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纳米技术在食品科学上的应用与研究进展

2023-09-02 来源:易榕旅网
纳米技术在食品科学上的应用与研究进展 陈月玲 (肇庆市农业学校,广东肇庆526070) 摘要:纳米技术是纳米尺度理解、控制和操纵物质世界的一项科学技术,已被广泛应用在原料化工、医药、通 讯和能源等领域。综述了纳米技术及其在食品加工、食品包装、食品机械和食品检测等方面的新应用,简要地 提出了其今后的发展趋势,并认为有必要对纳米食品的生产和使用制定相应的规范和标准。 关键词:纳米技术;食品ill_T_;食品包装;食品机械;食品检测 中图分类号:TS201.1 文献标志码:A doi:10.3969/jissn.1671-9646(C).2011.08.009 Nanotechnology Applications in Food Science and Research Chen Yue]ing (Zhaoqing Engineering School,Zhaoqing,Guangdong 526070,China) Abstract:Nanotechnology is a science and technology understanding at the nanoscale,control and manipulate the physical world,the raw materials have been widely used in chemical,pharmaceutical,telecommunications and energy ifelds.This paper briefly presented new applications of nanotechnology in food processing,packaging,machinery, testing and other aspects,its future Rends.The author thinks it necessary to develop appropriate norms and standards for ofod production and use of nanotechnology. Key words:nanoteehnology;food processing;food packaging;food machinery;food testing 具有很强的吸附性和很高的活性,纳米材料的特殊 0引言 效应使其在食品加工及包装领域有着极其广阔的应 纳米科学、工程与技术经常简称为纳米科技, 用前景。本文主要介绍和论述纳米技术及其在食品 它是一门新兴的学科,是想象、构建、控制和利用 加工、食品包装、食品机械和食品检测等方面的新 直径大约在1—100 llm的物质,这些物质奇特的界 应用。 面现象能产生新的特性与功IIIiitn。由于纳米材料表 1 食品纳米技术和纳米食品的定义 现出来的新特性、新功效,纳米技术的迅速发展将 引发一场新的工业革命,已被广泛应用在原料化 1.1纳米科技 工、医药、通讯和能源等领域翻,纳米科技正成为 纳米科技是指在纳米尺度(<100 nm)理解、 继信息科技、生物科技之后,广受各国看好的重点 控制与操纵物质的科学技术,包含基础与应用研 科技之一。 究,可以应用于食品工业的原料制备、产品应用、 纳米技术具备促进食品传统工业快速发展的巨 理化分析、安全检测等方面,是目前除了保健食 大潜力,它可以帮助人类在纳米尺度范围内认识和 品外最热门与重要的高新技术【 。经过微细化处理 改造自然,即在生产过程中直接操纵原子、分子的 的纳米材料具有特殊的表面、体积与量子效应, 排布,从而制造出具有特定功能的新产品【”。