纳米技术的新变革

纳米技术的新变革

纳米技术是研究纳米规模（1.10纳米）中物质的性质和相互作用，并利用这些重要特征的多段科学和技术。这一技术使人类认识和改造物质世界的能力延伸到了原子和分子水平,成为当今最重要的新兴科学技术之一。随着纳米科技的科学价值逐渐被认识和纳米材料的制造技术不断完善,纳米技术作为一门高新技术在食品科学领域的研究将得到越来越多的关注,主要涉及食品加工、食品包装和食品检测等领域,并取得了一些研究成果。纳米食品有广义和狭义之分,从广义来说,在食品生产加工和包装中,利用了纳米技术的都可以称为纳米食品;从狭义来说,只有对食品成分本身利用纳米技术改造和加工的产品,才称得上纳米食品。目前,所谓的纳米食品都是广义上的纳米食品,集中在食品包装中利用纳米技术延长产品货架期。1纳米粒子的表征纳米粒子由于其尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体的过渡区域,基于此尺寸的系统既非典型的微观系统,亦非典型的宏观系统,因此有着独特的化学性质和物理性质,如表面效应、体积效应和量子尺寸效应。纳米粒子的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比,随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。纳米粒子体积极小,所包含的原子数很少,因此,许多现象就不能用通常原子的块状物质的性质加以说明,这种特殊的现象通常称之为体积效应。当粒子的尺寸下降到某一值时,金属粒子的电子能级由准连续变为离散能级,同时存在不连续的分子轨道能级,使得能隙变宽,这种现象被称为纳米材料的量子尺寸效应。2纳米技术在食品行业的应用2.1纳米乳化剂的使用关于纳米技术在食品加工中的应用研究不多,目前比较成功的例子是纳米微化(微粒、微胶囊、微乳化)和纳米膜分离技术。纳米微化技术可广泛用于保健食品领域,通过将营养补充剂颗粒纳米化,改善它们的应用性能,提高其利用率,还可以降低保健食品的毒副作用。纳米球磨技术的研发成功将促进纳米级食物原料的生产和应用。纳米微胶囊技术以安全无毒的天然材料为基础(如酪蛋白),经一定处理,在其自组或重组过程中形成微胶囊(10~150nm),并将人体必需的微量元素或营养功能因子包裹其中。经处理后,不但可以改变这些营养功能因子的溶解性质,扩大其应用范围,同时由于保护作用,它们在生物体中的利用率也得以提高。并且,这种纳米微胶囊可以经pH和温度等达到控制释放。目前,BASF公司已研发成功多种纳米胶囊化的类胡萝卜素,使其在果汁饮料和人造黄油的生产中得以广泛使用。芬兰保利希食品公司采用纳米技术,将植物固醇制成纳米微粒,并在一定的温度下将纳米微粒均匀地加入到人造黄油中,从而解决纯植物固醇的溶解性难题,扩展了其应用领域。通过控制温度和乳化剂的种类和浓度,可以形成稳定的不同尺寸的纳米O/W乳化体系,以此大大提高油相在水体中的溶解度,扩展其应用范围。此外,纳米乳化剂在食品工业中还可以起到良好的去污效果。如在亲水的连续相中,采用高剪切作用混合磷脂非连续相,开发出尺寸在400~800nm的纳米乳化剂。它除了乳化去污外,还可以促进不同种类病原体细胞膜的溶解,比如细菌、孢子和霉菌孢子的溶解,从而达到抑菌效果。纳米管膜的研究成功,无疑将推动食品功能成分的分离和应用。通过修整纳米管膜,使其功能化,可以根据尺寸和化学特性上的差异有效分离食物成分,解决一般性膜的选择性差和得率低的问题。Lee和Martin开发出尺寸小于1nm的纳米管膜,应用于天然有机分子的分离,取得了良好的分离纯化效果。该项技术对工业化生产还显昂贵,其广泛使用受到了一定的限制。但将来对于某些高生理活性的蛋白质、肽、维生素和矿物质等的精细化加工,具有广阔的应用前景。另外,美国研发出一种纳米过滤器,牛奶经过该过滤器,可以滤出其中的细菌等有害物质,与传统的加热杀菌相比,这种牛奶的口感和营养成分更佳。2.2纳米复合涂膜的制备为了提高新鲜果蔬的保鲜效果和延长货架寿命,通常在包装中加入乙烯吸收剂以减少包装中的乙烯含量。但目前所用的乙烯吸收剂作用效果并不理想。纳米级银粉正好具有催化乙烯氧化的作用,也就是说,在保鲜包装材料中加入纳米银粉,可加速氧化果蔬食品释放出的乙烯,减少包装中乙烯含量,从而达到良好的保鲜效果。目前,关于纳米技术用于保鲜方面的报道主要是纳米保鲜膜的研究,通过将具有一定抑菌性的无机纳米粒子(如纳米Ag2O、ZnO、TiO2等)引入到基础材料(塑料)中,形成均匀分散的纳米复合膜材。由于Ag可使细胞膜上的蛋白失活,而ZnO和TiO2在光照下产生强氧化性羟基而杀死细菌,且含有这些纳米粒子的膜材具有强烈的紫外吸收作用。