納米顆粒在食品領(lǐng)域中應(yīng)用安全性及其風(fēng)險的研究進(jìn)展

李小林 邱 璐 李 健 郭紅衛(wèi)

(1.上海出入境檢驗檢疫局 上海 200135;2.復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院)

1 前言

納米食品指在生產(chǎn)、加工或包裝過程中采用納米技術(shù)手段或工具的食品［1］，即在納米水平用科學(xué)、工程技術(shù)等手段改變食品及相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地等，包括改變食品的性狀或特性，從而改善食品口味和營養(yǎng)，增加食品生物利用度，改進(jìn)傳輸方式，增強(qiáng)食品包裝，延長食品上架期等［2］。目前的納米食品主要包括納米化食品營養(yǎng)成分、納米食品添加劑、納米膠囊、納米乳化、食品包裝材料以及細(xì)菌識別、納米感受器等［1－3］。市場上已出現(xiàn)的納米食品如納米茶、納米清除劑、納米營養(yǎng)素、納米維生素等;納米食品添加劑如納米氧化鋅、納米二氧化硅、抗粘結(jié)劑納米鋁－硅等;納米傳導(dǎo)系統(tǒng)如納米膠囊;食品包裝材料如納米二氧化硅、納米鋅光催化劑、納米二氧化鈦、納米氧化鎂、納米氧化銅等。

根據(jù)iRAP(Innovative Research and Products)公司報告，2008年全球應(yīng)用納米技術(shù)的食品和飲料包裝約為4.13億美元，預(yù)計2014年能達(dá)到7.3億美元，并保持每年11.65%的增長率［4］。目前從事納米食品生產(chǎn)和研究的公司超過200家，包括Heinz、Nestle、Unilever、Kraft等知名公司，保守計算已有超過200多種納米食品上市，并且呈快速發(fā)展的趨勢［5］。根據(jù) Helmut Kaiser Consultancy報道，亞洲(主要是中國)將是納米食品未來最大的市場［6］。

但是，納米食品引起的健康風(fēng)險仍存在較大爭議，而且隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，與其相關(guān)的健康和安全、管理和社會問題已引起許多國家和國際組織的關(guān)注。由于食品中添加納米化成分顆粒是納米食品的重要表現(xiàn)形式之一，而納米顆?？赡軐θ梭w健康產(chǎn)生危害，因此，本文主要對納米顆粒在食品領(lǐng)域應(yīng)用的安全性極其風(fēng)險的研究進(jìn)展做一綜述。

2 納米顆粒的安全性

食品領(lǐng)域應(yīng)用納米顆粒可能產(chǎn)生的安全性問題如下:一方面，食品中納米顆粒能夠通過人體的生物屏障，生物利用度增加，其在體內(nèi)蓄積可能產(chǎn)生多種風(fēng)險;另一方面，物質(zhì)經(jīng)過納米化處理，由于小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)等影響，其比表面積增大，表面結(jié)合能和化學(xué)效應(yīng)顯著增加，其產(chǎn)生的生物效應(yīng)會得到放大［7］。

2.1 代謝動力學(xué)

納米顆粒的特性(如大小尺度、表面電荷、功能性成分等)能夠影響納米顆粒的吸收、代謝、分布和排泄［8］，但是納米顆粒的理化性質(zhì)與其在體內(nèi)分布的關(guān)系尚不清楚。有研究表明，納米顆粒能夠減少對消化道的影響，顯著延長其在消化道的停留時間，增加反應(yīng)表面積，通過毛細(xì)管滲透進(jìn)入組織器官，從而使得化合物在機(jī)體內(nèi)充分轉(zhuǎn)運和吸收［9］。

2.1.1 消化道吸收

納米顆粒被消化道吸收的過程與其被吸附和轉(zhuǎn)運有關(guān)，粘液層被認(rèn)為是納米顆粒進(jìn)入人體的第一屏障，消化道上皮是第二屏障，而且小顆粒能夠比大顆粒更容易快速擴(kuò)散通過。研究表明，消化道吸收納米顆粒的途徑之一是上皮細(xì)胞允許大分子蛋白和多肽進(jìn)入，納米顆粒借助特異的高分子材料也可通過此途徑進(jìn)入;另一途徑是跨細(xì)胞途徑，即上皮細(xì)胞通過胞吞作用吸收納米顆粒，轉(zhuǎn)運至Peyer’s集合淋巴小結(jié)濾泡的微皺褶細(xì)胞(M細(xì)胞)和/或消化道細(xì)胞，從而在消化道上皮的基底外側(cè)釋放。納米顆粒的大小、表面電荷、與受體體結(jié)合或包被的活性能夠影響消化道的跨細(xì)胞吸收［10］。

