纳米颗粒在食品领域中应用安全性及其风险的研究进展

李小林 邱 璐 李 健 郭红卫

(1.上海出入境检验检疫局 上海 200135;2.复旦大学公共卫生学院)

1 前言

纳米食品指在生产、加工或包装过程中采用纳米技术手段或工具的食品［1］，即在纳米水平用科学、工程技术等手段改变食品及相关产品的质量、结构、质地等，包括改变食品的性状或特性，从而改善食品口味和营养，增加食品生物利用度，改进传输方式，增强食品包装，延长食品上架期等［2］。目前的纳米食品主要包括纳米化食品营养成分、纳米食品添加剂、纳米胶囊、纳米乳化、食品包装材料以及细菌识别、纳米感受器等［1－3］。市场上已出现的纳米食品如纳米茶、纳米清除剂、纳米营养素、纳米维生素等;纳米食品添加剂如纳米氧化锌、纳米二氧化硅、抗粘结剂纳米铝－硅等;纳米传导系统如纳米胶囊;食品包装材料如纳米二氧化硅、纳米锌光催化剂、纳米二氧化钛、纳米氧化镁、纳米氧化铜等。

根据iRAP(Innovative Research and Products)公司报告，2008年全球应用纳米技术的食品和饮料包装约为4.13亿美元，预计2014年能达到7.3亿美元，并保持每年11.65%的增长率［4］。目前从事纳米食品生产和研究的公司超过200家，包括Heinz、Nestle、Unilever、Kraft等知名公司，保守计算已有超过200多种纳米食品上市，并且呈快速发展的趋势［5］。根据 Helmut Kaiser Consultancy报道，亚洲(主要是中国)将是纳米食品未来最大的市场［6］。

但是，纳米食品引起的健康风险仍存在较大争议，而且随着纳米技术的快速发展，与其相关的健康和安全、管理和社会问题已引起许多国家和国际组织的关注。由于食品中添加纳米化成分颗粒是纳米食品的重要表现形式之一，而纳米颗粒可能对人体健康产生危害，因此，本文主要对纳米颗粒在食品领域应用的安全性极其风险的研究进展做一综述。

2 纳米颗粒的安全性

食品领域应用纳米颗粒可能产生的安全性问题如下:一方面，食品中纳米颗粒能够通过人体的生物屏障，生物利用度增加，其在体内蓄积可能产生多种风险;另一方面，物质经过纳米化处理，由于小尺寸效应、量子效应等影响，其比表面积增大，表面结合能和化学效应显著增加，其产生的生物效应会得到放大［7］。

2.1 代谢动力学

纳米颗粒的特性(如大小尺度、表面电荷、功能性成分等)能够影响纳米颗粒的吸收、代谢、分布和排泄［8］，但是纳米颗粒的理化性质与其在体内分布的关系尚不清楚。有研究表明，纳米颗粒能够减少对消化道的影响，显著延长其在消化道的停留时间，增加反应表面积，通过毛细管渗透进入组织器官，从而使得化合物在机体内充分转运和吸收［9］。

2.1.1 消化道吸收

纳米颗粒被消化道吸收的过程与其被吸附和转运有关，粘液层被认为是纳米颗粒进入人体的第一屏障，消化道上皮是第二屏障，而且小颗粒能够比大颗粒更容易快速扩散通过。研究表明，消化道吸收纳米颗粒的途径之一是上皮细胞允许大分子蛋白和多肽进入，纳米颗粒借助特异的高分子材料也可通过此途径进入;另一途径是跨细胞途径，即上皮细胞通过胞吞作用吸收纳米颗粒，转运至Peyer’s集合淋巴小结滤泡的微皱褶细胞(M细胞)和/或消化道细胞，从而在消化道上皮的基底外侧释放。纳米颗粒的大小、表面电荷、与受体体结合或包被的活性能够影响消化道的跨细胞吸收［10］。

2.1.2 分布、代谢和排泄

纳米胶囊或纳米颗粒通过胃肠道进入血循环，与血液成分如血浆蛋白、凝血因子、血小板、红细胞和白细胞反应，这些反应与纳米颗粒的表面化学性有关［11］，对于纳米颗粒的分布和排泄起着重要的作用。纳米颗粒能够在体内广泛分布，且小颗粒的分布比大颗粒更广泛。细胞屏障如细胞膜不能构成纳米颗粒的障碍，其可穿过生物膜进入细胞、组织和器官［12］，在脑、心、肝、肾、脾、骨髓、神经系统、血液等中蓄积［13，14］;血脑屏障能够限制颗粒物质进入脑部，而具有亲脂性、主动转运小可溶性分子(＜500Da)的纳米颗粒则能够通过血脑屏障［15］。纳米胶囊能够增加内含成分的生物利用度，防止携带的成分被肝代谢后经胆管排泄，如大鼠经静脉给予聚苯乙烯纳米颗粒通过肝脏吸收后经胆汁排泄。纳米颗粒的胆汁排泄与颗粒大小有关，小颗粒物质(50nm)既可经Kupffer细胞吞噬也可经肝细胞吸收，而大颗粒(500nm)主要由非实质细胞如Kupffer细胞和内皮细胞吸收［16］。

