納米技術在食品中的應用與安全性問題

1、納米技術在食品中的應用和安全性問題黃健 梁慧剛 劉清 中國科學院國家科學圖書館武漢分館 湖北省武漢市武昌區(qū)小洪山西25號430071摘要：納米技術的飛速發(fā)展豐富了人類的生活，納米技術和納米材料在食品產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛地應用。但是由于食品是種特殊的商品，與人體的健康息息相關，因此納米技術和納米材料在食品中的應用是否會對人體造成不良的影響得到了多方面的關注，以下就納米技術在食品中的應用和安全性問題做個簡述，希望能夠?qū)ξ覈南嚓P工作提供參考。一、簡介納米（nanometer，nm），是一種長度單位，1nm是1m的十億分之一；納米技術，指研究對象在0.1100nm尺度上的特定性質(zhì)，以及如何應用這些特性到

2、具體的產(chǎn)品中。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改造和加工的產(chǎn)品，才稱得上是納米食品。目前所謂的納米食品均為廣義上的納米食品，主要集中在食品包裝中利用納米技術延長貨架期。食品工業(yè)專家預言，納米技術將會以多種方式對消費性產(chǎn)品產(chǎn)生巨大影響。大多數(shù)審查過納米技術用途的科學委員會得出結論，認為消費者很可能會受益于這項技術，但必須要有新的數(shù)據(jù)和新的量度方法來確保可對使用納米技術的所有產(chǎn)品的安全性做出適當評估。必須掌握有關信息，說明游離工程納米粒子的生物累積以及吸入和攝取游離工程納米粒子潛在的毒性效應

3、及其對公共衛(wèi)生的長期影響。對于最終處理這些材料對環(huán)境產(chǎn)生的后果，也需要進行認真評價。二、納米技術在食品工業(yè)中的應用目前食品工業(yè)正在努力將納米技術用于從農(nóng)莊到餐桌的全過程，現(xiàn)已用于食品包裝領域。由專業(yè)咨詢公司Helmut Kaiser進行的調(diào)查研究預測，納米食品的市場將從2004年的26億美元發(fā)展到2010年的204億美元。該調(diào)查報告認為，到2010年，亞洲將成為納米食品的最大市場。由此可見，納米技術在食品產(chǎn)業(yè)有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ{米食品加工、納米包裝材料、納米檢測技術等方面的研究尤為活躍，成為納米技術在食品工業(yè)應用的研究熱點。2.1在食品包裝材料上的應用運用納米技術研發(fā)的包裝系統(tǒng)可以修復小的裂口

4、和破損，可以適應環(huán)境的變化，并且能在食品變質(zhì)的時候提醒消費者。此外納米技術可以改進包裝的滲透性、提高阻隔性、改進抗損和耐熱，形成抗菌表面，防止食物發(fā)生變質(zhì)。在食品包裝領域，近幾年來，國內(nèi)外研究最多的納米材料是聚合物基納米復合材料(PNMC)，即將納米材料以分子水平(10nm數(shù)量級)或超微粒子的形式分散在柔性高分子聚合物中而形成的復合材料。常用的聚合物有PA、PE、PP、PVC、PET、LCP等；常用的納米材料有金屬、金屬氧化物、無機聚合物等三大類。目前根據(jù)不同食品的包裝需求，已有多種用于食品包裝的PNMC面市，如納米Ag/PE類、納米TiO2/PP類、納米蒙脫石粉/PA類等，其某些物理、化學、

5、生物學性能有大幅度提高，如可塑性、穩(wěn)定性、阻隔性、抗菌性、保鮮性等，在啤酒、飲料、果蔬、肉類、奶制品等食品包裝工業(yè)中也已開始大規(guī)模應用，并取得了較好的包裝效果。2.2在食品機械上的應用納米技術在食品機械中的應用主要是作為食品機械的潤滑劑、納米磁致冷工質(zhì)和食品機械原材料中橡膠和塑料的改性。食品機械工作環(huán)境惡劣，對潤滑劑要求較高，而通常潤滑劑易損耗、易污染環(huán)境。磁性液體中的磁性顆粒尺寸僅為10nm，因此不會損壞軸承，而基液亦可用潤滑油，只要采用合適的磁場就可以將磁性潤滑油約束在所需的部位，保證了機器的正常運轉(zhuǎn)。納米磁致冷工質(zhì)食品冷凍和冷藏設備又開辟了新的途徑。它與通常的壓縮氣冷式致冷方式相比具有節(jié)

