纳米技术在食品工业中的应用解析.docx

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纳米技术在食品工业中的应用解析

摘要

食品是人类生活中不可缺少的重要组成部分，在把原材料加工成食品的过程中需要许多的工序及其机械设备，把纳米技术应用到这些步骤上将会大大的提高效率及成品的质量。

纳米科技是在纳米尺度理解、控制和操纵物质世界的一项科学技术。

纳米技术是20世纪80年代末、90年代初迅速发展起来的一项高新科学技术，许多国家均把其列入国家重点研究领域，每年投入大量人力和物力对其进行基础和应用研究。

纳米技术已广泛应用于材料、化工、医药、通信、能源等领域，近年来纳米技术在医药上的许多研究成果正逐步地应用于食品行业，使食品工艺得到了改进，生产效率得到了提高，还开发、生产了许多新型的食品以及具有更好的功效和特殊功能的保健食品。

2003年9月，美国农业部首次展望了纳米技术在农业和食品上的应用前景，认为纳米技术将改变食品生产、加工、包装、运输和消费等各个环节，从而改变整个食品工业，本文对纳米及纳米技术进行了简单介绍，针对纳米技术在食品工业中的应用就纳米技术在食品包装材料、食品机械、食品检测、食品加工及其纳米食品等方面的应用加以综述。

关键词：

纳米技术食品工业应用

Abstract

Foodisthehumanitylivestheessentialimportantconstituent,inprocessesrawmaterialfoodintheprocesstoneedmanyworkingproceduresandthemechanicaldevice,appliesananotechnologythesestepgeneraltobeablebigtoenhancetheefficiencyandtheendproductquality.Ananometerscienceandtechnologyisinthenanometercriterionunderstanding,thecontrolandanoperationmaterialworldscienceandtechnology.Ananotechnologyisahighnewscienceandtechnologywhichattheendof1980s,atthebeginningofthe90'sdeveloprapidly,manycountriesincludeitthecountrykeyresearcharea,throwstheNationalPeople'sCongressquantitymanpowerandthephysicalresourceeveryyearcarriesonthefoundationandtheappliedresearchtoit.Ananotechnologyhaswidelyappliedindomainsandsoonmaterial,chemicalindustry,medicine,correspondence,energy,inrecentyearsananotechnologygraduallywasapplyingonthemedicinemanyresearchresultsinfoodprofession,enablefoodcrafttoobtaintheimprovement,theproductionefficiencyobtainedtheenhancement,butalsodeveloped,hasproducedmanynewfoodsaswellashasabettereffectandthespecialfunctionhealthfoods.InSeptember,2003,theAmericanMinistryofAgriculturehasforecastananotechnologyforthefirsttimeonagriculturalandfoodapplicationprospect,thoughtananotechnologywillchangefoodproduction,theprocessing,thepacking,thetransportationandtheexpenseandsooneachlink,thuschangedtheentirefoodindustry,thisarticlehascarriedonthesimpleintroductiontonanometerandananotechnology,inviewofananotechnologyinthefoodindustryapplicationonananotechnologyinfoodaspectandsoonpackingmaterial,foodmachinery,foodexamination,foodprocessingandnanometerfoodapplicationssummarized.

Keywords:

NanotechnologyFoodIndustryApplication

前言

目前食品工业正在努力将纳米技术用于从农庄到餐桌的全过程。

由专业咨询公司HelmutKaiser进行的调查研究预测，纳米食品的市场将从2004年的26亿美元发展到2010年的204亿美元。

该调查报告认为，到2010年，亚洲将成为纳米食品的最大市场[1]。

纳米食品是采用纳米技术对食物进行分子、原子的重新编程，使某些结构发生改变所制成的食品。

纳米技术的应用大大提高了某些成分的吸收率、降低保健食品的毒副作用、加快营养成分在体内的运输、提高人体对矿物质元素的吸收利用率、延长食品的保质期。

由此可见，在食品产业纳米技术有巨大的发展潜力。

目前纳米技术在食品加工、包装材料、检测技术等方面的研究尤为活跃，成为纳米技术在食品工业中应用的研究热点。

本文针对纳米技术及其在食品工业中的应用加以综述。

1纳米与纳米技术

“纳米”是英文nano的译名，是一种长度单位，原称毫微米，即10-9米。

lnm的长度约相当于3～5个原子紧密地排列在一起所具有的长度。

纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。

从具体的物质来说，假设一根头发的直径为0.5×10-4米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度即约为1纳米；如果将一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。

