纳米材料在食品中的应用

 摘要 ：本文主要介绍了纳米技术概念以及纳米材料的优异特性, 以及纳米技术在先进的气调包装的最新应用。 

Abstract： This article mainly introduced the concept of nanotechnology and the excellent properties of nanometer materials, analyzed the application of nanotechnology in the gas packaging

关键词: 纳米技术、纳米材料、气调包装

Keywords：nanotechnology  nanomaterial  modified atmosphere packaging technique

一、 纳米技术概念

   纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等

二、 纳米材料

 20 世纪 90 年代初兴起的纳米技术,被认为是 21世纪科技发展的前沿。它是研究由尺寸在 0.1 ～ 100nm 之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应有的完整体系。 它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平, 标志着人类科学技术已进入一个新的时代——纳米科技时代。 其科学价值和应用前景已逐渐被人们所认识, 纳米科学与技术被认为是 21 世纪 3 大科技之一。 纳米技术主要包括:纳米物理学、纳米化学、纳米材料。

 纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分。纳米材料可定义为:把组成相或晶粒结构控制在 100nm 以下长度尺寸的材料。 从广义上说, 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸长度范围或由它们作为基本单元构成的材

三、气调包装

     气调包装国外又称MAP或CAP、国内称气调包装或置换气体包装、充气包装。气调包装(modified atmosphere packaging，简称MAP)是指在一定条件下改善包装内环境的气氛，并在一定时间内保持相对稳定，抑制或延缓产品的变质过程， 从而延长产品的货架期[5]。具体来说就是采用具有气体阻隔性能的包装材料包装食品，根据客户实际需求将一定比例O2+CO2+N2，N2+CO2，O2 +CO2混合气体充入包装内，防止食品在物理、化学、生物等方面发生质量下降或减缓质量下降的速度，从而延长食品货架期，提升食品价值应用范围:可广泛用于肉、禽、鱼以及果蔬等新鲜食品、熟肉制品、面包糕点等焙烤食品的包装。经过气调包装的食品，由于较好地保持了食品原有的口感、色泽、形状及营养，同时可达到较长的保鲜期，已越来越受到食品加工厂商及消费者的青睐。在欧美市场采用气调包装的食品发展个分迅速，年增长速度高达25%，目前每年气调包装的总量已超过50亿盒之瑞典公司推出采用充满100%CO2气体的包装袋、容器、贮藏室来贮藏肉类。高浓度的CO2能阻碍需氧细菌与霉菌等微生物的繁殖，延长微生物增长的停滞期及指数增长期，起防腐防霉作用。该法能使猪肉不需冷冻处理可保存120天，如再加压处理，贮藏时间更长。这一方法引起美国、澳大利亚等肉类输出国的极大关注。

四、气调包装原理

气调系统中同时存在着两种过程：一是产品的生理系列化过程 ,即新陈代谢的呼吸过程二是包装材料透气作用导致产品与包装内气体的交换过程,这两个过程使气调系统成为一个动态系统。而气调包装就是在这两个环节中做了一些调整。气调包装的原理可归纳为两点 : ①破坏微生物赖以生存繁殖的环境。②满足维护食品内部细胞一定的活性,延缓其生命食品贮藏过程中有两个主要影响因素,即需氧菌和氧化反应,两者均需要O2因此,要延长货架期或保持果蔬的品质,就需要降低环境的O2含量，试验证明,当包装内的 O2 含量< 1%。各种细菌生长就急速下降 ,降低到 0.5% 时 ,其生长受到抑制并停止繁殖。然而 ,一些果蔬的腐烂变质是由于厌氧 /微需氧微生物氧化反应,实际上单独利用真空包装对其有效 ,并且产品不可避免地被皱缩而不适合多的食物。气调包装技术是特别为真空包装   

