納米尺度在食品科學中的應(yīng)用

納米尺度在食品科學中的應(yīng)用

21世紀，新興的納米技術(shù)，例如20世紀70年代的微電子技術(shù)導(dǎo)致的信息技術(shù)革命，將導(dǎo)致新的工業(yè)生產(chǎn)，成為現(xiàn)代科學技術(shù)的中心技術(shù)，并對當前的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。納米技術(shù)在食品科學中的研究與應(yīng)用已經(jīng)取得了一些可喜的成果,納米技術(shù)在食品科學中有著更好的發(fā)展前景。1在納米尺度上操縱原子和分子1959年,著名的諾貝爾獎獲得者、物理學家理查德·費曼(RichardFeynman)在一篇著名的演講中指出:科學技術(shù)發(fā)展的途徑有兩條,一條是“自上而下(topdown)”的過程,另一條是“自下而上(bottomup)”的過程。近幾十年來,科學技術(shù)一直沿著“自上而下”的微型化過程發(fā)展。如果由“自下而上”的途徑用大工具制造出適合制造更小工具的小工具,直到得到正好能夠直接操縱原子和分子的工具,這可能意味著化學將會變成這樣一件事情—精確地按照你的安排一個一個地排放原子;當我們在很小的尺度上對物質(zhì)的構(gòu)造擁有某種控制手段時,我們將得到許多新的材料特性,能做許多不同的事情;如果能夠在原子和分子水平上制造材料和器件,就會有令人激動的嶄新發(fā)現(xiàn)。一般來說,納米科學和納米技術(shù)的對象就是在納米尺度上的物質(zhì)世界。納米(Nanometer)又稱毫微米(Millimicron),1納米是1米的十億分之一(1nm=10-9m),只有一個中等大小原子直徑的幾十倍。納米尺度是指1～100nm的空間范圍。這正是分子尺寸,也是分子相互作用的空間。在納米尺度上,天然分子的大小范圍從微小的3個原子的水分子到大得多的蛋白質(zhì)分子,比如具有幾百個原子的血紅蛋白和具有幾百萬個原子的DNA分子。納米技術(shù)是一門在納米尺度內(nèi)操縱原子和分子,對材料進行加工、制造具有特定功能的產(chǎn)品、或?qū)δ澄镔|(zhì)進行研究、掌握其原子和分子的運動規(guī)律和特性的嶄新高技術(shù)學科。“納米”的內(nèi)涵不僅僅指空間尺度,更重要的是建立了一種嶄新的思維方式,即人類將利用越來越小、越來越精確的物質(zhì)和越來越精細的技術(shù)生產(chǎn)成品來滿足更高層次的要求。納米科學技術(shù)的最終目標,是人類按照自己的意志操縱單個原子組裝具有特定功能的產(chǎn)品,從而極大地改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活模式。2納米特征2.1納米粒子的化學活性當粒子直徑接近原子直徑時,絕大部分的原子都集中在粒子的表面。表面原子周圍欠缺其他原子而處于不飽和狀態(tài),極不穩(wěn)定,會發(fā)生瞬間遷移,不斷地轉(zhuǎn)移變換位置。當這些表面原子遇到其他原子時,就會很快與之結(jié)合并趨于穩(wěn)定。由于納米粒子尺寸小、表面原子數(shù)多、表面原子配位數(shù)不足和表面能高,因而其化學活性是很高的。像這種因納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大引起物理性質(zhì)巨大變化的現(xiàn)象,稱為納米材料的“表面效應(yīng)”。