所以,这样的纳米复合保鲜膜材在保持原有的气调性的同时,也具有防腐性能,从而可以取得更好的保鲜效果。也有少量直接在加工过程中引入纳米粒子进行保鲜的研究,江南大学张愍等用准纳米银对蔬菜汁保鲜,研究发现将准纳米银溶液作为防腐剂或制成复合防腐剂添加到食品中,可以减弱加工工艺中的杀菌强度,避免了高温长时间的杀菌对食品质构造成的破坏。将纳米技术用于制备食品包装材料,这方面研究不多,但前景可喜。一个可能是,取代现有食品包装所用的材料。例如,经纳米复合的尼龙薄膜就具有更强的阻隔性和透明度。另外,可通过纳米复合技术,开发一些具有新用途的包装材料。目前正在开发中的“聚酯PET/层状硅酸盐纳米复合材料”,就使得啤酒的塑料瓶包装成为可能。由于复合了纳米材料,使开发的塑料瓶能满足啤酒生产中高温消毒的工序要求。而且因为它的阻隔性好,可使啤酒长时间保存而不变味,同时,耐压强,刚度、强度增加了。2.3纳米传感器的应用食品分析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。纳米技术在食品分析领域也得以应用,并取得了普遍和快速的发展,例如纳米技术在HPLC分析中的应用。目前针对小剂量食品样品进行病原体的检测和定量化研究的传感器还面临着很大的挑战,亟待开发。基于此,纳米传感器以其特有的表面效应、体积效应和量子尺寸效应,在食品特异性检测和快速分析上具有巨大的应用前景。基于纳米技术,一种准确高效的DNA微序列分析方法得以建立。这种DNA微序列分析技术是以高度多孔的硅酸盐支持物为基础,将从病原体中分离得来的样本与目标DNA通过特定序列结合,来获得具体的DNA序列信息,从而达到对病原体的鉴别。同样,Purdue大学的研究人员研制出一种生物纳米传感器,通过生物蛋白与计算机硅晶片相结合,可以检测食品中化学污染物。研究表明,此传感器用于食品分析,具有很高的敏感度,可以达到对食品中的生物或化学污染的特异性检测。3纳米作物在食品领域的一些研究3.1食品保鲜研究的方向在食品保鲜领域,如前所述,纳米保鲜技术已取得了一定的成效,但该技术的应用仅局限在基于塑料类膜材的外包装形式上,使得纳米保鲜在使用形式上受到限制;其次,引入纳米膜材的无机Ag2OZnO、TiO2等纳米粒子将会导致食品残留和安全性问题,这是人们所不期望的;另外,无机纳米粒子在杀灭细菌的同时,必将一定程度地引起食品的氧化变质,这与食品保鲜是背道而驰的。所以对以上几个问题的解决,将促进纳米科技在食品科学研究中的进一步应用,也将成为纳米保鲜的新的发展方向。基于对纳米保鲜研究现状的分析,可以开展源于可食用资源的纳米保鲜材料的研究,从可食用资源中筛选出具有广谱抑菌性和成膜性能的物质,经纳米化开发出具有广泛应用领域和应用方式的新型纳米保鲜材料。众多源于可食用资源的物质在应用中显示了良好的抑菌性,如乳酸、壳聚糖、乳链菌肽和聚赖氨酸等在食品保鲜中已取得了实际的应用,而壳聚糖、淀粉和细菌纤维素等表现了良好的成膜性能。以可食用资源为原材料,开发纳米保鲜材料,该材料由于既具有防腐和气调的性能,同时又具有纳米微粒的特性,有望在应用中取得良好的应用效果。3.2纳米尺度材料的安全特性当前学术界对基因食品的安全性还争论不休,纳米食品的安全性问题又再次呈现在人们的面前,而且不容回避。事实上,相关研究仅刚起步,包括FDA在内的国际权威机构对这一问题也知之甚少,或者说根本就不清楚。目前我国对纳米材料的鉴定还是个空白,一些所谓的纳米食品根本无法鉴定其真伪,同时也不知道其对健康的潜在风险。在这样一种情况下,受利润的驱使,各种各样的食品打着纳米的旗号应运而生。当粒子的直径小到纳米尺度时,一些自然规则将不再适用。纳米材料的物理、化学和生物特性有异于生产制造它们的普通尺度材料。例如,纳米粒子的金不再是黄色,而呈现蓝色;化学性质也从惰性物质变为一种催化剂;导电性变化;熔点从1200℃降低到200℃。因此,与普通尺度材料相比,纳米材料与生物有机体的相互作用将发生相应的变化,导致其生物安全特性改变。其可能产生的新效应会涉及到生物体的吸收、分布、代谢和分泌。例如,纳米粒子可以更容易地穿过细胞膜和细胞间隙,甚至穿过非通透性组织屏障。此外,如细胞摄取纳米粒子的机制发生了改变,或者摄取数量增加,传统的分泌机制就可能不再适用。其结果可能是纳米粒子不能被有效的运输或代谢,从而导致在生物体内积累。另一种值得考虑的情况是,如某种物质的毒性强弱取决于与生物体细胞的物理接触,那么纳米粒子化将对该物质的毒性产生明显的影响。与相同质量的普通尺度材料相比,直径小于10nm的粒子其总表面积将呈几何指数增加。可以想象,纳米粒子化的该物质将产生什么样的毒性。也就是说,已证实为安全的或安全剂量的食品原料,在