纳米科学与技术,有时简称为纳米技术,是研究结构尺寸在0.1～100纳米范围内材料的性质和应用。

纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。

2纳米材料的特性

物体的表面积与体积之比称为物体的“比表面积”。

一般球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积与直径成反比。

随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子的大小所占的百分比将会显著增加。

超微颗粒的表面与大颗粒物体的表面是十分不同的[2]。

用高倍率电子显微镜对金属超微颗粒进行电视摄像和实时观察，发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体、十面体、二十面体）。

这种状态既不同于一般固体，又不同于液体，这是一种准固态。

在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态。

尺寸不小于10纳米后就看不到这种颗粒结构的不稳定性，故不小于10纳米的微颗粒具有稳定的结构状态。

对于构成纳米材料的超微颗粒而言，尺寸变小，其比表面积必然显著增加，从而引发种种“小尺寸效应”，产生出一系列特殊的性能。

2.1具有很高的活性

纳米超微颗粒很高的“比表面积”决定了其表面具有很高的活性。

利用这一特性可生产出高效的纳米催化剂用于食品加工中可大大改善普通催化剂的不足之处。

2.2特殊的磁学性质

磁性超微颗粒实质上就是一个生物磁罗盘。

通过电子显微镜观察表明，生活在水中的趋磁细菌体内通常含有直径约为微米级的磁性氧化物颗粒，趋磁细菌就依靠它而游向营养丰富的水底。

人们发现小尺寸磁性超微颗粒与大块磁性材料有显著不同，大块纯铁的磁矫顽力约为80安/米，而当颗粒尺寸减小到2×10-2微米以下时，其矫顽力可增加1000倍。

若进一步减小其尺寸，大约小于6×10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。

利用超顺磁性将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体，可用于真空封接和润滑。

2.3特殊的力学性质

陶瓷材料在通常情况下一般呈现脆性，由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。

美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不会断裂。

人的牙齿之所以具有很高的强度，就是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。

呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。

金属—陶瓷复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质。

此技术的应用可令易碎的陶瓷变的具有韧性，使其在食品工业中成为一种重要的包装及机械材料。

3纳米技术在食品工业中的应用

纳米技术的出现为食品工业的发展提供了一个崭新的平台。

纳米技术使基因工程变得更加可控，人们可根据自己的需要，制造多种多样、便于人体吸收的纳米生物“产品”。

用纳米生物工程、化学工程合成的“食品”将极大丰富食品的数量和种类。

其中纳米技术在食品包装材料、食品机械、食品加工、食品检测中的应用则占据着举足轻重的地位。

3.1在食品包装材料上的应用

传统的食品包装经常使用的一种聚酰胺塑料薄膜，是用普通聚酯胺6（即尼龙6）制成，可使食物与空气隔绝开，避免氧化作用使食物变质。

但它对氧气、二氧化碳的阻隔性并不理想，对水的阻隔性则更差。

采用纳米复合技术制成的聚酯胺6纳米塑料（NPA6），其氧气透过率与普通聚酯胺6相比可降低一半，水蒸汽的透过率也大大降低。

在食品包装领域，采用纳米技术研发的包装系统可以改善包装材料的性能，延长其使用寿命，实现包装的抗菌透气性[1]。

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（10nm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的复合材料。

常用的纳米材料有金属、金属氧化物、无机聚合物等，而常用的高分子聚合物有PA，PE，PP，PVC，PET，LCP等。

根据不同食品的特性与包装要求，已有多种PNMC（如纳米Ag／PE类、纳米TiO2／PP类、纳米蒙脱石粉／PA类等）用于食品，如啤酒、饮料、果蔬、肉类、奶制品等的包装，取得了较好的包装效果。

研究结果表明，与普通包装材料相比，纳米包装材料在某些物理、化学、生物学性能上有大幅度提高，如可塑性、稳定性、阻隔性、抗菌性、保鲜性等。

如胡秋辉等研制的一种新型纳米包装材料用于绿茶的包装时，纳米包装的透湿量、透氧量分别比普通包装的低28.0％和2.1％，纵向拉伸强度比普通包装的高24.0％，而且茶叶有效成分的保留率有所提高，因此，该纳米材料可有效提高绿茶的保鲜品质。