隨著物質(zhì)粒徑的減小,比表面積大大增加。粒徑5nm的顆粒,表面占50%,粒徑2nm時,表面的體積百分數(shù)增加到80%。龐大的比表面,鍵態(tài)嚴重失配,出現(xiàn)許多活性中心,使納米材料具有極強的吸附能力。這使得納米粒子對于無論是促使物質(zhì)腐敗的氧原子、氧自由基,還是產(chǎn)生其他異味的烷烴類分子等,均具有極強的抓俘能力,使其具有防腐抗菌功能;2.2納米粒子的發(fā)生隨體積的變化而發(fā)生當物質(zhì)的體積減少時,除了與體積相關(guān)的性質(zhì)可發(fā)生變化之外,物質(zhì)本身的性質(zhì)也可發(fā)生變化。像納米材料,由于其粒子具有由無數(shù)個原子或分子組成的集體屬性,其本身的性質(zhì)也將隨體積的變化而發(fā)生變化,此時,其許多現(xiàn)象就難以用通常有無限個原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)原理加以說明。這種特殊的現(xiàn)象,稱為納米材料的“體積效應(yīng)”。2.3不同動能的能量當粒子尺寸下降到最低值時,飛米(納米的百萬分之一)能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級,這種現(xiàn)象稱之為納米材料的“量子尺寸效應(yīng)”。宏觀物體包含無限個原子,宏觀物體的能級間距幾乎為零,而納米微粒包含的原子數(shù)有限,其能級間距可發(fā)生分裂。這時,若能級間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚態(tài)能,就會導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、電特性以及超導(dǎo)電性與宏觀物體的顯著不同。任何物質(zhì)一旦進入納米尺寸,就會具有上述三大特性。結(jié)構(gòu)非常特殊的納米微粒所表現(xiàn)出的神奇的物理化學特征,具有卓越的光、電、熱、力、紫外線、波、放射、吸收等特殊功能。因而,納米技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景,它將對食品、生物工程、化工、醫(yī)學、材料科學等學科產(chǎn)生深遠的影響。3納米食品3.1提高食品的吸收利用率鈣對人體有廣泛而重要的生理生化作用:促進人體骨骼發(fā)育,維持細胞膜正常的構(gòu)架,維護神經(jīng)系統(tǒng)正常工作等。但是,因為鈣難溶于水而不易為人體吸收和利用,造成人體內(nèi)鈣水平不足,進而影響人體健康。目前補鈣產(chǎn)品頗多,其中有一些是不溶于水的鈣鹽,如果顆粒很大,不溶于水,就不適于人體吸收。如果把鈣鹽的顆粒制成納米尺寸的,鈣就比較容易被吸收。采用納米技術(shù)制備出碳酸鈣的超微粉,與常規(guī)大顆粒碳酸鈣相比,碳酸鈣的超微粉有更強的親水性,其中的碳酸鈣分子有更活潑的化學性質(zhì),這些特性使碳酸鈣的超微粉更易為人體吸收利用。通過類似的技術(shù)方法,可以將礦質(zhì)元素錳、中草藥人參等物質(zhì)制備為超微粉,這樣就可以大大提高這些保健食品的吸收利用率。納米CaCO3作為保健食品和藥物成分,可提高人體對鈣質(zhì)的吸收和利用。吳仁毅研究發(fā)現(xiàn):經(jīng)納米級超微顆粒化通用裝置處理的鈣劑經(jīng)口服后,98%的有效成分可被吸收(現(xiàn)有的鈣制劑僅吸收30%左右)。