纳米食品的分析检测进展摘要介绍了纳米材料的安全性,重点对纳米食品的3种分析检测手段(成像、分离和表征技术)进行了较为详细的综述,并对该领域的工作进行了展望。
关键词纳米材料,纳米食品,分析手段进入21世纪以来,纳米技术已经在材料、化工、生物、医药、食品、通信、能源等众多领域展现出广阔的应用前景,并对各学科领域的发展产生了深远的影响。
在食品工业中真正运用了纳米技术的产品只占消费品的一小部分,主要包括纳米包装材料、纳米营养物和纳米添加剂等[1]。
目前,全球有200多家公司致力于纳米技术在食品工业中的应用。
根据著名咨询公司HelmutKaiser一项调查显示,仅在食品饮料包装行业, 2004年纳米产品的全球销售额就高达8·6亿美元,而在2002年,纳米产品的全球销售额只有1·5亿美元[2]。
纳米食品,也称纳米尺度(10-9-10-7m)的食品,是以人类可食用的天然物、合成物和生物生成物等原料采用纳米技术加工制成的,并根据人体健康进行不同配制的食品。
由于纳米粒子具有独特的表面效应和量子尺寸效应,研究发现,食品和营养素经过纳米化以后,亦表现出更高生物活性,甚至显现出常态物质没有的活性。
所以纳米食品除了包括普通食品的功能外还有以下功能:预防疾病、调节机体、康复病体的功能;降低保健食品的毒副作用功能;提高人体对矿质元素的吸收利用率和杀菌除味等。
新兴纳米技术下生产的食品的安全性一直受到消费者和研究人员的高度关注。
本文就纳米食品的分析检测方法进行综述,以期为纳米食品的发展提供技术支持。
1纳米材料的安全性纳米材料是将材料的尺度在空间进行约束,并到一定的临界尺寸后,材料的结构和性质也随之发生从宏观到微观的转变。
粒径的减小也是引起纳米材料的安全性问题的主要原因。
Frampton通过对大气中尘埃粒子的研究发现,当大气中的尘埃粒子粒径<10μm时,尘埃粒子对肺部有明显的毒性。
材料对生物体的毒性强烈地依赖于材料的尺寸[3]。
在一般情况下,纳米材料不会表现出明显的毒性。
但纳米材料的潜在毒性、在生物体内的富集及其对食物链的影响,人们却自知甚少,研究者称这种毒性为“生态毒性”。
Brunner等研究发现,不同类型的纳米粒子能够透过细胞膜,导致细胞内自由基含量的增加,最终造成生物体的毒性[4-6];同时,纳米粒子还会在生物体的组织中富集。
Chen研究发现, SiO2纳米颗粒会导致核质蛋白的团聚,从而损害细胞核的功能[6]。
富勒烯和TiO2纳米颗粒会对蚤、大口鲈鱼和其他水生动物产生一定的毒性[7]。
而纳米材料有时也会扮演降低污染物毒性的角色: Zhang 通过对鲤鱼的活体实验发现,TiO2纳米颗粒会大量富集游离的镉离子[8];纳米银也显示出较强的抗菌能力,研究者已将这种抗菌能力应用到人们健康保护和水生环境治理中[9]。
纳米食品中采用的纳米技术是一种全新的技术,如同转基因食品,其安全性和接受程度受到消费者的质疑。
纳米食品在活性、吸收利用率等增加的同时还应该考虑到有害物质的吸收、渗透等问题。
一方面粒径减小使得食品原料本身具有的毒素,农残和重金属成分更易被吸收,加剧了纳米化后的安全隐患。
另外,纳米食品中营养成分纳米粒子可以通过传统吸收途径之外的其他途径进入人体,并穿过生物膜屏障,使人体的防御能力降低,引起机体功能紊乱,出现健康问题。
维蒙特大学的消费经济学家科洛丁斯基在佛罗达里达州奥兰多市的食品安全大会上说,纳米技术是一种新的基因工程〔10〕。
