepisami Unii Europejskiej, wszystkie produkty spożywcze lub pastewne zawierające GMO (rośliny modyfikowane genetycznie) w stężeniu wyższym niż 0,9 % muszą być oznakowane. Niemniej jednak używa się między innymi techniki reakcji łańcuchowej polimerazy PCR do wykrywania organizmów zmodyfikowanych genetycznie (GMO) a nie oznakowanych.

W Polsce 

Czytaj Więcej

W niniejszym artykule zwrócono uwagę na różne techniki szczegółowe, laboratoryjne stosowane w analizie produktów żywnościowych, struktury i jakości żywności oraz reakcji chemicznych zachodzących w przetwórstwie żywności.

Ponadto omówiono wpływ spożywania zafałszowanej żywności na zdrowie oraz zwrócono uwagę na znaczenie bezpieczeństwa żywności, w tym biodegradowalnych materiałów opakowaniowych.

Główne grupy składników odżywczych są pozyskiwane przede wszystkim z żywności, w tym niezbędne aminokwasy, kwasy organiczne i peptydy, które nie mogą być wytwarzane w organizmie człowieka.

Żywność powoduje także różne problemy zdrowotne, gdy jest spożywana w nieodpowiednich ilościach lub bez uwzględnienia zbilansowanej diety. Jednym z głównych aspektów jakości żywności jest jej zanieczyszczenie innymi szkodliwymi składnikami.

Dla konsumentów żywności badanie zanieczyszczeń żywności i ich analiza ilościowa ma ogromne znaczenie. Dlatego też ciągła ocena jakości żywności i jej bezpieczeństwa ma zasadnicze znaczenie dla zdrowia publicznego. Zagrożenia związane z żywnością to kolejny obszar, na który kładzie się nacisk w zmieniających się kontekstach. Przetwarzanie termiczne szybko usuwa zagrożenia biologiczne i fizyczne, które rzadko są przyczyną poważnych chorób przenoszonych drogą pokarmową. Zidentyfikowano kilka przypadków zagrożeń chemicznych, takich jak skażenie melaminą preparatów do początkowego żywienia niemowląt w proszku, pozostałości metali ciężkich w produktach rybnych oraz skażenie jaj insektycydem fipronil, które mają bezpośredni wpływ na zdrowie konsumentów. Analiza chemiczna składników żywności pozwala na ocenę jej jakości pod tym względem. Zagrożenia chemiczne lub zanieczyszczenia obecne w żywności wykrywa się za pomocą technik spektroskopowych, takich jak spektrometria mas, detekcja w ultrafiolecie, techniki fluorescencyjne, samodzielnie lub w połączeniu z innymi technikami separacji, obróbka termiczna, elektroforeza oraz specyficzne ilościowe testy immunologiczne.

W analizie wykorzystuje się również techniki chromatograficzne, takie jak chromatografia gazowa i wysokosprawna chromatografia cieczowa. Na właściwości chemiczne żywności może jednak bezpośrednio wpływać wiele czynników, powodując różnice w jej właściwościach bioaktywnych i odżywczych.

W związku z tym duże zainteresowanie budzi wdrożenie skutecznych, uniwersalnych i wiarygodnych technik analitycznych do oceny autentyczności i identyfikowalności żywności.

Kwestia bezpieczeństwa żywnościowego stawia obecnie przed przemysłem spożywczym niełatwe zadanie. Oprócz stale rosnącej liczby ludności na świecie rośnie zapotrzebowanie na żywność, co prowadzi do powstawania coraz większych i bardziej złożonych łańcuchów pokarmowych. Żywność może być jednak zanieczyszczona pasożytami, środkami toksycznymi, bakteriami i patogenami, a także zanieczyszczeniami, które wywołują ponad 200 chorób, w tym poważne choroby zakaźne, a nawet nowotwory.

Bezpieczeństwo żywności jest zatem jednym z głównych problemów zdrowia publicznego dla przemysłu przetwórstwa i pakowania żywności, dystrybutorów, sprzedawców detalicznych i konsumentów, ponieważ każdego roku około 50 milionów ludzi choruje z powodu spożycia niebezpiecznych i zafałszowanych produktów spożywczych. Głównym celem oceny żywności jest utrzymanie jej bezpieczeństwa i ochrony.

Laboratoria żywnościowe zamieniają swoje konwencjonalne technologie na innowacyjne i nowoczesne metody analityczne, aby realizować nowe wytyczne. Nadal istnieje wiele problemów, które należy rozwiązać w zakresie uwierzytelniania i identyfikowalności żywności, przy czym w analizie żywności obserwuje się znaczny zakres innowacji i wdrożeń analitycznych.

Bezpieczeństwo produktów spożywczych jest nierozerwalnie związane z metodą ich pakowania. Wilgoć, ciepło i mikroorganizmy często zanieczyszczają żywność, co powoduje obniżenie jej jakości. Mikroorganizmy przyczyniają się do zagrożenia chorobami przenoszonymi przez żywność wśród ludzi, a tym samym stanowią zagrożenie dla zdrowia publicznego. Stąd materiały opakowaniowe stosuje się w celu uniknięcia zanieczyszczenia żywności, zmniejszenia jej marnotrawstwa oraz zachowania jej jakości. Plastikowe materiały opakowaniowe stanowią zagrożenie dla systemu ekologicznego, ponieważ nie ulegają degradacji w środowisku naturalnym.

Dlatego współczesne społeczeństwo potrzebuje zarówno przyjaznych dla środowiska, jak i degradowalnych materiałów opakowaniowych. Naukowcy i badacze na całym świecie eksperymentują zastosowania biodegradowalnych tworzyw sztucznych do pakowania żywności.

Aktualny stan żywności

Struktura i jakość żywności

Żywność składa się z niezbędnych składników odżywczych, do których należą głównie węglowodany, białka, tłuszcze, witaminy, woda i składniki mineralne oraz błonnik. Żywność jest uważana za “funkcjonalną” na podstawie jej składu, ponieważ jest on odpowiedzialny za jakość żywności decydującą o korzyściach zdrowotnych. Skrobia, ważne źródło energii dla człowieka, wytwarzana w jednostkach spichrzowych roślin, składa się prawie całkowicie z dwóch głównych polisacharydów (amylozy i amylopektyny). Związek pomiędzy strukturą skrobi a jej trawieniem jest bardzo złożony, a na zakres i szybkość trawienia skrobi może wpływać także zawartość amylozy, struktura amylopektyny, stopień krystalizacji i wielkość cząstek. Większość produktów skrobiowych jest jednak uboga w błonnik pokarmowy (DF). DF to jadalne części roślin, które są niestrawnymi węglowodanami i dlatego trafiają do jelit. Polisacharydy, oligosacharydy, lignina i pokrewne substancje roślinne stanowią błonnik pokarmowy, a spożycie posiłku zawierającego odpowiednią ilość błonnika pokarmowego ma kluczowe znaczenie dla zmniejszenia ryzyka wystąpienia różnych chorób, takich jak choroby serca, nadciśnienie, cukrzyca, otyłość, nowotwory i inne zaburzenia żołądkowo-jelitowe.