五、纳米材料在气调包装中应用

5.1.纳米复合包装材料。随着包装的迅猛发展, 包装对特种功能需求的增加, 诸如防爆、防电磁、迷彩、高阻隔包装等要求的出现, 促进了纳米包装技术的发展。 由纳米材料复合而成的纳米包装材料就成了当今所需要的一类高新材料。 目前研究得最多的纳米复合材料是聚合物基纳米复合材料(PNMC)。 例如在高分子聚合物中加入 10%的纳米的TLMC(热致液晶聚合物), 就会使材料的拉伸强度提高到 450MPa , 从而大大拓展其用途, 亦节省了稀缺资源。高阻隔性包装是指对氧气、水蒸气、二氧化碳等有高阻隔性的包装, 高阻隔包装常采用多层复合膜。 药用泡罩包装材料包括药用铝箔、塑料硬片(最常用的材料是药用聚氯乙烯PVC硬片)、热封涂料等。 但因为药品对湿气、氧气等敏感和人们对药用包装要求的提高及药品储存期的延长, 现在正在采用新技术将塑料硬片复合一层高阻隔性材料, 如 PVDC等,以提高对湿气等气体的阻隔性能, 最具有代表的结构为 PVC/ PVDC, PVDC作为高阻隔层材料, 其最大的特点就是对气体水蒸汽具有优异的阻隔性, 能很好的保持药品原味。 添加纳米级材料的无机粒子可以极大地改进基础树脂的物性, 在高阻隔包装材料中发挥神奇的作用。 如德国 Bayer公司推出的尼龙纳米复合材料, 把化学改性的硅酸盐粘土分散在 PA6薄膜中, 这些细小颗粒不影响薄膜透明度, 但建立了迷宫式的气体通路, 减慢气体通过薄膜的进程。 日本纳米材料公司将纳米复合材料涂在各种薄膜基体上, 据称阻隔性与镀铝膜相同。 既具有无机材料的高阻隔性又有塑料透明性的涂氧化硅膜是塑料阻隔技术发展的代表, 这种薄膜光泽、透明性好, 阻隔性优于一般共挤出薄膜和 PVDC涂布膜。 氧化硅的深层厚度仅为 0.05 ～ 0.06μm, 不会影响透明度, 氧气、水蒸气的透过率极低, 而且与塑料膜粘合极牢, 抗弯折性极佳, 耐消毒,因而在美国、日本等发达国家已生产和使用。