美国消费联盟的资深科研人员汉森称,不要因为某种物质在自然尺寸状态下是安全的,就以为处理成纳米尺寸后也一定是安全的,所有科学家都赞同,物质的大小也是安全重要因素之一。
例如,大量接触含有纳米碳(如富勒烯)的食品或化妆品,会造成与石棉一样的危害[10]。
美国消费者保护组织称,纳米食品已经悄悄打入市场,促请美国当局强制厂商标明食品是由纳米技术制造的。
因此,有必要借助于先进的分析仪器,深入了解纳米食品在复杂体系中的行为及其对人体和环境的潜在影响。
2纳米食品分析检测技术纳米材料的理化性质包括尺寸大小、尺寸分布、表面特征、形状、溶解度、活性、团聚状态和化学组成等诸多信息。
为了更多地获得这些信息,应用多种分析手段来检测和表征纳米材料成为一种必然。
将分析手段分为成像、分离和表征3种技术。
2·1样品前处理样品处理是整个分析过程中最薄弱环节和时间决定步骤,也是误差的主要来源。
而环境因素对纳米材料的结构和组成等性质的影响很大。
因此,前处理或消化后“纳米食品”得到的结果常常不同于原位检测的结果[11]。
避免或减少样品的前处理,可以有效地减少人为干扰因素。
如果不得不对样品进行前处理,仔细地记录前处理的每一环节对“追踪”人为干扰因素至关重要。
同时,一些新的样品前处理技术应用到纳米材料的分析检测技术,尤其是涉及到成像邻域: Paunov采用凝胶捕获技术结合扫描电镜(SEM)对乳液进行了成像[12]; Bickmore采用固定技术结合原子力显微镜(AFM)对水溶液中的黏土矿物质进行了成像[13];Lonsdale应用高压冷冻和冷冻基质技术,借助于透射电镜(TEM)对稀有的糊粉原生质体进行了成像,这种技术保留了细胞结构的完好和蛋白质的抗原性,优于传统的化学固定和去水技术[14];Wang采用低温透射电镜,对掺杂Fe的TiO2纳米颗粒进行了“原位成像”[15]。
当然,这些新的样品前处理技术也有望在纳米食品的分析检测技术中得到广泛的应用。
2·2成像技术纳米材料的尺寸都在可见光的衍射极限以下,普通光学显微镜无法观测纳米材料。
目前,电子显微和扫描探针显微技术是运用最多的成像技术。
依赖于这些技术,可以得到亚纳米的分辨率。
利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)3种常见的成像技术,人们可以得到纳米材料的许多性质,诸如团聚的状态、分散、吸附、尺寸、结构和形状。
Parris通过SEM观测到包埋香精油的蛋白纳米微球的形态,更深入了解这种香精油的抗氧化性。
TEM可以对各种纳米粒子进行成像,可观测到不同形状的纳米管状牛乳蛋白,制备出嵌入活性酶的多肽自组装材料。
利用TEM,研究者还可以控制最终合成的纳米β-环糊精的形态和尺寸分布。
对于TEM和SEM而言,必须在真空条件下操作,因此大大阻碍了这2种技术的推广。
样品必须进行去水、低温固定或嵌入等前处理;而前处理的引入,不可避免地改变了样品的原有性质。
如果在全液体状态下成像,就需要应用AFM技术。
AFM属于扫描探针显微镜的一类,振荡的悬臂掠过样品的表面,在针尖和表面之间,可以检测到<10-12N的静电力。
基于以上原理, AFM可以提供3D表面形态(大约0·5 nm的高度分辨率)。
AFM的主要优势在于提供湿的或潮湿状态下的样品的亚纳米结构。
如果样品是液体状态,样品就很难固定在基质上,甚至到处流动,有时甚至吸附在振荡的悬臂上。
以上会导致“涂污效应”的产生和振荡悬臂性质的改变。
人们采用非接触式扫描,来减小“涂污效应”。
