纳米技术的应用

纳米技术的应用

纳米技术是利用原子、分子和相互作用的原理，在纳米规模（0.1.100m）上直接操纵物质表面上的分子、原子，甚至电子，从而创造特定产品并创造纳米级加工技术的新兴学科技术。纳米技术加深了人们对于物质构成和性能的认识,使人们在物质的微观空间内研究电子、原子和分子运动的规律和特性,运用纳米技术我们可以在原子、分子的水平上设计并制造出具有全新性质和各种功能的材料。由于纳米材料表现出的新特性和新功效,纳米技术的迅速发展将引发一场新的工业革命,已广泛应用在原料化工、医药、通讯、能源等领域。最近几年,在食品及其包装行业中的应用,更是带来了一场革命,使食品工业得到了改进,生产效率得到了提高,还开发、生产了许多新型功效的食品、具有特殊功能的保健食品和食品包装材料。随着纳米材料在食品工业中的广泛应用,纳米技术必定倍受关注。本文介绍了纳米技术在食品包装材料、食品加工和食品安全检测中新的应用,同时对纳米食品的潜在食品安全问题做了简单的探讨。1纳米食品的研究食品纳米技术,就是把以微细加工为特点的纳米技术应用于食品工业领域。纳米食品是指在生产、加工或包装过程中采用了纳米技术手段或工具的食品,纳米食品不仅意味着原子修饰食品或纳米设备生产食品,而是指用纳米技术对食品进行分子、原子的重新编程,某些结构会发生改变,从而提高某些成分的吸收率,加快营养成分在体内的运输,延长食品的保质期等。目前,在食品领域中,以纳米食品加工技术、纳米配料和食品添加剂的结构控制、纳米复合包装材料、纳米检测技术等方面的研究最为活跃,已经成为食品纳米技术的研究热点。在食品加工过程中应用纳米技术,加工制造出纳米维生素制剂、纳米矿物质制剂等,纳米技术的深入研究仍在继续。2纳米技术在食品行业的应用2.1包装纳米技术在食品工业中实质性的应用始于将纳米材料应用到食品包装上,多元化智能包装技术正在取代传统包装。2.1.1纳米可实现保鲜纳米技术可以在分子水平上改变包装材料的结构。经纳米技术改变的塑料包装,水分和气体可以穿过包装材料,极大地满足了水果、蔬菜、饮料、葡萄等食品保鲜的包装要求,提高了产品的保质期。研究表明,将TiO2纳米粒子应用于PVC(聚氯乙烯),研制出的PVC/TiO2纳米保鲜材料保鲜效果最佳。纳米TiO2复合薄膜可以有效地减少代谢过程中产生的CO2和H2O以及乙烯等有害物质,抑制或杀灭微生物以减少果蔬出现变质与腐烂。利用纳米粉体(TiO2、Ag及高岭土等)研制的一种新型纳米包装材料包装酱牛肉和绿茶,与普通包装材料相比,透氧量降低2.1%,透湿量降低28.0%,且在酱牛肉保鲜中,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,很好地保存了产品的色泽和风味。在绿茶保鲜中,Vc、叶绿酸、茶多酚、氨基酸的保留量比普通包装绿茶分别高出7.7%、6.9%、10.0%、2.0%。此外,用纳米母粒(由纳米粉体、塑料、偶联剂等制成)与聚乙烯按一定比例制成的纳米包装袋对柿果货架品质具有很好的保鲜作用,可抑制柿果的呼吸强度,保持柿果的硬度和可溶性固形物含量。纳米氧化钛或纳米氧化硅粒子制成的复合保鲜液对枇杷和樱桃进行涂膜保鲜,可减少枇杷及樱桃的失水率,降低枇杷和樱桃的呼吸与腐烂指数。添加了银纳米粒子的塑料包装材料在提高杨梅好果率和延长货架期方面效果明显,在抑制Vc分解方面也有一定的作用。国家农产品保鲜技术研究中心研制出的纳米保鲜膜、微控保鲜膜、防雾保鲜膜。经国家测试中心测定,水蒸汽透过量及透过系数、物理机械强度等指标均符合国家卫生检验标准,对葡萄灰霉菌的抑菌率为67.9%,其他指标也大大优于常规保鲜膜。纳米保鲜膜用于巨峰葡萄保鲜40d的腐烂率仅为2.3%,总有效率大于95%;用于储藏富士苹果可达208d;此外对蒜薹、菜花、青椒、桃等多种果蔬保鲜效果突出。2.1.2其他纳米抗菌剂将具有抑菌防腐作用的纳米粒子应用于塑料包装材料,使其具有一定的抗菌性能,最终达到延长食品保质期的目的。例如,纳米TiO2粒子及纳米金属粒子除具有良好的食品保鲜作用外,还均有良好的抗菌防腐作用,可以制成各种纳米抗菌材料。利用准纳米银溶液作为防腐剂或制成复合防腐剂添加到蔬菜汁中,可以减弱加工过程中的杀菌强度,避免长时间的高温杀菌对食品质构造成的破坏。