纳米技术在食品科学中的应用研究

王雅立+孙中琦+庞杰

摘 要：纳米技术是当今科学界最具前景的科学技术之一，目前已广泛应用于化工、材料、医药、食品以及能源等领域。该文概述了纳米技术的国内外相关政府计划和发展政策，以及其在食品科学领域的基本应用现状，并对其发展方向进行了展望。

关键词：纳米技术；食品科学；应用

中图分类号 TB383 文献标识码 A 文章编号 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

纳米技术（nanotechnology），是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构在0.1～100nm范围内材料的性质和应用[1]。食品科学是应用基础科学与工程知识来研究食品的物理、化学、生化性质及食品加工原理的一门科学，包括：化学类（有机化学、生物化学、食品化学、分析化学等）、生物学、食品科学、食品工程、微生物学等。由于纳米结构的集合为研发具有新功能的材料和产品提供了方法和思路[2]，纳米技术手段或工具在食品的生产、加工或包装过程中的应用促进了传统食品科学领域“旧貌换新颜”，产生了纳米食品。纳米食品不仅是原子修饰食品或纳米设备生产食品，还指用纳米技术对食品进行分子、原子的重新编程，重新编程时某些结构会发生改变，从而能大大提高某些成分的吸收率，加快营养成分在体内的运输，从而延长食品的保质期等[3]。纳米技术的发展触及食品科学的每一个领域，并推动食品科学整体水平的提高。

2 国内外相关政府计划、发展政策与环境

纳米技术在农业、食品领域有着巨大的应用潜力。目前，全球范围内许多国家已经开始大规模投资与之相关的研发工作，各国政府投入了大量资金。为了保持领先的创新能力，德国不断增加创新投入，2009年，德国联邦政府在纳米技术领域的公共研发经费投入为4.4亿欧元。俄罗斯有发展纳米技术的强烈愿望，正在实施世界上最庞大的纳米创新计划，2009年10月，俄总统梅德韦杰夫在莫斯科国际纳米技术展览会开幕式上表示，“俄罗斯将采取多种措施，大力发展纳米技术，促使纳米产业成为俄经济的主导产业之一”[4]。

在巨大的投入背后，各国纳米技术研发的发展目标有所不同，纳米技术已成为食品和农业领域发展的一个战略平台。美国农业部将目标集中在食品、农业和生物安全性上，建立了纳米传感器的研究项目。英国食品标准机构将目标集中在食品工业领域，尤其是食品包装方面的研究。加拿大的关注点主要集中在食品纳米科技研究，目的是开发可以被社会接受，具有附加值的纳米知识和技术用于食品和食品加工中，增加其商业利益[5]。日本农林渔业部（MAFF）实施了“生物功能的创新性利用—纳米科技和材料的开发”计划，重点研究纳米食品和营养物。新西兰的食品纳米技术研究集中在新西兰特色食品上，如深海鱼油和奶制品中纳米技术应用的研究[6]。

我国的纳米技术研究起步于20世纪80年代中后期，经过超过20a的发展，目前已经取得了较大的进步。据世界知名的纳米技术研究咨询公司Lux Research的研究报告数据，1995-2006年，中国在纳米科学与工程领域共发表论文2.5万多篇，仅位居美国之后，排世界第二[7]。为了更好的指导纳米技术的发展，2001年3月，国家纳米科学技术指导协调委员会成立并提出了《国家纳米科技发展纲要（2001-2010）》，同年，科技部又发布了《国家纳米科技发展框架指南》。2006年，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》把纳米研究作为4个重大研究计划之一[6]。

3 应用现状

目前，纳米技术发展迅速，作为高新技术其在食品科学领域中的研究应用得到了日益广泛的关注。纳米技术在食品科学中的应用包括：食品贮藏、包装、食品安全检测、功能性食品研发、纳米食品添加剂的制备和营养成分及生物活性成分的智能供给系统等研究领域[8-9]。

