食物基质和胃肠道对经口暴露纳米颗粒物理化学性质和生物效应的影响

徐 斐，姜 昆，黎 燕，曹 慧，袁 敏，叶 泰，于劲松，阴凤琴，吴秀秀，郝丽玲

（上海理工大学 医疗器械与食品学院/上海食品快速检测工程技术研究中心，上海 200093）

近年来，纳米技术是发展最快的科学技术之一，其通常涉及纳米颗粒（NPs，<100 nm）的开发、表征和应用[1]。随着纳米技术的发展，越来越多具有特殊物理化学性质（如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面与界面效应以及宏观量子隧道效应等）的纳米颗粒存在于食品及食品相关产品中[2]。食品中存在的纳米颗粒按其组成可分为无机纳米颗粒和有机纳米颗粒[3]。食品中的纳米颗粒有着不同的潜在来源，主要暴露途径如图1所示[4]。1）纳米颗粒天然存在于食物本身，如牛奶中的酪蛋白胶束；2）纳米颗粒在食品生产加工过程中（均质、研磨、烹饪等）产生；3）食品包装材料、周围环境等无意引入纳米颗粒至食品；4）纳米颗粒经设计、生产并有意添加至食品中，即工程性纳米颗粒（ENPs），其化学组成、尺寸、形貌、晶体结构和界面性质是针对不同食品特殊制备并添加的以改善食品质量、货架期、安全性、成本、口感、营养吸收和视觉呈现等[2]。如二氧化钛纳米颗粒作为食品添加剂广泛存在于各种食品中，如口香糖、糖果、布丁、奶酪、酱汁、脱脂牛奶、冰淇淋、糕点、调味品和一些粉末食品等，以提高食品的色泽、亮度和风味[5-6]；二氧化硅纳米颗粒常作为抗结剂存在于粉末食品中，如盐、糖、香料和奶粉等，以防止粉末结块[7]；银纳米颗粒因具有广谱抗菌性常用于食品包装材料和食物容器等[8]。因此，纳米颗粒在食品中的广泛存在使得其经口暴露人体的可能性大大增加。

近年来，科学界和公众日益关注经口暴露纳米颗粒安全性。大量体内外研究表明，具有独特物理化学性质的纳米颗粒可能对人体健康造成不良影响[9-13]，但更多的研究集中在纳米颗粒本身，忽视了现实生活中纳米颗粒存在的周围环境。经口摄入前，纳米颗粒分散在组成、结构和性质差异较大的各种食物基质中。经口摄入后，纳米颗粒在被吸收或表现出毒性作用之前，将通过人体复杂胃肠道的各个区域（口腔、食道、胃、小肠和大肠等）。有限研究表明，由于纳米颗粒的高反应性，其可能与食物基质和胃肠道液相互作用，从而影响纳米颗粒物理化学性质。因此，经口暴露纳米颗粒毒性研究中考虑食物基质效应与胃肠道效应对准确评估纳米颗粒安全性有着重要的意义。结合最新的研究，作者综述了食品中最常见的5种无机纳米颗粒与食物基质和胃肠道相互作用对纳米颗粒物理化学性质和毒性的影响，为准确评估纳米颗粒安全性提供参考。

图1 食品中纳米颗粒主要暴露途径[4]Fig.1 Main exposure pathway of nanoparticles in food

1 纳米二氧化钛

二氧化钛（TiO2）作为一种常用的食品添加剂被广泛应用于糖果、布丁、奶酪、酱汁、牛奶、冰淇淋、糕点、调味品等各种食品中，以提高食品的亮度和风味[5]。据报道，食品级TiO2（E171）颗粒平均直径约110 nm，其中部分颗粒直径小于100 nm。美国食品药品监督管理局声称，食品级TiO2（E171）是一种惰性的安全材料，其添加量不得超过食品总质量的1%。欧盟对食品级TiO2（E171）在食品中的最高添加量并无限制规定，不高于所需水平即可[6]。但由于口服毒性数据的不足，2020年，法国禁止存在TiO2-NPs的食品添加剂E171的使用，直至其安全性得到临床验证[14]。在英国和美国，TiO2-NPs的膳食摄入量（以体质量计）分别高达1.1、2.2 mg/（kg·d）[15]。咀嚼一块口香糖就可摄入1.5~5.1 mg的TiO2-NPs[16]。值得注意的是，儿童摄入TiO2-NPs的量是成人摄入量的2~4倍，可能由于儿童较多的摄入TiO2-NPs含量较高的食品，如糖果和饮料等[2]。由此可见，人类经口摄入TiO2-NPs的可能性大大增加，这引起了人们对其潜在毒性的关注。

