纳米技术在风味物质食品加工中的应用与发展

孙璐，郭婵，赵晓燕*，张晓伟, 刘红开，朱运平

(1.济南大学 食品科学与营养系，济南 250022；2.北京工商大学 食品学院，北京 100048)

纳米技术是1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生的一门以1～100 nm长度为研究分子世界，是人类科学史上的一大突破[1]。随着科学技术的发展，将纳米技术与其他领域相结合，为人类发展带来了全新的突破口，其广泛应用于新材料、生物、医药、化学、食品以及制造业中[2]。

纳米技术积极推动了各个领域的发展，而且纳米技术已经深深融入我们的日常生活中，尤其是食品行业中，例如食品的加工中所用到的包装材料(生物可降解包装、纳米胶囊)、纳米食品添加剂、食品纳米传感器等，不仅有效地延长了食品的储藏期，而且比以往的材料更加绿色安全。风味物质的食材在我们日常生活中通常用来调味，例如葱、姜、大蒜、肉豆蔻等，其含有的风味物质具有抗氧化、抗菌、抗癌等功能性，但是这些有效成分的化学性质不稳定，溶解性较差，近年来为克服上述问题采用了纳米技术，扩展了呈味物质在调味方面的应用范围，提高了食品加工的发展水平，采用天然物质调味不仅延长了储藏期，而且减少了食品添加剂的使用，优化了食品安全，在此基础上诞生了健康功能性食品，同时也为食品调味领域的发展带来了新的思路。

1 食品纳米技术

食品纳米技术是指在生产、加工或包装过程中采用了纳米技术手段或工具的食品技术。巴氏杀菌将食品生产加工精度发展到了微米水平，随后碳纳米管——布基球富勒烯(C60)的发现[3]，将食品生产水平提升到纳米水平。风味物质食品加工中不可避免的就是有效成分的流失(温度、pH、酶)，如何更好地提高风味物质有效成分的稳定性成为一直以来食品加工中面临必需解决的问题。纳米技术的出现有效改善了这一问题，国外研究人员开发出具有纳米级成分的新型产品[4]，这些成分可提高产品风味和颜色的保持力，增强营养生价值和人体利用程度，去除污染物且防止微生物变质，有效延长保质期并提高包装材料的质量，食品纳米技术由此诞生。

现今纳米技术在食品中的应用大致有生物聚合物、脂质体、纳米乳液纳米复合材料、水凝胶等[5]，其优缺点详见表1。一些含有香味的成分存在于水溶液中，通过喷雾干燥生产出香粉，但是在喷雾干燥过程中产生的热量会导致风味物质流失。采用纳米囊化技术可以提高保存率，例如柑橘油是一种对氧气敏感的风味物质[6]，在生产中加入纳米囊化技术，不仅能阻隔氧气的接触，而且避免了温度过高引起的不稳定性，提高了甜点制作中柑橘风味保存以及乳化稳定性。生姜中的姜辣素对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌有抑制作用，但姜辣素的化学性质不稳定，且溶于有机溶剂。采用超声波技术制备的姜油纳米乳液姜辣素保存率达80%以上，与食用酪蛋白酸钠制成的纳米乳液涂在鸡胸肉表面，冷藏12 h后需氧嗜冷菌显著减少，开发出含有姜油纳米乳液的调味品，对鸡胸肉腌制的同时还可以达到抑菌的效果[7]。

纳米复合材料应用于食品中相当广泛，在生活中已用于生产各种食品和饮料(例如采用β-环糊精将风味剂均匀分散在溶液中[8]，因此更适合于提高硬糖和饮料的清澈度以及冰淇淋制品的乳化稳定性，使口感更加细腻)，很少有人意识到纳米技术在食品中的用途，纳米技术如同生物技术一样，并不是单一的技术创新，而是推动科学的发展，结合各个领域进行工业技术的创新。

表1 纳米材料在食品中的应用Table 1 The application of nano materials in food

2 纳米技术在风味物质食品中的加工应用

2.1 纳米囊化技术

20世纪80-90年代纳米技术逐步应用到食品领域中，主要体现在食品的保鲜、加工、包装以及检测等方面。纳米技术在食品中展现的不仅仅是采用纳米设备生产食品，而是对食物进行分子原子的重新组合排列，使某些结构发生改变，从而提高人体的吸收利用率，例如类胡萝卜素有较好的生物活性，但化学性质不稳定、溶解度低[17]，限制了它们在食品和药品中的应用。经过纳米囊化技术改良后，如图1用表面活性剂包裹在最外侧，类胡萝卜素在纳米脂质层，最内层由表面活性剂包裹水相，使类胡萝卜素在加工和储存中保持了原始特性，更好地被人体吸收。

图1 纳米囊泡包裹类胡萝卜素示意图Fig.1 The schematic diagram of carotenoids encapsulated in nano vesicles

