食品纳米技术与纳米食品安全 陈军

食品纳米技术与纳米食品安全 陈军  吴健生  顾娟红
 摘要  随着纳米材料越来越广泛地应用在生产和生活中，其安全性问题也日益凸显，目前纳米技术在此领域的研究仍在起步阶段，对纳米食品的安全性，即其对人体和环境的影响等方面的问题的认识还不够全面和深入。本文综述了纳米食品的国内外研究动态、发展概况及安全性评价等问题，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  纳米食品  食品安全 风险评价 

引言
 纳米科学、工程与技术经常简称为纳米科技，它是一门新兴的学科，是想象、构建、控制和利用直径大约在1-100纳米的物质，这些物质奇特的界面现象能产生新的特性与功能。纳米科技正成为继信息科技、生物科技之后，广受各国看好之重点科技之一。尽管纳米科技的基础知识在过去的几年有了很大的增长，应用到食品行业仍处于起步阶段，但其未来发展值得重视与关注。纳米科技应用于食品领域的机会在于改善食品、添加物与补充物的质地、风味与生物利用率，发展检测微生物与化学污染的传感器与肥料及营养物质的控制释放。然而纳米食品的发展也存在一些问题，由于食品是种特殊的商品，与人体的健康息息相关，因此纳米技术和纳米材料在食品中应用是否会对人体造成不良影响得到了多方面的关注。将纳米技术应用于新功能食品原料加工，虽然有利于开辟食品新产业，但人类对于食品原料的新功能尚有许多未知领域，尤其是业界尚未形成统一的针对纳米食品的生物安全性评价标准，现用的短期评价模型很难对纳米食品的生物效应全面和深入的认识，有必要建立新的量度方法来对纳米颗粒的生物累积以及吸入和摄取纳米颗粒的潜在毒性效应做出适当评估，例如这些新型食品摄入量评估和新型食品毒理学和过敏性评估。本文对纳米材料在食品行业的应用即其安全性进行了介绍和论述。
1  纳米、纳米技术和纳米食品定义
 纳米科技是指在纳米尺度(＜100nm)理解、控制与操纵物质的科学技术，包含基础与应用研究，在食品工业可以应用于原料制备、产品应用、理化分析、安全检测等四大领域，是目前除了保健食品外，最热门与重要的高新技术。经过微细化的处理，纳米材料可具有特殊的表面、体积与量子效应，进而会表现新的特性与功效，因此，纳米技术的目标是利用纳米结构所具有的特性开发具有特定功能的产品。
 食品纳米技术包含微结构修饰或纳米设备应用技术，而纳米食品，是指在生产、加工或包装过程采用食品纳米技术的食品。纳米食品有广义和狭义之分，从广义来说，在食品生产加工和包装中，利用了纳米技术的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。
 纳米技术在食品当中的应用已逐渐显现出相当的优势，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，有部分纳米食品已开始投入市场。纳米技术在食品产业有巨大的发展潜力，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工业应用的研究热点。
2  纳米技术在食品工业中的应用
 目前，纳米技术已与众多学科进行了交叉，同样渗透到了食品营养领域，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、纳米包装材料和纳米检测技术等方面。
2.1 食品加工
 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。纳米技术对食物进行分子、原子的重新编程，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、降低保健食品的毒副作用、加快营养成分在体内的运输、提高人体对矿质元素的吸收利用率、延长食品的保质期。将纳米技术、生物技术和食品工程结合起来，可研发具有提高营养、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的保健食品和保健用品。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，所涉及的纳米技术包括食品微观结构、香味与质量、病菌控制系统、风险分析法、高压技术、机器人和信息技术等。
2.2 食品包装材料
 运用纳米技术研发的包装系统可以修复小的裂口和破损，可以适应环境的变化，并且能在食品变质的时候提醒消费者。此外纳米技术可以改进包装的渗透性、提高阻隔性、改进抗损和耐热，形成抗菌表面，防止食物发生变质。在食品包装领域，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。常用的聚合物有PA、PE、PP、PVC、PET、LCP等；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Ag/PE类、纳米TiO2 /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。
3.3 食品机械
 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10nm，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。纳米磁致冷工质食品冷冻和冷藏设备又开辟了新食品加工贮藏技术，它与通常的压缩气冷式致冷方式相比具有节能、环保、高效等特点，而纳米改性橡胶与传统橡胶相比各项指标均有大幅度提高，尤其抗老化性能可提高3倍，使用寿命长达30年以上，且色彩艳丽，保色效果优异。
3.4 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食品快速检测。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(HPLC)，但需要繁琐、耗时的前处理，样品损失也较大。相对于灵敏度较低的CA和TLC方法，GC、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和普及，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。
3 纳米食品的潜在安全问题