6、能、環(huán)保、高效等特點。橡膠和塑料是包裝和食品機械應用較多的原材料。新的納米改性橡膠與傳統(tǒng)橡膠相比各項指標均有大幅度提高，尤其抗老化性能可提高3倍，使用壽命長達30年以上，且色彩艷麗，保色效果優(yōu)異。2.3在食品檢測上的應用納米材料本身就是非常敏感的化學和生物傳感器，納米技術與生物學、電子材料相結合，可以制備新型的傳感器件。例如與生物芯片等技術結合，可以使分子檢測更加高效、簡便。納米生物傳感器已應用在微生物檢測、食品檢測和體液代謝物監(jiān)測等方面。所有用于生物傳感的納米材料或器件的結構都有兩個特點：第一，它們含有針對分析物的特定的識別機制，比如抗體或酶；第二，它們可以從分析物中產(chǎn)生獨特的標志信號，并且

7、這種標志信號可以由納米結構自身產(chǎn)生或者由納米結構固定的分子或含有的分子產(chǎn)生。美國喬治亞大學與韓國食品研究所的聯(lián)合研究團隊發(fā)現(xiàn)了一項新穎高效的探測食源性病原菌沙門氏菌的方法。他們研制出一個金/硅基于異質(zhì)結構納米棒技術的沙門氏菌探測傳感器。這項新穎的納米傳感器可以被廣泛應用于食品工業(yè)、食品安全檢測機構、政府食品質(zhì)檢安全機構和從事食品與生物安全的研究人員。2.4納米食品納米技術對食物進行分子、原子的重新編程，某些結構會發(fā)生改變，從而能大大提高某些成分的吸收率、降低保健食品的毒副作用、加快營養(yǎng)成分在體內(nèi)的運輸、提高人體對礦質(zhì)元素的吸收利用率、延長食品的保質(zhì)期。納米食品具有提高營養(yǎng)、增強體質(zhì)、防止疾病、

8、恢復健康、調(diào)節(jié)身體節(jié)律和延緩衰老等功能。目前的納米食品主要有鈣、硒等礦物質(zhì)制劑、維生素制劑、添加營養(yǎng)素的鈣奶與豆奶、納米茶和各種納米功能食品等。具有如此廣泛應用價值的納米食品生產(chǎn)技術得到各國的一致肯定，紛紛投入巨資進行開發(fā)。對傳統(tǒng)食品的改造，如在罐頭、乳品、飲料等生產(chǎn)中運用納米技術，使其性能根據(jù)需要進行不同程度的改善，并得到合理的性能/價格比，是納米食品應用領域的一個重要方面。英國制定了一個很龐大的納米食品發(fā)展計劃，美國、日本也投入了相當大的力量在將納米技術應用到納米食品研究方面。我國在1995年就開始了納米添加到傳統(tǒng)原料中改進功能的研究工作，有的已獲得中試研究成果，總體研究水平處于國際前列。

9、2.5各國研發(fā)動態(tài)2003年9月，美國在發(fā)布的農(nóng)業(yè)發(fā)展路線圖中首次提出：重視納米技術在農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)中的應用。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部門的預測，納米技術將使整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和食品工業(yè)發(fā)展發(fā)生變革，改變食品生產(chǎn)、加工、包裝、運輸和消費的方式。許多國家已經(jīng)認識到納米技術在農(nóng)業(yè)食品部門的應用前景，在這方面投入了大量研發(fā)力量。伊朗政府也重點投資于納米技術在農(nóng)業(yè)和食品上的應用研究，由農(nóng)業(yè)部門出面資助35個實驗室組成研究團隊開展此方面的研究，并已取得一定研究成果。2005年8月，歐洲納米技術網(wǎng)關納米論壇年度報告顯示，希臘、愛爾蘭、和荷蘭將成為歐盟成員國中領先展開納米食品研究的三個國家。隨著納米技術不斷成為食品和農(nóng)業(yè)

10、領域發(fā)展的一個戰(zhàn)略平臺，歐盟決定開始啟動各成員國之間的合作研究項目，便于各國公司以最快的速度充分利用技術領域的新成果。納米論壇的報告中指出，愛爾蘭、荷蘭、和希臘表示希望將納米技術的研究最終能被歐盟各國食品加工者作為商用。然而，愛爾蘭在研究和開發(fā)方面的投資低于很多其他歐盟成員國，但其已經(jīng)開始通過加強自身資源優(yōu)勢來推動納米技術發(fā)展。此外，愛爾蘭在納米技術商業(yè)化方面遙遙領先于其他歐盟國家，共有4家大型納米產(chǎn)品跨國公司。愛爾蘭政府曾在1999年啟動了納米級科學和技術計劃，投入大量資金，主要集中在電子學和光子學領域。盡管有很多不同的部門資助了該計劃，但愛爾蘭政府對納米技術研究實行中央集權性管理。其中，愛