2.1.2 分布、代謝和排泄

納米膠囊或納米顆粒通過胃腸道進(jìn)入血循環(huán)，與血液成分如血漿蛋白、凝血因子、血小板、紅細(xì)胞和白細(xì)胞反應(yīng)，這些反應(yīng)與納米顆粒的表面化學(xué)性有關(guān)［11］，對于納米顆粒的分布和排泄起著重要的作用。納米顆粒能夠在體內(nèi)廣泛分布，且小顆粒的分布比大顆粒更廣泛。細(xì)胞屏障如細(xì)胞膜不能構(gòu)成納米顆粒的障礙，其可穿過生物膜進(jìn)入細(xì)胞、組織和器官［12］，在腦、心、肝、腎、脾、骨髓、神經(jīng)系統(tǒng)、血液等中蓄積［13，14］;血腦屏障能夠限制顆粒物質(zhì)進(jìn)入腦部，而具有親脂性、主動轉(zhuǎn)運小可溶性分子(＜500Da)的納米顆粒則能夠通過血腦屏障［15］。納米膠囊能夠增加內(nèi)含成分的生物利用度，防止攜帶的成分被肝代謝后經(jīng)膽管排泄，如大鼠經(jīng)靜脈給予聚苯乙烯納米顆粒通過肝臟吸收后經(jīng)膽汁排泄。納米顆粒的膽汁排泄與顆粒大小有關(guān)，小顆粒物質(zhì)(50nm)既可經(jīng)Kupffer細(xì)胞吞噬也可經(jīng)肝細(xì)胞吸收，而大顆粒(500nm)主要由非實質(zhì)細(xì)胞如Kupffer細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞吸收［16］。

2.2 細(xì)胞毒性

納米材料能夠通過細(xì)胞膜，引起DNA損傷，干擾細(xì)胞活性和生長，產(chǎn)生炎癥蛋白，破壞線粒體主要結(jié)構(gòu)，甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡。納米顆粒的大小是其毒性的關(guān)鍵因素，而其他因素如化學(xué)組成、表面電荷、表面結(jié)構(gòu)、聚集性和可溶性等也是其毒性的重要因素［17］。

2.3 急性毒性

對不同納米顆粒如納米銅、納米硒、納米鋅、納米氧化鋅和納米二氧化鈦等急性毒性試驗研究表明，高劑量納米顆粒能夠引起急性毒性，其毒性大小取決于納米顆粒的大小、表面包被成分及化學(xué)組成有關(guān)［18］。25nm和80nm二氧化鈦經(jīng)口灌胃5 g/kg能夠引起小鼠肝損傷，納米顆粒蓄積于肝DNA，引起小鼠肝臟病理變化和肝細(xì)胞凋亡，產(chǎn)生急性肝毒性以及炎癥反應(yīng)，其肝損傷效應(yīng)明顯強(qiáng)于常規(guī)二氧化鈦顆粒(155nm)。

2.4 長期毒性

目前很少有關(guān)于納米顆粒慢性或急性低劑量暴露的資料。有研究表明，長期暴露納米顆粒能夠引起不同系統(tǒng)的毒性，包括神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)等。對免疫的影響包括氧化應(yīng)激和/或引起肺、肝、心、腦前炎癥細(xì)胞因子的活化;對心血管系統(tǒng)的影響包括促血栓形成效應(yīng)、心臟功能性損傷(如急性心肌梗塞)和對心率的影響。另外，納米顆粒還可能引起遺傳毒性，具有致癌性和致畸作用。

2.4.1 神經(jīng)毒性

血腦屏障是分離血液與腦脊液的特殊系統(tǒng)，主要由內(nèi)皮細(xì)胞通過緊密連接組成，阻止大分子或親水性的物質(zhì)進(jìn)入大腦，保護(hù)大腦免受外來化學(xué)物的傷害。通常，大多數(shù)分子不能通過血腦屏障，但多種代謝動力學(xué)研究表明，納米顆粒能夠穿過血腦屏障［19］。進(jìn)入體內(nèi)的納米二氧化鈦、氧化錳、銀等納米顆粒能夠引起大腦損傷，而動物試驗也表明，在大腦皮質(zhì)層和小腦中能夠檢測到氧化錳、二氧化硅等納米顆粒。