最近,日本开发了以银沸石为母料的全新型无机抗菌剂,既起催化剂作用,同时具有显著的抗菌特性。添加的银沸石母料制得的薄膜(含量1%~3%)或表面覆盖一层这种薄膜的容器,经两年试用表明,含1%银沸石的薄膜能在1~2d内完全杀死引起食物中毒的菌类,可广泛用于熟食肉类、水产品和液体的食品包装。2.1.3可使用的功能性材料保鲜纳米技术在包装材料上的应用,赋予了包装材料许多新型特性。例如,将透光、粒度小的纳米SiO2粒子添加到塑料中,可提高塑料薄膜的透明度、强度、韧性和防水性,可作为特殊用途的高级塑料包装薄膜。而且纳米TiO2粒子还具有很强的紫外线吸收和光催化降解能力,添加0.1%~0.5%的纳米TiO2制成的透明塑料包装材料包装食品,可减少紫外线对食品中维生素和芳香化合物的损失,保持食品的营养价值。研究显示,用有机蒙脱石与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)单体制备的高阻隔性PET纳米塑料(NPET)用于酒类饮料的包装,可以有效的提高产品的保质期。辽阳石化公司研究研制的以纳米溶胶为添加剂的高阻隔聚酯专用料,用于生产单层、透明的高阻隔聚酯啤酒瓶。啤酒的保质期能达到4~5个月以上,且风味与新鲜瓶酒相差无几。这种高阻隔聚酯专用料还可用于奶制品等食品包装领域,替代此类食品的传统包装。塑料包装材料对环境造成的白色污染,使其广泛使用受到了一定的限制,而纳米技术在塑料包装材料上的应用,可以有效的解决这一问题。最新研究发现,将生物可降解淀粉与黏土纳米制成膜,其机械性能与食品包装溶出试验均达到欧盟对生物可降解材料的要求,可望应用于食品包装。此外,众多可食用资源物质在食品保鲜包装上表现了良好的抑菌性,如乳酸、壳聚糖、乳链菌肽和聚赖氨酸等,而壳聚糖、淀粉和细菌纤维素等也表现了良好的成膜性能。因此,以可食用资源为原材料,开发纳米保鲜材料,也必将成为一种新的趋势。2.2纳米技术在食品上的应用目前,纳米技术在食品加工中的应用还处于一个初级阶段,纳米技术在食品上的应用主要表现在食品原料纳米级处理、食品纳米加工机械设备的使用、纳米加工技术应用方面。2.2.1对样品颗粒的利用食品中的矿物质和维生素等营养成分经纳米化处理,可以使较易缺乏、不易吸收的钙、铁、锌等营养元素与小肠充分接触而被吸收,极大地提高了人体对营养元素的生物利用度。碳酸钙是常用的补钙物质,但其吸收利用通常只有30%左右。吴仁毅等研究发现,将碳酸钙经纳米级超微细化,通过装置处理后的钙制剂,98%的有效成分可被吸收。而人体对铁的吸收利用与其颗粒度有密切的联系,将铁粉制成纳米级颗粒添加到食品中,能进一步提高铁粉的相对利用度并改善铁粉的其他应用性能。珍珠粉中含有多种矿物质元素,且具有一定的抗菌消炎的作用。于雁灵等研究表明,珍珠粉粒度变细,有利于多数金属元素的溶出,其中Cu的溶出对粒度比较敏感。国家允许使用的食品添加剂,经纳米粉碎后可以减少使用量,能很好地分散在食品中,如果合并使用其他技术,可以使纳米添加剂起缓释作用来保持较长的功效。2.2.2纳米地纳米产品研究开发的高能纳米球磨机,促进了纳米级食品原料的生产和应用。利用高能球磨技术,将富硒茶制成平均粒径在100nm左右的纳米颗粒,纳米硒能显著提高清除羟自由基、超氧阴离子的活性,可显著提高机体的免疫调节和肿瘤抑制。钟培文等研究发现,以卡拉胶为添加剂,用高能球磨法制备的纳米铁粉在空气中的稳定性很好,在果汁中的溶解性和稳定性都很好。郜海燕等用物理方法制备了纳米级珍珠粉,平均粒径40~80nm。通过纳米珍珠粉对大鼠钙的吸收和利用的影响,发现纳米珍珠粉可被机体很好地吸收和利用,且安全性高,可广泛用于食品营养强化和补钙药物。纳米对撞机的研制使得在原料纳米化的同时,不改变成分原有的化学成分,从而保证了产品经纳米化加工后的吸收效果和有效利用率。2.2.3纳米技术净化水新型纳米级净水剂具有极强的吸附能力,可以将污水中的悬浮液、铁锈、异味等污染物除去。采用纳米孔径的过滤装置,可滤去水中的细菌、病毒,而保留矿质元素。自来水经过纳米技术净化后,质地清澈,无异味,成为高质量的纯净水,可以直接饮用。利用纳米过滤膜(器),可以分离某些高活性的蛋白质、肽类物质、维生素及矿物质等,且分离纯化效果良好。纳米滤膜(器)目前主要用于浓缩乳清及牛奶、调味液脱色、提取鸡蛋黄中的免疫球蛋白、回收大豆低聚糖、调节酿酒发酵液组分、浓缩果汁及分离氨基酸等方面。