11、爾蘭企業(yè)局負責40個項目，其次是愛爾蘭科學、工程與技術研究委員會、愛爾蘭科學聯(lián)合會。愛爾蘭科學技術及創(chuàng)新委員會(ICSTI)與愛爾蘭高等教育局共同領導整個計劃。ICSTI主要負責開發(fā)信息和通訊技術、衛(wèi)生保健、農(nóng)業(yè)和食品、聚合體和塑膠、建筑方面的項目。在食品領域，ICSTI的目標之一是開發(fā)能夠滿足消費者對安全、新鮮、質(zhì)量等方面要求的食品生產(chǎn)和處理技術。這些技術包括食品微觀結構、香味與質(zhì)量、病菌控制系統(tǒng)、風險分析法、高壓技術、機器人和信息技術等。荷蘭TNO Quality of Life公司正在進行納米生物研究，為食品、藥物、和農(nóng)用化學品領域的應用作準備。TNO特別關注利用納米技術來確保食品的安全

12、。TNO的研究屬于“NanoNed”項目的一部分，目的在于將投資轉(zhuǎn)為實驗設備?！癗anoNed”包括一個稱為“Nanolab”的虛擬實驗室，由現(xiàn)有的納米技術研究基礎設施所構成?！癗anolab”也可以供外人所使用，旨在支持剛成立的高科技公司。在希臘，主要的納米技術研究者是研究和技術總秘書處，旨在開發(fā)可再生能源、食品及其他一系列領域的納米技術。同時，希臘物理化學研究院在納米生物研究領域起著領先作用。中國和德國的科學家開展聯(lián)合研究，將生物工程技術、納米技術、食品高新工程技術三大高新技術結合起來，研發(fā)具有新概念的保健食品和保健用品。正在研究的項目有利用生物工程技術提取動植物中可食抗菌物質(zhì)，經(jīng)納米化、

13、食品化制成，具有清咽潤喉、消除口臭、防治蛀牙、消滅口腔病菌、防治口腔潰瘍等功效的納米級口腔保健噴霧劑。日本東京已有人在實驗室研制成功自潔玻璃和自潔瓷磚。其表面有一層薄納米TiO2，在光的照射下，任何粘污在表面上的物質(zhì)，包括油污、細菌，由于納米TiO2的催化作用，使這些碳氫化合物進一步氧化成氣體或者很容易被擦掉的物質(zhì)。TiO2可用于制作包裝容器、食品機械的箱體和應用于生產(chǎn)車間等。德國一研究所以納米硅基陶瓷制成的特種不污染耐磨透明涂料，涂在玻璃、塑料等物體上，具有防污、防塵、耐刮、耐磨、防火等功能?？捎糜诎b和食品機械上與食品直接接觸的零部件的表面涂層。德國拜耳公司在保鮮膜中加入硅酸鹽納米顆粒，能

14、阻止氧氣和潮氣進入食品，達到保鮮的目的，據(jù)稱該產(chǎn)品市場前景看好。德國專門生產(chǎn)洗衣粉和化妝品的漢高公司開發(fā)出一種保護牙齒的自然牙骨質(zhì)，它能在牙齒表面形成一層薄薄的保護層，不久前這種功能牙膏已經(jīng)上市。丹麥的夫里斯蘭食品公司投入巨資，研究利用納米技術控制奶酪用面粉的發(fā)酵過程；挪威技術研究所正在試驗在食品的包裝材料中添加納米顆粒，以提高食品保鮮的時間和質(zhì)量。俄羅斯國家科研機構農(nóng)工綜合體（農(nóng)工產(chǎn)業(yè)集群）工程技術信息保障和技術經(jīng)濟調(diào)查科研所所長維亞切斯拉夫費多連科夫教授表示，目前，納米技術和納米材料可以直接應用于俄羅斯農(nóng)業(yè)領域的各個方面，從畜牧業(yè)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。使用銀金屬離子與納米粒子合成的復合包裝材料，具有

15、抗菌、保鮮的功效，可有效對各類食品進行消毒。鐵金屬生物活性納米粒子的應用能使某些谷類作物的單產(chǎn)提高10%40%。運用納米技術對牲畜進行生物活性喂養(yǎng)能有效降低動物發(fā)病率，加快動物長膘。此外，用納米材料配制成的潤滑油能夠減少零件的磨擦和損耗，延長拖拉機及其它農(nóng)機的使用壽命。墨西哥圣路易斯葡多斯科技研究中心高級材料部門的科學家表示，通過白鼠的試驗發(fā)現(xiàn)，向納米碳管中摻入一定量的氮可以降低死亡或呼吸困難的危險性，從而加快了實現(xiàn)納米技術應用到食品包裝的步伐。研究小組將做進一步的研究，但是他們在納米技術應用到批量加工和生產(chǎn)方面邁出了成功的一步。三、納米食品的安全性問題雖然納米技術在食品工業(yè)中得到了廣泛地應用