AFM可以用于表征蛋白、多糖和脂质体的结构,AFM很早就用于成像纳米管状α-乳清蛋白的分子结构,还可以研究脂质体包埋体系的形态、尺寸、稳定性和动力学过程。
以上3种成像技术均属于损伤性技术,因此同一样品不能多次分析。
电子显微技术的另一个缺点是“充电效应”,这种效应源于组织成像时,由于电子辐射导致静态电场的累积。
如果将样品的表面包裹导电性材料,可以消除充电效应,但是同时会导致部分信息的缺失。
此外, 3种成像技术普遍存在成本高、耗时等缺点,因此很难成为最常用的分析手段。
2·3分离技术常见的分离技术如高效液相色谱(HPLC)、场流分级分离(FFF)、毛细管电泳(CE)、水动力色谱(HDC)、凝胶电泳(gel electrophoresis, GE),借助于传统的检测器,这些分离技术不仅能够快速、灵敏、无损伤地定性检测各种环境中的纳米粒子(包括纳米食品),而且能对其定量。
其缺点在于,由于溶剂的引入和不同介质的相互作用,使样品原始环境发生改变,最终导致分析结果的偏差。
将各种分离技术的灵敏度、简单程度、分析时间、成本消耗和应用程度进行对比(表1所示),不难看出HPLC和FFF是两类优势明显的分离技术。
表1三种分析检测手段的对比1)简称灵敏度简单程度分析时间成本消耗应用程度分离技术HPLC ○√○√√FFF ○√√√○HDC ○√√√×CE ×√○√○GE ○√×√○成像技术TEM √√××√SEM √√××○AFM ○√○×○表征技术MALDI-MS √○××√ESI-MS √√√○○DESI-MS √○√××IM-MS √○√×○PCS ○√○√√AU ○○××○NMR ×○○×○XRD √×××○SAXS ○××××注: 1)√,良好;○,中等;×,较差。
食品邻域内,用于分离纳米材料的HPLC主要有2种: SEC(尺寸排阻色谱)和IEC(离子交换色谱)。
众所周知,尺寸排阻色谱是尺寸分离常用的技术。
这种技术已经应用到量子点、碳纳米管和聚苯乙烯纳米颗粒的尺寸表征。
尽管有着良好的分离效率,但尺寸排阻色谱存在以下缺点:溶剂与流动相之间存在强烈的相互作用,测定的粒径分布较窄,不能同时分离纳米粒子和其团聚物。
借助于紫外-可见光检测器(UV-Vis)或独特的荧光检测器(FL), SEC和IEC 均可监控纳米蛋白材料的洗脱情况。
与光子相关光谱(PCS)相结合, SEC可以检测纳米脂质体包埋体系,并给出详细、准确的尺寸分布。
SEC还可以与示差折光检测器(RI)或多角度光散射(MALS)联用表征多糖。
高灵敏的检测器,如电喷雾质谱(ESI-MS)和基质辅助激光解吸附-飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)与SEC联用后,可以得到多糖的组成、尺寸和重复单元次序等重要信息。
20世纪60年代诞生的场流分级分离技术(FFF),现已在理论、仪器技术和实际应用方面都有了较大的发展,尤其在分离复杂的大分子物质方面,驱动技术的基本要素。
与色谱一样,FFF是一种洗脱技术;与场驱动技术一样,需要一外加场或梯度。
在场流分级分离中,分离是在外加场的诱导下与流体联合作用进行的。
场流分级分离技术是一个分离技术的大家族,它包括多种分支技术。
根据引入的外加场的不同,主要有沉淀场流分级分离、流动场流分级分离、热力场、流分级分离、电力场流分级分离等。
同高灵敏的检测技术(诸如ICP-MS和多角度激光散射)结合,FFF已经成功应用到地球化学和天然胶体研究,同样也应用到功能化纳米粒子的行为研究。