納米鈣是用高能物理加工工藝,形成極細粒度,元素鈣的生物利用度明顯高于其他有機鈣或活性鈣類制劑。納米鈣與一般鈣制劑相比,生物利用度高。3.2元素鐵粉的應(yīng)用缺鐵性貧血是一種常見的營養(yǎng)缺乏癥。攝食鐵強化食品,是預(yù)防和治療缺鐵性貧血的有效措施。各國的營養(yǎng)學家都建議在食品中添加一定量的鐵強化劑,試圖從膳食結(jié)構(gòu)上提高鐵的生物利用率,可用作鐵強化劑的有二價鐵和元素鐵,但二價鐵有諸如臭味、變色等問題。其用量在逐漸減少,而元素鐵因為有成本低、穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點,其使用范圍在逐漸加大,目前元素鐵粉是國外廣泛應(yīng)用的一種。元素鐵粉的生物利用率與其粒度有直接的關(guān)系,粒度越小,則利用率越高。因此,提高鐵元素的吸收率的首要問題就是要得到粒度小、純度高、穩(wěn)定性好、比表面積大的鐵粉。隨著納米材料制備技術(shù)的提高,可將元素鐵粉制成超微細粉末添加到食品中,以進一步提高鐵粉的相對生物利用率并改善鐵粉的其他應(yīng)用性能。鐘培文等研究表明:以卡拉膠為添加劑用高能球磨法制備的納米鐵粉在空氣中的穩(wěn)定性很好。用高能球磨法制備出的超細鐵粉在果汁中的溶解性和穩(wěn)定性都很好。3.3納米西氨酸納在飲料中的應(yīng)用,當其半致死劑量為5.硒對保持人體的健康狀態(tài)起著重要作用。人體保持適當水平的硒,可以降低患癌癥的發(fā)生率,可以提高人體的免疫能力。癌癥患者通過攝入高劑量的硒而可以減輕腫瘤癥狀,減少痛苦。但是,高劑量的攝入硒對人體也有毒副作用。研究人員已通過合成方法,制備出納米硒粒子。研究表明,納米硒粒子在保持硒的保健功效同時,也降低了硒對人體的損傷。急性毒性實驗表明,納米硒對小鼠的半致死劑量為112.9mg/kgbw,而標準參照物亞硒酸鈉對小鼠的半致死劑量為15.1mg/kgbw,納米硒的安全性遠遠高于標準參照物亞硒酸納。這些研究結(jié)果鼓舞著研究人員采用納米技術(shù)將保健食品的有效成份合成納米粒子。這些納米粒子有可能在作為保健食品服用時,一方面保持了其保健功效,另一方面也降低了其對人體的毒副作用,這對人體健康是有益的。張勁松等研究表明,紅色元素硒具有很好的生物利用價值,納米硒有護肝抑瘤,提高免疫力。納米紅色元素硒是以蛋白質(zhì)為核、紅色元素硒為膜和以蛋白質(zhì)為分散劑的新型納米粒子。與灰和黑色元素硒的非水溶性及非蛋白質(zhì)體系形成的不穩(wěn)定紅色元素硒相比,納米紅色元素硒能以水溶性的膠體溶液狀態(tài)存在,對熱穩(wěn)定,不轉(zhuǎn)化形成灰或黑色元素硒。證實具有很好的生物利用性和突出的低急性毒性,是一種具有應(yīng)用價值的硒形態(tài),另外,在CCl4急性肝損傷模型中,已觀察到隨劑量升高,保護效果更明顯。3.3.1對小鼠免疫功能的影響采用動物實驗研究納米硒對免疫功能的調(diào)節(jié)作用,發(fā)現(xiàn)在很低劑量下納米硒能明顯提高小鼠的免疫功能(等)。與對照組相比,納米硒組小鼠的細胞免疫、體液免疫和巨噬細胞吞噬功能明顯升高,且呈現(xiàn)劑量依賴性,納米硒比亞硒酸鈉對小鼠免疫功能有更明顯的調(diào)節(jié)作用。采用卡介苗和脂多糖造成BABL/C小鼠免疫性肝損傷,觀察納米硒對小鼠免疫性肝損傷的保護作用,發(fā)現(xiàn)小鼠非特異性和特異性免疫功能均有顯著提高,同時對小鼠的肝臟充血、濁腫、脂肪變性、壞死病理變化有明顯改善作用。