食品科学中的纳米技术–应用、现状及展望

Nanotechnologies in Food Science: Applications, Recent Trends, and Future Perspectives

Shivraj Hariram Nile*, Venkidasamy Baskar, Dhivya Selvaraj, Arti Nile, JianboXiao, Guoyin Kai* 
(Shivraj Hariram Nile and Venkidasamy Baskar contributedequally to this work)
Nano-Micro Lett.(2020)12:45
https://doi.org/10.1007/s40820-020-0383-9
本文亮点

1 总结了不同的纳米技术和纳米材料及其在功能性食品开发中的有效应用。

2 本文综述了纳米技术通过提高食品的生物利用度、食品加工、包装和保存来促进食品、医药和生物技术领域的发展。

3 本文还介绍了未来功能纳米食品研究和开发的最新趋势和未来展望。

内容简介

浙江中医药大学开国银教授课题组在本综述中总结了不同纳米技术和纳米材料在功能性食品开发中的有效应用。

介绍了食品纳米级材料在加工、包装、安全性和存储方面的发展趋势和未来前景。纳米技术通过改变食品纳米材料的粒径、团簇和表面电荷来实现食品的生物利用度、味道、质地等性能的提高。此外,还介绍了纳米递送的营养保健品、纳米材料在食品保护中的协同作用以及纳米传感器在智能食品包装中的应用以及用于评估纳米材料在生物系统中的影响等。

研究背景

纳米技术被认为是一项关键的先进技术,可为农业,食品,医药和生物技术领域的可持续发展做出贡献和产生影响。纳米技术通过提高食品的生物利用度促进了食品、医药和生物技术领域的发展。本文对食品科学中的纳米技术进行了全面的综述,描述了未来功能纳米食品研究和开发的最新趋势和未来展望。

图文导读

I 食品加工中的纳米技术
纳米食品是指在食品的加工、生产、安全和包装中使用纳米技术生产的食品。纳米技术在食品加工领域中具有巨大潜力。它提高了食物的生物利用度、味道、质地和稠度或掩盖了令人不悦的味道或气味。可食用的纳米涂层(〜5 nm薄涂层)可用于肉类、水果、蔬菜、奶酪、快餐、烘焙食品和糖果产品中,它们可作为气体和水分的屏障。此外,它们还为制成品提供风味、颜色、酶、抗氧化剂和抗褐变化合物,并延长了保质期。各种各样的烘焙食品,都涂有可食用的抗菌纳米涂层。纳米过滤器已被用于去除甜菜根汁的颜色并保留其风味。也可用于除去牛奶中的乳糖,使其可以被其他糖替代,从而适合乳糖不耐症患者饮用。纳米级过滤器有助于消除牛奶或水中的细菌,而无需煮沸。用于开发纳米筛的纳米材料可用于牛奶和啤酒的过滤。纳米技术还能用于生产低脂、低糖和低盐的健康食品,从而避免食源性疾病。
II 食品包装纳米技术
包装行业对世界经济贡献巨大,在美国,1,300亿美元中有近55%至65%花费在食品和饮料包装领域。近年来,主动和智能包装系统在容易受到污染的肉类食品中的应用已大大增加。包装肉类产品的目的是为了通过维持酶活,降低失重,保持肉的色泽从而避开污染,提高嫩度。纳米传感器通过基于风味产生和颜色形成机制来检测食品中的毒素、农药和微生物污染,从而向消费者提供食品变质或污染警报。食品行业中用于包装的大多数纳米颗粒都具有潜在的抗菌活性,可作为抗菌多肽的载体,防止细菌引起的食品变质。填充有抗菌剂的淀粉胶体涂层制成的包装材料可通过控制从包装材料中释放出的抗菌剂来实现对微生物的屏障作用。
III 纳米粒子活性机制
产品性质(配方),加工条件(内在因素),包装类型以及储藏和分配等共同因素对食品的保质期至关重要。诸如pH、微生物、酶和活性成分含量等内在因素可以通过使用特定的原料和成分以及适当的加工参数进行调节。温度、总压力、光、各种气体的分压、相对湿度和机械应力(人工处理)是影响食品原料存储过程中降解反应速率的常见外在因素。值得注意的是,微生物生长主要发生在易腐烂食品的表面上。因此,与使用抗菌剂作为食品添加剂相比,使用抗菌包装可以有效地控制微生物的生长。此外,抗菌包装可以有效地与微生物相互作用。纳米颗粒由于其潜在的抗菌特性而被广泛用于包装系统中。大多数纳米粒子会产生ROS,进而破坏食品和包装材料表面存在的微生物。利用抗菌纳米粒子,如Cu、CuO、MgO、Ag、ZnO、Pd、Fe、TiO2等,或包含可通过静电、氢键和共价相互作用粘附的天然抗菌物质的纳米乳剂/纳米囊,从而开发出抗菌包装系统。
图1 活性食品包装中金属基纳米复合材料的开发潜力。

