Fotonedbrutna ätbara matfärger

Tillgång till rent dricksvatten är en grundläggande mänsklig rättighet som erkänns av FN, men att uppnå universell tillgång i utvecklingsvärlden har hindrats av otillräcklig infrastruktur för vattenrening och brist på hållbart underhåll. Från och med 2015 hade 844 miljoner individer i låg- och lägre medelinkomstländer (LMIC) inte tillgång till förbättrade dricksvattenkällor och 159 miljoner människor använde direkt obehandlat ytvatten, vilket resulterade i att 502 tusen människor förlorades årligen genom diarré. sjukdomar från patogenförorenat vatten. Eftersom ojämlikhet i dricksvatten och den tillhörande dödligheten oproportionerligt belastar utvecklingsvärlden på landsbygden, är tillhandahållandet av förbättrad punkt-of-use (POU) vattenbehandlingsteknik som är låg kostnad, enkel och kräver minimal infrastruktur avgörande för att uppnå allmän tillgång till säkert drickande vatten.

Flera POU-vattenbehandlingsmetoder används för närvarande i LMICs (t.ex. soldesinfektion (SODIS), granulär media eller keramisk pottfiltrering, klorering, etc.). Även om de är effektiva mot bakterier, presterar de flesta relativt dåligt för virusborttagning, och alla POU-teknologier visar lägre effektivitet i fält på grund av försämrad initial vattenkvalitet och funktion av relativt okvalificerade användare. Medan POU-teknologier har bidragit till att minska bakteriell och parasitisk gastroenterit, har fall av viral gastroenterit inte minskat, med virala agens som observerats i 43 % av fallen med diarré i utvecklingsvärlden.

En POU-teknik under utveckling som har visat potential för att inaktivera virus i dricksvatten är appliceringen av ett ätbart fotosensibiliserande färgämne på vattnet för desinfektion. När det utsätts för solljus producerar det fotosensibiliserande färgämnet singletsyre, en reaktiv syreart (ROS) som kan inaktivera ett brett spektrum av virus. Erythrosine, ett FDA-godkänt färgämne, har bevisat sin förmåga att desinficera dricksvatten och uppnå 4-log inaktivering av bakteriofag MS2 på under 10 minuters exponering för solljus. Dessutom fotobleker färgämnet vid exponering för ljus, och den åtföljande distinkta färgförändringen (t.ex. från erytrosinröd till transparent) sker i en hastighet som är jämförbar med desinfektionen, vilket ger en säkerhetsindikation på att desinfektionen har slutförts, en välbehövlig funktion som saknas i andra POU-tekniker. Till en total kostnad av $0,002-0,003 per liter behandlat vatten är det billigare än kokande vatten i flera utvecklingsländer och är en ekonomiskt lönsam vattendesinfektionsteknik.

Erythrosine, även känd som FD&C Red No. 3 i USA, är godkänd av FDA för användning i livsmedel, läkemedel och kosmetika, med ett acceptabelt dagligt intag (ADI) på 2,5 mg/kg kroppsvikt/dag. Den koncentration som rekommenderas av litteraturen för desinfektion i dricksvatten är 5,0 µM erytrosin, eller cirka 4,4 mg/L. Med en genomsnittlig amerikan som konsumerar 2,38 L dricksvatten och drycker per dag, förväntas en daglig exponering på 10,5 mg erytrosin/dag. Om man antar att den totala vattenförbrukningen per dag i LMICs matchar den amerikanska konsumtionen på 2,38 L, skulle en individ på 60 kg uppleva en daglig erytrosindos på 0,17 mg/kg kroppsvikt/dag, långt under den fastställda FDA ADI.

Motivationen för att undersöka de mänskliga hälsoeffekterna av erytrosin härrör från det okända beteendet hos fotonedbrytningsprodukterna. Medan den molekylära strukturen för erytrosin kommer att förändras vid oxidation av singlettsyre, är de typiska reaktionerna av singlettsyre additionsreaktioner som vanligtvis inte leder till klyvning av molekylstrukturen. Som ett resultat förväntas det inte att absorptionshastigheterna för erytrosin kommer att förändras signifikant vid oxidativ fotoblekning. Dessa oxidativa produkter har dock inte testats tidigare för toxicitet och bör undersökas innan de tillåts att erytrosinbaserad vattendesinfektion utvecklas ytterligare. Nyligen genomförda tester har försökt karakterisera fotooxidationsprodukterna av erytrosin men var osäkra.

Vidare anger tidigare litteratur att ~19% av jod i erytrosinets molekylära struktur frisätts till lösningen efter exponering för ljus och oxidation av singlettsyre. Om de tidigare vattenbehandlingsparametrarna följs (5,0 µM erytrosin, 2,38 L vatten/dag, 60 kg individ), skulle den dagliga konsumtionen av jod som frigörs från erytrosin vara 1,1 mg I/dag. Den lägsta nivån för observerade biverkningar (LOAEL) och nivån för ingen observerad biverkning (NOAEL) för jod är 1,7 mg I/dag och 1,0-1,2 mg I/dag, vilket resulterar i den tolerabla övre intagsnivån (UL) på 1,1 mg I/dag. Om den litteraturrapporterade frisättningen av jod från erytrosin är korrekt, är exponeringen vid UL för jod. På grund av den dåliga absorptionen av erytrosin i mag-tarmkanalen förväntas det inte att jod som förblir bundet till erytrosin signifikant påverkar den totala jodkonsumtionen. Även om det inte förväntas att erytrosinbaserad vattenbehandling kommer att resultera i negativa resultat på grund av exponering för erytrosinfotoprodukter eller överexponering för jod, är det viktigt att följa ett försiktigt tillvägagångssätt och testa dess inverkan innan man tillåter vidareutveckling av en teknik som skulle konsumeras dagligen av individer i utvecklingsvärlden.