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Nanomaterialien in Lebensmitteln

Das Max Rubner-Institut forscht institutsübergreifend, unter Federführung des Instituts für Lebensmittel und Bioverfahrenstechnik, zu Nanopartikeln in Lebensmitteln. Dabei steht derzeit die Erarbeitung von Nachweis- und Charakterisierungsverfahren für technisch hergestellte Nanomaterialien im Vordergrund. Ihre Detektion und Charakterisierung in einer komplexen Lebensmittelmatrix ist essentiell für die Ermittlung der Exposition des Menschen mit technisch hergestellten Nanomaterialien als auch für die Beurteilung des Verbleibs und der biologischen Wirkung technisch hergestellter Nanomaterialien nach oraler Aufnahme.

Aufgrund der sehr geringen Größe der Nanomaterialien sind zum Teil aufwändige und komplexe Probenaufarbeitungsverfahren erforderlich, die außerdem je nach Fragestellung sehr unterschiedliche Techniken benötigen. Abhängig von der Lebensmittelmatrix und dem Nanomaterial müssen geeignete, das heißt vor allem auch möglichst artefaktarme Methoden, zur Probenvorbereitung entwickeln werden. Die Charakterisierung spezifischer Nanomaterialien erfolgt mittels physikalischer und chemischer Methoden.

Aufgrund der nanoskaligen Abmessung wird eine verbesserte Aufnahme von bioaktiven Substanzen und Nährstoffen aus Lebensmitteln erwartet. Es liegen jedoch bisher nur wenige Erkenntnisse darüber vor, ob solche Inhaltsstoffe tatsächlich aufgrund ihrer geringen Größe eine erhöhte Bioverfügbarkeit aufweisen oder ob Wechselwirkungen im Verdauungstrakt einer solchen verbesserten Bioverfügbarkeit entgegen wirken.

Es ist darum besonders wichtig, den Kenntnisstand hinsichtlich Größe und Bioverfügbarkeit zu erweitern:

  • Herstellung und Charakterisierung verschiedener nanoskaliger Materialien, die als Trägersysteme für ernährungsphysiologisch wünschenswerte Stoffe, etwa bioaktive Obst-und Gemüseinhaltsststoffe, geeignet sein könnten
  • Ermittlung der Stabilität nanoskaliger Materialien, die als Lebensmittelzusätze verwendet werden sollen (zum Beispiel während der Lebensmittelverarbeitung und während der Lagerung der Lebensmittel)
  • Bestimmung möglicher Interaktionen nanoskaliger Materialien mit Lebensmittelbestandteilen (freie versus gebundene Nanomaterialien) (pH-Abhängigkeit, Wechselwirkungen mit Proteinen oder komplexen Kohlenhydraten)
  • Untersuchungen zum Einfluss der Magen-Darm-Passage auf nanoskalige Materialien (Agglomeration/Desagglomeration, freie versus gebundene Nanomaterialien, Löslichkeit, Verdaubarkeit, Freisetzung des Inhalts aus nanoskaligen Trägersystemen)
  • Bereitstellung nanoskaliger Materialien für weitergehende Untersuchungen in Zusammenarbeit mit dem Institut für Physiologie und Biochemie der Ernährung, dem Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie sowie dem Institut für Sicherheit und Qualität bei Obst und Gemüse. Dazu gehören:
    • Untersuchungen zur Aufnahme nanoskaliger Materialien und Formulierungen sowie darin transportierter ernährungsphysiologisch wirk­samer Stoffe in den Körper (Ausscheidung versus Resorption, Kinetik)
    • Untersuchungen zur Metabolisierung, Akkumulation und Ausscheidung resorbierter nano­skaliger Materialien und Formulierungen sowie darin transportierter ernährungsphysiologisch wirksamer Stoffe
    • Untersuchungen zur Gewebs- bzw. Organverteilung resorbierter nanoskaliger Materialien und Formulierungen sowie darin transportierter ernährungsphysiologisch wirksamer Stoffe im Vergleich zur makroskaligen Substanz oder zu molekular dispers gelösten Substanzen, gegebenenfalls Kumulation in Organen
    • Untersuchungen zur Bioaktivität (zum Beispiel Status an Anti- und Prooxidantien, anti- und progenotoxische Wirkung, Regulation von Tumorpromotoren und -inhibitoren, Genexpression). Untersuchungen nanoskaliger Materialien und Formulierungen in vitro und in vivo im Vergleich zu makroskaligen Substanzen oder zu molekular dispers gelösten Substanzen und Stoffen
    • Untersuchungen zur Wechselwirkung nanoskaliger Materialien mit Mikroorganismen der Mund- und Darmflora

Mit den zukünftig zur Verfügung stehenden Verfahren zur Erfassung von Nanomaterialien in Lebensmitteln kann ermittelt werden, inwieweit bei der Be- und Verarbeitung von Lebensmitteln (konventionelle Verfahren, moderne Verfahren) Nanostrukturen entstehen oder bestehende Strukturen beeinflusst werden.

  • Ermittlung, ob bei der Lebensmittelherstellung Nanostrukturen entstehen (in Zusammenarbeit mit den Instituten zu Sicherheit und Qualität der verschiedenen Lebensmittelgruppen)
  • Charakterisierung der gegebenenfalls entstehenden Nanostrukturen. Ableitung von Theorien zur Entstehung und Stabilisierung der Nanostrukturen
  • Bestimmung des Einflusses von Nanostrukturen auf Produkteigenschaften wie Bioverfügbarkeit bioaktiver Substanzen, Textur, Sensorik, Haltbarkeit (in Zusammenarbeit mit den Instituten zu Sicherheit und Qualität der verschiedenen Lebensmittelgruppen sowie dem Institut für Physiologie und Biochemie der Ernährung.)