纳米囊化技术往往采用纳米乳剂来包裹有效成分，比常规乳剂更具有优势，是因为经过纳米乳剂包裹的生物活性化合物在胃肠道中更容易被吸收，具有更高的安全性。Pinheiro等[19]用纳米囊化技术乳铁蛋白/藻酸盐制作的多层纳米乳剂，在体外肠胃模拟(动态胃肠道模型包括模拟胃、十二指肠、空肠和回肠)实验中证实了乳铁蛋白/藻酸盐涂层，可以迅速地吸附在肠道内，被包裹的脂质释放出亲脂性生物活性化合物，提高了姜黄素的生物利用度，同时也可以改善乳状液的理化稳定性。大蒜采用冷冻干燥或喷雾干燥后，提取出大蒜精油，其含有的大蒜素可以抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长[20]，最低抑菌浓度分别为62.5，31.25 mg/mL，将纳米囊化技术加入到肉类食品加工中，作为合成食品添加剂抑制细菌生长，有效保存了肉类食品的新鲜度，并且赋予肉类大蒜风味。

胡椒碱[21]在酸、碱、光、热和氧的条件下化学性质不稳定，容易失去呈味效果，运用纳米载体增加稳定性，加入壳聚糖的胡椒碱纳米乳液可在常温下1年保持稳定[22]，由此可见纳米囊化技术可以有效保护含有风味物质的食品质量和利用度。

2.2 纳米保鲜技术

保鲜技术是风味物质食品加工中的重要环节，早在远古时代人类用盐腌渍的方法延长食物的保存期，现在已有的传统保鲜技术主要有低温冷藏(冷冻)、气调保鲜法、辐照保鲜法等。随着国民经济不断发展，我国国民的生活水平不断提高，对食材的新鲜度要求逐步增加，但是这些传统保鲜技术已经不能满足带有风味物质食品的运输、储存要求，芳香物质的流失、腐烂变质给种植农民、运输工厂带来了极大困扰。为进一步解决保鲜问题，在食品加工中加入纳米技术。极大改善了食品的品质[23]，提高食品原有的风味物质和有效成分，减少过度暴露在空气中被氧化的情况，尤其是在蔬果保鲜的应用中体现。例如在蘑菇保鲜中，潘教授等[24]采用了交联电纺聚乙烯醇/肉桂精油/β-环糊精(CPVA-CEO-β-CD)纳米纤维膜，纳米纤维膜提高了蘑菇的硬度，其抑菌圈(大肠杆菌和金黄色葡萄球菌)直径为(9.16±2.3) nm和(10.11±1.17) nm，普通保鲜膜抑菌圈(大肠杆菌和金黄色葡萄球菌)直径为(5.23±2.11) nm和(6.10±1.13) nm。由此可见，纳米纤维膜比普通保鲜膜更加有效地抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，从而延长了蘑菇的保存期，同时保护了所含有的鲜味物质5′-鸟甘酸以及良好的色泽，但失重率有所降低。大肠杆菌是在人类胃肠道中发现的最常见的食源性病原体，国外Pandey教授等[25]将新型可生物降解包装材料(聚乙烯醇-壳聚糖-硝酸银、纤维复合纳米层)应用于肉类保鲜，其抑菌圈(大肠杆菌和李斯特菌)为(20.0±0.7) nm和(20.0±0.7) nm，而普通保鲜膜为(9.0±0.5) nm和(10.0±0.4) nm，通过检测得出纳米保鲜猪肉中细菌生长比普通保鲜猪肉晚了17 h，减少了食源性疾病的发生率，延长了保存期限[26]。

新鲜橙子切开后，在储存过程中真菌感染人、橙子本身氧化呼吸作用会让水分迅速蒸发，风味物质随着水分的蒸发而损失，造成感官质量下降[27]。吴教授等[28]的实验结果表明纳米氧化锌对橙子的味道、香气和咀嚼性都高于普通保存、氩气保存，评分详见表2。纳米氧化锌可降低水的流动性，从而减少橙子本身风味物质的流失，更好地保存了原有的香气以及较好的新鲜度。纳米保鲜涂层有抑制呼吸和抑菌作用，同时在运输过程中可以减少机械性损伤，降低运输成本并且提高经济效益。因此，在含有风味物质食品的储存和保藏中加入纳米技术，有助于推动食物储藏工业的发展，但技术还未完善，有待进一步研究探索。

表2 鲜切橙采用不同保鲜膜的感官评分

2.3 纳米包装

从古至今，人类生活所必需的条件就是食物和水，而食物在加工、运输和储存过程中其本身的呼吸作用、后熟作用致使食物自然腐烂，发生的物理、化学、微生物变化是我们一直以来所要面临和解决的问题。纸是最早的食品包装材料，塑料的发明成为新的保存食物的材料，但塑料带来的环境污染让人们寻找新的包装材料，纳米可降解包装的问世有效改善了这一问题。传统的食品包装材料应用于简单的食材包装，对具有风味物质食品包装并不是特别理想，造成的环境问题也耗费人力、物力、财力，采用纳米材料进行包装可改善这一现象。肉桂中含有肉桂醛，是一种天然的香辛料，具有特殊的香气，是复合调味品的用料之一，然而肉桂醛在光、热和氧的条件下容易氧化降解[29]。静电纺丝技术是纳米技术的一种，在相同质量分数3%的情况下，肉桂醛/聚乳酸复合纳米纤维膜的抑菌率(92.43%、94.65%、86.78%)高于传统抗菌剂CuSO4制备的复合纳米纤维膜(55.45%、30.51%、21.35%)[30]。