近年来，人们对经口暴露TiO2-NPs的生物效应进行了广泛的研究。TiO2-NPs可能被肠上皮细胞吸收并诱导一定的细胞毒性[17]。口服摄入的TiO2-NPs可能穿过肠壁，经血液循环转运至各器官或组织。更多的研究观察到TiO2-NPs在肝脏中的积累诱导氧化应激引起炎症反应和肝功能障碍[14]。肾脏也是口服摄入TiO2-NPs的重要靶器官。相反的结果也有报道。因此，TiO2-NPs毒性作用尚未完全确定。

由于TiO2-NPs具有表面自由能高、比表面积大且亲和力强等特性，存在于食物基质中的TiO2-NPs可能与周围食物组分相互作用导致TiO2-NPs物理化学性质的改变。白蛋白通过吸附在TiO2-NPs表面降低了TiO2-NPs动力学尺寸和多分散指数（PDI），最终导致TiO2-NPs胶体稳定性增加和TiO2-NPs胃肠道吸收增加[18]。然而，葡萄糖、砷（As）和汞（Hg）通过吸附在TiO2-NPs表面降低了TiO2-NPs之间静电斥力最终导致TiO2-NPs明显团聚[18-20]。食物基质的存在通常不会改变TiO2-NPs晶体结构。食物基质和胃肠道对TiO2-NPs生物效应的研究极其有限。相对于无毒性的TiO2-NPs，TiO2-NPs与As/Cd联合暴露均可诱导细胞产生明显的细胞毒性，主要依赖于ROS增加[20-21]。Zhang等将以美国典型膳食为基础开发的标准化食物模型与TiO2-NPs结合，经体外模拟胃肠液后暴露于模拟肠单层（Caco-2、HT29-MAX和RajiB），结果发现食物基质的存在使得TiO2-NPs诱导的细胞毒性降低了5倍左右[22]。相比于TiO2-NPs单独暴露，TiO2-NPs与葡萄糖的联合口服暴露可能诱导大鼠产生更明显的毒性效应，主要依赖于TiO2-NPs与葡萄糖的相互作用[23]。综上所述，食物基质、胃肠道与TiO2-NPs的相互作用可能会不同程度改变TiO2-NPs物理化学性质和生物效应。

2 纳米二氧化硅

二氧化硅（SiO2）作为一种食品添加剂广泛应用于食品工业。如SiO2常用作抗结剂以提高粉体流动性，从而防止食品粉体结块；SiO2可用作糊状物的增稠剂或香料的载体；SiO2也可用在啤酒和葡萄酒中以澄清饮料和控制泡沫[24-25]。美国食品药品监督管理局规定，食品添加剂SiO2（E551）的用量可达食品质量的2%。欧盟规定，E551添加量的最高水平应在粉体食品质量的1%以下[7，26]。随着纳米技术和生产工艺的发展，SiO2-NPs广泛存在于商业食品中，如食盐、糖、香料、奶粉、咖啡、维生素和粉末混合物等，其粒径在50~200 nm，质量分数<0.1~1.0 mg/g[27-29]。在含有合成的无定形SiO2食品中，SiO2-NPs的含量高达43%。SiO2的膳食摄入量（以体质量计）约为9.4 mg/（kg·d），其中1.8 mg/（kg·d）是SiO2-NPs。由此可见，人类经口摄入SiO2-NPs的可能性大大增加，这引起了人们对其潜在毒性的关注。

