納米技術(shù)在食品科學(xué)中的應(yīng)用研究

王雅立+孫中琦+龐杰

摘 要：納米技術(shù)是當(dāng)今科學(xué)界最具前景的科學(xué)技術(shù)之一，目前已廣泛應(yīng)用于化工、材料、醫(yī)藥、食品以及能源等領(lǐng)域。該文概述了納米技術(shù)的國內(nèi)外相關(guān)政府計劃和發(fā)展政策，以及其在食品科學(xué)領(lǐng)域的基本應(yīng)用現(xiàn)狀，并對其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：納米技術(shù)；食品科學(xué)；應(yīng)用

中圖分類號 TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）10-20-03

Abstract：At present，nanotechnology is one of the most promising technologies in scientific，it has been widely used in chemical，material，medicine，food and energy fields. In this paper，the nanotechnology related policy of the government planning and development at home and abroad，its basic application status in the field of food science，and its development direction is prospected.

Key words：Nanotechnology；Food science；Application

1 引言

納米技術(shù)（nanotechnology），是用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，研究結(jié)構(gòu)在0.1～100nm范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用[1]。食品科學(xué)是應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)與工程知識來研究食品的物理、化學(xué)、生化性質(zhì)及食品加工原理的一門科學(xué)，包括：化學(xué)類（有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、食品化學(xué)、分析化學(xué)等）、生物學(xué)、食品科學(xué)、食品工程、微生物學(xué)等。由于納米結(jié)構(gòu)的集合為研發(fā)具有新功能的材料和產(chǎn)品提供了方法和思路[2]，納米技術(shù)手段或工具在食品的生產(chǎn)、加工或包裝過程中的應(yīng)用促進(jìn)了傳統(tǒng)食品科學(xué)領(lǐng)域“舊貌換新顏”，產(chǎn)生了納米食品。納米食品不僅是原子修飾食品或納米設(shè)備生產(chǎn)食品，還指用納米技術(shù)對食品進(jìn)行分子、原子的重新編程，重新編程時某些結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，從而能大大提高某些成分的吸收率，加快營養(yǎng)成分在體內(nèi)的運(yùn)輸，從而延長食品的保質(zhì)期等[3]。納米技術(shù)的發(fā)展觸及食品科學(xué)的每一個領(lǐng)域，并推動食品科學(xué)整體水平的提高。

2 國內(nèi)外相關(guān)政府計劃、發(fā)展政策與環(huán)境

納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)、食品領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。目前，全球范圍內(nèi)許多國家已經(jīng)開始大規(guī)模投資與之相關(guān)的研發(fā)工作，各國政府投入了大量資金。為了保持領(lǐng)先的創(chuàng)新能力，德國不斷增加創(chuàng)新投入，2009年，德國聯(lián)邦政府在納米技術(shù)領(lǐng)域的公共研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入為4.4億歐元。俄羅斯有發(fā)展納米技術(shù)的強(qiáng)烈愿望，正在實(shí)施世界上最龐大的納米創(chuàng)新計劃，2009年10月，俄總統(tǒng)梅德韋杰夫在莫斯科國際納米技術(shù)展覽會開幕式上表示，“俄羅斯將采取多種措施，大力發(fā)展納米技術(shù)，促使納米產(chǎn)業(yè)成為俄經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一”[4]。

在巨大的投入背后，各國納米技術(shù)研發(fā)的發(fā)展目標(biāo)有所不同，納米技術(shù)已成為食品和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的一個戰(zhàn)略平臺。美國農(nóng)業(yè)部將目標(biāo)集中在食品、農(nóng)業(yè)和生物安全性上，建立了納米傳感器的研究項目。英國食品標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將目標(biāo)集中在食品工業(yè)領(lǐng)域，尤其是食品包裝方面的研究。加拿大的關(guān)注點(diǎn)主要集中在食品納米科技研究，目的是開發(fā)可以被社會接受，具有附加值的納米知識和技術(shù)用于食品和食品加工中，增加其商業(yè)利益[5]。日本農(nóng)林漁業(yè)部（MAFF）實(shí)施了“生物功能的創(chuàng)新性利用—納米科技和材料的開發(fā)”計劃，重點(diǎn)研究納米食品和營養(yǎng)物。新西蘭的食品納米技術(shù)研究集中在新西蘭特色食品上，如深海魚油和奶制品中納米技術(shù)應(yīng)用的研究[6]。

