Truskawka, czy jej liście? Jeśli w grę wchodzi deser, wybieramy owoce. A jednak są sytuacje, w których odpowiedź może być tylko jedna: liście. Przekonali się o tym naukowcy pracujący nad projektem MultiBioCRM, prowadzonym w Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych UW. Chodziło o jakość i bezpieczeństwo żywności, zanim trafi na stół.
MultiBioCRM to projekt z dziedziny metrologii, nauki o kluczowym znaczeniu w zapewnianiu jednolitości i dokładności pomiarów, niezbędnych m.in. do bieżącej kontroli oraz gwarancji bezpieczeństwa w nauce, inżynierii, handlu czy przemyśle.
Aby wyniki uzyskiwane w laboratoriach były wiarygodne, by laboratoria mogły je porównywać, potrzebne są specjalne materiały referencyjne – specjalne próbki wzorcowe. Naukowcy z UW tworzą właśnie taki roślinny matrycowy materiał odniesienia. Na bazie truskawek.
Próbki wzorcowe nie służą do bezpośredniego badania owoców z pola. Pozwalają sprawdzić i skalibrować sprzęt oraz metody analityczne w laboratoriach – jeśli laboratorium zmierzy dokładnie tyle metalu lub mikroplastiku, ile jest w certyfikacie, można ufać wynikom badań prawdziwych próbek.
Innowacyjność projektowanego materiału odniesienia polega m.in. na połączeniu certyfikowanej zawartości pierwiastków i mikroplastiku, tzn. w jednej próbce wzorcowej zawarte są zarówno metale, jak i plastik – w dokładnie określonych ilościach.
Truskawkowa matryca
– Jest to projekt czysto aplikacyjny, ma konkretne zadanie z pogranicza przemysłu. W przeróżnych badaniach chemicznych laboratoria uniwersyteckie, naukowe, a także komercyjne, przemysłowe, muszą spełniać wiele wymogów. Nazywa się to zapewnieniem spójności pomiarowej. Chodzi z grubsza o to, żeby zagwarantować odpowiednią jakość wyników, tak żeby były jednoznaczne i porównywalne – tłumaczy dr hab. Jakub Karasiński, kierownik projektu.
Jednym ze sposobów, żeby wyniki badań były pewne i porównywalne między laboratoriami, jest stosowanie tzw. certyfikowanych materiałów odniesienia (CRM – z ang. certified reference material). To specjalne próbki, w których dokładnie wiadomo, ile jest danego składnika czy zanieczyszczenia. Laboratoria używają ich do kalibracji sprzętu, sprawdzania metod analitycznych, kontroli jakości badań oraz porównywania wyników między różnymi laboratoriami.
– Laboratorium kupuje taki materiał, poddaje go analizie w rutynowy sposób, w jaki pracuje, a później odpowiednim organom nadzorującym przedstawia dowody, że zmierzyło daną cechę zgodnie z wewnętrznymi procedurami i otrzymało wynik spójny z certyfikatem, który jest dołączony do materiału. To dowód, że laboratorium potrafi takie badania przeprowadzać – wyjaśnia badacz.
Wynikiem projektu MultiBioCRM będzie pilotażowa seria takich materiałów, która zostanie przekazana Głównemu Urzędowi Miar. W Polsce rośnie bowiem zapotrzebowanie na wysokiej jakości, nowoczesne materiały odniesienia dostosowane do lokalnych potrzeb i specyficznych matryc badawczych.
– Najbardziej pożądane w procesach zapewnienia spójności są tzw. matrycowe materiały odniesienia. „Matrycowy” oznacza, że skład chemiczny ściśle odzwierciedla skład chemiczny rzeczywistych próbek, z którymi laboratorium ma do czynienia. Dlatego zdecydowaliśmy się na materiał naturalny, co zresztą mieści się w światowych trendach w tej dziedzinie – mówi dr hab. Jakub Karasiński.
Bo certyfikowane materiały odniesienia stosowane są m.in. w monitoringu środowiskowym, analizach farmaceutycznych czy kontroli jakości żywności. Dlatego użycie materiału roślinnego, a nie syntetycznego, ma kluczowe znaczenie.
Mikroplastik jest sexy
– Rośliny to jeden z najważniejszych obszarów regulowanych analizami chemicznymi w Polsce. Istnieje wymóg, żeby na przykład owoce, które trafiają na rynek były zbadane pod kątem zawartości czterech kluczowych pierwiastków: arsenu, kadmu, rtęci i ołowiu – podkreśla badacz z Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych UW.
Metale te mają udokumentowany toksyczny wpływ na ludzki organizm i ich poziom musi być monitorowany.