2.2 细胞毒性

纳米材料能够通过细胞膜，引起DNA损伤，干扰细胞活性和生长，产生炎症蛋白，破坏线粒体主要结构，甚至导致细胞死亡。纳米颗粒的大小是其毒性的关键因素，而其他因素如化学组成、表面电荷、表面结构、聚集性和可溶性等也是其毒性的重要因素［17］。

2.3 急性毒性

对不同纳米颗粒如纳米铜、纳米硒、纳米锌、纳米氧化锌和纳米二氧化钛等急性毒性试验研究表明，高剂量纳米颗粒能够引起急性毒性，其毒性大小取决于纳米颗粒的大小、表面包被成分及化学组成有关［18］。25nm和80nm二氧化钛经口灌胃5 g/kg能够引起小鼠肝损伤，纳米颗粒蓄积于肝DNA，引起小鼠肝脏病理变化和肝细胞凋亡，产生急性肝毒性以及炎症反应，其肝损伤效应明显强于常规二氧化钛颗粒(155nm)。

2.4 长期毒性

目前很少有关于纳米颗粒慢性或急性低剂量暴露的资料。有研究表明，长期暴露纳米颗粒能够引起不同系统的毒性，包括神经系统、免疫系统、生殖系统和心血管系统等。对免疫的影响包括氧化应激和/或引起肺、肝、心、脑前炎症细胞因子的活化;对心血管系统的影响包括促血栓形成效应、心脏功能性损伤(如急性心肌梗塞)和对心率的影响。另外，纳米颗粒还可能引起遗传毒性，具有致癌性和致畸作用。

2.4.1 神经毒性

血脑屏障是分离血液与脑脊液的特殊系统，主要由内皮细胞通过紧密连接组成，阻止大分子或亲水性的物质进入大脑，保护大脑免受外来化学物的伤害。通常，大多数分子不能通过血脑屏障，但多种代谢动力学研究表明，纳米颗粒能够穿过血脑屏障［19］。进入体内的纳米二氧化钛、氧化锰、银等纳米颗粒能够引起大脑损伤，而动物试验也表明，在大脑皮质层和小脑中能够检测到氧化锰、二氧化硅等纳米颗粒。

2.4.2 生殖毒性

有研究表明，出生前暴露纳米二氧化钛颗粒能够引起小鼠额前皮质和新纹状体多巴胺水平升高，从而可能影响子代中央多巴胺能系统的发育。纳米二氧化硅(10nm和30nm)在100 ug/mL浓度下能够引起小鼠胚胎干细胞的分化、心肌细胞收缩，其效应与剂量呈一定关系，而80nm和400nm二氧化硅在最高浓度均不引起胚胎毒性。影响干细胞分化的剂量低于对细胞毒性的剂量表明纳米颗粒对干细胞分化具有特定的影响［20］。Hougaard等发现，二氧化钛(21nm)消化道暴露能够引起子代中度的神经行为改变，但认知功能未受影响［21］，因此，尚不能排除纳米颗粒通过胎盘引起胚胎生殖毒性。

2.4.3 遗传毒性

纳米颗粒能够通过吸入、经口或皮肤等途径进入人体，然后通过被动扩散、受体介导的胞吞作用以及网格蛋白等途径进入细胞，进而进入细胞核，再经过直接或间接的机制引起DNA损伤。纳米颗粒能够不受细胞膜限制，直接进入细胞核和DNA，但是其结合作用机制尚不清楚。研究表明，纳米氧化锌颗粒对HepG2细胞暴露6h能够引起细胞内氧自由基产生，氧化应激介导产生DNA损伤，表面包被活性是纳米颗粒引起遗传毒性的重要因素［22］。体内试验表明，20－160nm纳米二氧化钛500 mg/kg经饮用水给药，能够引起小鼠8－OHdG和γH2AX焦点增加，并引起DNA双链断裂、DNA缺失等［23］。