由于 进而会表现新的特性与功效,因此,纳米技术的 纳米材料具有较大的比表面积和小尺寸效应,因而 目标是利用纳米结构所具有的特性,开发具有特 收稿日期:2011-07—04 作者简介:陈月玲(1970-),女,广东人,讲师,研究方向:食品加工。E-mail:26022366@qq.conr。 76 I 定功能的产品。 剂和缓释剂使用,保护易挥发的香味成分和需要缓 1.2食品纳米技术 食品纳米技术包含微结构修饰或纳米设备应用 技术。 慢释放的营养成分 。将碳酸钙纳米化后制成钙制 剂,有更强的亲水性,碳酸钙分子有更活泼的化学 性质,更易被人体吸收,研究发现其98%的有效成 分可被吸收。硒是一种抗氧化酶的活性中心物质, 缺硒对人体免疫系统有一定影响,但过量对人体有 一1.3纳米食品 纳米食品是指在生产、加工或包装过程采用食 品纳米技术的食品州。纳米食品有广义和狭义之分, 定的毒副作用,而经纳米技术处理后的纳米硒则 从广义来说,在食品生产、加工和包装中利用了纳 米技术的食品都可以称为纳米食品;从狭义来说, 只有对食品成分本身利用纳米技术改造和加工的产 品,才称得上是纳米食品。目前所谓的纳米食品均 为广义上的纳米食品,主要集中在食品包装中利用 纳米技术延长货架期。 纳米技术在纳米食品加工、纳米包装材料、纳 米检测技术等方面的研究尤为活跃,成为纳米技术 在食品212业应用的研究热点。目前,市场上的纳米 食品主要有钙、硒等矿物质制剂,维生素制剂,添 加营养素的钙奶与豆奶,以及纳米茶和各种纳米功 能食品四。 2纳米技术在食品科学上的应用 目前,纳米技术已与众多学科进行了交叉,同 样渗透到了食品领域,引起了食品加工的巨大变 革,给食品工业的发展带来了新的曙光。纳米技术 在食品上的研究和应用主要包括纳米食品加工、纳 米包装材料、纳米机械和纳米检测技术等方面。 2.1食品加工 2.1.1纳米加工技术 用纳米技术对食物进行分子、原-y:-_的重新编 程,使得某些物质结构发生改变,从而能大大提高 某些成分的吸收率,加快营养成分在体内的运输, 提高人体对矿质元素的吸收利用率,延长食品的保 质期[al。 目前,利用纳米技术对淀粉、大豆纤维 矿物 质和维生素等成分进行纳米化。淀粉经纳米化后, 极大改善了它的老化、溶解、膨胀及增稠等性质, 提高了淀粉在食品加工上的使用性能嘲。大豆纤维 纳米化后,成为一种高活性膳食纤维,可作为吸附 成为低毒高效的物质,有护肝、抑制肿瘤和免疫调 节的作用。人体对铁的吸收利用与其颗粒度密切相 关,将铁粉制成纳米级颗粒后添加到食品中,能进 一步提高铁粉的相对利用度,并改善铁粉的其他应 用性能。与普通锌制剂相比,纳米锌制剂具有生物 活性高、吸收率高、安全性能好,以及能促进其他 养分的吸收,促进和调节动物机体代谢等功能[sl。 纳米维生素中的脂溶性维生素是亲油性的,又处在 胶体分散状态,是一种热力学稳定体系,并且改善 了其在体内的药物动力学特性。而纳米级的水溶性 维生素可以增加与胃肠道细胞的有效接触面,所以 使纳米维生素的吸收率和生物利用率都得到很大提 高;此外,纳米维生素的安全性、稳定性、高 ̄tffr 性都是普通单一或复合维生素不可比拟的is]。 2.1.2纳米过滤膜 用纳米膜技术可以分离食品中的多种营养和功 能性成分,且分离纯化效果良好。纳米过滤膜是介 于超滤和反渗透之间的一种膜分离技术,它的孔径 为几纳米。目前,纳米过滤已用于浓缩乳清、牛 奶,调味液脱色,提取鸡蛋黄中的免疫球蛋白,回 收大豆低聚糖,调节酿酒发酵液组分,浓缩果汁, 分离氨基酸等方面 。 纳米过滤可以去掉红酒里的红色素,利用这种 纳米过滤器,可以从牛奶中萃取乳糖并换以其他糖 5-J",从而使那些不能食用过多乳糖的人可以享用各 种牛奶,这意味着在食品加工过程中不必再用化学 制品和加热的方式来处理食品。