納米食品加工技術(shù)及安全性評價

劉安然，李宗軍*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.食品科學(xué)與生物技術(shù) 湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128）

0 引言

在生產(chǎn)、加工或包裝過程中采用納米技術(shù)手段或工具的食品稱之為納米食品[1]，即采用納米技術(shù)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，通過改變食品的性狀或特性，從而改善食品風(fēng)味和營養(yǎng)，大大提高食品的生物利用率，再通過一些傳輸方式的改進，食品包裝的改善，延長食品貨架期[2].目前我國納米技術(shù)在食品工業(yè)中的運用還處于初級階段，但是已滲透到食品工業(yè)中的很多領(lǐng)域，其中以納米食品和納米保鮮技術(shù)尤為突出.納米技術(shù)在食品領(lǐng)域的研究開發(fā)將給整個食品行業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)和機遇.

現(xiàn)今在食品工業(yè)中采用的納米技術(shù)主要有超細粉碎法、高壓均質(zhì)法、噴霧干燥法、脂質(zhì)體包埋法、微乳液法、溶劑揮發(fā)法以及超臨界方法等.現(xiàn)階段的納米食品主要有納米膠囊，納米化食品營養(yǎng)成分食品添加劑等[1-3].目前市面上已以商品形式出現(xiàn)的有鈣、硒等礦物質(zhì)制劑，添加營養(yǎng)素的鈣奶與豆奶，維生素制劑各種納米功能食品等[4-11].

1 納米食品加工技術(shù)

1.1 微乳化技術(shù)和納米膠囊制備技術(shù)

兩種互不相溶的液體在表面活性劑的作用下形成的熱力學(xué)穩(wěn)定、各向同性、外觀透明或半透明、粒徑在l～100 nm 之間的分散體系為微乳液，從而稱這種技術(shù)為微乳化技術(shù).自20 世紀80 年代以來，微乳化技術(shù)的理論得到進一步的驗證，同時相關(guān)的應(yīng)用研究也迅速發(fā)展，已比較成熟地應(yīng)用于制備微膠囊、納米顆粒和納米膠囊[12-13].

納米微膠囊的概念是Narty 等[14]于1978 年提出來的，納米微膠囊具有顆粒微?。揭话阍?0～1 000 nm），易于分散和懸浮在水中，形成透明或半透明的膠體溶液的特性.同時納米微膠囊具有一定的靶向性，只有當(dāng)外界條件達到時才會釋放，能改變所載的藥物或食品功能因子的分布狀態(tài)，濃集于特定的靶組織，從而達到提高治療效果的目的.此外納米微膠囊以聚乳酸、明膠、樹膠、阿拉伯膠等生物降解聚合物為壁材料，因此，納米微膠囊的生物相容性較好，能在體內(nèi)降解，毒副作用小，現(xiàn)有制備納米微膠囊主要有乳液聚合法、界面聚合法、單凝聚法以及干燥浴法等制備方法[15].

納米微膠囊技術(shù)在食品中常被用于香精香料、固體飲料、粉末油脂及生物活性物質(zhì)的生產(chǎn).固體飲料通過納米微膠囊技術(shù)的制備后，產(chǎn)品具有液相中顆粒分布均勻，香味持久濃郁，在冷、熱水中均有良好的溶解性，色澤鮮亮與新鮮果汁相似，產(chǎn)品能長期保存的特點[16].若想提高粉末油脂的穩(wěn)定性，延長產(chǎn)品的貨架期，便于運輸、保存等優(yōu)點，也可以采用納米微膠囊技術(shù)，其主要原理是將原液狀油脂包裹在微膠囊中，使其與空氣、光線隔絕.在澳大利亞，一家知名的面包公司已經(jīng)成功地將油脂微膠囊技術(shù)運用于面包的生產(chǎn)中，他們將富含ω-3 不飽和脂肪酸的金槍魚魚油制作成納米微膠囊，并將其加入到面包產(chǎn)品當(dāng)中，這使得魚油要到達食用者胃部時才會釋放，避免了魚油在口腔中散發(fā)令人不愉快的異味[17].