O strukturze żywności decydują różne składniki oraz sposób przetwarzania żywności. Jeśli chodzi o składniki, do systemu żywienia wprowadza się obecnie różne materiały bioaktywne, substancje wzmacniające kolor i smak oraz elementy funkcjonalne. Najlepszym naturalnym źródłem przeciwutleniaczy, substancji przeciwdrobnoustrojowych, przeciwzapalnych, antymutagennych i przeciwwirusowych oraz innych właściwości prozdrowotnych jest zróżnicowany strukturalnie zestaw związków bioaktywnych, takich jak karotenoidy, polifenole, flawonoidy, witaminy, kwasy organiczne, fitosterole, nukleozydy i kwasy tłuszczowe, pozyskiwanych z różnych roślin i mikroorganizmów (alg, bakterii, grzybów i myxomycetes). W związku z tym na całym świecie podejmowane są działania mające na celu wykorzystanie tych bioaktywnych cząsteczek w systemie żywnościowym, aby żywność stała się jakościowa i funkcjonalna.

I tak na przykład znaczna ilość związków bioaktywnych zawartych w miąższu buraka może być wykorzystana do tworzenia różnych rodzajów nowej żywności funkcjonalnej o wartości dodanej w celu zwalczania takich chorób, jak cukrzyca, choroby układu krążenia, nowotwory i inne choroby przewlekłe, a jednocześnie jest szeroko stosowana w przemyśle spożywczym jako nietoksyczny barwnik lub dodatek do żywności.

Nie ulega wątpliwości, że związki bioaktywne zawarte w żywności odgrywają kluczową rolę w określaniu jakości diety. Jednak większość związków aktywnych jest nierozpuszczalna w wodzie, co stwarza trudności w absorpcji składników aktywnych, dlatego ich biodostępność w pożądanych miejscach zawsze stanowiła wyzwanie, ponieważ ich skuteczność biologiczna zależy od struktury chemicznej i matrycy żywności.

Przetwarzanie może pozytywnie lub negatywnie modyfikować zarówno gęstość składników odżywczych, jak i strukturę żywności, które decydują o potencjale zdrowotnym żywności.

Struktura żywności ulega zmianie w wyniku przetwarzania żywności, co wpływa na jej wygląd, smak, teksturę i funkcjonalność.

Na przykład, metoda suszenia żywności, której celem jest eliminacja wody w celu przedłużenia trwałości żywności, pogarsza jej jakość. Jednak ta zmiana atrybutów jakości produktu, takich jak kurczenie się, deformacja i zmiana koloru, była mniejsza w przypadku powierzchni chropowatych, co wskazuje na lepsze właściwości teksturalne i w efekcie wyższą jakość niż w przypadku powierzchni płaskich.

Zasadniczo podczas gotowania obniża się zawartość skrobi, amylozy i skrobi opornej, a wzrasta zawartość cukrów. Metody gotowania również zmieniają zawartość cukrów, np. podczas gotowania, pieczenia w mikrofalówce i smażenia zawartość skrobi znacznie się zmniejsza, średnio o 40%, 64% i 2%, a amylozy odpowiednio o 14%, 17% i 34%.

Zamrażanie jest najczęściej stosowaną metodą przechowywania żywności, podczas której wilgoć zawarta w komórkach żywności ulega krystalizacji i przekształca się w kryształki lodu, które najprawdopodobniej mają negatywny wpływ na mikrostrukturę żywności i przyczyniają się do utraty jakości żywności podczas rozmrażania.

Pozytywny wpływ na konsystencję mrożonych warzyw może mieć również chemiczna obróbka wstępna. Wpływ dodatku izolatu białka sojowego, mleka pełnego w proszku i kazeinianu sodu do puree ziemniaczanego, a następnie zamrożenia go na co najmniej miesiąc w temperaturze ₋24°C potwierdził pozytywne wyniki w zakresie właściwości reologicznych, wśród których izolat białka sojowego wykazywał większą zdolność do minimalizowania efektu zamrażania.

Hydrolizowane białko żółtka jaja kurzego uznano za nowy dodatek, który zapobiega nieodwracalnej żelowaniu wywołanemu procesem zamrażania/rozmrażania lepiej niż NaCl czy sacharoza. Ponadto, fermentacja mikroorganizmów poprawia jakość żywienia poprzez zwiększenie zawartości związków bioaktywnych oraz krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych w wyniku metabolizmu składników żywności, takich jak błonnik i węglowodany.

Jednym z istotnych czynników decydujących o jakości żywności, który jest uważany za jej właściwość sensoryczną, jest tekstura żywności, która wynika z elementów mechanicznych i strukturalnych i jest możliwa do zbadania tylko przez człowieka. Struktura żywności jest związana z właściwościami mechanicznymi. W związku z tym zmiany reologiczne są związane ze zmianami strukturalnymi. Aktywność reologiczna nie tylko ma znaczący wpływ na rozwój, przechowywanie i teksturę hydrożeli białkowych/polisacharydowych, ale także w naturalny sposób odzwierciedla strukturę molekularną i konformację łańcucha makrocząsteczek.

Projektowanie struktury żywności z uwzględnieniem wystarczającej ilości pożądanych składników odżywczych, przy zachowaniu lub poprawie efektu teksturalnego/sensorycznego i jakości żywności jest przedmiotem dużego zainteresowania. Udział włókien pokarmowych i pullulanów wykazał efekt interferencyjny w hydrolizie skrobi poprzez zmniejszenie żelatynizacji poprzez sekwestrację części wody, pokrycie granulek skrobi i zwiększenie lepkości żelu. Tak więc dodatek DF i rozpuszczalnego w wodzie polimeru polisacharydowego oraz pullulanu podnosi jakość żywności, zmniejszając ryzyko otyłości i cukrzycy poprzez ograniczenie wchłaniania skrobi. W fazie wodnej lub olejowej podjęto szereg wysiłków w celu opracowania struktur żelowych, aby zwiększyć efektywność dostarczania związków bioaktywnych, a także zapewnić stabilność i biodostępność kilku bioaktywnych składników żywności.

Struktura żywności zależy od jej składu, który odgrywa istotną rolę w określaniu jej jakości i korzyści zdrowotnych.

Wpływ pestycydów na żywność i metody wykrywania

W dzisiejszych czasach pestycydy są często stosowane, zwłaszcza do konserwacji żywności, a w praktyce rolniczej i kwiaciarskiej do zwalczania niepożądanych szkodników i poprawy wydajności, co niewątpliwie obniżyło wartość żywności.

Pozostałości takich substancji chemicznych w glebie, ekosystemach lądowych i wodnych mają wpływ nie tylko na zdrowie ludzi, ale także zwierząt. Na przykład chloroorganiczne pestycydy są najbardziej toksycznymi, a jednocześnie szeroko stosowanymi pestycydami w rolnictwie, a narażenie na ich działanie spowodowało dramatyczny spadek populacji pszczół miodnych oraz bezpośrednie zanieczyszczenie miodu. W celu wykrycia pestycydów chloroorganicznych, takich jak DDT, znanego chemicznie jako 1,1-(2,2,2-trichloroetan-1,1-diyl) bis (4-chlorobenzen), opracowano nanobiosensor immunologiczny oparty na AuNPs w formacie bagnetowym, wykorzystujący kompetycyjny test immunologiczny.