经过精确的工程改 造,纳米过滤器可以消灭牛奶或水中的杂质及所有 细菌和病毒,而使矿物质得到保留,用不着把牛奶 或水烧开就可以直接饮用 。 2.1.3纳米包埋技术 f 77 将纳米技术、生物技术和食品工程结合起来, 间过长的问题【・41。 可研发具有提高营养、增强体质、防止疾病、恢复 2.2食品包装 健康、调节身体节律和延缓衰老等功能的保健食品 和保健用品。 在食品包装领域,运用纳米技术研发的包装系 统可以修复小的裂口和破损,可以适应环境的变 纳米包埋技术可以用于果蔬汁和营养素的生 化,并且能在食品变质时提醒消费者。 产。采用天然脂质材料包裹成纳米微粒、再制成食 2.2.1抗茵防腐的纳米包装材料 品,能改进其口味和加快它在体内的运输,并且具有 纳米技术可以改进包装的渗透性、提高阻隔 缓释功能,使其进入人体后的滞留时间延长2倍~ 3倍,有利于人体的吸收,而且微粒不受肠道各种生 物因子的破坏,生物利用率可提高1.8倍~2.2倍脚。 硫辛酸是一种抗氧化能力非常强的天然抗氧化剂, 在肝脏、菠菜及西红柿等动植物组织中均有分布。 硫辛酸和二氢硫辛酸的联合作用几乎可以清除体内 所有的自由基,利用聚合纤维素脂包埋硫辛酸制成 的纳米粒,可以提高硫辛酸的保质期和改善其被氧 化后的刺鼻气味,同时可避免其在胃肠道上降解, 从而提高其生物利用率。硫辛酸通过纳米微胶囊技 术处理,为硫辛酸的保健应用带来生机【lll。 2.1.4纳米添加剂 纳米技术对传统食品的改造,如在罐头、乳 品、饮料等生产中运用纳米技术,使其性能根据需 要进行不同程度的改善,并得到合理的性价比,是 纳米食品应用领域的一个重要方面。 纳米技术运用于食品添加剂的生产,可以减少 添加剂的使用数量。纳米级添加剂能很好地分散在 食品中,其利用率提高,同时可以利用超微粉粒的 缓释作用来保持其较长功效【 。 2.1.5纳米催化技术 酶是天然存在的纳米级生物催化剂,被广泛应 用于生物制药、食品、化工等领域,但由于酶的稳 定性差和使用寿命短等问题,限制了其应用效率。 因此,将纳米材料固定化酶用于食品工业,由于纳 米微粒小,表面极大,既可以提高酶的稳定性,又 可以提高酶的生产效率和利用率【l3】。以纳米无机材 料TiO 芯制成的白酒陈化设备,用于葡萄酒和其他 果酒的加工上,可使酒的物质性质发生变化,催化 果酒中的酯化和氧化反应,加速果酒的陈酿过程, 缩短陈酿时间,提高生产效率,解决了果酒陈酿时 78 性、改进抗损和耐热,形成抗菌表面,防止食物发 生变质。近几年来,国内外研究最多的纳米材料是 聚合物基纳米复合材料(PNMc),即将纳米材料以 分子水平(10 nm数量级)或超微粒子的形式分散 在柔性高分子聚合物中而形成复合材料。常用的聚 合物有PA、PE、PP、PVC、PET、LCP等【1 ;常用 的纳米材料有金属、金属氧化物、无机聚合物等三 大类。目前根据不同食品的包装需求,已有多种用 于食品包装的PNMC面市,如纳米A PE类、纳 米TiO厂PP类、纳米蒙脱石粉—PA类等,其某些 物理、化学、生物学性能有大幅度提高,如可塑 性、稳定性、阻隔性、抗菌性、保鲜性等,在啤 酒、饮料、果蔬、肉类、奶制品等食品包装工业中 也已开始大规模应用,并取得了较好的包装效果。 在包装材料(如塑料及复合NN)中加入纳米微 粒,使其产生了除异味和杀菌消毒的作用,可大大 延长食物的保存期,提高包装食品的货架寿命。如 用硅和钛制成的纳米包装,可以杀死细菌并提高许 多人造食品(即使这些食品已经开-N)的保质期。 2.2.2纳米包装的新特性 纳米技术在包装材料上的应用,赋予了包装材 料很多新特性。如添加0.1%~0.5%的纳米TiO:制成 的包装材料,可以防止紫外线引起的肉类食品的自 动氧化变质,保护维生素和芳香物质不受破坏[91, 保持食品的营养价值。