3.1 纳米技术在果蔬贮藏保鲜中的应用 蔬菜和水果是我国居民膳食中食物构成的主要组成部分，它们富含人体所必需的维生素、无机盐和膳食纤维，含蛋白质和脂肪很少。依靠先进的科学技术，尽可能长时间地保持果蔬的天然品质和特性是食品科学研究领域中一项重要的课题。目前，果蔬较为常用的贮藏保鲜技术包括：冷藏保鲜、临界低温保鲜、防腐保鲜剂保鲜、臭氧气调保鲜、气调保鲜等，但这些技术的应用均受到场地和条件的限制无法普及。相比之下，纳米材料具有抗菌杀毒、低透氧率、低透湿率、阻隔二氧化碳、吸收紫外线、自洁功效与良好的阻隔性及力学性能等优良特性，其应用也很方便。

将纳米材料加入涂膜剂，可以有效地延长果蔬贮藏保鲜的周期。纳米二氧化钛、纳米硅氧化物、银系纳米材料、壳聚糖/明胶/TiO2复合膜[10]等纳米材料都已成功的应用于果蔬的贮藏保鲜。陈丽等将TiO2纳米材料应用于PVC（聚氯乙烯）保鲜膜，结果表明，研制的富士苹果PVC/TiO2纳米保鲜膜抗拉强性高，相比同等未添加纳米材料的保鲜膜，其断袭纵向拉伸度提高约36%，横向拉伸强度约提高11%，透氧率降低18%，且二氧化碳仅减少1.5%[11]。马李一等试验表明，加入纳米SiOx涂膜剂，水晶梨的失重率与腐烂率都显著小于其它涂膜液（P<0.05）；与对照组相比，SiOx涂膜剂处理的果蔬含有较高的VC、有机酸及固形物含量，果实的亮度与色泽好，而且明显地延长了果蔬贮藏期[12]。刘晶以常规低密度聚乙烯（LDPE）保鲜膜配方组分为载体，添加含银系纳米材料母粒，吹塑研制出粒径40～70nm的纳米防霉保鲜膜。实验结果表明，已接种灰霉菌的PDA（马铃薯培养基），经4%（W/W）银系纳米母粒浸提液浸泡的滤纸圆片处理于26～28℃恒温培养条件下，其最大抑菌效率较对照提高1倍，含4%（W/W）银系纳米材料保鲜膜制品圆片的最大抑菌效率提高67.9%[13]。闻燕等用阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠（SDS）改性的纳米TiO2，以不同掺杂比与2%壳聚糖醋酸溶液相混合，用流延法制得分散比较均匀的纳米复合膜，结果表明，纳米TiO2的适当加入有利于提高膜的抗水性，当纳米TiO2的掺杂比为1%时，复合膜的湿态抗张强度和抗水性分别为27.25MPa和45.6%，相比壳聚糖膜，分别提高了40%和11.6%。明胶质量分数为0.30时，掺杂TiO2为0.01、0.02的复合膜较壳聚糖/明胶共混膜的湿强及干态韧性分别提高了55.9%、40.8%和49.7%、47.9%[14]。

3.2 纳米技术在食品包装中的应用 食品包装是食品商品的组成部分，其主要功能是起阻隔作用和缓冲作用，使容器内成分不能穿透、逸漏，而外界的空气、光线、水分、热、异物、微生物等不能进入容器与容器内物质接触，使食品在运输、贮存过程中避免受到各种外力的振动、冲击、挤压、变形和破损[15]。

目前食品包装中较多使用的是天然可食生物材料，如多糖类、蛋白质类和脂类，但其特点各有不同。多糖类如淀粉、纤维等成本低，阻氧性好，但阻水性能差；蛋白膜可塑性、弹性和阻氧性良好，但阻水性差；脂类膜阻水性良好，但阻氧性和机械性能差。而纳米材料能较好的解决上述问题。

当前，国内外研究的纳米包装材料主要是聚合物基纳米复合材料（PNMC），已经研发成功的包括：纳米Ag/PE类、纳米TiO2/PP类、纳米蒙脱石粉/PA类等。这些材料被广泛应用于啤酒、饮料、果蔬、肉类、奶制品等的包装。研究结果表明，相比于普通包装材料，纳米包装材料在某些物理、化学、生物学性能上有大幅度提高，如可塑性、稳定性、阻隔性、抗菌性、保鲜性等[16]。李冬梅等用纳米包装材料包装酱牛肉，并测定其理化指标、感观和微生物指标进行分析，结果表明，纳米材料能有效抑制酱牛肉中细菌的生长繁殖，降低挥发性盐基氮的产生，并延长了酱牛肉的保质期，能很好的保存产品的色泽和风味[17]。