近年来，人们对经口暴露SiO2-NPs的生物效应进行了广泛的研究。结果表明，SiO2-NPs可能诱导肠细胞毒性，且影响人体肠道微生物群[11，30]。另外，经口暴露的SiO2-NPs可以经胃肠道吸收进入血液循环，并在肝、肾、肺和脾等器官中积累，导致健康风险，SiO2-NPs也可能干扰口服耐受性，引起食物过敏[29，31-32]。相反的研究结果同样被报道。因此，SiO2-NPs毒性作用尚未完全确定[25]。

由于SiO2-NPs具有表面自由能高、比表面积大且亲和力强等特性，存在于食物基质中的SiO2-NPs可能与周围食物组分相互作用导致SiO2-NPs物理化学性质改变。研究表明，糖、蛋白质和矿物质可以作为SiO2-NPs的分散剂，但SiO2-NPs与食物基质的相互作用总体较弱，仅有质量分数4.6%糖、1.7%脂肪酸、1.6%矿物质和更少的蛋白质可吸附于SiO2-NPs表面[33]。值得注意的是，微量元素的存在一定程度影响SiO2-NPs与食物基质的相互作用。Yu等发现咖啡乳、奶茶和小吃中SiO2-NPs的尺寸、形态和聚集状态与初始SiO2-NPs基本相同[28]。存在于食物基质中的SiO2-NPs经口摄入后，伴随着人体复杂胃肠道区域的改变，SiO2-NPs的物理化学性质可能会受到不同程度的影响。Peters等研究发现，存在SiO2-NPs的食物基质（热水、咖啡、汤和薄饼）经体外模拟消化后，SiO2-NPs理化性质的改变主要依赖于体外模拟消化相，模拟胃相中的变化最为明显[24]。SiO2-NPs最终可能到达肠道上皮，但依赖于食物基质类型。食物基质和胃肠道对SiO2-NPs生物效应的影响研究也相当有限。SiO2-NPs与As联合暴露显著增加SiO2-NPs对HepG2和HT1080细胞诱导的细胞毒性，主要依赖于胞内As5+增加、氧化应激增强和线粒体介导凋亡反应增加[34]。白蛋白和葡萄糖的存在增加大鼠对SiO2-NPs的口服吸收，导致血液中SiO2-NPs浓度呈时间依赖性增加，肝、肾、肺和脾脏中总硅含量显著升高，但更多的SiO2-NPs通过粪便排出体外[26]。综上所述，食物基质、胃肠道与SiO2-NPs的相互作用可能会不同程度改变SiO2-NPs物理化学性质和生物效应。

3 纳米氧化锌

锌是维持人体健康所必需的微量元素，其在细胞分裂、细胞生长、伤口愈合、人体免疫和人体生长发育等中起着极其重要的作用[35]。氧化锌纳米颗粒（ZnO-NPs）存在于膳食补充剂、早餐谷类食物和功能食品中以促进胃肠道对锌的吸收[36]；ZnO-NPs可作为紫外线吸收剂存在于食物表面以保护对紫外线照射敏感的食物[2]；ZnO-NPs因具有广谱抗菌活性可作为抗菌剂应用于食品包装材料中以防止细菌对食物的污染[37-39]；ZnO-NPs也可通过改善生物基复合材料的物理性能、机械性能、力学性能和功能性应用于食品包装材料[40-41]。欧盟委员会建议Zn的膳食摄入量为5~20 mg/d。然而，ZnO-NPs的摄入可能导致Zn水平增加到50 mg/d的毒性范围[42]。因此，人类经口摄入ZnO-NPs的可能性大大增加，这引起了人们对其潜在毒性的关注。

近年来，人们对经口暴露ZnO-NPs的生物效应进行了广泛的研究，但其数据仍是有限的。ZnO-NPs体内外毒性研究表明，ZnO-NPs可能诱导不同程度的细胞毒性、遗传毒性、神经毒性和发育毒性。ZnONPs通过胃肠道进入生物体后，主要聚集于肝脏和肾脏。溶解、生物依赖性细胞吸收、ROS产生和炎症反应发生共同决定ZnO-NPs毒性[43-44]。相反的结果也有报道[2]。