Jak wyjaśnia naukowiec, truskawka została kandydatką na materiał odniesienia nie dlatego, że roślina ta ma jakieś szczególne właściwości. Jest po prostu dobrym reprezentantem owoców miękkich. Wyboru dokonano również z myślą o wykorzystaniu lokalnych owoców. Mając do wyboru dwa najpopularniejsze rodzaje owoców uprawianych w Polsce – jabłka i truskawki – badacze zdecydowali się na te drugie.
Badania pierwiastków toksycznych to standard nakazywany przez prawo. A skąd pomysł na uwzględnienie w matrycy mikroplastiku? To efekt jego popularności.
– Po pierwsze to teraz modny temat, każdy coś o tym słyszał i łatwo zwraca uwagę osób, które na co dzień się chemią analityczną nie interesują. Ale jest to też problem niezwykle trudny, wręcz karkołomny pod względem analitycznym. Aktualnie nie ma właściwie żadnych metod pozwalających w jakiś uniwersalny, jasny sposób określać poziom mikroplastiku. W ogóle jest olbrzymi problem z samą jego definicją. A w chemii analitycznej, dopóki nie ma ścisłej definicji czegoś, to mamy duży problem z tym, żeby się nauczyć to „coś” mierzyć – mówi dr Karasiński.
Najczęściej określa się tym mianem cząstki plastiku o średnicy nieprzekraczającej 5 mm. I rzeczywiście, mało kto nie słyszał o odkrywaniu mikroplastiku w rybach czy wodzie. Zanieczyszczenie wykrywa się w glebie, a nawet w powietrzu, nic dziwnego zatem, że pojawiają się analizy na temat mikroplastiku w roślinach uprawnych.
– Jednak jeżeli chodzi o materiały roślinne, to według naszej wiedzy, właściwie nie ma takiego materiału odniesienia, który miałby jakąś wartość informacyjną odnośnie do tego, ile tego mikroplastiku w danych owocach jest – podkreśla chemik.
Laboratoryjny blender
Przepis na matrycę biologiczną z truskawek jest dość skomplikowany. Najpierw oddziela się liście od owoców. Liście są poddawane suszeniu w laboratoryjnej suszarce, a owoce – liofilizowane (czyli usuwa się z nich wodę poprzez wymrażanie). Potem wysuszony materiał trzeba zemleć do odpowiedniego poziomu rozdrobnienia.
– Ten proces przebiega najlepiej w młynach kriogenicznych. Urządzenia te robią z grubsza to samo, co kuchenny blender, tylko w obecności ciekłego azotu. Pozwalają utrzymać przez cały czas bardzo niską temperaturę próbki. To ważne dlatego że jak się mieli z dużą intensywnością większe masy materii, one się bardzo nagrzewają. Głównie ze względu na tarcie ostrzy czy innych elementów rozdrabniających. A nagrzewanie jest niekorzystne, bo prowadzi do zmian w składzie chemicznym próbki, związki mogą ulegać degradacji, odparowaniu itd. – opowiada dr Karasiński.
Kolejnym etapem jest wzbogacanie wstępnie zmielonego materiału. Do powstałego proszku dodaje się w kontrolowany sposób wspomniane już pierwiastki. Chodzi o to, jak tłumaczy kierownik MultiBioCRM, żeby „wstrzelić się” w zakres pomiarowy laboratoriów komercyjnych.
– Trudno jest wyhodować roślinę, która będzie miała naturalnie określony poziom tych pierwiastków i jednocześnie tej rośliny nie unicestwić w trakcie uprawy. Dlatego powszechnie robi się to właśnie w ten sposób: dodaje na etapie mielenia i homogenizacji. Ale chodzi oczywiście o nanogramowe ilości – wyjaśnia badacz.
A potem następuje kluczowy etap, czyli „dramat każdego wytwórcy certyfikowanego materiału odniesienia”. Chodzi o homogenizację, czyli mielenie tygodniami w odpowiedni sposób, żeby zapewnić odpowiednią granulację (wielkość drobin), ale przede wszystkim równomierną dystrybucję pierwiastków w całym materiale.
Gdy na koniec buteleczka z CRM trafia do laboratorium, każda pobrana z niej próbka musi odzwierciedlać skład chemiczny całości. Bo przecież nikt nie będzie wykorzystywał od razu całej zawartości opakowania.
Przedostatnia faza projektu to sterylizacja radiacyjna. Odbywa się podobnie jak w przypadku np. narzędzi chirurgicznych, czyli poprzez napromieniowanie wiązką elektronów.