2.4.4 免疫毒性

多种纳米颗粒通过与网织红细胞－内皮细胞反应释放氧自由基，引起氧化应激反应，进而引起炎症［24］，而氧化应激和炎症反应能够直接或间接地引起免疫毒性，如纳米二氧化钛引起巨噬细胞的凋亡和坏死。研究表明，4nm和100nm纳米金颗粒在4.26 mg/kg剂量下均能够对BALB/C小鼠引起中度免疫反应，导致细胞凋亡和肝急性炎症，并在肝Kupffer细胞和脾巨噬细胞中蓄积［25］。二氧化硅颗粒(12 nm)引起血液中IL－1β和TNF－α水平升高，腹膜巨噬细胞释放氧化亚氮，促进IL－1、IL－6、TNF－ α、iNOS和 COX －2 mRNA 的表达［26］。

3 纳米颗粒在食品领域应用的风险

3.1 相关研究现状

许多国际机构、组织和政府纷纷关注于食品和环境中纳米颗粒的转运以及健康效应［27］，欧盟、美国均针对纳米食品发布相关法规文件，要求对纳米食品的风险进行评估和研究。DEKKERS等对食品中纳米食品添加剂二氧化硅的风险研究表明，食品添加剂二氧化硅E551可能对人体健康产生风险，而对其风险评估受到食品中纳米二氧化硅的暴露剂量、代谢动力学信息以及纳米二氧化硅的毒性等方面信息的制约［28］。Qasim Chaudhry等认为尽管纳米技术在全球食品领域应用只在小规模和技术发展阶段，但对纳米材料的特性、性质和效应存在知识空白，对纳米材料的使用，特别是不溶性、生物持久性的纳米颗粒在应用于食品必须关注其对环境和消费者健康的安全性［2］。纳米食品的毒理学、毒物代谢动力学、迁移和暴露评估必须依赖对食品中纳米颗粒检测方法以及对复杂食品基质中纳米颗粒的鉴定，而当前在这些方面均存在空白，使得对纳米食品的消费风险评估出现困难，从而阻碍了纳米颗粒应用风险评估的发展。

3.2 应用风险

纳米颗粒在食品领域应用的风险可以通过以下几方面来评估。

3.2.1 理化性质

通常对化学物的定性较为直观，而在复杂基质中鉴定纳米材料则较为复杂。不同功能的纳米颗粒如颗粒大小、大小分布、潜在聚集、表面电荷等在不同生物基质中可能不同，取决于基质中的化合物和热动力学条件，而食品基质中的纳米颗粒也可能随着食品加工过程而出现变化。

3.2.2 剂量

纳米颗粒的大小尺度、总表面积、颗粒数目以及其他特性均能够影响纳米颗粒的毒性。毒理学试验需要多个剂量参数进行分析，从而确定因果关系，并使之有足够的可信度，从而对食品中纳米颗粒毒性进行完全鉴定。

3.2.3 暴露评估

对纳米材料的暴露评估与传统化学物评估相同，但应考虑特定食品的抽样、复合样品的变异、不同样品含量的差异和消费资料与传统化学物暴露评估可能不同。应该综合食品消费量和食品中纳米颗粒或化学物含量的信息进行暴露评估。

3.2.4 毒物代谢动力学

纳米颗粒的特性能够影响纳米颗粒的吸收、分布、代谢和排泄(ADME)。ADME的信息对于纳米颗粒的体内分布、靶器官、毒性评价均有重要作用。

3.2.5 纳米颗粒的安全性

纳米颗粒比大颗粒更具有化学反应性以及更容易进入人体等特点，纳米材料也很容易附着于身体或器官表面，这些因素以及小体积使得纳米颗粒更容易为细胞和组织所吸收，从而影响人体健康。

3.3 使用建议

对纳米颗粒的危害鉴定需要建立健康指导值如每日可接受摄入量或容许摄入量，这需要动物毒理学研究的资料，其关键效应的无可见有害作用水平(NOAEL)或基准剂量形成风险评估的起始点。指导值应特别考虑在纳米传导系统的生物活性物质(或纳米尺度生物活性物质)其生物利用率增加。

4 结语

当前，纳米技术在食品领域得到应用，然而对纳米食品的研究仍然存在知识真空，还有许多需要考虑和解决的问题。国际上纳米产品已经上市，并且具有快速增长的趋势，对纳米食品的监管和风险评估刻不容缓。同发达国家相比，我国在纳米技术、产品加工能力、质量控制、安全性评估等方面均处于劣势，这可能使我国在国际贸易中遇到等价值、有效调控措施以及技术贸易障碍等问题。更为严重的是，由于我们缺乏对纳米食品安全性的有效评估和监管控制系统，我国可能成为纳米食品更为开放的市场。因此，当前需要对纳米食品的安全性、食品标签、检测标准等方面进行研究，增强公众认识纳米食品的认知，从科学研究、立法以及公众的角度研究纳米食品的安全性，避免纳米食品成为转基因食品的另一恐慌，从而更有效地促进纳米技术的发展。

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