3.3 纳米技术在食品安全检测中的应用 食品安全的检测是控制食品安全的重要环节。目前，食品安全检测主要以大型仪器为主，包括液相色谱、气象色谱、色谱-串联质谱等，虽然其检测灵敏、结果可靠，但是成本较高、周期较长，因此迫切需要研发快速、准确的筛选方法。目前快速发展的是电化学传感器，纳米材料可用于修饰电化学传感器，使电极性能更加优越，从而实现对目标化合物的高灵敏度、高选择性检测，其在食品安全检测方面有简单、快速、易操作、费用低、灵敏度高等诸多优势。

目前，常用于修饰传感器的纳米材料包括碳纳米管、石墨烯和各种纳米颗粒，这类纳米电化学传感器在化学残留检测中应用良好。He等[18]采用基于碳纳米管的免标记免疫传感器检测克伦特罗，实验结果表明，当体系中克伦特罗的含量增加时，抗体与溶液中的克伦特罗结合导致[Fe（CN）6]3-/4-氧化还原电流低，此方法的检测限可以达到0.32ng/mL。Ntsendwanal[19]选用石墨烯修饰的电极检测双酚A，检测限达到46.89nmol/L。采用石墨烯和其他化合物结合修饰的电极进行相同检测，灵敏度更好。Wang等[20]采用壳聚糖-石墨烯修饰的离子液碳糊电极检测双酚A，检测限可以达到26.4nmol/L。Fernández-Baldo等[21]利用磁性纳米粒子与棕曲霉毒素A抗体结合修饰的玻碳电极对葡萄酒中的棕曲霉毒A进行检测，实验结果表明，其检测限达到0.02μg/kg，大大优于ELISA试剂盒的1.9μg/kg。

3.4 纳米功能食品的开发应用 近年来，随着城市生活节奏的加快，亚健康人群不断增多，对功能食品的需求不断增大。但随着研究的深入，发现功能成分的稳定性、存在形式、使用方式对功能食品的实际效果有很大影响[22]。虽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，对空气、光照、温度很敏感，从而影响功能食品的颜色、气味和质感，而且有些功能成分在肠胃道中的有限时间里，很难被人体吸收，起不到营养的功能。研究显示，将粗颗粒物质转化成纳米尺度分散后，可以有效提高其生物利用度和靶向性[23]。

日本首例纳米食品β-聚糖是由日本味之素公司采用纳米技术将β-聚糖制备成200nm以下的微粒，并结合卵磷脂稳定技术，实现了β-聚糖从肠管派尔集合淋巴结 （peyers patch）吸收的途径，经过安全性试验后上市销售，年销售额达2亿日元。类胡萝卜素是难溶于水的营养物，BASF公司将其纳米化后，大大改善了水溶性，不仅保证了产品的颜色和稳定性，而且纳米?-胡萝卜素更容易被人体吸收[24]，该纳米类胡萝卜素被用于生产柠檬水、果汁和人造黄油，取得了很好的经济价值。

4 展望

目前，纳米技术在食品科学领域的应用方兴未艾，纳米技术的研究和发展可以提高食品品质、营养功能、安全性以及减少食品原材料的消耗，并全面促进食品科学领域的发展。但同时也存在一些问题，如：纳米颗粒可能通过简单扩散或渗透经肺血屏障和皮肤进入人体内，导致体内一些激素的分泌紊乱和重要酶系活性丧失；可以使遗传物质突变，加速细胞老化，肿瘤发病率增高等；纳米颗粒还可通过血脑屏障和血脑屏障，对中枢神经系统、精子的生成和形态及精子活力产生不良影响等[25]。因此，纳米理论、技术以及特殊功能的在食品中的作用机制还需要进行更为深入的研究，下一步研究的重点包括：研发可食性天然的具有纳米结构的包装材料，功能食品的纳米输送系统，食品和功能成分纳米化后新功能和新特性的产生机理及其引起的可能潜在的安全问题，纳米食品功能性成分顶层设计等。可以预见的是，随着研究的进一步深入，纳米技术必将引领食品科学并推动其高效、可持续性的创新发展。

参考文献

[1]UNESCO. The Ethics and Politics of Nanotechnology[R].2006，5.