W owocach takich jak przecier jabłkowy, zagęszczony sok cytrynowy i przecier pomidorowy oznaczono selektywnie 24 nowe pozostałości pestycydów za pomocą zminiaturyzowanej procedury ekstrakcji i rozdziału, wymagającej niewielkich ilości niechlorowanych rozpuszczalników. Do wykrywania pestycydów w żywności wykorzystywane są nowe metody wykrywania, takie jak aptasensor, biosensor enzymatyczny, wiele papierowych bioczujników elektrochemicznych origami oraz czujnik fotoluminescencyjny oparty na grafenowych kropkach kwantowych.  Wraz z postępem metod spektrometrycznych, do monitorowania pestycydów stosuje się chromatografię cieczową i/lub gazową z tandemową spektrometrią mas (LC-MS/MS i/lub GC-MS/MS) oraz biosensory, a do wykrywania pestycydów w żywności wykorzystano różne detektory oparte na inhibicji enzymów. Aby zapewnić bezpieczeństwo żywności, zanieczyszczenia muszą być stale regulowane i monitorowane przy użyciu odpowiednich zaawansowanych procedur.

Fałszowanie żywności a zagrożenia dla zdrowia

Fałszowanie żywności polega na celowym obniżeniu jakości żywności oferowanej do sprzedaży poprzez dodanie lub zastąpienie gorszymi materiałami lub usunięcie niektórych wartościowych składników. Dla ograniczonych korzyści ekonomicznych fałszuje się żywność, nie dbając o zdrowie człowieka.

Aktualne problemy związane z żywnością pokazują, że żadna żywność nie jest pozbawiona zafałszowań. Melamina, związek bogaty w azot i zawierający 67% azotu na jednostkę masy, jest fałszowana w mleku i glutenie pszennym w celu zwiększenia zawartości białka i uniknięcia wykrycia, ponieważ mleko jest badane pod kątem zawartości azotu. 

Istnieje wiele przykładów negatywnego wpływu fałszowania żywności na zdrowie człowieka.

Niektóre z nich to: 

• paraliże, porażenia, nowotwory spowodowane dodawaniem olejów mineralnych do olejów i tłuszczów jadalnych;

• poronienia, uszkodzenia mózgu dziecka, uszkodzenia wątroby i alergie;

• zaburzenia żołądkowe, zawroty głowy i bóle stawów z powodu zastąpienia sproszkowanej kawy sproszkowaną cykorią;

• wymioty i biegunka z powodu substancji zawierających cynk itp.

Do wykrywania zafałszowań żywności stosuje się różne techniki (fizyczne, chemiczne/biochemiczne i molekularne) w zależności od rodzaju zafałszowania, które ma być wykryte.

Techniki fizyczne obejmują makroskopową wizualną analizę strukturalną oraz analizę cech fizycznych żywności.

Techniki chemiczne/biochemiczne obejmują techniki spektroskopowe, chromatograficzne, immunologiczne i elektroforetyczne. Niektóre metody, takie jak spektroskopia wibracyjna, spektroskopia w bliskiej podczerwieni, spektroskopia Ramana, spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego NMR, spektroskopia w średniej podczerwieni i spektrometria masowa, są opracowywane nie tylko w związku z ciągłym problemem zafałszowanej żywności, ale także z poważnymi kwestiami, takimi jak bezpieczeństwo żywności, bioterroryzm i zmiany klimatu.

Początkowo do wykrywania barwników spożywczych stosowano metody chromatografii cienkowarstwowej, woltamperometrii adsorpcyjnej i spektrofotometrii, które są zastępowane przez elektroforezę kapilarną, chromatografię cieczową z odwróconymi fazami (RPLC) i RPLC z parą jonową, ponieważ są one czasochłonne i nie nadają się do wykrywania mieszanin barwnych.

Konserwanty żywności, takie jak formaldehyd stosowany w produktach wodnych, są wykrywane za pomocą powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii ramanowskiej Au/SiO2 stosowanej jako substrat wzmacniający.

Azotany i azotyny w wędlinach są wykrywane metodą analizy sekwencyjnej, a benzoesan i sorbinian w napoju pomarańczowym i produktach pomidorowych metodą stężonej chromatografii gazowej.

Widma w zakresie UV, średniej podczerwieni i fluorescencji są wykorzystywane do badania czystości i zafałszowania olejków z granatów. Połączenie spektroskopii w zakresie widzialnej bliskiej podczerwieni (Vis-NIRS) z narzędziami chemometrycznymi, takimi jak hierarchiczna analiza skupień (HCA), analiza głównych składowych (PCA) i liniowa analiza dyskryminacyjna (LDA), służy do wykrywania syropu kukurydzianego o wysokiej zawartości fruktozy w miodzie, a wykrywanie zafałszowania świeżej oliwy z oliwek ze starą oliwą zostało wykonane przez połączenie spektroskopii średniej podczerwieni, światła UV i fluorescencji, w syropie winogronowym za pomocą czujników spektroskopii dielektrycznej (kondensator z równoległymi płytami (PPC) ) oraz rezonator cylindryczny (CSR).

Spektroskopie fourierowska w podczerwieni FTIR i osłabionego całkowitego odbicia w podczerwieni ATR badano w celu odróżnienia mięsa wołowego od mięsa drobiowego. Spektroskopię Ramanowską zastosowano do wykrywania dwutlenku tytanu (TiO2), który jest stosowany jako dodatek barwiący do żywności. Połączenie techniki FTIR z metodami chemometrycznymi zapewnia skuteczną współpracę w śledzeniu i wykrywaniu zafałszowań.

Metoda ELISA (Enzyme Linked Immunosorbent Assay) jest metodą immunologiczną stosowaną do wykrywania zafałszowań żywności. Zafałszowanie mleka można wykryć metodą mocznikową (urea-PAGE, DNA, RNA) pod względem pochodzenia gatunkowego mleka.

Nanotechnologia ma ogromny potencjał w wykrywaniu zanieczyszczeń żywności (biologicznych i chemicznych) za pomocą nanoczujników i nanobioczujników. Na przykład czuły elektrochemiczny nanobiosensor AChE opracowany na GCE ze zmodyfikowanym rdzeniem PANI i MWCNT jest używany do wykrywania insektycydów karbaminianowych w owocach i warzywach.

Karbofuran (pestycyd stosowany do zwalczania owadów i nicieni na roślinach uprawnych) jest wykrywany i kwalifikowany przy użyciu AuNPs, folii nanokompozytowej z błękitu pruskiego-MWCNT-CTS (PB-MWCNT-CTS) i technologii montażu warstwa po warstwie białka gronkowcowego A (SPA) (elektrochemiczny immunonanosensor).

Melamina stosowana w mleku jako zafałszowana jest szybko wykrywana przez połączenie AuNPs, kropek kwantowych z tellurku kadmu (CdTe) i SWCNT za pomocą różnych czujników.

Choć wszyscy wiemy, że “zdrowie to bogactwo”, ludzie kierujący się mentalnością ekonomiczną nie oszczędzają nawet żywności, fałszując ją. Dlatego powinniśmy być świadomi procesowi jej fałszowania. Temat oczywiście został tylko zasygnalizowany na wybranych przykładach.

Mikotoksyny i skażenie żywności

Mikotoksyny są niskocząsteczkowymi, wtórnymi toksycznymi metabolitami syntetyzowanymi przez grzyby, takie jak Aspergillus, Fusarium i Penicillium, które powodują skażenie żywności i paszy na całym świecie, wywołując szereg zagrożeń dla zdrowia. Spośród kilku znanych mikotoksyn, aflatoksyna, ochratoksyny, fumonizyny i ich pochodne są najbardziej rozpowszechnionymi mikotoksynami znanymi pod względem toksykologicznym.