在食品保鲜杀菌方面,运用纳米技术在包装材料中添加特殊性能的填充材料或在材料表面涂上一层特殊的纳米涂层,生产出的纳米功能性材料具有除味、杀菌、自动消毒的效果,从而延长了食品储存期提高食品的食用品质。

如用纳米TiO2和纳米ZnO4等作光催化杀菌剂制成的纳米材料，杀菌能力较强，不仅能将细菌和残骸一起杀灭消除，同时还能将细菌分泌的毒素也分解掉。

此外纳米技术还可以适应环境的变化，在食品变质的时候提醒消费者[3]。

美国威斯康星大学利用纳米技术开发出了一种能够快速检测有害化学品的传感器，与传统的化学探测装置相比，该传感器不仅灵敏度高，可探测100ppb的化学物质，而且探测范围大，通过改变液晶材料即可探测出不同的有害气体，这种传感器能够探测到腐败食物释放出的化学物质，可用于检验食品是否变质。

某些涂层材料，如纳米超薄涂层（如纳米TiO2）也有化学感应的功能，可用于食品中气、光、湿敏感材料，用于食品包装，能够指示食品的食用性能及受各类污染程度，实现食品的自诊断，从而增强了食用安全性。

结果表明，与普通包装材料相比，纳米包装材料不仅能提高某些物理、化学、生物学性能如可塑性、稳定性、阻隔性、抗菌性、保鲜性等，还可以起到指示作用以更好的保护食品。

利用这些纳米材料的特殊性能生产出可塑性高，稳定性大，阻隔性好抗菌保鲜且可适应外部环境变化的新型包装可大大的改善原有包装的不足为广大消费者提供更多的方便和利益。

3.2在食品机械上的应用

食品机械主要是用于食品工业原材料的加工工艺，因此对食品机械的各方面要求都很严格。

比如不易污染、高度耐腐蚀等，把纳米技术应用到食品机械中则可大大改善这些缺点与不足。

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。

在食品机械中，对润滑剂要求较高，而通常普通润滑剂易损耗、易污染环境。

而纳米技术润滑剂--磁性液体中的磁性颗粒尺寸仅为10nm，在食品生产机械中采用磁性液体则不会损坏轴承，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,可有效防止润滑剂泄露污染食品。

纳米磁致冷工质。

磁致冷发展的趋势是由低温向高温发展的[4]。

20世纪30年代利用顺磁盐作为磁制冷工质,采用绝热去磁方式成功地获得了mK量级的低温,20世纪80年代采用Gd3Ga5012（GGG）型的顺磁性石榴石化合物成功地应用于1.5～15K的磁制冷。

到了20世纪90年代用磁性Fe离子取代部分非磁性Gd离子,由于Fe离子与Gd离子间存在超交换作用,使局域磁矩有序化,构成磁性的纳米团簇，当温度大于15K时，其磁熵变高于GGG，成为15～30K温区最佳的磁致冷工质[5]。

1997年，美国利用自旋系统磁熵变的致冷方式，研制成Cd为磁致冷工质的磁致冷机。

它与通常的压缩气体式致冷方式相比较，具有效率高、功耗低、噪声小、体积小、无污染等优点[6]。

这为食品冷冻和冷藏设备又开辟了新的途径。

陶瓷材料在通常情况下一般呈现脆性，由纳米技术制成的纳米陶瓷具有良好的耐磨性、较高的强度及较强的韧性，可用于食品机械的密封环、轴承以提高其耐磨性和耐蚀性。

也可用于制作输送机械和沸腾干燥床关键部件的表面涂层。

如德国一研究所以纳米硅基陶瓷制成的特种不污染耐磨透明涂料，涂在玻璃、塑料等物体上，具有防污、防尘、耐刮、耐磨、防火等功能。

可用于食品机械上与食品直接接触的零部件的表面涂层[6]。

此外采用纳米材料技术对食品机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。

橡胶和塑料是食品机械应用较多的原材料。

通常的橡胶是靠加入碳黑来提高强度、耐磨性和抗老化性,制品为黑色，不适宜用在食品机械上。

纳米材料的问世使这一问题迎刃而解。

新的纳米改进型橡胶各项指标均有大幅度提高，尤其抗老化性能提高了3倍，使用寿命则长达30年以上，且色彩艳丽，保色效果优异。

3.3纳米技术与食品加工

从理论上讲，所有制备纳米材料的技术与方法均可应用于纳米食品的生产，但由于食品的特殊性，比较实用和有发展潜力的纳米技术是纳米酶催化剂技术、微乳化技术和纳米胶囊制备技术、分子自组装技术、超细微粒和纳米粒子的制备技术和膜分离技术等[7]。