這些結(jié)果拓寬了人們對納米元素硒生物功效的認識,為尋找低毒高效硒形式提供了新的線索。3.3.2n--離子生物學檢測研究發(fā)現(xiàn),1μmol/L納米硒能明顯抑制煙草特異性亞硝胺類化合物4-甲基亞硝胺-1(3-吡啶基)1-丁酮(NNK)誘發(fā)的人乳頭狀病毒永生化的人支氣管上皮細胞產(chǎn)生的活性氧及8-羥基脫氧鳥嘌呤核苷水平,進一步檢測NNK和γ-射線致人胚肺上皮細胞癌變過程中納米硒能直接和間接清除O2-·和H2O2,揭示納米硒對NNK所致細胞的氧化損傷有保護作用。納米硒還可以降低由于連續(xù)注射D2半乳糖引起的小鼠體內(nèi)自由基的升高;可以提高血和肝硒水平,減低CCl4所致的肝丙二醛(MDA)和血清天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(AST)水平;此外,納米硒清除脂質(zhì)過氧化物與谷胱甘肽過氧化物酶活力明顯不同步,提示納米硒在體內(nèi)發(fā)揮抗氧化作用具有硒酶與非酶雙重機理。3.3.3納米硒能緩衰作用調(diào)節(jié)免疫及抗氧化活性提示納米硒可能具有延緩衰老及抑瘤作用。張勁松等利用D2半乳糖小鼠衰老和黑腹果蠅生存模型,發(fā)現(xiàn)納米硒能顯著延緩小鼠的衰老進程,明顯延長黑腹果蠅生存時間,提示適當劑量納米硒具有延緩衰老保健作用。研究還發(fā)現(xiàn),納米硒對腫瘤細胞生長具有明顯抑制作用,如可顯著降低S180荷瘤鼠瘤重,提高S180荷瘤鼠吞噬細胞吞噬率及天然殺傷細胞(NK)的殺瘤細胞活性。高學云等研究表明,納米硒與對照組相比生物吸收率得到了顯著的提高。3.4植物固醇的使用食品經(jīng)超微細加工后,不僅能大大提高吸收率,還能延長保質(zhì)期。人體中,膽固醇能使細胞膜柔軟,是生命中不可缺少的。而固醇的分子結(jié)構(gòu)與膽固醇的分子結(jié)構(gòu)相似,在植物油和蔬菜中含量很低,猶如人體中的膽固醇。如果人體內(nèi)膽固醇含量過高,又會導(dǎo)致動脈硬化。那么假如在人造黃油中添加適量的植物固醇,它們在大腸中被吸收,達到降低人體膽固醇的目的。當人體吸收植物固醇后,吸收的膽固醇量會減少,并能降低人體血液中的膽固醇、降低心臟病的發(fā)病率。純植物固醇無論在水中還是在脂肪中都是難以溶解的。芬蘭保利希食品公司的研究人員開發(fā)出一種生產(chǎn)納米植物固醇黃油的新方法,即采用納米技術(shù)將植物固醇制成納米微粒,并在一定的溫度下將納米微粒均勻地加入到人造黃油中,從而解決了無化學添加劑生產(chǎn)時,純植物固醇不溶于水和脂肪的難題。該項技術(shù)還可以將植物固醇加入酸奶、冰淇凌及色拉油等。此外,用該項技術(shù)還可將植物固醇加入酸奶,冰淇凌及色拉油等其它食品。3.5顆粒粒度對cu--砂出的影響目前,一般用氣流粉碎機制備超細珍珠粉。吳希美等用小鼠做試驗表明:可溶性珍珠粉和珍珠粉均有一定的抗炎作用,但可溶性珍珠粉的作用略好于珍珠粉。李春華等利用分光光度法測定不同粒度的珍珠粉氨基酸體外溶出量和溶出速率,實驗表明:隨珍珠粉顆粒粒度的減少,氨基酸的溶出量增大,溶出速率加快,超細珍珠粉與未超細珍珠粉相比,表現(xiàn)得更加明顯,從而大大提高了珍珠粉氨基酸的溶出效果。于雁靈等研究表明:不同粒度珍珠粉水溶出液與鹽酸溶出液中部分金屬元素的溶出度(見表2),由實驗數(shù)據(jù)可以看出:珍珠粉粒度變細,有利于多數(shù)金屬元素的溶出,但溶出量的改變不是很大,其中Cu的溶出對粒度比較敏感。但是并不是