納米技術(shù)的新變革

納米技術(shù)的新變革

納米技術(shù)是研究納米規(guī)模（1.10納米）中物質(zhì)的性質(zhì)和相互作用，并利用這些重要特征的多段科學(xué)和技術(shù)。這一技術(shù)使人類認(rèn)識(shí)和改造物質(zhì)世界的能力延伸到了原子和分子水平,成為當(dāng)今最重要的新興科學(xué)技術(shù)之一。隨著納米科技的科學(xué)價(jià)值逐漸被認(rèn)識(shí)和納米材料的制造技術(shù)不斷完善,納米技術(shù)作為一門高新技術(shù)在食品科學(xué)領(lǐng)域的研究將得到越來越多的關(guān)注,主要涉及食品加工、食品包裝和食品檢測等領(lǐng)域,并取得了一些研究成果。納米食品有廣義和狹義之分,從廣義來說,在食品生產(chǎn)加工和包裝中,利用了納米技術(shù)的都可以稱為納米食品;從狹義來說,只有對食品成分本身利用納米技術(shù)改造和加工的產(chǎn)品,才稱得上納米食品。目前,所謂的納米食品都是廣義上的納米食品,集中在食品包裝中利用納米技術(shù)延長產(chǎn)品貨架期。1納米粒子的表征納米粒子由于其尺寸處在原子、分子為代表的微觀世界和宏觀物體的過渡區(qū)域,基于此尺寸的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng),亦非典型的宏觀系統(tǒng),因此有著獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì),如表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)。納米粒子的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比,隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。納米粒子體積極小,所包含的原子數(shù)很少,因此,許多現(xiàn)象就不能用通常原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說明,這種特殊的現(xiàn)象通常稱之為體積效應(yīng)。當(dāng)粒子的尺寸下降到某一值時(shí),金屬粒子的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí),同時(shí)存在不連續(xù)的分子軌道能級(jí),使得能隙變寬,這種現(xiàn)象被稱為納米材料的量子尺寸效應(yīng)。2納米技術(shù)在食品行業(yè)的應(yīng)用2.1納米乳化劑的使用關(guān)于納米技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用研究不多,目前比較成功的例子是納米微化(微粒、微膠囊、微乳化)和納米膜分離技術(shù)。納米微化技術(shù)可廣泛用于保健食品領(lǐng)域,通過將營養(yǎng)補(bǔ)充劑顆粒納米化,改善它們的應(yīng)用性能,提高其利用率,還可以降低保健食品的毒副作用。納米球磨技術(shù)的研發(fā)成功將促進(jìn)納米級(jí)食物原料的生產(chǎn)和應(yīng)用。納米微膠囊技術(shù)以安全無毒的天然材料為基礎(chǔ)(如酪蛋白),經(jīng)一定處理,在其自組或重組過程中形成微膠囊(10~150nm),并將人體必需的微量元素或營養(yǎng)功能因子包裹其中。經(jīng)處理后,不但可以改變這些營養(yǎng)功能因子的溶解性質(zhì),擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,同時(shí)由于保護(hù)作用,它們在生物體中的利用率也得以提高。并且,這種納米微膠囊可以經(jīng)pH和溫度等達(dá)到控制釋放。目前,BASF公司已研發(fā)成功多種納米膠囊化的類胡蘿卜素,使其在果汁飲料和人造黃油的生產(chǎn)中得以廣泛使用。芬蘭保利希食品公司采用納米技術(shù),將植物固醇制成納米微粒,并在一定的溫度下將納米微粒均勻地加入到人造黃油中,從而解決純植物固醇的溶解性難題,擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域。