3.3.1纳米酶催化剂技术

酶是活细胞产生的具有高度催化活性和高度专一性的生物催化剂。

其被广泛应用食品、化工等领域，但由于酶的稳定性差和使用寿命短等问题，限制了其使用效率，因此，利用纳米材料固定化酶，用于食品工业，既可提高酶的稳定性，又可以提高酶的利用率和生产效率。

3.3.2微乳化技术和纳米胶囊制备技术

在通常情况下，将两种互不相溶的液体在表面活性剂作用下形成的热力学稳定、各向同性、外观透明或半透明、粒径l～100nm的分散体系称为微乳液，相应地把制备微乳液的技术称之为微乳化技术。

自20世纪80年代以来，微乳的理论和应用研究获得了迅速的发展，微乳化技术已应用于微胶囊、纳米颗粒和纳米胶囊的制备。

纳米胶囊，也称毫微囊，是20世纪80年代以来发展起来的新技术，是微胶囊中具有纳米尺寸的新型材料，纳米胶囊颗粒微小，粒径一般在10～1000nm，易于分散和悬浮在水中，形成胶体溶液，外观是清澈透明的液体。

纳米胶囊具有一定的靶向性，从而使所载食品功能因子改变分布状态而浓集于特定的靶组织，以达到降低毒性的目的[8]。

纳米胶囊已被应用到食品调味品领域。

制备纳米胶囊的方法主要有乳液中的界面聚合法、微乳聚合法、乳液中的界面沉积法、复相乳液溶剂挥发法和胶体模板上聚电解质的逐步沉积法。

3.3.3分子自组装技术

分子自组装是指分子与分子在平衡条件下，通过分子间非共价键的作用自发地结合成稳定的分子聚集体的过程。

它是20世纪80年代后期科学家们在超分子化学的基础上提出来的。

利用分子自组装技术制备纳米材料是最近几年才发展起来的新兴技术，由于分子自组装技术特殊的界面分子识别功能，在制备纳米材料时具有其独特优点。

到目前为止，自组装技术已能用来制备纳米结构材料，如纳米团簇、纳米管、纳米环、纳米线、多孔纳米材料、功能化纳米材料、功能化纳米级膜及有机，无机纳米复合材料。

日本产业技术综合研究所的清水敏美等利用两亲性的小分子化合物，如糖脂质的分子自组装原理，制备了各种纳米管和纳米线结构的纳米材料，并探讨了纳米材料的分子识别功能。

初步研究结果表明，分子自组装纳米材料在保健食品方面将有广泛的应用前景。

3.3.4超细微粒和纳米粒子的制备技术

超细微粒特别是纳米粒子的研制是当今高新技术中的热门研究领域[9]。

物质经过超细化处理后，比表面积大大增加，表面能会发生显著变化，显示出独特的理化性质。

最常用的制备方法为超细碾磨法，如具有强结合水能力的超细面粉和具有强抗氧化性的超细绿茶粉。

研究表明，约l000nm的超细绿茶粉表现出较好的营养消化和吸收率，因而具有较高的SOD活性，即抗氧化性。

如一般绿茶粉每克清除活性氧能力为2.5×103，而约1000nm的超细绿茶粉每克清除活性氧的能力为0.7×105～1.8×105，即活性提高了100倍。

3.3.5膜分离技术

纳滤是一种新型膜分离技术。

水处理中心于20世纪90年代率先在国内研制成功该技术。

纳滤膜在其分离应用中表现出两个显著特征：

一个是其截流分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，为200～2000；另一个是纳滤膜对无机盐有一定的截流率，因为它的表面分离层由聚电介质所构成，对离子有静电相互作用。