Według badań WHO, skażenie aflatoksynami dotyczy około 25% światowych upraw żywności, powodując poważne obciążenia ekonomiczne.

Spożycie środków spożywczych skażonych mikotoksynami powoduje poważne problemy zdrowotne u ludzi i zwierząt, które mogą być rakotwórcze, mutagenne, teratogenne, nefrotoksyczne, hepatotoksyczne, embriotoksyczne i immunosupresyjne.

Zanieczyszczenie mikotoksynami, głównie aflatoksyną, fumonizynami, ochratoksynami i deoksyniwalenolem, obserwuje się w głównych uprawach rolnych, takich jak zboża, orzechy ziemne, mleko, kawa i piwo, a także pojawia się w całych paszach dla zwierząt i żywności dla ludzi. Żywność ta powoduje przewlekłe zatrucie, a nie ostre objawy. Narażenie na mikotoksyny w dużych dawkach powoduje ostrą toksyczność, taką jak bóle brzucha i biegunka, natomiast narażenie na mikotoksyny w małych dawkach przez dłuższy czas powoduje poważne uszkodzenia wątroby, nerek i narządów układu odpornościowego, powodując nowotwory tych narządów.

Odżywianie i diety alternatywne

Jakość żywności odnosi się do żywności akceptowanej przez konsumentów, której głównymi cechami są bezpieczeństwo, wartość odżywcza, świeżość, dostępność, wygoda i integralność. Aminy biogenne (związki azotowe i organiczne), takie jak tyramina, histamina i spermidyna, występują w wielu rodzajach żywności (serach, winie, mięsie, warzywach, rybach itp.) w różnych stężeniach.

Biogenna amina histamina jest jedną z toksyn będących przedmiotem zainteresowania Food and Drug Administration (FDA) i European Food Safety Authority (EFSA), a także odgrywa ważną rolę jako wskaźnik jakości żywności.

Jakość mięsa i jego zawartość określa się na podstawie obecności białek, niezbędnych aminokwasów, niezbędnych kwasów tłuszczowych, witamin (A, E i B) oraz składników mineralnych. Ze względu na wysoką zawartość glicyny i aminokwasów nieistotnych, mięśnie bogate w kolagen mają niższą wartość odżywczą.

Technika zielonego światła LED może pomóc przedłużyć okres przydatności do spożycia, utrzymać jakość wizualną, zwiększyć aktywność wymiatania rodników DPPH i zapobiec spadkowi związków bioaktywnych w różyczkach brokułów. 

Technologia hydrotermodynamiczna (HTD), oparta na wysokiej turbulencji i kawitacji w lepkich cieczach, ma potencjał do wytwarzania oryginalnej, naturalnej żywności o wysokich wartościach odżywczych i nutraceutycznych. Może ona zminimalizować efekt degradacji termicznej bioaktywnych fenoli i wydłużyć okres przydatności do spożycia pasteryzowanych owoców borówki amerykańskiej.

Aby spełnić wymagania zrównoważonej diety, duże znaczenie ma dieta alternatywna, którą można włączyć do diety zasadniczej różnymi metodami.

Witamina D może być syntetyzowana z cholesterolu pod skórą w obecności promieniowania UV, ale może być również spożywana z dietą poprzez ryby, jaja, mleko wzbogacone i grzyby. Wykazano, że aktywna postać witaminy D i kalcytriolu (1,25 D dihydroksy witamina D), powstająca w wyniku hydroksylacji w nerkach i wątrobie, reguluje układ odpornościowy. Witamina D zmniejsza ryzyko zakażeń wirusowych. Grant i wsp. omówili dane potwierdzające stanowisko, w tym dotyczące grypy, koronawirusów (CoV) i zapalenia płuc, że większe stężenie 25-hydroksywitaminy D (25 (OH)D) zmniejsza ryzyko infekcji i zgonu z powodu ostrych zakażeń dróg oddechowych (ARTI). Badania wskazują, że zwiększone spożycie witaminy D może zmniejszać ryzyko infekcji i COVID-19.

Rozpuszczalna w wodzie witamina C jest antyoksydantem, który usuwa reaktywne formy tlenu (ROS), chroniąc w ten sposób biomolekuły, takie jak białka, lipidy i nukleotydy, przed uszkodzeniem oksydacyjnym i dysfunkcją. W leukocytach witamina C gromadzi się na poziomie 50-100 razy wyższym niż w osoczu, co może świadczyć o jej funkcjonalnej roli w tych komórkach układu odpornościowego. Pokarmy takie jak śliwki Kakadu, wiśnie, papryczki chili, guawa, kiwi, brokuły i owoce cytrusowe są bogatym źródłem witaminy C, która wykazuje prawdopodobny mechanizm działania przeciwzapalnego i immunomodulacyjnego, które są ważne dla ciężkich infekcji układu oddechowego.

Czytaj Więcej

Podejścia badawcze

Reakcje chemiczne w żywności

Reakcja Maillarda (MR) jest definiowana jako szereg nieenzymatycznych, następujących po sobie i równoległych reakcji chemicznych, które mają wpływ na jakość i bezpieczeństwo żywności. Od czasu zaobserwowania przez Louisa-Camille’a Maillarda w 1912 roku, że mieszanina aminokwasów i cukrów po podgrzaniu daje brązowy roztwór, wiele dowodów wskazuje na to, że reakcja kondensacji pomiędzy cukrami redukującymi a grupami aminowymi wolnych aminokwasów lub białek jest głównym źródłem pochodnych N-glikozydów w żywności i in vivo. Reakcja Maillarda jest częścią nieenzymatycznych reakcji brązowienia. W wyniku karmelizacji, reakcji polimerów zwanych melanoidynami, powstaje charakterystyczny brązowy kolor. Dla przemysłu spożywczego jest to reakcja o ważnym znaczeniu, ponieważ w znacznym stopniu decyduje o właściwościach sensorycznych, zapachu i smaku gotowanych produktów.

Pod względem zdolności przeciwutleniających, immunogenności, alergenności i rakotwórczości, produkty reakcji Maillarda (MRP) mogą mieć korzystny lub niekorzystny wpływ na zdrowie. Produkty reakcji Maillarda (MRP) powstają w wyniku reakcji chemicznej pomiędzy aminokwasami i redukcją cukru podczas przetwarzania żywności w wysokich temperaturach. Reakcja ta zwiększa smak i kolor, a pozytywne i negatywne skutki zdrowotne zostały skorelowane z MRP. Reakcja Maillarda zachodzi w wyniku wielu reakcji, które mogą przebiegać kilkoma różnymi drogami.

Karmelizacja to nieenzymatyczna reakcja brunatnienia cukrów, która w trakcie obróbki żywności w wysokiej temperaturze nadaje jej karmelowy smak. Degradacja cukrów podczas reakcji Maillarda, charakteryzującej się powstawaniem nisko- i wysokocząsteczkowych związków zawierających azot, jest katalizowana przez aminokwasy. Obie reakcje zachodzą razem w podwyższonej temperaturze, tak więc jedna wpływa na drugą. Reakcja Maillarda może zachodzić w łagodniejszych warunkach, ale cukry karmelizują się w temperaturze powyżej 120°C.

Podobnie, właściwości fizyczne i chemiczne degradowanego termicznie i oksydacyjnie oleju słonecznikowego i tłuszczu palmowego ulegają różnym zmianom. Ważną metodą przygotowywania żywności stosowaną na całym świecie jest smażenie w głębokim tłuszczu. W wyniku utleniania, hydrolizy, rozkładu i oligomeryzacji powstają liczne związki polarne. Związki te modyfikują właściwości fizyczne, odżywcze i sensoryczne oleju lub tłuszczu.