1.2 納濾膜分離技術(shù)

納濾是一種膜分離技術(shù)，它介于超濾與反滲透，納濾膜所截留物的相對分子質(zhì)量為200～1 000，孔徑僅為幾納米.其是一層均勻的超薄脫鹽層，它比反滲透膜要疏松，而且過濾所需要的操作壓要比反滲透低.納米過濾膜主要可以應(yīng)用于一些生物活性較高的蛋白質(zhì)、維生素、肽類物質(zhì)及礦物質(zhì)等，同時也可以結(jié)合超臨界流體萃取技術(shù)和酶技術(shù)從食品或天然物質(zhì)中分離制備多種營養(yǎng)和功能性成分，如回收大豆低聚糖，提取免疫球蛋白等[18-20].目前納濾主要運用于濃縮乳清及牛乳、調(diào)味液的脫色、調(diào)節(jié)釀酒發(fā)酵液組分、濃縮果汁等[21].

新型納米級凈水劑具有吸附能力極強的特性，它能將污水中的懸浮顆粒、鐵銹等不良污染物去除，同時能很好地除去水中異味.具有納米孔徑的過濾裝置能很好濾去水中的細菌、病毒等有害物，同時又不損失其中的有利礦物質(zhì)元素.采用納米技術(shù)處理過的自來水無對人體有害的物質(zhì)及微生物，質(zhì)地清澈，無異味，成為可供人體直接飲用的純凈水[22].

1.3 納米催化劑技術(shù)

采用納米無機材料TiO2芯來陳化白酒的設(shè)備，同樣可應(yīng)用于葡萄酒和其他果酒的加工.納米無機材料TiO2具有很強催化能力，它的量子尺寸非常微小，使得原來準連續(xù)的能級變?yōu)殡x散的能級，能級與能級之間的間隙變寬，出現(xiàn)禁帶變寬的現(xiàn)象，空穴或者電子的氧化電位增大[23]，從而促進果酒中的酯化和氧化反應(yīng)的進行，大大縮短了果酒的陳釀過程，生產(chǎn)效率可以得到保障.同時通過納米機處理過的果酒能較快成熟，解決了果酒陳釀時間過長的問題[24].

酶作為一種天然的納米級生物催化劑，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于生物制藥、食品、化工、環(huán)保等領(lǐng)域.納米微粒體積小，表面積大，使得酶與反應(yīng)物的接觸面增大，提高了利用率和生產(chǎn)效率[25].將納米顆?；拿割愇镔|(zhì)固定在載體表面，可加強固定作用，因納米顆粒的表面積效應(yīng)，可增強吸附力，從而牢牢固定在載體上.在食品酶催化發(fā)酵生產(chǎn)中，酶促反應(yīng)受溫度的影響較大，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中常用外部加熱或冷凝控制發(fā)酵溫度，但這樣耗能又不易于控制溫度條件，同時酶還會受到發(fā)酵過程中產(chǎn)生的大量生物熱影響.將磁性納米顆粒與酶相結(jié)合制成磁性復(fù)合物，再外加電場的作用下，磁性復(fù)合物升溫，當(dāng)達到其特有的“居里溫度”[26]后，就會失去其磁性——停止升溫.利用這一特性可以制備出需要的溫度范圍內(nèi)的磁性酶復(fù)合物，用于發(fā)酵生產(chǎn)，有效地控制發(fā)酵溫度.

1.4 納米微粒制備技術(shù)

利用納米粉碎技術(shù)手段對物質(zhì)進行納米化，物質(zhì)經(jīng)過超細化處理后，比表面積增大，這使得物質(zhì)在加入到食品中或人體食用后顯示出獨特的理化性質(zhì).目前，最常用的制備方法為超細碾磨法.

利用超微技術(shù)制備超細綠茶粉[27]，研究表明，每克約1 000 nm 的超細綠茶粉比每克一般綠茶粉清除活性氧的能力提高了約100 倍.可能是由于超微粉碎的機械外力大量切碎細胞，破壞分子間的結(jié)合力，使結(jié)合態(tài)存在的大分子茶多酚物質(zhì)之間的化學(xué)鍵減弱或破壞，提高了游離茶多酚的浸出率，增強了茶粉的抗氧化能力[28].利用納米技術(shù)對大豆纖維進行處理后，大豆纖維即成為一種具有高活性的膳食纖維，可將其作為吸附劑和緩釋劑，用于保護易揮發(fā)的香味成分或使?fàn)I養(yǎng)成分按照人們的需求緩慢釋放[29].