图2 基于纳米技术的解决方案,用于检测和预防微生物感染。

IV 在营养保健品递送和生物利用度中的应用

食品中存在的生物活性物质可提供免疫力并预防疾病。尽管大多数食品具有较高的生物活性分子浓度,但其功效却很低。这主要是由于生物利用度低,在肠道中的溶解度和稳定性较低,在肠道中的渗透性和保留时间缩短。纳米材料通常具有较大的比表面积和较小的颗粒尺寸,能够增强被封装食品材料的生物活性、生物利用度和溶解度。通常,借助纳米技术,尤其是纳米制剂,可以增强大多数生物活性分子(如抗氧化剂、维生素、微量营养素、多酚、类胡萝卜素等)的生物利用度、溶解度和稳定性。用于治疗疾病的大多数生物活性物质本质上是疏水性的,具有最小的生物利用度。基于纳米技术的递送系统能够增强天然生物活性化合物的生物利用度和靶向递送。

图3 有效微量营养素输送系统的示例。

V 纳米材料在诊断中的应用
尽管常规的分子诊断方法在检测病原体及其产物(毒素)方面具有更高的灵敏度和可重复性,但由于其复杂性、所需仪器贵重以及对技术人员的高要求,它们并没有普及使用。纳米材料独特的磁、电、发光和催化活性可用于开发快速,灵敏和低成本的微生物病原体检测方法。随着纳米传感器的应用,微生物病原体检测是快速,灵敏,准确且劳动强度低的。通常,纳米粒子与大颗粒相比具有很高的反应性。因此,研究它们在生命系统中可能的毒性是有意义的。
VI 食品中纳米材料的毒理学方面
纳米技术的领域正在发展,与此同时,公众对纳米材料的毒性和环境影响的关注也在增加。包装材料表面的纳米颗粒对人体无害,但它们在食品中的易位和整合可能会影响人体健康。纳米粒子能够通过皮肤渗透、食入、吸入、静脉内注射或通过植入的医疗器械到达体内。在细胞内部,它们能够与生物大分子相互作用。由纳米粒子引起的毒代动力学问题主要是因为其持久,不可溶解和不可降解的性质造成的。目前缺乏对纳米技术的风险评估,需要加强对基于纳米材料的毒性表征和监管程序。通常,毒性随着金属基纳米颗粒尺寸的减小而增加。纳米粒子是高反应性物质,可以轻易穿过膜屏障和毛细血管,从而产生不同的毒物动力学和毒物动力学特性。一些纳米粒子与蛋白质和酶结合,并导致ROS产生和氧化应激的刺激。ROS积累导致线粒体变性并诱导细胞凋亡。在动物身上进行的毒性研究表明,纳米粒子可以诱导对各种器官(肝脏,肾脏)和免疫系统的强烈毒性。目前,缺乏关于纳米粒子对人类健康影响的研究,这方面有待进一步研究。
VII 安全问题和法规
纳米技术在食品工业中的应用非常广泛,从配料开始,一直到包装以及食品分析。除了其潜在用途外,它们与食物系统的相互作用还会引发对人类和动物健康的相关问题。因此,需要有效的指导方针和政策,以在食品工业中更安全地利用纳米颗粒。监管机构USFDA参与了美国纳米食品和食品包装的监管。澳大利亚和新西兰食品标准局(FSANZ)是食品标准法典下的监管机构,在澳大利亚积极参与纳米食品添加剂和成分的监管。欧盟纳米技术的风险评估由健康风险科学委员会(SCENIHR)进行。欧盟法规强调,基于纳米技术的食品成分在被授权用于人类之前应经过安全评估。纳米食品或食品成分完全被欧盟新食品法规(EC 258-97)涵盖。欧洲食品安全局(EFSA)对授权的纳米添加剂和食品包装材料进行了重新评估。尽管日本和中国是主要的纳米材料生产国,但还没有专门针对纳米技术的法规。一些国家缺乏纳米食品相关法规可能与人们对纳米材料的暴露,可获得性和毒性等方面信息掌握较少有关。由于出现新的监管问题,一些国家已经要求建立一个处理纳米食品相关风险的监管体系。完整的政府指南和法规以及严格的毒理学筛查方法对于合法的纳米技术应用至关重要。迫切需要一个广泛接受的国际监管体系来监管食品工业中的纳米颗粒利用。
VIII 结论与展望
纳米技术在食品领域起着重要作用,为食品工业提供了巨大的帮助。纳米材料和纳米传感器通过病原体检测,以帮助消费者提供有关食物内部状态及其营养状况的信息。大多数针对各种疾病的食品生物活性物质本质上都是疏水性的,具有最小的生物利用度和稳定性,因此基于纳米技术的递送系统提供了增强的生物利用度和食品生物活性化合物的靶向递送。以纳米技术为基础的食品给政府和工业界都带来了巨大挑战。同时也需要确保消费者对市场上可用的纳米食品充满信心。最近已经广泛报道了纳米粒子在食品工业的不同分支中的积极运用,包括食品质量、安全性、营养、加工和包装等。纳米粒子的特性和行为对于设计安全、健康、质量和可持续性更高的食品至关重要。应该有适当的标签,并建议制定有关纳米食品营销的法规,以帮助提高消费者的接受度。因此,如果管理和监管得当,这些纳米技术的利用可以在改善食品加工和产品质量方面发挥重要作用,这将有益于人类健康。
作者简介

Shivraj Hariram Nile

本文第一兼共同通讯作者

浙江中医药大学药学院副教授

主要研究领域
食品科学、植物化学、生物技术和纳米技术。

Email: nileshivraj@yahoo.com

开国银

共同通讯作者

浙江中医药大学药学院教授

主要研究领域
主要从事中药资源生物技术、食品化学及纳米技术等方向的研究。

Email: kaiguoyin@163.com

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在 Springer 开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。

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