食品纳米技术

现代食品科学中的纳米技术食品科学与营养工程学院冷小京目录绪论纳米技术发展背景常用纳米技术研究手段纳米技术在食品科学领域的应用纳米技术的安全和未来绪论纳米技术是在0.10～100纳米（即十亿分之一米）尺度的空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技术。由于纳米技术将最终使人类能够按照自己的意愿操纵单个原子和分子，以实现对微观世界的有效控制，所以被认为是对21世纪一系列高新技术的产生和发展有极为重要影响的一门热点学科。什么是纳米技术？纳米技术发展的四个阶段：一、纳米微粒。包括纯碳分子，即“纳米管”。产品：防裂油漆、防晒霜、防渍织物、自洁产品等等。二、自主装微集成粒。目前已制造出来的纳米产品尺寸都很小，如电脑晶片。三、自主装纳米集成功能体系。四、生物纳米技术。20世纪70年代，纳米颗粒材料问世；80年代中期以后，纳米材料的研究成为纳米科技的基础和先导。1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为六大分支：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，涉及纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征三个研究领域。各国均建有完美的研究机构和网络。如韩国纳米技术研究院，德国纳米技术研究网，日本纳米材料研究中心我国发展动态（始于20世纪80年代）国家纳米科技指导协调委员会（2007）国家科技计划（973，863等）发改委项目国家自然基金教育部项目科学院项目生物医药表征标准化电子器件机电加工材料参与单位（800余）参与人才（7000余）2001年，各部联合发布《国家纳米科技发展纲要》。截止2004年，投入12亿人民币。2003年，SCI论文总数居世界第二，仅次于美国，但专利极少。2005年，纳米材料市场规模为35亿人民币。年增长率为20%。2004年，全国从事纳米产业的企业有八百多家，投资400多亿。高效功能性材料的发展–信息、–医药、–化工、–精密设备等生命科学的新理解（仿生）生产工艺的高效及成本的降低公认的发展纳米技术的价值：食品纳米技术指纳米材料技术在食品科技领域，尤其是功能食品领域里的应用。它更关注在小尺寸下食品原料表现出的物理化学性质，以及在小尺寸下通过物理化学改性手段得到的食品原料新的营养和功能特性及相关的安全理解。在具体研究内容从三个方面得到体现：食品纳米结构、功能性纳米颗粒以及食品接触表面。什么是食品纳米技术？从纳米材料科学角度考虑，功能食品的制备应包括以下几个内容：-单体制备技术强化食品材料原有的营养与功能活性；-纳米自组装技术通过合理的设计以及有机的组装，保护和发挥食品材料的营养与功能价值。-食品感官技术发达国家及部分发展中国家均提出重视纳米技术在农业和食品工业中的应用；纳米技术目标均涉及食品生产及加工工艺，包括食品微观结构、香味、贮藏期、病菌控制、信息技术等；均涉及食品质量与安全：建立对摄入纳米颗粒的生物累积及潜在毒性的评估体系，如摄入量评估、新型食品毒理学和过敏性评估。均对农业食品领域加大了投资力度目前国内外食品纳米技术发展状况以美国农业部农业食品项目导向为例：技术项目主要集中在：-表面生物选择性-纳米生物处理研究主题主要集中在：-食品生物处理研究领域主要集中在：-纳米工程-病毒污染-环境污染食品包装和安全监测农业纳米技术的研究着重落在应用，基础探索较轻。大部分项目需要10-15年才能转化。农口大部分投资项目给了农业部（USDA），其次国家科学基金（NSF），最后环保署（EPA）。食品纳米技术已经介入的领域纳米食品包装材料食品加工与贮藏食品纳米标签纳米技术监控食品纳米食品添加剂应用纳米技术运输活性物质纳米技术发展背景历史上的所谓纳米技术–尺度概念纳米技术的现代含义和发展方向–材料重组–自然仿生尺度概念1905年春，爱因斯坦估计出一个糖分子的直径约为1纳米。当提交论文时，因为论文过短而被拒绝，他只好加了些段落。