我國的納米技術(shù)研究起步于20世紀(jì)80年代中后期，經(jīng)過超過20a的發(fā)展，目前已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步。據(jù)世界知名的納米技術(shù)研究咨詢公司Lux Research的研究報告數(shù)據(jù)，1995-2006年，中國在納米科學(xué)與工程領(lǐng)域共發(fā)表論文2.5萬多篇，僅位居美國之后，排世界第二[7]。為了更好的指導(dǎo)納米技術(shù)的發(fā)展，2001年3月，國家納米科學(xué)技術(shù)指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會成立并提出了《國家納米科技發(fā)展綱要（2001-2010）》，同年，科技部又發(fā)布了《國家納米科技發(fā)展框架指南》。2006年，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》把納米研究作為4個重大研究計劃之一[6]。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，納米技術(shù)發(fā)展迅速，作為高新技術(shù)其在食品科學(xué)領(lǐng)域中的研究應(yīng)用得到了日益廣泛的關(guān)注。納米技術(shù)在食品科學(xué)中的應(yīng)用包括：食品貯藏、包裝、食品安全檢測、功能性食品研發(fā)、納米食品添加劑的制備和營養(yǎng)成分及生物活性成分的智能供給系統(tǒng)等研究領(lǐng)域[8-9]。

3.1 納米技術(shù)在果蔬貯藏保鮮中的應(yīng)用 蔬菜和水果是我國居民膳食中食物構(gòu)成的主要組成部分，它們富含人體所必需的維生素、無機(jī)鹽和膳食纖維，含蛋白質(zhì)和脂肪很少。依靠先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，盡可能長時間地保持果蔬的天然品質(zhì)和特性是食品科學(xué)研究領(lǐng)域中一項重要的課題。目前，果蔬較為常用的貯藏保鮮技術(shù)包括：冷藏保鮮、臨界低溫保鮮、防腐保鮮劑保鮮、臭氧氣調(diào)保鮮、氣調(diào)保鮮等，但這些技術(shù)的應(yīng)用均受到場地和條件的限制無法普及。相比之下，納米材料具有抗菌殺毒、低透氧率、低透濕率、阻隔二氧化碳、吸收紫外線、自潔功效與良好的阻隔性及力學(xué)性能等優(yōu)良特性，其應(yīng)用也很方便。

將納米材料加入涂膜劑，可以有效地延長果蔬貯藏保鮮的周期。納米二氧化鈦、納米硅氧化物、銀系納米材料、殼聚糖/明膠/TiO2復(fù)合膜[10]等納米材料都已成功的應(yīng)用于果蔬的貯藏保鮮。陳麗等將TiO2納米材料應(yīng)用于PVC（聚氯乙烯）保鮮膜，結(jié)果表明，研制的富士蘋果PVC/TiO2納米保鮮膜抗拉強(qiáng)性高，相比同等未添加納米材料的保鮮膜，其斷襲縱向拉伸度提高約36%，橫向拉伸強(qiáng)度約提高11%，透氧率降低18%，且二氧化碳僅減少1.5%[11]。馬李一等試驗(yàn)表明，加入納米SiOx涂膜劑，水晶梨的失重率與腐爛率都顯著小于其它涂膜液（P<0.05）；與對照組相比，SiOx涂膜劑處理的果蔬含有較高的VC、有機(jī)酸及固形物含量，果實(shí)的亮度與色澤好，而且明顯地延長了果蔬貯藏期[12]。劉晶以常規(guī)低密度聚乙烯（LDPE）保鮮膜配方組分為載體，添加含銀系納米材料母粒，吹塑研制出粒徑40～70nm的納米防霉保鮮膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，已接種灰霉菌的PDA（馬鈴薯培養(yǎng)基），經(jīng)4%（W/W）銀系納米母粒浸提液浸泡的濾紙圓片處理于26～28℃恒溫培養(yǎng)條件下，其最大抑菌效率較對照提高1倍，含4%（W/W）銀系納米材料保鮮膜制品圓片的最大抑菌效率提高67.9%[13]。聞燕等用陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉（SDS）改性的納米TiO2，以不同摻雜比與2%殼聚糖醋酸溶液相混合，用流延法制得分散比較均勻的納米復(fù)合膜，結(jié)果表明，納米TiO2的適當(dāng)加入有利于提高膜的抗水性，當(dāng)納米TiO2的摻雜比為1%時，復(fù)合膜的濕態(tài)抗張強(qiáng)度和抗水性分別為27.25MPa和45.6%，相比殼聚糖膜，分別提高了40%和11.6%。明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30時，摻雜TiO2為0.01、0.02的復(fù)合膜較殼聚糖/明膠共混膜的濕強(qiáng)及干態(tài)韌性分別提高了55.9%、40.8%和49.7%、47.9%[14]。