1.5 納米材料的表征技術(shù)

目前已有一些分析手段用于分析檢測納米食品的理化性質(zhì).例如，利用掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）和原子力顯微鏡（AFM）3 種常見的成像技術(shù)可以觀察檢測出納米食品的一些性質(zhì)，3 種成像技術(shù)的特點、應(yīng)用、實際案例說明見表1.利用高效液相色譜（HPLC）（表2）、場流分級分離（FFF）、毛細管電泳（CE）（表2）、水動力色譜（HDC）、凝膠電泳（GE）可快速、靈敏、定量、無損傷地檢測不同環(huán)境中的納米顆粒；還可利用光子相關(guān)光譜（PCS）、質(zhì)譜（MS）、分析性超濾（AU）、核磁共振（NMR）、X 射線衍射（XRD）和小角度X 射線散射（SAXS）幾種常見的表征技術(shù)，對納米顆粒的理化性質(zhì)進行檢測.利用成像、分離和表征技術(shù)3種分析手段，就基本可以檢測出納米食品中納米顆粒理化性質(zhì).

表1 3 種成像技術(shù)的比較

表2 兩種常用分離分析技術(shù)的比較

2 納米食品的安全性評價

在加工處理過程中采用納米技術(shù)而產(chǎn)生的食品稱之為納米食品，在食品中包含納米顆粒是納米食品的重要標(biāo)志.物質(zhì)的粒徑變小是把雙刃劍，它在帶來新的特性和活性的同時也伴隨著安全隱患.納米顆粒極其微小，它更容易被人體消化吸收，進入人體血液和各個組織器官；雖然化學(xué)組分未發(fā)生變化，但由于比表面積增大，表面結(jié)合力和化學(xué)活性增加，使其在機體內(nèi)的生物活動性、靶器官和暴露途徑發(fā)生改變，從而產(chǎn)生的生物效應(yīng)會被放大[35-36]，這使得納米顆粒對人體健康存在潛在危害，同時，粒徑減小使得食品原料自身所帶的毒素、殘留農(nóng)藥和重金屬成分更易被吸收，增加了納米技術(shù)在食品工業(yè)中應(yīng)用的風(fēng)險.一般來說，納米顆粒的毒副作用與其顆粒的尺寸大小密切相關(guān).隨著納米技術(shù)在食品工業(yè)中應(yīng)用的不斷深入擴大，這就急切地需要一些實際可行的安全風(fēng)險評估方案.

2.1 納米食品的安全性風(fēng)險

顆粒粒徑的減小是引起納米食品安全性問題的主要原因.一般情況下納米食品不會表現(xiàn)出毒性，但納米食品的潛在毒性、在生物體內(nèi)的富集及對食物鏈的影響，人們卻不甚了解，有研究者稱這種毒性為“生態(tài)毒性”.一方面粒徑的減小，使食品的營養(yǎng)成分得到充分地吸收利用，同時也使得食品原料本身具有的毒素，殘留農(nóng)藥和重金屬成分在人體內(nèi)的吸收和富集.

納米顆粒尺度微小，比大顆粒更容易快速擴散.它可借助特異性大分子如蛋白質(zhì)和多肽直接進入上皮細胞.同時也可通過跨細胞途徑被吸收，這使得細胞屏障（如細胞膜）不能阻止納米顆粒的擴散吸收[37].納米顆粒的特性（尺度、表面電荷、功能成分等）使得其無明顯的刺激性，這樣就延長了食品在胃腸道的停留時間，大大增加反應(yīng)表面積和反應(yīng)時間，再通過毛細血管進入血液循環(huán)，穿過生物膜進入細胞、器官組織，在人體器官、神經(jīng)系統(tǒng)和血液中蓄積[38-40]，導(dǎo)致人體對含有納米顆粒的食物吸收過量.近年來有研究表明，達到一定尺度的納米粒子可以透過“肺—血屏障”、“血—腦屏障”、“血—睪屏障”和“胎盤屏障”[41-42]，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、精子的生成和活力，以及胚胎發(fā)育造成不良影響.