16、，但是同采用任何新的食品接觸材料一樣，必須對食品產(chǎn)品中納米粒子可能的釋放以及這些材料對人類健康的安全性做出評估。例如，某些納米粒子具有穿越血腦屏障的能力。此外，納米粒子釋放到環(huán)境中，也對監(jiān)測和效應評估提出了新的挑戰(zhàn)。雖然納米級通常是指小于100nm的結構，但是地球之友組織（Friends of the Earth）指出，證據(jù)顯示300nm就可產(chǎn)生新型風險，并且應該檢查其安全。英國諾丁漢大學的Martin Garnett博士2006年在職業(yè)醫(yī)學雜志（Occupational Medicine）發(fā)表文章，指出300nm的粒子可以進入細胞。研究納米微粒是如何在體內(nèi)分布的Garnett表示，用于阻止納

17、米粒子聚集的涂料（如表面活性劑）能使納米顆粒更方便的進入組織。他也指出，實驗表明大于100nm的顆粒在各種不同的組織（包括大腦）中聚集。英國中心科學實驗室（Central Science Laboratory，CSL）的Qasim Chaudhry博士和他的同事在近期的食品添加劑和污染物雜志（Food Additives And Contaminants）上發(fā)表文章表示，工程化的納米粒子與其它結構正在被用來開發(fā)新的口味、質(zhì)感、營養(yǎng)品質(zhì)，以及改善食品的貨架壽命和可跟蹤性。但是他們說，沒有足夠信息來充分評估這些添加劑和配料的風險。CSL是英國政府食品和鄉(xiāng)村事務部(Defra)下屬的實驗室，位于約克

18、郡。Chaudhry博士指出，在面對這種不確定性，特別是當含有納米材料的食品和飲料有可能被大量人群消費時，將會審慎考慮采取行動。他們指出，有越來越多的科學證據(jù)表明納米粒子可以進入人體細胞，并造成傷害。Chaudhry博士表示，已經(jīng)提出了飲食中的納米粒子和更大的微觀粒子是否能夠?qū)е履c道發(fā)炎的問題，這必須進行測試以檢查納米食品配料或添加劑是否影響營養(yǎng)。Chaudhry博士認為，目前的法規(guī)并沒有完全涵蓋食品納米技術和歐洲食品科學專業(yè)團體，食品科學與技術學會最近建議將納米粒子當作新的、潛在有害的材料，直到測試證明它們安全為止。2004年英國皇家學會和皇家工程院也做出了大體一致的建議。近年來，圍繞納米產(chǎn)

19、品的生物安全性，發(fā)達國家積極地展開了研究2003年4月，Science雜志首先發(fā)表文章討論納米材料與生物環(huán)境相互作用可能產(chǎn)生的生物安全問題，并介紹了Lam研究小組的研究結果，Lam研究小組發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管可能會損害老鼠的肺部組織。隨后，各個領域的科學家們開始探討納米生物安全問題，尤其是關于納米顆粒對人體健康、生存環(huán)境和社會安全等方面是否存在潛在負面影響的問題，即納米生物環(huán)境安全性問題。2006年，美國政府和私人機構投資約40億美元用于納米技術，其中有10%用于研究納米物質(zhì)潛在的危害，而這其中的大部分用來研究納米物質(zhì)的一般毒性和對環(huán)境的影響。為了對納米顆粒潛在危害進行研究，評估生產(chǎn)者和消費者可能

20、遭受的風險，歐盟第五框架協(xié)議就啟動“NANOSAFE”（納米安全計劃）投入了32.3萬歐元，隨后啟動“NANOSAFE2”（納米安全計劃-2），快速增加到700萬歐元對相關方面進行研究。在這些研究中，納米干粉顆粒的危害評估被認為是最至關重要的領域。從2007年啟動的歐盟第七框架協(xié)議（2007-2013年）中，界面和尺寸相關的現(xiàn)象，包括對人體的安全性，健康和環(huán)境（以及度量學、術語和標準）被推薦為最主要的研究課題。目前許多監(jiān)管當局正在開展評價工作，以確定是否已將納米技術在食品和食品接觸材料中的使用完全納入其現(xiàn)有確保食品安全的食品成分監(jiān)管和審批框架。各國采用的辦法很可能有所不同。評價食品中所用納米粒子的攝取情況，或許應當沿循建議用于食品或食品接觸材料的其它材料的類似安全性評價途徑。不過，納米材料可能在評估接觸以及在體內(nèi)和復合基體中度量該材料方面提出新的挑戰(zhàn)?；蛟S還需要評價一些毒性檢測，以確定用