运用小麦面筋蛋白、乳清蛋白、普鲁兰多糖、豆渣、薯渣等原料制作可食膜作为内包装在调味品包装中的应用已有较多报道，为提高风味物质在调味品中的质量及贮藏和应用性能奠定了基础[31]。此外，国内外研究中表明纳米材料用于食品包装后减少了食物垃圾所造成的环境问题，同时减少了净化包装材料释放的二氧化碳，间接缓解了由于大量二氧化碳气体过多导致的全球变暖问题。

2.4 纳米食品传感器

电子机械的出现使人类农业发生了质的变化，大规模的生产提高了产量，食品工业进一步发展，而不同添加剂层出不穷，质量让人堪忧，科技发展的同时也带来了食品安全问题，有毒有害物质、重金属污染、违法添加剂、有机污染物没有采取有效的处理，大量流入水中、土壤中，进一步污染农田粮食，因此对于食品检测的要求更高。纳米传感器将传统食品安全检测与纳米技术中生物、化学、物理和信息技术领域相融合，其中包括纳米小分子传感器、纳米气敏传感器、纳米微生物传感器，它们较传统检测器具有耗能低、体积小便于操作、灵敏度高等特点，可以更加精准地检测出食品中的有害物质，降低化学污染物、细菌病原体导致的食源性疾病的发生。例如我国金教授采用超顺磁性纳米探针，在最佳实验条件为孵育时间45 min，纳米探针SMN-SA(超顺磁性纳米粒子-链霉亲和素)浓度为50 μg/mL，120 min完成对牛奶中沙门氏菌的检测[32]。沙门氏菌常规培养检测经过溶解(18±2) h，高低温提取(24±3) h，菌种混合辨识(24±3) h，菌落纯化(24±3) h整个培养检测过程所需时长不少于90 h[33]。腌制食品独特的风味备受人们喜爱，但在加工过程中添加亚硝酸盐防腐或者在腌制过程中产生大量亚硝酸盐[34]，Velmurugan等[35]采用SnS2纳米六方晶的非酶电化学传感器，用于食品样品中致癌亚硝酸盐的检测，准确率达97%。

由此可见，纳米传感器在风味物质食品加工中具有重大的发展意义，可以更好地检测其具体变化，提高工作效率，减少生产商产品质量问题。风味物质在调味品中应用较多，且调味品中的添加剂使用量多，出现超标案件多，为今后纳米食品传感器用于调味品质量检测方面奠定了基础，数据准确，便于检测判断，建立良好的食品安全体系。

3 纳米技术在风味物质食品加工中的应用展望

食品中含有的风味物质大多数具有一定的功能性，在加工过程中注重提取率或成品的形态外观，往往会忽略在加工过程中的损失率。纳米技术的出现改良了原有的监测系统，“纳米电子鼻”可更准确、灵敏地检测风味物质的变化情况，便于生产中及时检测，同时提高食物的新鲜度，调味品中风味物质居多，用于调味品的检测将进一步推动纳米技术与食品领域结合。纳米胶囊技术可以更好地保护风味物质顺利进入人体肠道，提高机体的吸收利用率。在今后的发展中要关注纳米材料的安全可靠性，一些纳米材料有低毒性，长期食用被人体吸收后，是否引起慢性中毒有待进一步研究，还有可能造成神经系统的损伤或者内分泌紊乱，同时内分泌的失调也会导致肿瘤的发生，因此进一步降低纳米材料的毒性成为今后研究的主要方向，并且建议有关部门对纳米技术参与的风味物质食品加工环节的产品紧密检测，制定相应的标准以及法律法规，不再出现三聚氰胺奶粉等相似的事件发生，增强对纳米材料应用的合理性，从而提高消费者对纳米技术的接受度，进一步改善纳米技术，更好地应用于风味物质食品加工中。

4 结论

纳米技术的出现推动了食品领域的发展，在风味物质食品加工中起到了重要的作用，虽然一些纳米材料具有一定的毒性，但是总体来说利大于弊，其应用于食品加工中，不仅有效保存了风味物质，同时提高了保鲜效果，延长了食品的保存期。在食品检测方面，纳米技术与传统检测方法的结合，提高了工作效率和准确度，在构成合理食品安全体系方面做出了巨大的贡献。在采用纳米材料包装风味物质食品中，需要改良的是纳米材料的安全性，做到生物可降解无毒性的纳米材料包装是进一步深入研究的主要方向。

综上所述，可以看出推广纳米技术在调味品生产中的应用，不仅能提高风味物质的稳定性，而且具有抑菌效果，减少了食品添加剂的使用，更好地发挥出风味物质的生物利用度。根据调味品中主要为风味物质的特点，采取纳米检测系统，为提高工作效率、优化生产线发挥巨大的作用。因此，纳米技术在风味物质食品加工中具有广阔的应用前景。