2.2.4其他果酒加工以纳米无机材料TiO2芯制成的白酒陈化设备,用于葡萄酒和其它果酒的加工上,使酒的物质发生性质的变化,催化果酒中酯化和氧化反应,加速果酒的陈酿过程,缩短陈酿时间,提高生产效率。果酒经过纳米机处理后能催熟,解决了果酒陈酿时间过长的问题。2.2.5纳米纤维在食品加工领域的应用对人体能够消化吸收的蛋白质、脂肪和糖类化合物等营养物质,摄入时的颗粒越细,越易被吸收,尤其是脂肪类物质。经过纳米微细化的油脂成分因其细小很容易进入人体营养循环,进而提高对油脂的吸收利用率,纳米技术使人们摄入少量油脂就可满足正常的需要成为可能。利用纳米粉碎技术手段对淀粉、大豆纤维和动物骨头进行纳米化。淀粉经纳米化后,极大地改善了淀粉的老化、溶解、膨胀及增稠等性质,扩大和提高了淀粉在食品加工上的使用性能。大豆纤维纳米化后成为一种高活性的膳食纤维,吸附能力大幅提高,可作为吸附剂和缓释剂使用,保护易挥发的香味成分以及按人们的需要缓慢释放营养成分。动物骨经纳米化后口感细腻,比表面积增大,可溶性增强,生理价值与吸收率大大提高,对人体缺钙问题的解决,有极大的研究与应用价值,同时纳米骨还可水解制成各种风味调味品。研究表明,纳米级维生素中脂溶性维生素是亲水性的,处于热力学稳定的胶体分散体系中,平均生物利用度由30%提高到98%,平均达峰时间提前,体内药物动力学稳定性提高,个体吸收差异变小,纳米级维生素可减少用量20%左右,综合成本可减少30%,可带来极大的社会效益和经济效益,在营养保健和医药领域的应用具有十分重要的意义。硫辛酸是一种抗氧化能力非常强的天然抗氧化剂,在动物的肝脏组织及菠菜、番茄等植物中均有分布。硫辛酸和二氢硫辛酸的联合作用可清除体内几乎所有的氧化自由基,如·OH、H2O2、OONO·、NO·、ROO·、O2-·等。Reuscher等将硫辛酸载入α-环糊精中,可以提高硫辛酸的保质期和改善其被氧化后的刺鼻的气味。Byrd等利用聚合纤维树脂包埋硫辛酸制成的纳米粒,可避免在胃肠道上降解而提高其生物利用度。硫辛酸通过利用纳米微胶囊技术处理,为硫辛酸的保健应用带来生机。2.3纳米金免疫或alisa法在其他食品分析中的应用食品安全分析检测技术是保证食品安全的一项重要技术手段,也是食品工业一个长久和重要的研究方向,在很大程度上影响着食品工业和食品科学的发展。纳米技术是现代科技的最新研究成果,利用纳米颗粒比表面积大、表面反应活性高、催化效率高、吸附能力强等特性,把纳米颗粒与纳米技术与生物学、免疫学、电化学及材料技术结合,应用到现有的食品安全分析检测方法中,能促进食品的安全检测技术取得普遍和快速的发展。将纳米技术应用于HPLC分析中、以及应用于固相萃取-HPLC联用技术分析中并取得显著效果。纳米金免疫技术是蛋白质等高分子被吸附到纳米金颗粒表面的包被过程,由于金颗粒具有高电子密度的特性,在金标蛋白结合处,在显微镜下可见黑褐色颗粒,当标记物在相应的配体处大量聚集时,肉眼可见红色或粉红色斑点,用于定性或半定量的快速免疫检测方法中。使用免疫金试纸法快速测定CLB,检测灵敏度达到40ng/mL,试纸在室温下保存150d仍有效,检测结果与ELISA法的阳性符合率为95%。此外,王喜亮等利用胶体金,制备免疫金层析快速检测试纸条,该试纸条可以在15min完成对磺胺嘧啶残留的半定量检测,灵敏度为5ng/mL,与HPLC法对比检测,两者的符合率高达100%。最新研究发现,纳米量子点的生物荧光标记物技术可以进行免疫分析、快速诊断;生物纳米传感器可检测食品中化学污染物并标记损失分子和病毒,从而可更好控制、检测和分析生物结构纳米环境。3纳米食品的安全性评价纳米技术在食品领域的应用才刚刚开始,大量的科学问题有待发现、研究,产业化的实现还要经过漫漫长路。食品纳米技术的理论和技术以及特殊功能的作用机制还需要进行更为深入的研究,如纳米粒子的制备关键技术中,纳米粒子的团聚与分散,确定理想的固体分散平衡体系;在纳米材料的使用中,要研究材料设备在使用环境中的结构和性质的稳定性;以及食品和营养素经纳米化后新功能和新特性的产生机理及其引起的显著的或潜在的安全问题。美国环保局(EPA)在2003年正式提出纳米物质对人类健康和环境存在潜在影响。人们对纳米物质的生物效应和环境效应的研究也已表明,纳米物质表现神奇特性的同时,对人