中科院化学所工程塑料国家 重点实验室制备了PET纳米塑料,可以代替玻璃啤 酒瓶,贮藏啤酒四五个月而保持其口味新鲜。 塑料包装材料对环境造成的严重白色污染,是 当今世界各国在工业化之后遇到的最严重的环境和 社会问题之一,而纳米技术在塑料包装上的应用可 以有效解决这个问题。最新研究发现,将生物可降 解淀粉和黏土制成纳米膜,其机械性能和食品包装 溶出试验均达到欧盟x-j生物可降解材料的要求,可 望用于食品包装 61。 2.2.3果蔬防腐保鲜 保、高效等特点。而与传统橡胶相比,纳米改性橡 胶各项指标均有大幅度提高,尤其抗老4-1=性能可提 高3倍,使用寿命长达30年以上,且色彩艳丽, 保色效果优异。 2.3.2食品机械涂料 纳米抗氧化剂、抗菌剂和保鲜包装材料可提高 新鲜果蔬等食品的保鲜效果和延长货架寿命,保留 在食品加工车间,为了保证食品的卫生条件, 同时又易于清洗,所以要求食品机械既疏水又能避 其更多的营养成分。纳米系列银粉不仅具有优良的 耐热、耐光性和化学稳定性,而且具有抗菌时间 长、对细菌和霉菌等均有效的特点,添加到食品中 可保持长期抗菌效果,且不会因为挥发、溶出或光 照而引起食品颜色改变或污染;还可加速氧化果蔬 释放出乙烯,减少包装中的乙烯含量,从而达到良 好的保鲜效果。纳米保鲜膜对葡萄灰霉菌的抑制率 达67.9%;用于巨峰葡萄保鲜,40 d的腐烂率仅为 约2.3%,总有效率达95%;用于贮藏富士苹果, 保质期可达208 d;此外对蒜薹、菜花、青椒、桃 等多种果蔬保鲜的效果突出【 。用添加了纳米钛和 纳米硅的复合保鲜液对水果进行涂膜保鲜,可减少 水果的失水率,降低其呼吸强度和腐烂率。 2.2.4可食性纳米复合包装材料 现在还开发出可食性纳米复合包装材料,它是 能在食品各部分之间提供间隔的薄膜。可食性包装 一般是将包装材料通过刷涂、喷、蘸浸或液化等方 式直接生成在食品表面。可食性包装膜的组成主要 有水溶性聚糖和酯类。聚糖包括纤维素、藻酸盐等, 动物或者植物油脂也都能用于可食性包装膜的制备。 2.3食品机械 2.3.1食品机械中的应用 纳米技术在食品机械中的应用主要是作为食品 机械的润滑剂、纳米磁致冷工质和食品机械原材料 中橡胶和塑料的改性。食品机械工作环境恶劣,对 润滑剂要求较高,而通常润滑剂易损耗、易污染环 境。磁性液体中的磁性颗粒尺寸仅为10 nm,因此 不会损坏轴承,而基液亦可用润滑油,只要采用合 适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的部位, 保证了机器的正常运转。纳米磁制冷工质食品冷冻 和冷藏设备又开辟了新的食品)Jn-r:贮藏技术,与通 常的压缩气冷式制冷方式相比,它具有节能、环 免油污的污染,这就要求食品机械涂料能具有这些 功能,纳米无机抗菌技术就是结合了抗菌制备设 备、金属离子抗菌技术和纳米级粉体抗菌制备技 术,制成纳米界面涂料,其界面为超双亲性二元协 同界面,达到了既疏水又避油污翻的要求,以保证 食品的卫生条件。 2.4食品检测 纳米技术与生物学、电子材料相结合,制备出 的新型传感器件可用于对食品的快速检测。目前食 品检测分析一般采用化学分析法(CA)、薄层层析 法(TLc)、气相色谱法(GC)、高效液相色谱法 (HPi ̄c),但这些检测法需要繁琐、耗时的前处理, 样品损失也较大。相x,l-于灵敏度较低的CA和TLC 方法,GC和HPLC的灵敏度较高,但操作技术要 求高、仪器昂贵,并不适合现场快速测定及其普 及。而纳米材料本身就是非常敏感的化学和生物传 感器,与生物芯片等技术结合,可以使分子检测更 加高效、简便。纳米生物传感器已应用在微生物检 测、食品检测和体液代谢物监测等方面。