食物基质对ZnO-NPs物理化学性质和生物效应的影响研究相对较多，而胃肠道的相关研究极为有限。蛋白质、糖类或重金属的存在可能会改变ZnO-NPs物理化学性质和生物效应。牛血清白蛋白可以有效减轻ZnO-NPs对THP-1巨噬细胞诱导的毒性作用依赖于ZnO-NPs表面蛋白冠的形成[45-48]。相反，牛血清白蛋白与ZnO-NPs的联合暴露显著增加ZnO-NPs对HepG2人体肝细胞诱导的毒性作用依赖于胞内Zn2+的增加[49]。糖类可能作为ZnO-NPs的分散剂，且增加ZnO-NPs诱导的细胞毒性[50]。此外，ZnO-NPs与重金属Cd在小鼠体内的联合急性暴露可以显著下调Cd诱导的小鼠肝脏氧化应激水平，但联合急性暴露诱导的低毒性与ZnO-NPs诱导的毒性无显著性差异[51]。

植物化学物质的影响是近几年的研究热点。植物化学物质存在时，ZnO-NPs物理化学性质和生物效应的改变更为复杂[52]。维生素C的存在可增加ZnO-NPs诱导的胃上皮细胞毒性和小鼠肝肾损伤依赖于胞内Zn2+浓度增加，与ZnO-NPs溶解性增加一致[53]。3-羟基黄酮（非6-羟基黄酮）和ZnO-NPs的联合暴露则通过增加胞内Zn2+浓度、ROS产生和激活内质网应激-凋亡信号通路导致ZnO-NPs对癌细胞和正常细胞诱导的细胞毒性上调[54]。相反，槲皮素/维生素C与ZnO-NPs的联合暴露可通过下调氧化应激水平显著降低ZnO-NPs对人淋巴细胞诱导的基因毒性[55]。ZnO-NPs与杨梅素的联合暴露可通过改变内质网应激-凋亡信号通路显著降低ZnONPs对Caco-2诱导的细胞毒性[56]。上述研究认为，植物化学物质的抗氧化性和抗炎特性是植物化学物质保护细胞的主要原因[52，57]。然而，具有较强自由基清除能力的黄芩素与ZnO-NPs联合暴露可降低ZnO-NPs对Caco-2非HepG2诱导的细胞毒性依赖于胞内Zn2+下调[58]。ZnO-NPs与花青素联合暴露表现出的细胞保护作用主要依赖于细胞自噬[59]。植物化学物质的化学结构可能在联合暴露中起主要作用，而非抗氧化和抗炎特性[60]。植物化学物质的化学结构或其他结构在联合暴露中的作用需要进一步研究。

脂肪酸和脂肪酸复合物的存在同样可能会改变ZnO-NPs物理化学性质和生物效应。油酸和棕榈酸盐可作为络合配体结合于ZnO-NPs表面导致NPs水动力学尺寸增加、溶解度降低、Zeta电位改变、稳定性增强，且可不同程度影响ZnO-NPs生物效应依赖于暴露剂量、暴露时间和生物种类[61-63]。相比于牛血清白蛋白复合的棕榈酸盐，棕榈酸盐对ZnO-NPs稳定性影响更明显[45，62，64]。值得注意的是，不饱和脂肪酸可能更有效影响ZnO-NPs胶体稳定性和生物效应，与SiO2-NPs研究结果相似。饱和棕榈酸的存在可增加ZnO-NPs对Caco-2细胞诱导的细胞毒性依赖于胞内ROS产生[65]。相反，不饱和油酸可下调ZnO-NPs对Caco-2和HepG2细胞诱导的细胞毒性依赖于胞内Zn2+下调，与ZnO-NPs溶解性降低一致[61]。相比于牛血清白蛋白复合的饱和硬脂酸，牛血清白蛋白复合的不饱和油酸和α-亚麻酸可明显改变ZnO-NPs胶体性质，且增加ZnO-NPs对THP-1巨噬细胞诱导的细胞毒性依赖于内质网应激-凋亡信号通路的激活[46-47，49]。