  5.2纳米抗菌包装材料。传统的抗菌材料一般采用以银、铜、锌等金属离子为抗菌活性成分的抗菌剂生产工艺, 新的 MOD系列纳米高性能无机抗菌剂是将纳米技术导入无菌复合包装, 是以 MOD活性基因及无机纳米银化合物为主要抗菌成份, 以各种无机材料为载体而制成的无机抗菌粉体。 该抗菌材料采用高科技纳米技术制备而成, 抗菌机理为金属离子作用和光催化作用, 具有强力的长效抗菌功能, 抗菌率可达 99.9%, 彻底解决了无机抗菌包装材料在应用中变色的难题, 是一种无毒的广谱抗菌剂, 可广泛应用于生产液体奶、饮料无菌复合包装产品。 抗菌制品被世界各国认为是跨世纪的环保和健康产品, 纳米无机抗菌剂具有巨大的潜在市场 [ 10] 。 新型抗菌材料尼龙 66 中掺加了一种特殊的纳米粘土复合材料, 经改性后, 不但提高了强度、韧性等物理力学性能, 还对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌具有明显的杀伤效果, 同时生产成本也可大幅度降低, 应用于食品等高档包装薄膜的生产。 日本开发了以银沸石为母料的全新型无机抗菌剂, 既起催化作用, 同时有具有显著的抗菌特性, 其特点为抗菌效果持续时间长, 不会气化和迁移而对包装物产生影响, 加工稳定性高, 不会污染环境。 添加银沸石母料(含量 1% ～ 3% )制得的薄膜或表面覆一层这种薄膜的容器, 经 2 年试用表明:在无营养源的情况下, 含 1% 银沸石的薄膜在 1 ～ 2 天内完全杀死会引起食品中毒菌类, 广泛应用于熟食肉类、水产品和液体食品包装[ 11] 。 纳米抗菌包装材料已成为热门话题。 日本在包装材料中添加一种新型无机抗菌剂, 在聚烯烃薄膜中加入抗菌剂和增效剂制成的。目前应用较广的是抗菌薄膜。 纯天然的基础材料在纳米技术的改造下, 能够发挥出惊人的杀菌效果, 抗菌、无菌包装, 能使菌体变性或沉淀, 一旦遇到水, 便会对细菌发挥更强的伤力。 且吸附能力、掺渗透力也很强, 多次洗涤后也还有较强的抗菌作用。据中国预防医学科学院环境卫星与卫生工程研究所的测试报告显示[ 4] :纳米复合材料抑菌效果可达 86 %～ 95. 3%, 其中纳米橡胶材料经山东省卫生防疫站检测, 抑菌效果达 10 %。 小鸭纳米材料洗衣机由于能够有效抑制细菌滋生, 无论使用多长时间, 都能够相对地保持” 净水洗涤” 状态, 解决了洗衣机内部难以请洁的问题 同样, 若在包装材料(如塑料及其复合材料)中加入纳米微粒, 还能起到除异味、杀菌消毒的作用。 也可将纳米微粒加入纸、塑及复合材料中用于包装食品, 以提高食品的货架寿命。合肥美菱股份有限公司于 1998 年底决定展开纳米抗菌技术在冰箱中的应用研究 , 公司使用的纳米抗菌剂主要是银锌系列的无机抗菌剂 , 具有广谱的抗菌效果[ 5] 。.纳米基板包装材料。 饮料罐所用铁板已经经历了马口铁、无锡钢板(TES)的发展历程, 目前已发展到所谓第三代纳米级材料, 为了改善 TES 的焊接密封性能, 如今研制成功第三代超微米锡 TES 板材, 纳米锡粒直径为 100nm , 镀

5.3纳米保鲜包装。 在保鲜包装中, 果蔬释放出乙烯, 当乙烯释放到一定浓度后, 果蔬会加速腐烂。 因此, 果蔬等新鲜食品的保鲜技术的思路, 是加入乙烯吸收剂, 减少加快果蔬后熟过程的乙烯气体含量, 控制包装内部气氛浓度。 纳米 Ag粉具有乙烯氧化的催化作用, 在保鲜包装材料中加入纳米银粉, 便可加速氧化果蔬食品释放出的乙烯, 减少包装中乙烯含量, 从而达到良好的保鲜效果, 并延长货架寿命。 紫外线不仅能使肉类食品自动氧化而变色, 而且还会破坏食品中的维生素和芳香化合物, 从而降低食品的营养价值。 利用纳米材料的光学特性, 纳米 TiO2 粉体可以有效地屏蔽紫外线 , 用添加 0.1% ～ 0.5%的纳米 TiO2 制成的透明塑料包装材料包装食品, 既可防止紫外线对食品的破坏作用, 还可以使食品保持新鲜[ 11] 。 纳米技术在食品包装领域已得到较广泛地应用, 陈丽、李喜宏[ 6] 等人成功研制出富士苹果 PVC/TiO2 纳米保鲜膜;李喜宏等 [ 8] 还进行了PE/Ag纳米防霉保鲜膜研制;黄媛媛等通过实验研制了一种新型绿茶纳米包装材料, 与普通包装材料相比, 透氧量降低 2. 1%, 透湿量降低 28.0%, 纵向拉伸强度提高提高新鲜果蔬等食品的保鲜效果和延长货架寿命, 必须在包装中加入乙烯吸收剂以减少包装中的乙烯含量, 但目前所用的乙烯吸收剂作用效果并不理想。而纳米级银粉(Ag)正好具有对乙烯氧化的催化作用, 也就是说, 纳米银粉可作为乙烯氧化的催化剂, 在保鲜包装材料中加入纳米银粉, 便可加速氧化果蔬食品释放出的乙烯 , 减少包装中乙烯含量。 从而达到良好的保鲜效果。 用作氧化催化剂的纳米微粒主要有 Fe4O3 、Fe2O3 、Co3O4 、NiO 以及 Pt , Rh、Ag 、Pd 等。

