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和技術(shù)。這一技術(shù)使人類認識和改造物質(zhì)世界的能力延伸到了原子和分子水平,成為當今最重要的新興科學技術(shù)之一。隨著納米科技的科學價值逐漸被認識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),因此有著獨特的化學性質(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)。當粒子的尺寸下降到某一值時,金屬粒子的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級,同時存在不連續(xù)的分子軌道能級,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)成功將促進納米級食物原料的生產(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),擴大其應(yīng)用范圍,同時由于保護作用,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,還可以促進不同種類病原體細胞膜的溶解,比如細菌、孢子和霉菌孢子的溶解,從而達到抑菌效果。納米管膜的研究成功,無疑將推動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)用于天然有機分子的分離,取得了良好的分離純化效果。該項技術(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可使細胞膜上的蛋白失活,而ZnO和TiO2在光照下產(chǎn)生強氧化性羥基而殺死細菌,且含有這些納米粒子的膜材具有強烈的紫外吸收作用。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,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行保鮮的研究,江南大學張愍等用準納米銀對蔬菜汁保鮮,研究發(fā)現(xiàn)將準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度,避免了高溫長時間的殺菌對食品質(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。而且因為它的阻隔性好,可使啤酒長時間保存而不變味,同時,耐壓強,剛度、強度增加了。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)?；诖?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DNA通過特定序列結(jié)合,來獲得具體的DNA序列信息,從而達到對病原體的鑒別。同樣,Purdue大學的研究人員研制出一種生物納米傳感器,通過生物蛋白與計算機硅晶片相結(jié)合,可以檢測食品中化學污染物。研究表明,此傳感器用于食品分析,具有很高的敏感度,可以達到對食品中的生物或化學污染的特異性檢測。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Ag2OZnO、TiO2等納米粒子將會導(dǎo)致食品殘留和安全性問題,這是人們所不期望的;另外,無機納米粒子在殺滅細菌的同時,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。所以對以上幾個問題的解決,將促進納米科技在食品科學研究中的進一步應(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際的應(yīng)用,而殼聚糖、淀粉和細菌纖維素等表現(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前學術(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。事實上,相關(guān)研究僅剛起步,包括FDA在內(nèi)的國際權(quán)威機構(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空白,一些所謂的納米食品根本無法鑒定其真?zhèn)?同時也不知道其對健康的潛在風險。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應(yīng)運而生。當粒子的直徑小到納米尺度時,一些自然規(guī)則將不再適用。納米材料的物理、化學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)藍色;化學性質(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胞膜和細胞間隙,甚至穿過非通透性組織屏障。此外,如細胞攝取納米粒子的機制發(fā)生了改變,或者攝取數(shù)量增加,傳統(tǒng)的分泌機制就可能不再適用。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)的毒性強弱取決于與生物體細胞的物理接觸,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,已證實為安全的或安全劑量的食品原料,在