咖啡、脱脂牛奶等复杂食物基质中存在的ZnO-NPs的水动力学尺寸和尺寸分布与初始ZnONPs无明显差异，而ZnO-NPs溶解性的差异（Zn2+仅存于运动饮料）突出了复杂食物基质类型的重要性[66]。相比脱脂牛奶中单一组分（酪蛋白、乳糖和氯化钙），分散于脱脂牛奶中ZnO-NPs具有更高的分散稳定性，突出了复杂食物基质中微量营养素和个别氨基酸的重要性[35]。但ZnO-NPs与脱脂牛奶或其单一组分的相互作用均不会诱导细胞毒性。微量营养素的存在同样也可以影响ZnO-NPs与糖类相互作用[50]。综上所述，食物基质与ZnO-NPs的相互作用可能会不同程度改变ZnO-NPs物理化学性质和生物效应，但关于胃肠道的影响研究较为有限。

4 纳米银

银纳米颗粒（Ag-NPs）具有广谱抗菌活性，在食品工业中得到了广泛的研究和应用[2，67]。Ag-NPs通常作为抗菌剂存在于食品包装袋、食品储存容器、家用电器、厨房用具和餐具中以抑制微生物生长[68-69]；Ag-NPs也可作为添加剂存在于饲料产品中、作为抗生素替代品用于肉鸡养殖和作为消毒剂用于农业及畜牧业等[70]。Ag-NPs一般不会直接添加至食物中，但在较多的食物中均发现了Ag-NPs的存在，如糕点、巧克力、膳食补充剂和饮料等[71]。成年人Ag的膳食摄入量约为20~80μg/d，其中一小部分以Ag-NPs形式存在[42]。因此，人类经口摄入Ag-NPs的可能性增加，引起了人们对其潜在毒性的关注。

近年来，人们对经口暴露Ag-NPs的生物效应进行了广泛的研究。一方面，Ag-NPs可能通过不同的机制诱导肠道细胞毒性依赖于Ag-NPs尺寸、形态、表面化学暴露剂量和暴露时间等。另一方面，Ag-NPs可能经胃肠道吸收、通过体内循环聚集于各组织、器官，特别是肝脏和肾脏。然而Ag-NPs的毒性作用尚未完全确定。

Laloux等发现食物基质存在时，Ag-NPs周围形成蛋白冠。胃肠液存在时，Ag-NPs物理化学性质的改变程度依赖于胃肠液种类，胃液中Ag-NPs聚集最为显著[68]，与之前的研究结果一致[72]。 此外，Ag-NPs最终可能到达肠道上皮，主要依赖于食物基质种类[73]。食物基质和胃肠道对Ag-NPs生物效应的影响研究也相当有限。Martirosyan等发现槲皮素可通过减少氧化应激和炎症因子的释放最终降低Ag-NPs对Caco-2诱导的细胞毒性[74-75]。Miranda等发现相比Ag-NPs、Cd和Hg的单独暴露，Ag-NPs与Cd或Hg的联合暴露可以对HepG2诱导更显著的毒性反应和代谢适应[76-77]。综上所述，食物基质、胃肠道与Ag-NPs的相互作用可能会不同程度改变Ag-NPs物理化学性质和生物效应。

5 纳米氧化铁

氧化铁（Fe2O3和Fe3O4）可用作食品着色剂（E172）。在美国，氧化铁作为食品着色剂的应用范围非常有限，如香肠中氧化铁最高添加量为质量分数0.1%。据报道，氧化铁纳米颗粒可能存在于作为食品着色剂的氧化铁中，并在蛋糕、甜点、香肠、肉酱等食物中均有发现。据估计，作为食品着色剂氧化铁摄入量约为450μg/d。此外，氧化铁纳米颗粒可作为矿物质强化补充剂[27，78-79]。