Podobnie, produkty utleniania cholesterolu, dimery cholesterolu i cholestadien powstają po obróbce termicznej wzorców cholesterolu i masła. Badania wskazują, że obróbka termiczna materiałów zawierających cholesterol powinna być prowadzona w jak najniższych temperaturach, np. 150°C, co zapobiega dimeryzacji, utlenianiu i degradacji cholesterolu.

Stan badań laboratoryjnych środków spożywczych

Do analizy żywności stosuje się wiele technik analitycznych z których kilka to techniki:

a) spektroskopowe, takie jak spektrometria mas, magnetyczny rezonans jądrowy, podczerwień itp.;

b) biologiczne, takie jak łańcuchowa reakcja polimerazy, biosensory itp.;

c) rozdzielcze, takie jak wysokosprawna chromatografia cieczowa, elektroforeza kapilarna itp.

Spośród tych różnych technik analitycznych technika chromatograficzna może być uważana za najlepszą metodę do jednoczesnego oznaczania kilku klas zanieczyszczeń i pozostałości. W ciągu ostatnich kilku lat, chociaż chromatografia gazowa (GC) była wykorzystywana do oznaczania związków niepolarnych, chromatografia cieczowa (LC) była szeroko stosowana do monitorowania związków bardziej polarnych. Wysokosprawna chromatografia cieczowa HPLC staje się dobrym wyborem ze względu na znaczne skrócenie czasu analizy. Jednak kilka problemów, takich jak silne efekty matrycy i niski czas retencji, sprawia, że nie jest ona przystosowana do metod wielopoziomowych, a w celu skrócenia czasu analizy autorzy zaproponowali wyeliminowanie etapów chromatograficznych i zastosowanie analizy z wtryskiem przepływowym. Inną alternatywą dla oznaczania związków bardzo polarnych jest zastosowanie chromatografii oddziaływań hydrofilowych. Obecnie miniaturyzacja systemów chromatograficznych (mikro- lub nano-LC) jest szeroko stosowana w proteomice, oferując odpowiednie właściwości, takie jak wytrzymałość i niezawodność, a także do oznaczania alergenów, amin, pestycydów i toksyn w żywności, ponieważ daje duże możliwości zmniejszenia objętości próbki i czasu analizy, zwiększając czułość, wydajność rozdzielania i pojemność pików.

Czytaj Więcej

Wyzwania związane z badaniami analitycznymi

Aby odpowiednio reagować na rosnące wymagania konsumentów, badacze żywności muszą stawiać czoła coraz bardziej złożonym wyzwaniom, które wymagają wykorzystania najlepszej dostępnej nauki i technologii. SERS (Surface-enhanced Raman Spectroscopy) ma ogromny potencjał w zakresie szybkiej identyfikacji śladowych związków chemicznych, jednak technologia ta nie jest dostatecznie gotowa do zastosowania jako rutynowa metoda analityczna, rozwiązująca wszelkie problemy w rzeczywistej analizie żywności. Ponieważ jedną z sił napędowych rozwoju technologii SERS jest wartość szybkiej analizy, uproszczenie przygotowania próbek będzie stale jednym z głównych celów i wyzwań związanych z zastosowaniem SERS w analizie żywności.

Czytaj Więcej

Bezpieczeństwo żywności

Żywność jest fałszowana na różne sposoby. Różne niebezpieczne czynniki fizyczne, chemiczne, mikrobiologiczne i radioaktywne w żywności powodują choroby przenoszone drogą pokarmową. Bezpieczeństwo żywności jest podstawowym elementem troski o zdrowie publiczne, a mikotoksyny stanowią ogromne wyzwanie dla bezpieczeństwa żywności na całym świecie. Zanieczyszczenie żywności ma znaczący wpływ na bezpieczeństwo żywności, handel, gospodarkę i zdrowie, powodując znaczne straty finansowe dla ludzi na całym świecie.

Barwienie żywności, stosowanie środków chemicznych służących do dojrzewania owoców, mieszanie gliny, kamyków, trocin, węgla drzewnego, rozłożonych owoców i warzyw itp. w cząstkach żywności to niektóre z powszechnych metod fałszowania żywności, które mogą prowadzić do poważnych chorób, takich jak zaburzenia żołądkowo-jelitowe, zaburzenia pracy wątroby, niewydolność nerek, rak, nowotwory i toksyczność w organizmie po spożyciu zafałszowanej żywności. Dlatego też bezpieczeństwo żywnościowe, ochrona żywności i zrównoważone żywienie są kluczowymi elementami systemów żywnościowych, które mają duży wpływ na dobre samopoczucie. Bezpieczeństwo żywności dotyczy chorób przenoszonych przez żywność i obejmuje postępowanie z żywnością, jej przygotowanie i przechowywanie.

Choroby przenoszone drogą pokarmową pogarszają stan zdrowia osób, a także często mają szkodliwe konsekwencje dla rodzin, społeczeństw, korporacji, a w końcu dla narodów. Choroby te zakłócają byt ludzi, wywierając znaczący wpływ na system opieki zdrowotnej i sieć handlową. Państwa członkowskie Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) wymieniły opiekę zdrowotną, chroniącą ludzi przed bezpośrednimi potencjalnymi zagrożeniami, jako jeden z pięciu podstawowych obszarów pracy WHO w 12. Ogólnym Programie Pracy. Światowa Organizacja Zdrowia uznała bezpieczeństwo i wartość zdrowotną napromieniowanej żywności oraz opowiedziała się za jej odpowiednim wykorzystaniem jako środka sanitarnego.

Kraje uznają napromienianie za korzystną metodę redukcji patogenów istotnych dla zdrowia publicznego w ramach ogólnej dobrej praktyki produkcyjnej (GMP) oraz systemów analizy zagrożeń i kluczowych punktów kontroli (HACCP).

Na łańcuch dostaw żywności ma wpływ rozwój, namnażanie się lub długotrwałe działanie szkodliwych czynników mikrobiologicznych i chemicznych. Wiąże się to również z eliminacją marnotrawstwa żywności i efektywnym wykorzystaniem zasobów naturalnych.

Organizacja Narodów Zjednoczonych do spraw Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) opisuje bezpieczeństwo żywnościowe jako “sytuację, w której wszyscy ludzie przez cały czas mają fizyczny, społeczny i ekonomiczny dostęp do wystarczającej ilości bezpiecznej i pożywnej żywności, aby zaspokoić swoje potrzeby i preferencje żywieniowe w celu prowadzenia aktywnego i zdrowego życia”. Koncepcja bezpieczeństwa ludzi może także promować podejście skoncentrowane na ludziach, skupiać się na indywidualnych możliwościach i zapewniać kluczowe zasoby dla budowania odporności w zakresie bezpieczeństwa żywnościowego i żywienia.

Według Komitetu ds. Bezpieczeństwa Żywnościowego na Świecie (CFS) bezpieczeństwo żywnościowe i żywieniowe to czas, w którym każda osoba ma fizjologiczny, społeczno-ekonomiczny dostęp do produktów żywnościowych oraz do żywności dostarczanej w odpowiedniej ilości i o odpowiedniej jakości, aby zaspokoić potrzeby żywieniowe, co jest ułatwione dzięki wymaganej higienie i opiece zdrowotnej w otoczeniu zapewniającym dobry standard życia. Międzyagencyjna Grupa Robocza ONZ (IAWG) skoncentrowała się na Systemach Informowania i Mapowania o Niepewności Żywnościowej, które opierają się na diecie i stanie odżywienia różniącym się w zależności od osoby, gospodarstwa domowego i narodu.