1959年，诺贝尔奖获得者，美国物理学家费曼在加州理工学院作报告：“倘若我们能按意愿操纵一个个原子，将会出现什么奇迹？……现在我们还没有走到这一步，仅仅是因为我们没有在这方面花足够的时间和精力。”费曼的赏金一，谁第一个能把一页书的信息都纪录到页面的两万五千分之一上，赏1000美元；二，谁第一个能在0.06毫米大小的空间里，造出一台能通电转动的电动机，也赏1000美元。我可不希望这个奖要等太长的时间才发得出去。。。纳米技术本质上是材料技术，它关注的是物质材料在小尺寸下所展现的特性。如：表面效应、小尺度效应和量子效应。亚稳态表面结构。尺寸小于10nm的超微颗粒表面不同于一般固体，也不同于液体，高活性的表面仿佛处于“沸腾”状态；易氧化，金属超微颗粒能自燃。表面效应（1）光学性质。金属超微颗粒对光的反射率很低，呈现为黑色。可作高效光热、光电转换材料，如太阳能的开发。（2）热学性质。固态物质超细微化后其熔点显著降低。银的熔点为670℃，超微颗粒低于100℃。因此，超细银粉可在较低的温度下烧制大功率半导体管的基片。（3）磁学性质。超微颗粒呈现出超顺磁性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。（4）力学性质。纳米材料具有大的界面，界面原子在外力下易迁移，因此纳米陶瓷材料具有良好的韧性。小尺寸效应-电子能级由准连续变为离散能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大-导电的金属在超微颗粒时变成绝缘体-光谱线会产生向短波长方向的移动-宏观量子隧道效应，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒量子效应与尺度概念相应而形成的食用产品：纳米硒：平均粒径36nm。可保持硒元素的生物活性，便于机体迅速吸收，又降低了硒的副作用。纳米钙：一类是将钙原料的牛骨、鲨鱼骨、牡蛎等采用气流粉碎及球磨粉碎制50-500纳米的微粒，一类是用纳米包囊技术制成缓释的50-500纳米的微粒钙片。纳米蛋白、多糖制品通过物理或化学的方法，将食品原料的尺寸缩小到纳米级，以期提高其比表面积，增强表面活性，更易于被人体吸收和利用。目前市场上典型的单体产品主要为：与尺度概念相应的纳米生产设备：超微粉碎设备：胶磨机，气流式超微粉碎设备，冲击式超微粉碎设备，超声波粉碎机，均质乳化机。目前研究方向正逐步转向组装具有特定或多重功能特性的纳米结构或体系，并且应用到材料科学、生命与仿生、化工医药、信息技术等许多领域。纳米技术的现代含义和发展方向材料科学碳纳米材料：这一领域最引人注目的两个热点是碳纳米管和单层石墨烯技术，它们有望在微电子、机械和医学等领域掀起一场新的材料革命。碳纳米管：1991年，日本科学家饭岛(Iijima)用透射电镜发现具有层状中空结构特征的碳纳米管。这种一维纳米材料，强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6，且拥有良好的柔韧性。碳纳米管上碳原子的P电子π键共轭效应显著，电导率可达铜的1万倍，可用作分子导线，纳米半导体材料等。此外，碳纳米管的中空结构可储存氢气，储存密度甚至超过液态或固态的氢气。纳米碳管的应用–微型马达1ps=10-12m石墨烯：2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆用胶带纸得到仅由一层碳原子构成的石墨烯。据说，哥伦比亚教授还有一个中国博士生用AFM显微镜和抛光机分别制取石墨烯，可惜均失败。2010年10月5日，安德烈·海姆和康斯坦丁·沃肖洛夫获得诺贝尔物理学奖。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固，结构非常稳定，其中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。经典物理学中，能量不足的电子无法越过势垒。而在量子力学中，电子可以看作是波，因此有可能以某种方式穿透势垒。在石墨烯晶体就能发生量子隧道效应，电子通过率达100%。石墨烯优良的导电性使其可能最终会替代硅。