[2]FESTER S，KONRAD M. From self organising polymers to nano and biomaterials[J].Journal of Materials Chemistry，2003，13：2 671-2 688.

[3]关荣发，钱博，叶兴乾，等.纳米技术在食品科学中的最新研究[J].食品科学，2006，27（2）：270-273.

[4]曹健林.国际科学技术发展报告2010[M].北京：科学出版社，2010.

[5]纳米技术在食品中的应用和安全性问题[EB/DL].[2008-09-09].http：//news.sciencenet.cn/html/showxwnewsl.aspx？id=210841.

[6]陈洪，赵元弟，魏芳，等.新型纳米脂质功能食品研究进展[J].中国农业科技导报，2011，13（5）：64-72.

[7]Scrims G，Lyons K.The emerging nano-corporate paradigm：nanoteclmology and the transformation of nature，food and agrifood systems[J].lnt.J.Sociol.Food Agri.，2007，15（2）：22-44.

[8]张辉，翁佩芳，单朋君，等.食品纳米材料的研究进展[J].食品工业科技，2010，7：418-421.

[9]何强，吕远平.纳米技术与纳米食品[J].食品工业科技，2008，29 （4）：296-298.

[10]董战峰，杜予民，樊李红，等.壳聚糖/明胶/TiO2三元复合膜的制备与功能特[J].功能高分子学报，2004，17（1）：61-66.

[11]陈丽，李喜宏，胡云峰，等.富士苹果PVC/TiO2纳米保鲜膜研究[J].食品工业，2001，22（7）：74-76.

[12]马李一.漂白紫胶水果保鲜剂的研制与应用研究[D].北京：北京林业大学，2004.

[13]刘晶.壳聚糖纳米复合涂膜的研究[D].贵阳：贵州大学，2007.

[14]闻燕，杜予民，李湛.壳聚糖/纳米TiO2复合膜的制备和性能[J].武汉大学学报，2002，48（6）：701-704.

[15]刘浩，赵笑虹.食品包装材料安全性分析[J].中国食物与营养，2009（5）：11-14.

[16]黄媛媛，王林，胡秋辉.纳米包装在食品保鲜中的应用及其安全性评价[J].食品科学，2005（8）：442-445.

[17]李冬梅.食品纳米包装材料的制备及对食品保鲜作用的研究[D].南京：南京农业大学，2008.

[18]He P，Wang Z，Zhang L，et al. Development of a label-free electrochemical immunosensor based on carbon nanotube for rapiddetermination of clenbuterol[J].Food Chem，2009，112：707-714.

[19]Ntsendwana1 B，Mamba1 BB，Sampath S，et al. Electrochemical detection of bisphenol A using graphene-modified glassy carbon electrode[J].Int J Electrochem Sci，2012，7：3 501-3 512.

[20]Wang Q，Wang Y，Liu S，et al.Voltammetric detection of bisphenol a by a chitosan-graphene composite modified carbon ionic liquid electrode[J].Thin Solid Films，2012，520：4 459-4 464.

[21]Fernández-Baldo MA，Bertolino FA，Messina GA，et al. Modified magnetic nanoparticles in an electrochemical method for the ochratoxin A determination in Vitis vinifera red grapes tissues[J].Talanta，2010，83：651-657.

[22]刘彩云，周围，毕阳，等.纳米技术在食品工业中的应用[J].食品工业科技，2005，4：68-72.

[23]孙炳新，马涛.国外纳米技术在食品工业中的应用研究进展[J].食品研究与开发，2008，29（09）：52-57.

[24]中野荣子.令人期待的食品纳米技术[J].生物产业技术，2009，1：32-35.

[25]孙晓宁，孙康宁，朱广楠.纳米颗粒材料的毒性研究与安全性展望[J].材料导报，2006，20（5）：5-7. （责编：张宏民）