从结构上看纳滤膜大多是复合型膜，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。

根据第一个特征，推测纳滤膜的表面分离层可能拥有1nm左右的微孔结构，故称之为“纳滤”。

纳滤技术的特点：

第一，膜结构绝大多数是多层疏松结构；第二，分离过程无任何化学反应，无需加热，无相转变，不会破坏生活活性，不会改变风味、香味。

目前，利用纳滤技术，并结合超临界流体萃取技术和酶技术可以从食品或天然产物中分离制备多种营养和功能性成分，如功能性低聚糖、多不饱和脂肪酸、胡萝卜素和免疫球蛋白等。

3.4在食品检测上的应用

利用纳米颗粒比表面积大、表面反应活性高、催化效率高、吸附能力强等特性，把纳米颗粒引入到传感器研究中，可大大增强生物传感器灵敏度。

纳米生物传感器可检测食品中化学污染物并标记损失分子和病毒，从而可更好控制、检测和分析生物结构纳米环境。

纳米生物传感器是指能选择性结合靶分子的生物探针的纳米传感器[10]。

纳米材料本身就是非常敏感的化学和生物传感器，纳米技术与生物学、电子材料相结合，可以制备新型的传感器件。

例如与生物芯片等技结合，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两个特点：

第一，它们含有针对分析物的特定的识别机制，比如抗体或酶；第二，它们可以从分析物中产生独特的标志信号，并且这种标志信号可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。

近年来，快速、灵敏地检测出致病菌对食品安全、临床诊断与治疗以及反生物恐怖等十分重要，如大肠杆菌0157：

H7是一种典型的存在于食物中的致病菌，它能够在小肠中产生大量强有力的毒素，并能引起出血性大肠炎或者溶血性尿毒症的并发症而导致死亡，尤其是对儿童。

传统检测微量细菌的方法需要扩增或富集样本中的目标菌，因过程繁琐而费时费力。

利用纳米技术与表面等离子体共振、石英晶体微天平（QcM）等研制而成的纳米生物传感器，既可提高检测的灵敏度，又可大大减少检测所需的时间。

例如，采用生物修饰的纳米颗粒作为传感器件，因为细菌众多的表面抗原可供抗体修饰的纳米颗粒识别与结合，所以每一个细菌表面将结合数以千计的纳米颗粒，从而提供极强的荧光信号，通过荧光信号为基础的免疫试验，可快速、准确地检测出单个大肠杆菌0157：

H7。

因此，用针对不同细菌的特异性抗体来修饰纳米颗粒，就能检测多种来源的细菌病原体，包括食品、生物恐怖试剂、临床和环境样品。

此外利用纳米颗粒的信号放大性能研制出的QCMDNA传感器可用于大肠杆菌0157：

H7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。

已通过模仿生物体研制出了“电子舌”和“电子鼻”。

纳米“电子舌”是运用表面涂有纳米导电高分子材料电极检测小含量化学物污染装置，该“电子舌”主要用于识别食物和水中杂质、控制食物风味质量等方面。

“电子鼻”嗅觉灵敏度高，主要用于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。

基因芯片技术也是通过纳米技术实现一种生物高新技术，可一次性对大量样品进行检测和分析，从而解决核酸杂交技术操作繁杂、自动化程度低、检测效率低等不足。

该技术具有高通量、微型化、自动化和信息化等特点，是未来转基因检测方向。

最近，美国研究人员开发的一种新型的基于纳米技术的生物传感器，在高度准确检测沙门氏菌等食源性病原菌方面正显示出巨大的潜力[11]。

研究人员通过掠射角沉积技术制备薄膜法，构造了异质结构的硅和金纳米棒阵列，并使用抗沙门氏菌抗体和有机染料分子附着在上面，一个生物传感器就制成了。

当这个生物传感器接触含有沙门氏菌的食物时，传感器上的抗体就会发生生物化学反应，导致有机燃料分子产生肉眼可见的强荧光。

其实，这种传感器用途十分广泛，如果改变传感器中的抗体类型，就可以用于检测食物中是否有其他病菌。

3.5纳米食品

纳米技术对食物进行分子、原子的重新编程，某些结构会发生改变，从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、加快营养成分在体内的运输、提高人体对矿物质元素的吸收利用率、延长食品的保质期。

纳米食品具有提高营养、增强体质、防止疾病、恢复健康、调节身体节律和延缓衰老等功能。

目前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、纳米茶和各种纳米功能食品等。

具有如此广泛应用价值的纳米食品生产技术得到各国的一致肯定，纷纷投入巨资进行开发[12]。

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。

英国制定了一个很庞大的纳米食品发展计划，美国、日本也投入了相当大的力量在纳米食品的研究。

我国在1995年就开始了将纳米添加到传统原料中以改进功能的研究工作，总体研究水平处于国际前列。

3.5.1纳米食品的安全性问题

虽然纳米技术在食品工业中得到了广泛的应用，但是同采用任何新的食品接触材料一样，必须对食品中纳米粒子可能释放