由于納米顆粒的獨特性，它能夠比較容易透過生物膜上的孔隙，使人體的防御能力降低，進入細胞和線粒體、細胞核、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細胞器，與生物大分子結(jié)合或催化化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致氧自由基水平上升，造成細胞損傷，研究指出，用標(biāo)記的SiO2納米顆粒顯示小于70 nm 的粒子能進入細胞核，若納米顆粒在核內(nèi)積聚會引起DNA 復(fù)制轉(zhuǎn)錄過程的損傷[43].同時，納米顆粒進入細胞后會干擾細胞正常的生命代謝活動，產(chǎn)生炎癥蛋白，破壞線粒體的主要結(jié)構(gòu)，甚至引起細胞的死亡.

血腦屏障主要由內(nèi)皮細胞通過緊密連接組成，可限制大分子或親水性的物質(zhì)通過，是分離血液與腦脊液的特殊系統(tǒng)，從而保護大腦免受外來化學(xué)物的傷害.大多數(shù)分子不能通過血腦屏障，但是多種代謝動力學(xué)研究表明具有親脂性、可溶的主動運轉(zhuǎn)的納米顆粒（＜500 Da）卻可通過血腦屏障[44].如二氧化鈦、氧化錳、銀等納米顆粒則可以進入體內(nèi)而造成大腦細胞的損傷.在動物試驗中也表明，二氧化硅、氧化錳等納米顆粒可在動物大腦皮層和小腦中檢測到.

2.2 納米食品的安全性評價

納米技術(shù)是一種新興技術(shù)，納米技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用才開始起步，有待進一步的研究完善.納米食品如同轉(zhuǎn)基因食品一樣，其安全性和可接受性一直受到消費者和研究人員的高度關(guān)注.然而納米食品的安全性評價和危險度評估在技術(shù)上，如理化特性的鑒定、劑量標(biāo)準、暴露評估、試驗方案等還存在很多問題.2009 年2 月，歐盟食品安全局（EFSA）組織相關(guān)科學(xué)家對納米技術(shù)在食品和飼料中應(yīng)用的安全隱患進行了討論研究并做出報告.該報告指出有限的信息提供造成了納米材料的風(fēng)險評估的不確定性，對于納米材料在食品或生物組織中的理化特性以及毒物代謝動力學(xué)、毒理學(xué)的分析檢測信息極度缺乏使研究人員無法指定一套有效、完整的評估方案[45].納米顆粒危害鑒定需要建立健康指導(dǎo)值，例如：每日可接受攝入量、最高攝入量、適宜攝入量等，這需要以動物毒理學(xué)研究數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，而其關(guān)鍵效應(yīng)的無可見有害作用水平或基準劑量形成風(fēng)險評估的起始點[46].在確定指導(dǎo)值時，應(yīng)特別考慮納米傳導(dǎo)系統(tǒng)中生物活性物質(zhì)（納米尺度生物活性物質(zhì)）生物利用率的增加.

3 結(jié)束語

納米技術(shù)的產(chǎn)生的各個行業(yè)都產(chǎn)生了巨大的影響，它日漸改變著人們的生活，促進了社會的發(fā)展，是科學(xué)技術(shù)的一次革新.納米食品加工技術(shù)，不僅僅是一種食品加工技術(shù)的革新，它從本質(zhì)上改變了食品的屬性，是宏觀到微觀的改變，促進了食品工業(yè)的發(fā)展.納米食品的興起，不僅使得食品更具多樣化，還對我們的食品安全監(jiān)管能力和食品檢測技術(shù)發(fā)起了挑戰(zhàn).納米食品的安全性評價體系的完善將是一個從長期的持續(xù)的過程.維蒙特大學(xué)的消費經(jīng)濟學(xué)家科洛丁斯基在佛羅里達州奧蘭多市的食品安全大會上說，納米技術(shù)是一種新的基因工程[47].如果能夠很好地將納米技術(shù)運用于食品工業(yè)中，這將是食品領(lǐng)域的一大突破，伴隨而來的巨大市場也是不可估量的.雖然納米技術(shù)在食品工業(yè)的多個領(lǐng)域已得以應(yīng)用，但是對于納米食品的研究仍然存在較多空白和缺陷.目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種納米食品，并且具有快速增長的趨勢，急切地需要人們對納米食品進行有效地風(fēng)險評估和監(jiān)督管理.同發(fā)達國家相比，中國對納米食品的安全評估和監(jiān)管控制還不夠規(guī)范、完善、系統(tǒng)化.這需要國家相關(guān)部門和科學(xué)研究團隊共同努力，從而更有效地推動納米技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，使納米食品更具營養(yǎng)和更加安全.

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