3.2 納米技術(shù)在食品包裝中的應(yīng)用 食品包裝是食品商品的組成部分，其主要功能是起阻隔作用和緩沖作用，使容器內(nèi)成分不能穿透、逸漏，而外界的空氣、光線、水分、熱、異物、微生物等不能進(jìn)入容器與容器內(nèi)物質(zhì)接觸，使食品在運(yùn)輸、貯存過程中避免受到各種外力的振動、沖擊、擠壓、變形和破損[15]。

目前食品包裝中較多使用的是天然可食生物材料，如多糖類、蛋白質(zhì)類和脂類，但其特點(diǎn)各有不同。多糖類如淀粉、纖維等成本低，阻氧性好，但阻水性能差；蛋白膜可塑性、彈性和阻氧性良好，但阻水性差；脂類膜阻水性良好，但阻氧性和機(jī)械性能差。而納米材料能較好的解決上述問題。

當(dāng)前，國內(nèi)外研究的納米包裝材料主要是聚合物基納米復(fù)合材料（PNMC），已經(jīng)研發(fā)成功的包括：納米Ag/PE類、納米TiO2/PP類、納米蒙脫石粉/PA類等。這些材料被廣泛應(yīng)用于啤酒、飲料、果蔬、肉類、奶制品等的包裝。研究結(jié)果表明，相比于普通包裝材料，納米包裝材料在某些物理、化學(xué)、生物學(xué)性能上有大幅度提高，如可塑性、穩(wěn)定性、阻隔性、抗菌性、保鮮性等[16]。李冬梅等用納米包裝材料包裝醬牛肉，并測定其理化指標(biāo)、感觀和微生物指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，納米材料能有效抑制醬牛肉中細(xì)菌的生長繁殖，降低揮發(fā)性鹽基氮的產(chǎn)生，并延長了醬牛肉的保質(zhì)期，能很好的保存產(chǎn)品的色澤和風(fēng)味[17]。

3.3 納米技術(shù)在食品安全檢測中的應(yīng)用 食品安全的檢測是控制食品安全的重要環(huán)節(jié)。目前，食品安全檢測主要以大型儀器為主，包括液相色譜、氣象色譜、色譜-串聯(lián)質(zhì)譜等，雖然其檢測靈敏、結(jié)果可靠，但是成本較高、周期較長，因此迫切需要研發(fā)快速、準(zhǔn)確的篩選方法。目前快速發(fā)展的是電化學(xué)傳感器，納米材料可用于修飾電化學(xué)傳感器，使電極性能更加優(yōu)越，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)化合物的高靈敏度、高選擇性檢測，其在食品安全檢測方面有簡單、快速、易操作、費(fèi)用低、靈敏度高等諸多優(yōu)勢。