Aby zmniejszyć ryzyko chorób przenoszonych drogą pokarmową, metody i protokoły bezpiecznego postępowania z żywnością są egzekwowane na każdym etapie cyklu życia procesu przetwarzania żywności.

Aspekt mikrobiologiczny

Zidentyfikowano wiele chorób przenoszonych drogą pokarmową i ognisk epidemicznych, w których bakterie patogenne, wirusy i pierwotniaki zanieczyszczają świeże produkty i produkty zwierzęce pochodzące ze skażonych źródeł. Czynniki bakteryjne znajdujące się w żywności są główną przyczyną poważnych i śmiertelnych chorób przenoszonych drogą pokarmową.

Aspekt chemiczny i toksykologiczny

Dowody empiryczne wskazują, że FCC mogą przenosić się z materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z żywnością do żywności, co sugeruje, że zdecydowana większość populacji ludzkiej jest narażona na działanie jednej lub kilku z tych substancji chemicznych. Metale ciężkie, takie jak ołów, arsen, rtęć, kadm i miedź, stwierdzono w wyższych stężeniach w niektórych próbkach żywności niż w innych, co wskazuje na potencjalne wymywanie z przyborów kuchennych i niską higienę żywności.

Aspekt środowiskowy

Odnotowuje się pozostałości pestycydów w atmosferze, a także masowe wymieranie fauny i flory pozaludzkiej, takiej jak pszczoły, ptaki, płazy, ryby i małe ssaki, z powodu psucia się żywności. Konwencja Sztokholmska, która została przyjęta w 2002 roku, zakazuje stosowania trwałych i bioakumulacyjnych związków chemicznych, takich jak DDT, toksafen, HCH, aldryna i dieldryna, i zastępuje je substancjami bezpiecznymi dla środowiska i mniej bioakumulacyjnymi.

Aspekt żywieniowy

Diety mają niszczące skutki zdrowotne w połączeniu z podjadaniem związanym z zabieganym trybem życia i coraz bardziej siedzącym trybem życia, a ciężar chorób spowodowanych dietami i stylem życia może jeszcze wzrosnąć w przyszłości. W przypadku towarów, które mogą nie podlegać istniejącym przepisom UE dotyczącym oświadczeń żywieniowych i zdrowotnych lub podobnym strukturom prawnym na całym świecie, może być potrzebny mechanizm regulacyjny.

Higiena osobista

Pracownicy zajmujący się żywnością i przygotowujący posiłki, którzy nie dbają o higienę osobistą, narażają na ryzyko zdrowie własne i zdrowie publiczne. Wielu chorób przenoszonych drogą pokarmową można uniknąć dzięki prostym praktykom, takim jak dokładne mycie rąk i korzystanie z odpowiednich urządzeń do mycia.

Aspekt legislacyjny

Główne cele przepisów dotyczących żywności to ochrona dobrego samopoczucia konsumenta, ochrona konsumenta przed kradzieżą oraz promowanie handlu. Właściwe może być również przyjęcie przepisów zakazujących dodawania składników odżywczych do żywności tam, gdzie jest to niepotrzebne lub niezdrowe pod względem odżywczym lub gdy wzbogacanie może dać błędną opinię na temat wartości odżywczych. EFSA, Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności w Unii Europejskiej  oraz FDA, Agencja ds. Żywności i Leków w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej, to najpotężniejsze organy regulacyjne na świecie, które stanowią i wprowadzają w życie przepisy oraz nadzorują odprawy celne i kontrole dodatków do żywności. JECFA, Komitet Ekspertów Wspólnej Organizacji ds. Żywności i Rolnictwa (FAO)/Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) ds. Dodatków do Żywności oraz Codex Alimentarius to inne odpowiednie organizacje, które oceniają zagrożenia dla bezpieczeństwa, przeprowadzają badania, zadają pytania i są ogólnie zaniepokojone z dodatkami do żywności. System analizy zagrożeń i krytycznych punktów kontroli (HACCP) i inne systemy zapewniania jakości, takie jak system ISO 9000, mogą być wykorzystywane do zapewnienia jakości zarówno towarów (produktów), jak i usług. Rodzina ISO 9000 obejmuje normy takie jak ISO 9001:2015, ISO 9000:2015, ISO 9004:2009 oraz ISO 19011:2011 do monitorowania higieny żywności. Inne to: ISO 22000, BRC, IFS, GMP, FSSC 22000.

Biodegradowalne materiały do pakowania żywności

Materiały do pakowania żywności obejmują zwykle tworzywa sztuczne, arkusze papieru, szkło i metale, takie jak folie aluminiowe, laminaty i blachy cynowane. Materiały opakowaniowe chronią żywność przed degradacją, zapewniając różne mechanizmy, takie jak zapobieganie przedostawaniu się do produktu, zapobieganie przenoszeniu zapachów i zachowanie wewnętrznego środowiska opakowania. Tworzywa sztuczne, takie jak polichlorek winylu (PVC), polietylen (PE) i poliamid (PA) mają wysoką tolerancję termiczną. Są niedrogie i mają wyjątkowe właściwości mechaniczne, takie jak dwutlenek węgla i tlen oraz tolerancję na ciepło. Tworzywa sztuczne są zatem intensywnie wykorzystywane do pakowania żywności. W wyniku pakowania żywności powstaje ogromna ilość odpadów z tworzyw sztucznych, a ich zagospodarowanie staje się problemem globalnym w wielu rozwijających się i słabo rozwiniętych krajach. Jednak biodegradowalny materiał opakowaniowy jest rozpraszany jako małe fragmenty w odpadach i produktach ubocznych biodegradacji oraz tworzy dwutlenek węgla, wodę i biomasę, która jest zawracana do środowiska naturalnego przez biocykle i mikroorganizmy. Polihydroksyalkaniany (PHA), które można wytwarzać z zasobów odnawialnych i bioodpadów, są uważane za biodegradowalne i biokompatybilne biomateriały i mogą być potencjalnym zamiennikiem niedegradowalnych tworzyw sztucznych.

Wiele naturalnych i syntetycznych polimerów, które okazały się biodegradowalne, jest stosowanych do pakowania żywności. Naturalne polimery, takie jak celuloza, skrobia i białko, są używane w opakowaniach do żywności itp. Podobnie źródła paliw kopalnych, takie jak benzyna, gaz ziemny i węgiel, a także naturalne monomery są używane w opakowaniach do żywności, a wszystkie z nich są naturalne biodegradowalne.