金属纳米材料：目前关于纳米级金、银、铜、锌等金属材料与生物体间相互作用的报道很多，如通过对比不同粒径和表面性质的金属纳米颗粒的毒理学效应，阐述了尺寸效应和表面效应在金属纳米毒理学中所扮演的重要角色，包括载体动物毒性、离体细胞毒性、机体代谢以及生态环境的影响。厦门大学孙世刚等制备的铂纳米晶体，主要应用在催化剂领域。在力学方面，普通多晶体金属材料的强度通常随晶粒尺寸的减小而升高,将出现一极大值，但随晶粒尺寸进一步减小，材料反而软化。然而，这种极值强度在纯金属力学性能实验中很难观察到。其主要原因是晶粒愈小，长大驱动力愈大。中国科学院卢磊等成功地将铜晶片减小到15纳米，观察到材料强度的最大值，相关结果发表在Science。此研究为深入研究金属材料力学行为的纳米尺寸效应提供了可能。氧化物及复合纳米材料：化学所江雷等制备出多通道TiO2微纳米管，使其在高效催化、超滤分离、微纳流体管路、超保暖织物以及多组分药物输运等领域具有广泛的应用前景。清华大学李亚栋等成功制备了随含水量不同而形貌不同、尺寸单分散的CeO2纳米球，可以作为环境催化的微反应器。北京大学在低温下合成大面积的具有单一均匀形貌的ZnO纳米分级结构材料，被认为是有希望的染料敏化太阳能电池的阳极材料。使用三辛基氧膦作表面活性剂，在低于473K的低温下，制备的Ni/Ni3C的核-壳结构纳米链，得到具有双功能的纳米材料。Ni3C可降低材料的饱和磁化强度，一维结构增强了体系的矫顽力。Nanoscalematerialshavefeaturesizelessthan100nm–utilizedinnanoscalestructures,devicesandsystemsNanoparticlesandStructuresSilvernanoparticles–NorthwesternUniv.,2002Astadiumshaped“quantumcorral”madebypositioningironatomsonacoppersurface–IBMCorp.,1993.A3-dimensionalnanostructuregrownbycontrollednucleationofSilicon-carbidenanowiresonGalliumcatalystparticles–Univ.ofCambridge,2007Goldnanoparticles–TUDresden/ESRF,2008介孔纳米材料：介孔材料是指孔径介于2-50nm的多孔材料。它具有极高的比表面积、规则有序的孔道结构、孔径分布狭窄、孔径大小可调等特点。介孔材料一般可分为硅系和非硅系两大类。前者用于催化、分离提纯、药物包埋缓释等领域，特别是新型生物大分子药剂的研发。此外，有序介孔膜材料的出现使生物芯片技术实现了突破性进展，膜可直接进行细胞/DNA的分离，以用于构建微芯片实验室。非硅系主要包括过渡金属氧化物、磷酸盐和硫化物等，应用于吸附、催化剂负载、及制备微型催化反应器。界面纳米材料：浸润性是固体表面的重要特征之一，由表面的化学组成和微观形貌共同决定。表面的纳米级凸起结构，可将空气封闭在表面空间与水滴之间，导致超疏水现象的发生。这一现象可用来制备减阻以及自清洁材料。水和表面接触角大于150度的表面被称为“超疏水表面”，一般疏水表面的接触角仅大于90度。生物纳米材料1)Biologicalmaterialsutilizedinnanotechnology-Proteins,enzymes,DNA,RNA,peptides1)Syntheticnanomaterialsutilizedinbiomedicalapplications-Polymers,poroussilicon,carbonnanotubesBonecellonporoussilicon–Univ.ofRochester,2007Cross-linkedenzymesusedascatalyst–Univ.ofConnecticut,Storrs,2007HumancellonPSiPoroussilicon(PSi)ProteinEnzymesareusedasoxi