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Mehr Sicherheit mit Nanosilber

Nanoskalige Silberpartikel können für lange Zeit Schutz vor Mikroorganismen bieten. Für die Lebensmittelindustrie sind viele Einsatzmöglichkeiten wie Verpackungen oder Arbeitsgeräte mit Nanosilber entwickelt worden.

von Alimenta Import

Die antimikrobielle Wirkung von Silber ist schon lange bekannt und wird unter anderem zur Entkeimung von Trinkwasser oder als desinfizierendes Agens in Wundsalben genutzt. Der antimikrobielle Wirkungsmechanismus ist vielfältig und nicht in allen Einzelheiten bekannt. Es wurde be­ob­achtet, dass die Silberionen mit Proteinen komplexieren und somit auch verschiedene Enzyme inaktivieren, was zum Tod der Zelle führt. Im Gegensatz zu Mikroorganismen wurde beim Menschen keine Toxizität be­ob­achtet. Bei der Aufnahme von sehr grossen Mengen kommt es zwar zu Argyrie, einer Grauverfärbung der Haut. Diese Verfärbung stellt jedoch mehr ein kosmetisches als ein ­gesundheitliches Problem dar.

Da auch Lebensmittelinhaltsstoffe wie Chloridionen aus Kochsalz oder Proteine
mit Silberionen komplexieren und sie somit schnell «verbrauchen» können, ist die Zugabe von Silberionen in den meisten Lebensmitteln nicht wirkungsvoll. Durch Nanosilberpartikel, die auf einer Oberfläche verteilt sind, kann jedoch eine kontinuierliche Abgabe von Silberionen für lange Zeit gewährleistet werden. Für die Lebensmittelindustrie wurden schon zahlreiche Anwendungen wie Verpackungen, Arbeitsgeräte oder Wandbeschichtung mit Nanosilber entwickelt.

Technische Herausforderung

«Die Nanopartikel klein zu halten und homogen über ein Produkt zu verteilen, ist die gros­se Herausforderung», erklärt Samuel ­Halim, Geschäftsführer von Nanograde, einem spin-off-Unternehmen der ETH Zürich. Nanograde stellt Nanopartikel für verschiedene Anwendungen her und hat unter anderem auch antimikrobielle Verpackungsmaterialien für Lebensmittel mitentwickelt. «Je kleiner ein Partikel ist, desto eher möchte es wieder zu einem grösseren Partikel zusammenwachsen», meint Halim. «Um das zu verhindern, werden die Silberpartikel mit einem Durchmesser von 1??nm auf Kalziumphosphat-Nanopartikeln mit einem Durchmesser von 30 bis 50??nm ­abgeschieden und so stabilisiert.
Die Partikel werden durch Flammen­synthese hergestellt. Dazu werden die Bestandteile Silber-, Kalzium- und Phosphat­ionen in einem brennbaren Lösungsmittel gelöst. Das Lösungsmittel wird verbrannt, wobei in der Flamme die Nanopartikel heranwachsen. Über die Flammeneigenschaften, zum Beispiel Temperatur und Geschwindigkeit, wird das Partikelwachstum gesteuert, sodass massgeschneiderte Nanopartikel hergestellt werden können. Die gewonnenen Partikel werden anschliessend in einem Medium, zum Beispiel flüssigem Polyethylen, homogen verteilt und weiterverarbeitet. Hier ist es wichtig, die Anforderungen an das Produkt zu kennen», meint Halim. «Ob die Folie zu 99 oder zu 99,9% abtötend wirken soll, macht für die Herstellung einen Unterschied.»

Einsatzmöglichkeiten in der Verpackung
Die Wirkung von Nanosilberpartikeln auf ­pathogene Mikroorganismen wurde in einer Studie an der ETH Zürich untersucht. Vor allem gramnegative Mikroorganismen wie Escherichia coli oder Salmonella zeigten eine hohe Sensibilität auf die Silberpartikel. Die ­ermittelte minimale Hemmkonzentration (MIC) der untersuchten Nanosilber-Siliciumdioxid-Partikel liegt bei allen untersuchten gramnegativen Bakterien unter 63 mg/l.