近年来，人们对经口暴露氧化铁纳米颗粒的生物效应进行了广泛的研究。氧化铁纳米颗粒的物理化学性质在其潜在毒性方面起着重要作用[80-82]。ROS的产生被认为是氧化铁纳米颗粒诱导潜在毒性最可能的机制[83]。口服氧化铁纳米颗粒诱导毒性产生的确定剂量很少有报道，2 000 mg/kg（以体质量计）的暴露剂量被认为是安全的。最低观察作用剂量（LOEL）的确定是必要的[27]。因此，氧化铁纳米颗粒的毒性作用尚未完全确定。

食物基质和胃肠道对氧化铁纳米颗粒物理化学性质的影响研究有被报道。Deloid等将一个简单食物模型（蛋白质作为乳化剂稳定的水包油乳液）与Fe2O3NPs结合，经体外模拟胃肠液后暴露于模拟肠单层，发现Fe2O3NPs与食物基质的相互作用影响Fe2O3NPs的胃肠道生物动力学及其毒性[3]。经体外模拟消化后，Fe3O4NPs复合蛋白冠形成的消化产物在组成、尺寸和表面电荷上与裸Fe3O4NPs明显不同，且其可诱导Caco-2细胞单层形态改变，从而促进Fe3O4NPs的胞内摄取[84]。综上所述，食物基质、胃肠道与氧化铁纳米颗粒的相互作用可能会不同程度改变氧化铁纳米颗粒物理化学性质和生物效应。由此可见，上述研究结果均强调了采用食物基质与胃肠道评估经口暴露纳米颗粒安全性的重要性。

6 结论与展望

TiO2-NPs、SiO2-NPs、ZnO-NPs、Ag-NPs和Fe2O3-NPs是食品中常见纳米颗粒，人们对其潜在毒性日益关注。有研究表明，相比于TiO2-NPs、SiO2-NPs和Fe2O3-NPs，ZnO-NPs和Ag-NPs表现出更明显的毒性效应和更广泛的器官分布。Ag-NPs诱导肝、肾毒性最为明显，可能依赖于Ag-NPs在器官中的积累[85-86]。

综合文献发现，蛋白质和糖类更可能作为NPs的分散剂，稳定NPs的同时增加毒性效应，而NPs-蛋白冠的形成则更容易导致纳米颗粒聚集，降低毒性效应；不饱和脂肪酸相比于饱和脂肪酸可能更有效改变NPs性质和生物效应；植物化学物质的化学结构可能是影响NPs性质和效应更重要的因素，而非抗氧化和抗炎特性；复杂食物基质中，微量元素的存在一定程度影响NPs与食物基质的相互作用；胃肠道对NPs性质的影响较为复杂，主要依赖于其pH；氧化应激、内质网应激-凋亡基因表达的改变和胞内离子聚集是联合暴露诱导毒性变化的主要机制。总的来说，食物基质、胃肠道与NPs的相互作用可能会不同程度改变NPs物理化学性质（尤其是尺寸、聚集状态、界面性质和溶解性）和生物效应（协同效应、拮抗效应和不变性），该相互作用是相当复杂的，主要依赖于纳米颗粒种类、食物基质类型、胃肠液组成、NPs暴露剂量、NPs暴露时间和生物种类等（见图2和图3）。因此，考虑食物基质、胃肠道与NPs之间的相互作用对准确评估经口暴露NPs安全性是必要的。鉴于食物中纳米颗粒种类、数量的增加和食物种类的繁多，食物基质和胃肠道对经口暴露纳米颗粒生物效应的影响有待探索和进一步研究。此外，标准化食物模型和有效筛选方法的开发是纳米颗粒毒理学研究的热点，对准确评估经口暴露纳米颗粒安全性具有重要意义。

图2 纳米颗粒物理化学性质的改变Fig.2 Changes in physicochemical properties of nanoparticles

图3 纳米颗粒生物效应的改变[87]Fig.3 Changes in biological effects of nanoparticles