通過控制溫度和乳化劑的種類和濃度,可以形成穩(wěn)定的不同尺寸的納米O/W乳化體系,以此大大提高油相在水體中的溶解度,擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。此外,納米乳化劑在食品工業(yè)中還可以起到良好的去污效果。如在親水的連續(xù)相中,采用高剪切作用混合磷脂非連續(xù)相,開發(fā)出尺寸在400~800nm的納米乳化劑。它除了乳化去污外,還可以促進(jìn)不同種類病原體細(xì)胞膜的溶解,比如細(xì)菌、孢子和霉菌孢子的溶解,從而達(dá)到抑菌效果。納米管膜的研究成功,無疑將推動(dòng)食品功能成分的分離和應(yīng)用。通過修整納米管膜,使其功能化,可以根據(jù)尺寸和化學(xué)特性上的差異有效分離食物成分,解決一般性膜的選擇性差和得率低的問題。Lee和Martin開發(fā)出尺寸小于1nm的納米管膜,應(yīng)用于天然有機(jī)分子的分離,取得了良好的分離純化效果。該項(xiàng)技術(shù)對工業(yè)化生產(chǎn)還顯昂貴,其廣泛使用受到了一定的限制。但將來對于某些高生理活性的蛋白質(zhì)、肽、維生素和礦物質(zhì)等的精細(xì)化加工,具有廣闊的應(yīng)用前景。另外,美國研發(fā)出一種納米過濾器,牛奶經(jīng)過該過濾器,可以濾出其中的細(xì)菌等有害物質(zhì),與傳統(tǒng)的加熱殺菌相比,這種牛奶的口感和營養(yǎng)成分更佳。2.2納米復(fù)合涂膜的制備為了提高新鮮果蔬的保鮮效果和延長貨架壽命,通常在包裝中加入乙烯吸收劑以減少包裝中的乙烯含量。但目前所用的乙烯吸收劑作用效果并不理想。納米級(jí)銀粉正好具有催化乙烯氧化的作用,也就是說,在保鮮包裝材料中加入納米銀粉,可加速氧化果蔬食品釋放出的乙烯,減少包裝中乙烯含量,從而達(dá)到良好的保鮮效果。目前,關(guān)于納米技術(shù)用于保鮮方面的報(bào)道主要是納米保鮮膜的研究,通過將具有一定抑菌性的無機(jī)納米粒子(如納米Ag2O、ZnO、TiO2等)引入到基礎(chǔ)材料(塑料)中,形成均勻分散的納米復(fù)合膜材。由于Ag可使細(xì)胞膜上的蛋白失活,而ZnO和TiO2在光照下產(chǎn)生強(qiáng)氧化性羥基而殺死細(xì)菌,且含有這些納米粒子的膜材具有強(qiáng)烈的紫外吸收作用。所以,這樣的納米復(fù)合保鮮膜材在保持原有的氣調(diào)性的同時(shí),也具有防腐性能,從而可以取得更好的保鮮效果。也有少量直接在加工過程中引入納米粒子進(jìn)行保鮮的研究,江南大學(xué)張愍等用準(zhǔn)納米銀對蔬菜汁保鮮,研究發(fā)現(xiàn)將準(zhǔn)納米銀溶液作為防腐劑或制成復(fù)合防腐劑添加到食品中,可以減弱加工工藝中的殺菌強(qiáng)度,避免了高溫長時(shí)間的殺菌對食品質(zhì)構(gòu)造成的破壞。將納米技術(shù)用于制備食品包裝材料,這方面研究不多,但前景可喜。一個(gè)可能是,取代現(xiàn)有食品包裝所用的材料。例如,經(jīng)納米復(fù)合的尼龍薄膜就具有更強(qiáng)的阻隔性和透明度。另外,可通過納米復(fù)合技術(shù),開發(fā)一些具有新用途的包裝材料。目前正在開發(fā)中的“聚酯PET/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料”,就使得啤酒的塑料瓶包裝成為可能。由于復(fù)合了納米材料,使開發(fā)的塑料瓶能滿足啤酒生產(chǎn)中高溫消毒的工序要求。而且因?yàn)樗淖韪粜院?可使啤酒長時(shí)間保存而不變味,同時(shí),耐壓強(qiáng),剛度、強(qiáng)度增加了。2.3納米傳感器的應(yīng)用食品分析是食品工業(yè)一個(gè)長久和重要的研究方向,在很大程度上影響著食品工業(yè)和食品科學(xué)的發(fā)展。納米技術(shù)在食品分析領(lǐng)域也得以應(yīng)用,并取得了普遍和快速的發(fā)展,例如納米技術(shù)在HPLC分析中的應(yīng)用。目前針對小劑量食品樣品進(jìn)行病原體的檢測和定量化研究的傳感器還面臨著很大的挑戰(zhàn),亟待開發(fā)。基于此,納米傳感器以其特有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng),在食品特異性檢測和快速分析上具有巨大的應(yīng)用前景?；诩{米技術(shù),一種準(zhǔn)確高效的DNA微序列分析方法得以建立。