Bei Bacillus cereus und Staphylococcus aureus wurde eine MIC von 250 mg/l, bei ­Lis­teria monocytogenes 500 mg/l ermittelt. Der untersuchte Schimmelpilzstamm Aspergillus niger hatte eine MIC von 2000 mg/l. Diese Werte sind spezifisch für die im Experiment verwendeten Nanopartikel. Die ermittelten MIC von Silbernitrat, welches die Silberionen sofort freisetzt, waren in der gleichen Proportion, jedoch etwa um den Faktor 10 kleiner.

Eine Verpackungsfolie, die Nanosilberpartikel enthält, könnte demzufolge das Wachstum von pathogenen Mikroorganismen an der Oberfläche eines Lebensmittels wie Lachs oder Käse einschränken. Bei der Applikation ist darauf zu achten, dass die Folie mit dem Produkt in Berührung sein muss und nur da antimikrobiell wirkt. Dazu muss eine genügend hohe Konzentration an Silberionen freigesetzt werden, wobei Lebensmittelinhaltsstoffe einen Einfluss auf die Konzentration der verfügbaren Silberionen haben.
Andere Studien beschreiben, dass nanosilberhaltige Verpackungsfolien den Reifungsprozess von frischem Obst und Gemüse verlangsamen können. Das Pflanzenhormon Ethylen, welches die Reifung von Obst und Gemüse antreibt, wird in Anwesenheit von Sauerstoff und Silber als Katalysator oxidiert.

Nanosilber soll Produktionshygiene erhöhen
Bereits ein breites Anwendungsgebiet finden Wand- und Fassadenfarben auf Basis von ­Nanosilber. Die Firma Bioni CS entwickelt in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Chemische Technologie Farben mit mikrobizider Wirkung. Eine speziell für die ­Lebensmittelindustrie und Krankenhäuser ent­wickel­te Farbe wirkt gegen Bakterien- und Schimmelpilzbefall. Bereits zahlreiche Lebensmittelhersteller setzten diese Farbe in ­ihren Produktions- und Lagerräumen ein. Des Weiteren können produktberührende Kunststoffteile wie Schneidebretter oder Förderbänder mit Nanosilberpartikeln gegen mikrobielle Kreuzkontaminationen vorbeugen.

Silbertoleranz

Besonders in Krankenhäusern ist der Einsatz von Silber zur Bekämpfung von Mikroorganismen sehr beliebt, da im Gegensatz zu Antibiotika Resistenzbildung seltener beobachtet wurde. Grundsätzlich verfügt aber jeder Organismus über Mechanismen, um Schwer­metalle aus der Zelle zu pumpen. Bei Adaption können diese Abwehrmechanismen in Bak­terien angeregt werden, was je nach Organismus zu einer mehrfachen Erhöhung der MIC ­führen kann. Molekularbiologische  Untersu­chun­gen an einem Plasmid eines Salmonellenstammes, der hohe Konzentrationen von Silberionen erträgt, zeigten, dass verschiedene Enzyme die Silberionen binden und aus der Zelle pumpen können. Durch breite Anwen­dung von Silber könnte die bakterielle Silbertoleranz in der Umwelt häufiger vorkommen.

Gesetzliche Regelung ist in Arbeit

Für die Anwendung von Nanosilber gibt es noch keine gesetzliche Bestimmung. Alle bislang kommerziell verwendeten Produkte wurden von den nationalen Behörden geprüft und zugelassen. Aktuell wird in der EU die Biozidrichtlinie (Richtlinie 98/8/EWG) überarbeitet. Dabei soll der Umgang mit Nanomaterialien definiert werden. Der Einsatz von Nanosilber sorgt in Politik und Gesellschaft für kontroverse Meinungen. Gegner befürchten umweltschädliche und gesundheitsgefährdende Eigen­schaften. Befürworter weisen darauf hin, dass Nanosilber schon seit Jahrzehnten verwendet wird und keine Belege für die befürchteten schädlichen Eigenschaften existieren.