 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。据预测纳米食品市场在2010年将达到204亿美元，因此，纳米技术在食品上的研究有着很大的发展潜力。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，必须对食品产品中纳米粒子可能的释放以及这些材料对人类健康的安全性做出评估。由于纳米材料虽然物质组成未发生变化，但其对机体产生的生物效应和作用强度可能发生本质上的改变。当前有关纳米颗粒或纳米材料的健康危险度评价的相关信息很缺乏，仅美国环保局(EPA)在2003 年正式提出纳米颗粒或纳米材料对人类健康和环境存在潜在影响，但初步的实验数据已表明纳米材料毒性的存在。例如，某些纳米粒子具有穿越血脑屏障的能力。此外，纳米粒子释放到环境中，也对检测和效应评估提出了新的挑战。由于纳米技术应用在食品行业的风险评估机制(管理规范)尚未建立，目前缺乏足够的科学数据证明纳米食品优于传统加工方式且具有显著功效差异，加之公众对纳米食品安全性的担心，使得消费者对于应用纳米技术生产的食品接受度并不高。同时现有的纳米技术也存在纳米结构的稳定性不高以及产品由相关技术得到的功能性无法预测等问题。
 欧盟日前发布关于(EU) No 6/2010草案，要求对采用纳米技术生产的食品在许可销售并添加标识前进行特别的危害评估，并且，一旦被允许消费时，必须加贴所有含纳米形式的成分，并在之后用括号注明“nano”。该议案旨在规范涉及新型食品的法规，集中并简化审批程序，在允许新型食品生产销售的同时确保食品安全。根据新议案，只有通过欧盟食品安全机构的评估并在该机构注册的新型食品才能够上市销售。该草案涉及的新型食品是指1997年5月前未在欧盟市场大量消费的食品，既包括一些运用新生产工艺如纳米技术加工的食品，也包括过去只在非欧盟市场销售的食品。该草案同时废止了 欧洲议会和理事会条例(EC)No258/97和委员会条例(EC)No1852/2001，并修订了欧洲议会和理事会条例(EC)No1331/2008，建立食品添加剂、食品酶和食品调味料对共同批准程序。
 目前，国际上尚未形成统一的针对纳米食品的生物安全性评价标准，各国监管当局已开展的纳米食品风险评价多沿循食品或食品接触材料的类似安全性评价途径，如毒性、细胞功能异化和炎症等短期评价方法。由于纳米粒子的特性变化很大，所以，建立不同种类，特别是不同形态和尺寸的纳米食品的安全性评价技术指标是一项很有必要的工作，这对评价复合基体中纳米材料潜在的致癌、致畸、致突变和慢性毒性将显得尤为重要。应该承认，纳米食品的安全性评估远比想象中复杂，仅其颗粒粒径的判断即因所用仪器、表示方法、环境参数、原料组成与加工方式的不同而结果迥异，更不用说表面的物理化学分析。此外，还需要先确定原料成分或粒径变化对食品理化性质或保健功能的影响，这些考虑因素也将导致食品公司在开发相关产品和技术时将安全性纳入其现有确保食品安全的食品成分监管和审批框架，以确保市场前置审批、可追溯性和风险监管的有效性。
4 有关纳米技术在食品及食品包装应用前景
 在食品消费趋向功能化、健康化、方便化、营养化的今天，食品已不仅是营养和能量的来源，还要起到维持人体健康和减少疾病的作用，而纳米技术和纳米材料的应用与开发为食品工业提供了一项引领时代潮流的前沿技术。近年来纳米技术在医药中的许多研究成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。随着基因、食物与健康关系进一步确定，纳米技术将更全面地促进食品领域的发展。将纳米技术引入食品的研发，不仅能突破传统的生产模式，实现传统工艺、传统产品的升级换代，提高产品的技术含量，而且还可以在纳米原料、纳米添加剂的制备技术和产业化方面建立一系列具有自主知识产权的专利技术，检测手段和创新方法，为食品产业的长远发展注入动力，具体表现在：开发纳米颗粒或纳米级复合材料的纳米食品材料、借助纳米材料固定化酶和纳米膜分离技术加工食品原料、开发以食品包装材料和营养物运送体系味特征的新产品、研制用于食品安全检测的“纳米机械”等。
 在食品包装领域，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（常用的聚合物有PA、PE、PP、PVC、PET、LCP等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Ag/PE类、纳米TiO2 /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（如塑料及复合材料）中加入纳米微粒，使其产生了除异味、杀菌消毒的作用，可大大延长了食物的保存期，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的保质期，即使这些食品已经开封。现在还出现了可食性纳米复合包装材料,它是在食品的各部分之间提供间隔的薄膜。可食性包装一般是通过刷涂、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。但是科学家的目标远不此这些。随着时间的推移，原子级别的包装技术将变得更加复杂。食品加工工艺将提供经过工程改造的食品以满足消费者的特定口味。
5 结论
 纳米技术具备促进包括食品行业在内的传统工业快速发展的巨大潜力，它可以帮助人类在纳米尺度范围内认识和改造自然，即在生产过程中直接操纵原子、分子的排布，从而制造出具有特定功能的新产品。由于纳米材料具有较大的比表面积和小尺寸效应，因而具有很强的吸附性和很高的活性。纳米科技的发展将给人类带来很多恩惠，纳米食品和纳米包装材料的开发也将大大推动食品工业的发展。纳米材料的特殊效应使其在食品加工及包装领域有着极其广阔的应用前景，但也正是其特殊效应使我们不得不面对和重视其生物安全性问题。目前学术界只重视纳米材料神奇功能的发现和新产品开发，对纳米材料的毒性方面尚缺乏系统研究,过去对宏观物质的安全性评价结果有可能不适用于纳米材料,迄今为止，尚未形成国际性的技术标准来规范纳米技术及产品的发展与应用，只有一些国家制定了一些规范来调整它的发展。随着纳米材料在食品及食品包装中的广泛应用，人们通过食品接触的纳米材料越来越多，我们有必要对纳米材料通过食品对人类的潜在性影响问题给予足够的关注和探讨，为人类在食品工业中合理应用纳米材料提供科学依据。

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