這種DNA微序列分析技術(shù)是以高度多孔的硅酸鹽支持物為基礎(chǔ),將從病原體中分離得來的樣本與目標(biāo)DNA通過特定序列結(jié)合,來獲得具體的DNA序列信息,從而達(dá)到對病原體的鑒別。同樣,Purdue大學(xué)的研究人員研制出一種生物納米傳感器,通過生物蛋白與計(jì)算機(jī)硅晶片相結(jié)合,可以檢測食品中化學(xué)污染物。研究表明,此傳感器用于食品分析,具有很高的敏感度,可以達(dá)到對食品中的生物或化學(xué)污染的特異性檢測。3納米作物在食品領(lǐng)域的一些研究3.1食品保鮮研究的方向在食品保鮮領(lǐng)域,如前所述,納米保鮮技術(shù)已取得了一定的成效,但該技術(shù)的應(yīng)用僅局限在基于塑料類膜材的外包裝形式上,使得納米保鮮在使用形式上受到限制;其次,引入納米膜材的無機(jī)Ag2OZnO、TiO2等納米粒子將會(huì)導(dǎo)致食品殘留和安全性問題,這是人們所不期望的;另外,無機(jī)納米粒子在殺滅細(xì)菌的同時(shí),必將一定程度地引起食品的氧化變質(zhì),這與食品保鮮是背道而馳的。所以對以上幾個(gè)問題的解決,將促進(jìn)納米科技在食品科學(xué)研究中的進(jìn)一步應(yīng)用,也將成為納米保鮮的新的發(fā)展方向?；趯{米保鮮研究現(xiàn)狀的分析,可以開展源于可食用資源的納米保鮮材料的研究,從可食用資源中篩選出具有廣譜抑菌性和成膜性能的物質(zhì),經(jīng)納米化開發(fā)出具有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方式的新型納米保鮮材料。眾多源于可食用資源的物質(zhì)在應(yīng)用中顯示了良好的抑菌性,如乳酸、殼聚糖、乳鏈菌肽和聚賴氨酸等在食品保鮮中已取得了實(shí)際的應(yīng)用,而殼聚糖、淀粉和細(xì)菌纖維素等表現(xiàn)了良好的成膜性能。以可食用資源為原材料,開發(fā)納米保鮮材料,該材料由于既具有防腐和氣調(diào)的性能,同時(shí)又具有納米微粒的特性,有望在應(yīng)用中取得良好的應(yīng)用效果。3.2納米尺度材料的安全特性當(dāng)前學(xué)術(shù)界對基因食品的安全性還爭論不休,納米食品的安全性問題又再次呈現(xiàn)在人們的面前,而且不容回避。事實(shí)上,相關(guān)研究僅剛起步,包括FDA在內(nèi)的國際權(quán)威機(jī)構(gòu)對這一問題也知之甚少,或者說根本就不清楚。目前我國對納米材料的鑒定還是個(gè)空白,一些所謂的納米食品根本無法鑒定其真?zhèn)?同時(shí)也不知道其對健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)。在這樣一種情況下,受利潤的驅(qū)使,各種各樣的食品打著納米的旗號(hào)應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)粒子的直徑小到納米尺度時(shí),一些自然規(guī)則將不再適用。納米材料的物理、化學(xué)和生物特性有異于生產(chǎn)制造它們的普通尺度材料。例如,納米粒子的金不再是黃色,而呈現(xiàn)藍(lán)色;化學(xué)性質(zhì)也從惰性物質(zhì)變?yōu)橐环N催化劑;導(dǎo)電性變化;熔點(diǎn)從1200℃降低到200℃。因此,與普通尺度材料相比,納米材料與生物有機(jī)體的相互作用將發(fā)生相應(yīng)的變化,導(dǎo)致其生物安全特性改變。其可能產(chǎn)生的新效應(yīng)會(huì)涉及到生物體的吸收、分布、代謝和分泌。例如,納米粒子可以更容易地穿過細(xì)胞膜和細(xì)胞間隙,甚至穿過非通透性組織屏障。此外,如細(xì)胞攝取納米粒子的機(jī)制發(fā)生了改變,或者攝取數(shù)量增加,傳統(tǒng)的分泌機(jī)制就可能不再適用。其結(jié)果可能是納米粒子不能被有效的運(yùn)輸或代謝,從而導(dǎo)致在生物體內(nèi)積累。另一種值得考慮的情況是,如某種物質(zhì)的毒性強(qiáng)弱取決于與生物體細(xì)胞的物理接觸,那么納米粒子化將對該物質(zhì)的毒性產(chǎn)生明顯的影響。與相同質(zhì)量的普通尺度材料相比,直徑小于10nm的粒子其總表面積將呈幾何指數(shù)增加?？梢韵胂?納米粒子化的該物質(zhì)將產(chǎn)生什么樣的毒性。也就是說,已證實(shí)為安全的或安全劑量的食品原料,在