Na bazie polimerów naturalnych

Polimery syntetyczne są najczęściej stosowanymi materiałami opakowaniowymi ze względu na łatwość przetwarzania, niski koszt i małą gęstość. Jednak wiele z tych materiałów nie poddaje się łatwo recyklingowi i trudno jest je całkowicie zdegradować w przyrodzie, co stwarza problemy środowiskowe. Dlatego istnieje tendencja do zastępowania takich polimerów polimerami i kopolimerami naturalnymi, które łatwo ulegają biodegradacji i w mniejszym stopniu powodują zanieczyszczenie środowiska. W ostatnim czasie wzrosło zainteresowanie kwasem polimlekowym (PLA), polihydroksyalkanianami (PHA), polimerami i kopolimerami na bazie celulozy i skrobi, jako nowymi kandydatami na materiały biodegradowalne. Zakres stosowania polimerów biodegradowalnych w artykułach mających kontakt z żywnością obejmuje sztućce jednorazowego użytku, kubki do napojów, kubki do serwowania mieszanek zielonych, talerze, folie ochronne i pokrywające, słomki, mieszadełka, pokrywki, kubki, talerze i uchwyty. Celuloza jest najbardziej obfitym, praktycznym, kompostowalnym, biodegradowalnym i wielokrotnego użytku materiałem naturalnym na ziemi i ma wiele zastosowań. Celuloza roślinna jest uznawana za jeden z najbardziej ekstrawaganckich polimerów naturalnych na Ziemi.

Poli(kwas mlekowy) (PLA) jest jednym z najbardziej zachęcających biopolimerów otrzymywanych w wyniku kontrolowanej depolimeryzacji monomeru kwasu mlekowego otrzymywanego z fermentacji surowców cukrowniczych, kukurydzy itp. Jest to polimer elastyczny, nadający się do recyklingu i kompostowania, charakteryzujący się wysoką przezroczystością, dużym ciężarem cząsteczkowym, łatwością przetwarzania i rozpuszczalnością w wodzie.

Oprócz minimalizacji zanieczyszczenia środowiska, jako biodegradowalne, jadalne białkowe folie opakowaniowe często poprawiają jakość pakowanej żywności, w tym jej smak i kolorystykę. W pracach nad biodegradowalnymi foliami, które mogą konserwować żywność poprzez kontrolowanie powstawania bakterii, wykorzystuje się naturalnie występujące związki, takie jak nizyna, pediocyna czy lizosomy. Biofilmy kompozytowe zbudowane są z dwóch rodzajów biomolekuł, mianowicie hydrokoloidów i lipidów. Ponieważ błony kompozytowe stanowią przeszkodę dla tlenu, wody i dwutlenku węgla, zachowują zapach produktów spożywczych. Dlatego są one stosowane do pakowania żywności.

Najbardziej obfitym po celulozie polisacharydem na Ziemi jest chitozan. Chitozan jest tworzony z chityny poprzez deacetylację w celu usunięcia grupy acetylowej. Kompozytowe nanowarstwy na bazie chitozanu można wykorzystać do opracowania nowych materiałów do pakowania żywności, które potencjalnie mogą być równie funkcjonalne jak konwencjonalne tworzywa sztuczne, a zatem mogą zastąpić opakowania z tworzyw sztucznych, pozostawiając przy tym znacznie mniejszy ślad w środowisku. Włączenie różnych nanomateriałów do polimerów pochodzenia biologicznego, takich jak chitozan, skrobia ziemniaczana, karboksymetyloceluloza (CMC), skrobia kukurydziana i guma arabska, może poprawić różne właściwości materiałów opakowaniowych poprzez zwiększenie aktywności przeciwdrobnoustrojowej, zapobiegając w ten sposób rozwojowi patogenów przenoszonych przez żywność, co znacznie poprawia właściwości materiałów pochodzenia biologicznego, takich jak materiały opakowaniowe do żywności. Liczne przykłady pokazują, że wzrost bakterii może być zahamowany przez opakowania żywności na bazie kwasów organicznych i wydłużyć okres przydatności do spożycia. Naukowcy opracowali antybakteryjne folie EVOH z mikrokapsułkami chitozanowymi kwasu sorbowego (S-MPs) i zastosowali je do filetów rybnych (Hu i in., 2017). Jeśli chodzi o właściwości przeciwdrobnoustrojowe, stwierdzono, że nanocząstki TiO2 (NPs) zabijają szeroki zakres mikroorganizmów, w tym bakterie Gram-ujemne i Gram-dodatnie, grzyby, pierwotniaki i bakteriofagi wirusowe.

Kwasy organiczne są powszechnie stosowane jako tradycyjne dodatki do żywności, w tym kwas propionowy, kwas mlekowy, kwas jabłkowy, kwas sorbowy i kwas winowy. Kwas sorbowy i sorbinian potasu są aktywne wobec wielu bakterii i pleśni. Ze względu na ich potencjał w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym oraz aromaterapii, zestawy olejków eterycznych (EO) wykazały skuteczność in vitro przeciwko mikroorganizmom i utleniaczom w eksperymentach z żywnością i/lub testach oceny symulatorów żywności. W systemach opakowaniowych wykorzystuje się naturalne i zrównoważone składniki, zamiast konwencjonalnych syntetycznych cząsteczek lub związków chemicznych. Metody nanotechnologiczne są obiecującymi technikami dla całego łańcucha przemysłu rolniczego, od przemysłu po klientów.

Dodając do biodegradowalnych opakowań właściwości przeciwdrobnoustrojowe, te nowe materiały mogą zapewnić lepszą ochronę przed psuciem się żywności, wydłużając jej okres przydatności do spożycia. Ze względu na niską cenę, nietoksyczność i działanie antybakteryjne, folie z poli(adypinianu butylenu) i nanowłókien chitozanowych mają duży potencjał w pakowaniu żywności i farmaceutyków. Nanokompozytowe folie na bazie octanu celulozy i montmorylonitu modyfikowanego bromkiem cetylotrimetyloamoniowym glikolu polietylenowego mogą być stosowane jako aktywny materiał opakowaniowy ze względu na dobrą aktywność przeciwdrobnoustrojową oraz brak toksyczności dla krwi ludzkiej.

Na bazie polimerów pochodzących z zasobów odnawialnych i kopalnych

Tworzywa sztuczne na bazie ropy naftowej są najczęściej używanymi polimerami w zastosowaniach opakowaniowych ze względu na ich doskonałe właściwości i stosunkowo niski koszt, chociaż te materiały z tworzyw sztucznych nie ulegają biodegradacji, nie podlegają recyklingowi i są zależne od nieodnawialnych źródeł, co prowadzi do niekorzystnego zubożenia środowiska i globalnego ocieplenia. Aby przezwyciężyć te problemy, w ostatnich latach dużą uwagę poświęca się biodegradowalnym polimerom pochodzącym z zasobów odnawialnych w procesie pakowania, co jest napędzane wzrostem świadomości społecznej na temat globalnych wyzwań środowiskowych związanych z niedegradowalnymi tworzywami sztucznymi. Biodegradowalne polimery do pakowania żywności z odnawialnego źródła można sklasyfikować jako polimery mikrobiologiczne i polimery syntetyczne z naturalnych monomerów.

Polimery mikrobiologiczne

Polimery mikrobiologiczne są otrzymywane z mikroorganizmów w procesie inżynierii metabolicznej. Kwas polimlekowy (PLA), polihydroksyalkaniany (PHA) i egzopolisacharydy (EPS) są głównymi biopolimerami opartymi na fermentacji mikrobiologicznej.