所有用于 生物传感的纳米材料或器件的结构都有2个特点: ①它们含有针对分析物的特定的识别机制,比如抗 体或酶;②它们可以从分析物中产生独特的标志信 号,并且这种标志信号n-I以由纳米结构自身产生或 者由纳米结构固定的分子或含有的分子产生。 纳米生物传感器既可以提高检测的灵敏度,又 可以大大减少检测所需的时间。近年来,快速、灵 敏地检测出致病菌对食品安全十分重要,必须发展 用于食品安全的纳米级传感技术,如快速识别与检 测方法能使食品加工企业检浈4出问题,并在加工过 程中取得立竿见影的效果;还有贯穿于从农田到餐 桌的食品消费链的食品质量变化管理的传感器。另 I 79 外,开发用于纳米传感器和生物传感器样品的制备 性发现中获益。 技术要求严格。现在QCMDNA传感器已用于对典 型的食品致病菌(大肠杆菌O157:H7)的检测; 刘彩云,周围,毕阳,等.纳米技术在食品工业中的应 用[J】.食品工业科技,2005,26(4):185—186. 张崇才,赵志伟.纳米技术及其应用前景[J].材料导 报,2004,18(增刊1):19—21. 参考文献: 纳米DNA传感器也用于对转基因大豆产品的检测。 在食品检测中,纳米仿生技术在理解和识别病原 体、检测食物腐败等方面具有潜在的应用前景。已 通过模仿生物体而研制出了“电子鼻”和“电子 舌”【 。具有化学敏感性的“电子舌”可用于检测 小含量的化学污染,识别食物和水中的杂质,控制 食品风味质量; “电子鼻”可以识别食物中病原体 产生的挥发性物质,从而判定食物是否腐败变质。 3纳米技术在食品科学上应用的前景 近年来,纳米技术在医药中应用的许多研究成 】 】 p 1 】 】 果正在逐步应用于食品行业,从而改进了食品工 艺,并开发出一些新型食品,部分纳米食品已开始 投入市场,目前纳米食品产品种类已超过300种, 一些带有纳米级别添加剂的食品和维生素已经实现 商业化。尽管纳米技术在食品行业中的应用启动 慢,但未来,尤其是在如下的领域有着巨大的前 景:①利用食品基质作为生物活性物质的转运工具 这样的方式来提高食品健康水平;②开发可用于生 产新的和独特的风味、结构的食品功能强化剂成 分;③开发具有强化防护或自封堵性能的纳米结构 新材料;④具有抗菌性能的材料可在食品生产中用 于具有自消毒功能的接触面( ̄ngZ装和9u-r设备); ⑤新的加工技术;⑥先进的管理和报警工具,包括 用于食品安全、货架期和品质管理的纳米传感器。 新技术的诞生都会遇到各种挑战。目前急需完 善一些由于纳米技术的发展将大大改变的食品行业 中现行的操作方法,同时还需要对食品行业的规则 和立法进行大幅度修改。为了人类的健康,对于纳 米技术产品,尤其是纳米粒子的毒性的评估还需要 深入的研究。鉴于品控和环境管理的目的,相当的 检测方法也需要跟进。在纳米产品和技术商业化之 前,研究者和企业都有义务积极主动地应对任何可 预见的安全问题。总而言之,纳米技术有着惊人的 利益,食品行业也急切盼望尽可能多地从它的变革 赵树朋,杨玉瑛,屈平,等.纳米技术在农业工程中的 应用[J].农机化研究,2006(2):119—120. 吴斌,赵晰,马惠蕊.纳米食品及其重要意义[J].食 品研究与开发,2003,24(2):11-13. 李华佳,辛志宏,胡秋辉.食品纳米技术与纳米食品研 究进展[J].食品科学,2006,27(9):271—273. 】 】 】 ] 刘宏.纳米技术与食品加工业【。lJ】.中国农业信息, 1 2 n  2004(9):44. 杨敏,马永全,于新.纳米技术在食品加工业中的应用 与研究进展[J】.广东农业科学,2010(4):151—156. 赵成萍,田野.纳米级维生素的研究[J】.饲料工业, 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