目前，常用于修飾傳感器的納米材料包括碳納米管、石墨烯和各種納米顆粒，這類納米電化學(xué)傳感器在化學(xué)殘留檢測中應(yīng)用良好。He等[18]采用基于碳納米管的免標(biāo)記免疫傳感器檢測克倫特羅，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)體系中克倫特羅的含量增加時，抗體與溶液中的克倫特羅結(jié)合導(dǎo)致[Fe（CN）6]3-/4-氧化還原電流低，此方法的檢測限可以達(dá)到0.32ng/mL。Ntsendwanal[19]選用石墨烯修飾的電極檢測雙酚A，檢測限達(dá)到46.89nmol/L。采用石墨烯和其他化合物結(jié)合修飾的電極進(jìn)行相同檢測，靈敏度更好。Wang等[20]采用殼聚糖-石墨烯修飾的離子液碳糊電極檢測雙酚A，檢測限可以達(dá)到26.4nmol/L。Fernández-Baldo等[21]利用磁性納米粒子與棕曲霉毒素A抗體結(jié)合修飾的玻碳電極對葡萄酒中的棕曲霉毒A進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其檢測限達(dá)到0.02μg/kg，大大優(yōu)于ELISA試劑盒的1.9μg/kg。

3.4 納米功能食品的開發(fā)應(yīng)用 近年來，隨著城市生活節(jié)奏的加快，亞健康人群不斷增多，對功能食品的需求不斷增大。但隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)功能成分的穩(wěn)定性、存在形式、使用方式對功能食品的實(shí)際效果有很大影響[22]。雖然功能成分可以添加到加工的食品中，但是很多功能成分水溶性差，對空氣、光照、溫度很敏感，從而影響功能食品的顏色、氣味和質(zhì)感，而且有些功能成分在腸胃道中的有限時間里，很難被人體吸收，起不到營養(yǎng)的功能。研究顯示，將粗顆粒物質(zhì)轉(zhuǎn)化成納米尺度分散后，可以有效提高其生物利用度和靶向性[23]。

日本首例納米食品β-聚糖是由日本味之素公司采用納米技術(shù)將β-聚糖制備成200nm以下的微粒，并結(jié)合卵磷脂穩(wěn)定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了β-聚糖從腸管派爾集合淋巴結(jié) （peyers patch）吸收的途徑，經(jīng)過安全性試驗(yàn)后上市銷售，年銷售額達(dá)2億日元。類胡蘿卜素是難溶于水的營養(yǎng)物，BASF公司將其納米化后，大大改善了水溶性，不僅保證了產(chǎn)品的顏色和穩(wěn)定性，而且納米?-胡蘿卜素更容易被人體吸收[24]，該納米類胡蘿卜素被用于生產(chǎn)檸檬水、果汁和人造黃油，取得了很好的經(jīng)濟(jì)價值。

4 展望

目前，納米技術(shù)在食品科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾，納米技術(shù)的研究和發(fā)展可以提高食品品質(zhì)、營養(yǎng)功能、安全性以及減少食品原材料的消耗，并全面促進(jìn)食品科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。但同時也存在一些問題，如：納米顆粒可能通過簡單擴(kuò)散或滲透經(jīng)肺血屏障和皮膚進(jìn)入人體內(nèi)，導(dǎo)致體內(nèi)一些激素的分泌紊亂和重要酶系活性喪失；可以使遺傳物質(zhì)突變，加速細(xì)胞老化，腫瘤發(fā)病率增高等；納米顆粒還可通過血腦屏障和血腦屏障，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、精子的生成和形態(tài)及精子活力產(chǎn)生不良影響等[25]。因此，納米理論、技術(shù)以及特殊功能的在食品中的作用機(jī)制還需要進(jìn)行更為深入的研究，下一步研究的重點(diǎn)包括：研發(fā)可食性天然的具有納米結(jié)構(gòu)的包裝材料，功能食品的納米輸送系統(tǒng)，食品和功能成分納米化后新功能和新特性的產(chǎn)生機(jī)理及其引起的可能潛在的安全問題，納米食品功能性成分頂層設(shè)計等?？梢灶A(yù)見的是，隨著研究的進(jìn)一步深入，納米技術(shù)必將引領(lǐng)食品科學(xué)并推動其高效、可持續(xù)性的創(chuàng)新發(fā)展。

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