Polihydroksyalkaniany (PHA) są otrzymywane z surowców odnawialnych, takich jak kwasy tłuszczowe, maltoza i glukoza w wyniku konwersji biotechnologicznej. PHA są biokompatybilnymi, krystalicznymi i nietoksycznymi elastomerami termoplastycznymi o niskiej temperaturze topnienia, dobrej odporności na promieniowanie UV oraz właściwościach fizycznych i chemicznych, które zależą od składu monomeru PHA. Polihydroksymaślan (PHB) jest powszechnie stosowaną postacią PHA do krótkoterminowych zastosowań w opakowaniach żywności, charakteryzującą się wysokim stopniem krystaliczności. Jego zaletą jest biodegradowalność przy 70% stopniu krystaliczności oraz właściwości mechaniczne podobne do polietylenu. Dodatkowo, PHB jest stosowany w opakowaniach ze względu na swoją lamelarną strukturę i wyższą barierowość aromatyczną z przepuszczalnością pary wodnej.

Egzopolisacharydy (EPS) są złożonymi polimerami mikrobiologicznymi syntetyzowanymi przez bakterie, grzyby i sinice. Składają się one z węglowodanów i są wydzielane na zewnątrz ściany komórkowej. Spośród różnych rodzajów EPS, takich jak alginian, glukany, dekstryny i ksantan, kefiran zyskuje wiele uwagi w zastosowaniach opakowaniowych ze względu na swoją rozpuszczalność w wodzie, biokompatybilność, efekt emulgujący i stabilizujący oraz biodegradowalność.

Na bazie polimerów syntetycznych z monomerów naturalnych

Polimery syntetyczne z monomerów naturalnych stosowane w technologii pakowania żywności są nową, biodegradowalną i przyjazną dla środowiska alternatywą dla tworzyw petrochemicznych i polimerów syntetycznych z surowców kopalnych.

Kwas poliglikolowy (PGA) jest biodegradowalnym polimerem otrzymywanym zarówno z surowców petrochemicznych, jak i z monomerów pochodzących z odnawialnych źródeł. Jest to sztywny poliester stosowany w opakowaniach jako warstwa ochronna dla gazowanych napojów bezalkoholowych i piwa. PGA ma podobną strukturę jak PLA, ale zachowuje wyższą temperaturę odkształcenia termicznego, wysoką krystaliczność, właściwości mechaniczne, biokompatybilność oraz właściwości bariery gazowej dla dwutlenku węgla i tlenu. Z drugiej strony, produkcja i zastosowanie PGA na dużą skalę wciąż stoją przed wyzwaniami ze względu na brak taniej metody otrzymywania monomeru.

Kwas polimlekowy (PLA) jest biodegradowalnym polimerem otrzymywanym z kwasu mlekowego w procesie fermentacji roślin odnawialnych, takich jak skrobia, cukier i kukurydza. Ze względu na stosunkowo większą wytrzymałość mechaniczną, łatwą dostępność, trwałość i przezroczystość niż inne biodegradowalne tworzywa sztuczne zyskał on duże zainteresowanie w branży opakowań żywności. Ze względu na wysoką przepuszczalność gazów i słabą barierowość, PLA nie nadaje się do produkcji butelek na napoje, co można poprawić poprzez połączenie z tworzywami o wysokiej barierowości, takimi jak PGA, w procesie topienia lub laminowania.

Polibutylenobursztynian (PBS) jest alifatycznym poliestrem otrzymywanym w wyniku polikondensacji monomerów kwasu bursztynowego i 1,4-butanodiolu, charakteryzującym się wysoką biodegradowalnością, możliwością kompostowania, szerokim zakresem przetwarzania termoplastycznego, stabilnymi właściwościami mechanicznymi oraz dobrą odpornością termiczną i chemiczną. Obecnie monomery te można wytwarzać z biomasy odnawialnej, takiej jak skrobia, ksyloza i glukoza. PBS jest stosowany do pakowania żywności ze względu na odporność na degradację pod wpływem ciepła i światła. Właściwości PBS, takie jak wysoka krystaliczność, dobre właściwości termiczne, właściwości mechaniczne i łatwość przetwarzania, czynią z tych poliestrów materiały kandydujące do zastosowań w opakowaniach żywności, takich jak folie i półsztywne miseczki. Niska udarność i odporność na rozerwanie mogą ograniczać ich zastosowanie w opakowaniach żywności.

Mimo że te polimery pochodzące ze źródeł odnawialnych są biodegradowalne, biostabilne, przyjazne dla środowiska i najczęściej stosowane jako materiały opakowaniowe, to ich zastosowanie w przemyśle na szeroką skalę jest ograniczone ze względu na barierę tlenową, barierę dla pary wodnej, odporność termiczną i koszt.

Rozwój polimerów biodegradowalnych jest dopiero w początkowej fazie; jak na razie obejmują one niewielką część obecnego rynku opakowań na całym świecie. Biopolimery spełniają wymagania ekologiczne, ale mają pewne ograniczenia dotyczące aspektów finansowych i wykonania.

Jednym z największych wyzwań dla teraźniejszości i przyszłości jest zapewnienie wystarczającej ilości zdrowej, czystej i bezpiecznej żywności dla rosnącej liczby ludności świata.

Wśród ludności świata prawie 10% jest nadal niedożywionych, mimo wystarczających dostaw energii. Bezpieczeństwa żywnościowego, czyli dostępu do wystarczającej ilości żywności, nie da się osiągnąć jedynie poprzez wzrost produkcji rolnej lub sprawiedliwą dystrybucję globalną, ponieważ większość żywności jest marnowana w okresie między produkcją a sprzedażą detaliczną.

Dlatego konieczne jest opracowanie innowacyjnych technologii konserwacji, przetwarzania i pakowania żywności. Zaawansowane techniki analityczne stosowane do kontroli żywności działają jednak na ogół w trybie celowym, w którym zanieczyszczenia pozostają niewykryte, podnosząc poziom zanieczyszczeń.

Obecność różnych toksynotwórczych grzybów lub ich wtórnych metabolitów w postaci mikotoksyn w żywności dla ludzi i paszach dla zwierząt stanowi powracający problem bezpieczeństwa żywności, dlatego gatunki wytwarzające mikotoksyny i poszczególne szczepy muszą być autentycznie identyfikowane za pomocą niedawno opracowanych technik (takich jak techniki oparte na PCR, laserowa technika biospektralna, czujniki apta, czujniki immunologiczne, czujniki enzymatyczne i inne) oraz poprzez opracowanie nowych grzybobójczych podłoży agarowych do izolacji wyłącznie toksynotwórczych szczepów grzybów. Podobnie, kilka innowacyjnych metod, takich jak spektroskopia w podczerwieni z zastosowaniem atenuowanego całkowitego odbicia z transformacją Fouriera (ATR-FTIR), test immunoenzymatyczny ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay), chromatografia cieczowa z tandemową spektrometrią mas (LC-MS/MS) z zastosowaniem kolumny z wieloma przeciwciałami immunoaffinity oraz technologia matryc zawiesinowych, może być stosowanych do wykrywania mikotoksyn w produktach. Jak wynika z ostatnich doniesień, “Aktywne powierzchniowo nanocząstki maghemitu” są wskazywane jako stabilny i dobry magnetyczny nanonośnik do usuwania mikotoksyn, którego potencjał może być wykorzystany przez przemysł spożywczy. Chemia żywności ma ważne zadanie w zakresie poprawy bezpieczeństwa żywności, aby zapewnić produktom łatwo psującym się dłuższy okres przydatności do spożycia poprzez opracowanie odpowiednich strategii.

Autor: Bindu Modi, Hari Timilsina, Sobika Bhandari, Ashma Achhami,Sangita Pakka, Prakash Shrestha, Devilal Kandel, Dhan Bahadur GC, Sabina Khatri, Pradhumna Mahat Chhetri, Niranjan Parajuli