– Trzeba zniszczyć wszelkie żywe organizmy, które mogłyby jeszcze tam przetrwać. Drobnoustroje nie mają wpływu na sumaryczny skład pierwiastkowy, bo nie prowadzą przemian jądrowych, natomiast mogą powodować zbrylanie materiału, rozkładać związki matrycowe, czyli zmieniać otoczenie chemiczne. Ważne, żeby tam nic, mówiąc kolokwialnie, nie zakwitło, nie zaczęło gnić – wyjaśnia naukowiec z Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych UW.
Ostatni etap to certyfikacja. W tym przypadku polega na tym, że materiał jest rozsyłany do laboratoriów eksperckich, czyli potocznie rzecz ujmując, takich o światowej czy ogólnopolskiej renomie.
– Jest tych laboratoriów około 20. Na podstawie wyników, które otrzymamy, po odpowiednim ich statystycznym opracowaniu, sporządzamy certyfikat tego materiału i go wydajemy. Certyfikat podaje między innymi ilość kadmu, ołowiu i innych pierwiastków, plus minus jakąś niepewność, którą policzyliśmy. Równolegle, jako Uniwersytet Warszawski, badamy jednorodność tego materiału i jego stabilność, czyli co jakiś czas prowadzimy analizę kolejnej próbki z otwartego naczynia i sprawdzamy, czy nie ma statystycznie istotnych zmian cech, które będą certyfikowane – dodaje badacz.
Głównym „owocem” projektu są procedury wytwarzania certyfikowanych materiałów odniesienia. Mają być na tyle uniwersalne, by każdy materiał z grupy owoców miękkich móc tak wytwarzać, a w przypadku liści – możliwości są nawet szersze – podkreślają badacze. Fot. serhii_bobyk /Freepik
Liście uniwersalne
Projekt planowo zakończy się latem. Obecnie trwa etap porównań międzylaboratoryjnych, czyli materiał został wytworzony i rozesłany do laboratoriów eksperckich. Już wiadomo jednak, że jeżeli próby z roślinnymi matrycami miałyby być kontynuowane, to nie z udziałem truskawek. Niestety owoce jagodowe niezbyt dobrze się tu sprawdzają.
– Zaskoczyły nas właściwości fizyczne owoców. W przeciwieństwie do liści nie da się ich zwyczajnie ususzyć, muszą zostać zliofilizowane. Okazało się, że takie liofilizowane truskawki są wyjątkowo nieprzyjemnym materiałem pod kątem chemicznym. Chętnie chłoną wilgoć, ulegają zbrylaniu, bardzo źle się mieszają we wszystkich młynach, w których próbowaliśmy materiał homogenizować. Zostawiają taką „breję” na elementach urządzeń. To było największe wyzwanie i zapewne w największym stopniu wpłynie na niepewność wyniku. Od naszych partnerów zagranicznych wiemy, że z malinami też były problemy, bo ze względu na bardzo wysoką zawartość witaminy C materiał się frakcjonował i były olbrzymie problemy z zachowaniem jego jednorodności i homogeniczności – opowiada dr hab. Jakub Karasiński.
Głównym „owocem” tego projektu są procedury wytwarzania certyfikowanych materiałów odniesienia, czyli dokumenty w ścisły, szczegółowy sposób opisujące całe postępowanie, a także powstałe problemy itd. UW nie ma bowiem odpowiednich zasobów, żeby na przemysłową skalę produkować same materiały.
– Największym plusem było opracowanie metod statystycznych badania poszczególnych cech materiału, głównie związanych z jednorodnością. Teraz wiemy, jak to badać, jak to próbkować, jak to później wszystko liczyć, żeby to, co policzymy, odzwierciedlało rzeczywiście fizyczny stan tego obiektu. Nasze procedury będą mogły być później w skali jeden do jednego implementowane przez odpowiednie jednostki, np. Główny Urząd Miar. Będą na tyle uniwersalne, że każdy materiał z grupy owoców miękkich powinno się tak móc wytwarzać, a w przypadku liści – możliwości są nawet szersze – podsumowuje badacz.
--------------------
Projekt „MultiBio CRM – multifunkcjonalny roślinny materiał matrycowy na bazie liści i owoców truskawek, certyfikowany pod kątem zawartości metali ciężkich i mikroplastiku” był finansowany z programu Polska Metrologia II ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego.
Czytaj więcej na: serwisnaukowy.uw.edu.pl
dr hab. Jakub Karasiński pracuje w Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych UW. Specjalizuje się w spektrometrii mas i wysokosprawnej chromatografii cieczowej. Jego zainteresowania badawcze obejmują niestandardowe analizy pierwiastkowe próbek produktów farmaceutycznych i kosmetycznych, analizę specjacyjną próbek produktów spożywczych, pomiary stosunków izotopowych pierwiastków nietradycyjnych w próbkach geologicznych, archeologicznych i środowiskowych.
Materiał Partnera