 5.4 制作防伪包装。 一般金属微粒是黑色的, 具有吸收红外线等特点, 而且表面积巨大, 表面活性高, 对周围环境(温度、光、湿度等)敏感, 当把具有这些特性的纳米微粒加入包装材料中, 或制成涂料、上光油涂布于包装材料表面后, 人们在选择商品时便可利用温度、光线或湿度等加以鉴别 , 从而达到防伪的目的。 也就是说, 利用纳米技术可实现色彩防伪、理化效应防伪等目的。

六、 结语

纳米材料具有不同于传统材料的独特性能。虽然纳保鲜材料的研究还不够深入，目前相关的产品还不够丰富，但是可以预见，纳米包装材料将是果蔬保鲜材的最主要发展方向之一，其前景十分广阔。纳米技术在果蔬保鲜领域的应用也将对食品消费习惯产生巨大影响。同时指出新型功能材料在中国应会有一个广阔的发展空间,术用于食品包装，并受到消费者的青睐。但气调包装进入中国之初并不顺利，市场接受度不是很高。在欧美，人们喜欢去超市买那种包装好的现成品，而中国人则喜欢去饭店吃饭，或者到市场上买新鲜肉菜然后回家做。所以在一些国际气调包装机械公司刚进入中国市场时，基本没有气调包装。

与此同时,关于纳米材料的安全性并没有统一的意。由于纳米材料的复杂性检测困难, 危害评估系统尚未发展起来,以及已经发表的数据较少从而无法提供科学的指导,所以一直以来对纳米材料的风险评估无法实施， 纳米材料潜在的健康风险中涉及的一个重要问题就是消费者的暴露。对于消费品的应用来说,如果纳米材料以最少释放的方式结合在产品中,那么其导致暴露的可能性也就会最小。如果错误使用含纳米材料的产品，或者虽然正确使用但纳米材料仍大量释放, 那么就有可能通过皮肤接触、摄取或吸入的方式引起暴露。所以，在风险评估进一步完善起来之前,应当考虑一些减少风险的预防措施 ,比如对纳米材料的暴露进行控制。可以建议纳米材料的生产厂家将整个产品生产流通过程中所有可能的暴露环节进行归纳，根据可能的暴露方式使用适当的防护措施进行预防，将纳米材料的暴露风险控制到最低。

  除了担忧纳米材料对人体潜在的毒性和长期作用以外，人们还担忧工业生产过程中释放的纳米材料可能会引起的环境问题 , 即所谓的环境伦理学。其中一个已经被提出的问题就是 : 纳米材料是否能够积累在水或土壤中,以及积累后带来的危害 . 为了追求经济利益 , 某些生产者可能在对纳米技术的环境安全评估尚不充分的时候就推行纳米技术的产业化,肆意排放纳米废物,从而污染环境、危及他人利益和健康。对纳米技术的滥用可能从微观层次破坏生态系统，并且这种破坏造成的危害很可能是无法挽回的 面对纳米技术所引发的各种社会和法律问题，人类应该遵守必要的道德规则并尽到自己的道德责任 , 使纳米技术的发展既有益于人类的发展又能促进生态的平衡. 要加大纳米材料环境-健康-安全的基础研究和流行病学调查，从而为纳米颗粒危险度评价提供准确的暴露水平及指导原则，为纳米材料生产和使用等职业场所环境卫生标准的建立提供必要的理论基础 。通过科技伦理学对纳米技术的, 实现纳米科技的理性使用, 使之朝着服务全人类、造福全人类的方向良性发展。

                              参考文献

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