2.4.2 生殖毒性

有研究表明，出生前暴露納米二氧化鈦顆粒能夠引起小鼠額前皮質(zhì)和新紋狀體多巴胺水平升高，從而可能影響子代中央多巴胺能系統(tǒng)的發(fā)育。納米二氧化硅(10nm和30nm)在100 ug/mL濃度下能夠引起小鼠胚胎干細(xì)胞的分化、心肌細(xì)胞收縮，其效應(yīng)與劑量呈一定關(guān)系，而80nm和400nm二氧化硅在最高濃度均不引起胚胎毒性。影響干細(xì)胞分化的劑量低于對細(xì)胞毒性的劑量表明納米顆粒對干細(xì)胞分化具有特定的影響［20］。Hougaard等發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦(21nm)消化道暴露能夠引起子代中度的神經(jīng)行為改變，但認(rèn)知功能未受影響［21］，因此，尚不能排除納米顆粒通過胎盤引起胚胎生殖毒性。

2.4.3 遺傳毒性

納米顆粒能夠通過吸入、經(jīng)口或皮膚等途徑進(jìn)入人體，然后通過被動擴(kuò)散、受體介導(dǎo)的胞吞作用以及網(wǎng)格蛋白等途徑進(jìn)入細(xì)胞，進(jìn)而進(jìn)入細(xì)胞核，再經(jīng)過直接或間接的機(jī)制引起DNA損傷。納米顆粒能夠不受細(xì)胞膜限制，直接進(jìn)入細(xì)胞核和DNA，但是其結(jié)合作用機(jī)制尚不清楚。研究表明，納米氧化鋅顆粒對HepG2細(xì)胞暴露6h能夠引起細(xì)胞內(nèi)氧自由基產(chǎn)生，氧化應(yīng)激介導(dǎo)產(chǎn)生DNA損傷，表面包被活性是納米顆粒引起遺傳毒性的重要因素［22］。體內(nèi)試驗表明，20－160nm納米二氧化鈦500 mg/kg經(jīng)飲用水給藥，能夠引起小鼠8－OHdG和γH2AX焦點增加，并引起DNA雙鏈斷裂、DNA缺失等［23］。

2.4.4 免疫毒性

多種納米顆粒通過與網(wǎng)織紅細(xì)胞－內(nèi)皮細(xì)胞反應(yīng)釋放氧自由基，引起氧化應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而引起炎癥［24］，而氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)能夠直接或間接地引起免疫毒性，如納米二氧化鈦引起巨噬細(xì)胞的凋亡和壞死。研究表明，4nm和100nm納米金顆粒在4.26 mg/kg劑量下均能夠?qū)ALB/C小鼠引起中度免疫反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和肝急性炎癥，并在肝Kupffer細(xì)胞和脾巨噬細(xì)胞中蓄積［25］。二氧化硅顆粒(12 nm)引起血液中IL－1β和TNF－α水平升高，腹膜巨噬細(xì)胞釋放氧化亞氮，促進(jìn)IL－1、IL－6、TNF－ α、iNOS和 COX －2 mRNA 的表達(dá)［26］。

3 納米顆粒在食品領(lǐng)域應(yīng)用的風(fēng)險

3.1 相關(guān)研究現(xiàn)狀

許多國際機(jī)構(gòu)、組織和政府紛紛關(guān)注于食品和環(huán)境中納米顆粒的轉(zhuǎn)運以及健康效應(yīng)［27］，歐盟、美國均針對納米食品發(fā)布相關(guān)法規(guī)文件，要求對納米食品的風(fēng)險進(jìn)行評估和研究。DEKKERS等對食品中納米食品添加劑二氧化硅的風(fēng)險研究表明，食品添加劑二氧化硅E551可能對人體健康產(chǎn)生風(fēng)險，而對其風(fēng)險評估受到食品中納米二氧化硅的暴露劑量、代謝動力學(xué)信息以及納米二氧化硅的毒性等方面信息的制約［28］。Qasim Chaudhry等認(rèn)為盡管納米技術(shù)在全球食品領(lǐng)域應(yīng)用只在小規(guī)模和技術(shù)發(fā)展階段，但對納米材料的特性、性質(zhì)和效應(yīng)存在知識空白，對納米材料的使用，特別是不溶性、生物持久性的納米顆粒在應(yīng)用于食品必須關(guān)注其對環(huán)境和消費者健康的安全性［2］。納米食品的毒理學(xué)、毒物代謝動力學(xué)、遷移和暴露評估必須依賴對食品中納米顆粒檢測方法以及對復(fù)雜食品基質(zhì)中納米顆粒的鑒定，而當(dāng)前在這些方面均存在空白，使得對納米食品的消費風(fēng)險評估出現(xiàn)困難，從而阻礙了納米顆粒應(yīng)用風(fēng)險評估的發(fā)展。

3.2 應(yīng)用風(fēng)險

納米顆粒在食品領(lǐng)域應(yīng)用的風(fēng)險可以通過以下幾方面來評估。

3.2.1 理化性質(zhì)

通常對化學(xué)物的定性較為直觀，而在復(fù)雜基質(zhì)中鑒定納米材料則較為復(fù)雜。不同功能的納米顆粒如顆粒大小、大小分布、潛在聚集、表面電荷等在不同生物基質(zhì)中可能不同，取決于基質(zhì)中的化合物和熱動力學(xué)條件，而食品基質(zhì)中的納米顆粒也可能隨著食品加工過程而出現(xiàn)變化。

3.2.2 劑量

納米顆粒的大小尺度、總表面積、顆粒數(shù)目以及其他特性均能夠影響納米顆粒的毒性。毒理學(xué)試驗需要多個劑量參數(shù)進(jìn)行分析，從而確定因果關(guān)系，并使之有足夠的可信度，從而對食品中納米顆粒毒性進(jìn)行完全鑒定。

3.2.3 暴露評估

對納米材料的暴露評估與傳統(tǒng)化學(xué)物評估相同，但應(yīng)考慮特定食品的抽樣、復(fù)合樣品的變異、不同樣品含量的差異和消費資料與傳統(tǒng)化學(xué)物暴露評估可能不同。應(yīng)該綜合食品消費量和食品中納米顆?；蚧瘜W(xué)物含量的信息進(jìn)行暴露評估。

3.2.4 毒物代謝動力學(xué)

納米顆粒的特性能夠影響納米顆粒的吸收、分布、代謝和排泄(ADME)。ADME的信息對于納米顆粒的體內(nèi)分布、靶器官、毒性評價均有重要作用。

3.2.5 納米顆粒的安全性

納米顆粒比大顆粒更具有化學(xué)反應(yīng)性以及更容易進(jìn)入人體等特點，納米材料也很容易附著于身體或器官表面，這些因素以及小體積使得納米顆粒更容易為細(xì)胞和組織所吸收，從而影響人體健康。

3.3 使用建議

對納米顆粒的危害鑒定需要建立健康指導(dǎo)值如每日可接受攝入量或容許攝入量，這需要動物毒理學(xué)研究的資料，其關(guān)鍵效應(yīng)的無可見有害作用水平(NOAEL)或基準(zhǔn)劑量形成風(fēng)險評估的起始點。指導(dǎo)值應(yīng)特別考慮在納米傳導(dǎo)系統(tǒng)的生物活性物質(zhì)(或納米尺度生物活性物質(zhì))其生物利用率增加。

4 結(jié)語

當(dāng)前，納米技術(shù)在食品領(lǐng)域得到應(yīng)用，然而對納米食品的研究仍然存在知識真空，還有許多需要考慮和解決的問題。國際上納米產(chǎn)品已經(jīng)上市，并且具有快速增長的趨勢，對納米食品的監(jiān)管和風(fēng)險評估刻不容緩。同發(fā)達(dá)國家相比，我國在納米技術(shù)、產(chǎn)品加工能力、質(zhì)量控制、安全性評估等方面均處于劣勢，這可能使我國在國際貿(mào)易中遇到等價值、有效調(diào)控措施以及技術(shù)貿(mào)易障礙等問題。更為嚴(yán)重的是，由于我們?nèi)狈{米食品安全性的有效評估和監(jiān)管控制系統(tǒng)，我國可能成為納米食品更為開放的市場。因此，當(dāng)前需要對納米食品的安全性、食品標(biāo)簽、檢測標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行研究，增強(qiáng)公眾認(rèn)識納米食品的認(rèn)知，從科學(xué)研究、立法以及公眾的角度研究納米食品的安全性，避免納米食品成為轉(zhuǎn)基因食品的另一恐慌，從而更有效地促進(jìn)納米技術(shù)的發(fā)展。

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