納米技術(shù)在風(fēng)味物質(zhì)食品加工中的應(yīng)用與發(fā)展

孫璐，郭嬋，趙曉燕*，張曉偉, 劉紅開，朱運(yùn)平

(1.濟(jì)南大學(xué) 食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)系，濟(jì)南 250022；2.北京工商大學(xué) 食品學(xué)院，北京 100048)

納米技術(shù)是1981年掃描隧道顯微鏡發(fā)明后，誕生的一門以1～100 nm長(zhǎng)度為研究分子世界，是人類科學(xué)史上的一大突破[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將納米技術(shù)與其他領(lǐng)域相結(jié)合，為人類發(fā)展帶來了全新的突破口，其廣泛應(yīng)用于新材料、生物、醫(yī)藥、化學(xué)、食品以及制造業(yè)中[2]。

納米技術(shù)積極推動(dòng)了各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，而且納米技術(shù)已經(jīng)深深融入我們的日常生活中，尤其是食品行業(yè)中，例如食品的加工中所用到的包裝材料(生物可降解包裝、納米膠囊)、納米食品添加劑、食品納米傳感器等，不僅有效地延長(zhǎng)了食品的儲(chǔ)藏期，而且比以往的材料更加綠色安全。風(fēng)味物質(zhì)的食材在我們?nèi)粘Ｉ钪型ǔＳ脕碚{(diào)味，例如蔥、姜、大蒜、肉豆蔻等，其含有的風(fēng)味物質(zhì)具有抗氧化、抗菌、抗癌等功能性，但是這些有效成分的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，溶解性較差，近年來為克服上述問題采用了納米技術(shù)，擴(kuò)展了呈味物質(zhì)在調(diào)味方面的應(yīng)用范圍，提高了食品加工的發(fā)展水平，采用天然物質(zhì)調(diào)味不僅延長(zhǎng)了儲(chǔ)藏期，而且減少了食品添加劑的使用，優(yōu)化了食品安全，在此基礎(chǔ)上誕生了健康功能性食品，同時(shí)也為食品調(diào)味領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的思路。

1 食品納米技術(shù)

食品納米技術(shù)是指在生產(chǎn)、加工或包裝過程中采用了納米技術(shù)手段或工具的食品技術(shù)。巴氏殺菌將食品生產(chǎn)加工精度發(fā)展到了微米水平，隨后碳納米管——布基球富勒烯(C60)的發(fā)現(xiàn)[3]，將食品生產(chǎn)水平提升到納米水平。風(fēng)味物質(zhì)食品加工中不可避免的就是有效成分的流失(溫度、pH、酶)，如何更好地提高風(fēng)味物質(zhì)有效成分的穩(wěn)定性成為一直以來食品加工中面臨必需解決的問題。納米技術(shù)的出現(xiàn)有效改善了這一問題，國(guó)外研究人員開發(fā)出具有納米級(jí)成分的新型產(chǎn)品[4]，這些成分可提高產(chǎn)品風(fēng)味和顏色的保持力，增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)生價(jià)值和人體利用程度，去除污染物且防止微生物變質(zhì)，有效延長(zhǎng)保質(zhì)期并提高包裝材料的質(zhì)量，食品納米技術(shù)由此誕生。

現(xiàn)今納米技術(shù)在食品中的應(yīng)用大致有生物聚合物、脂質(zhì)體、納米乳液納米復(fù)合材料、水凝膠等[5]，其優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1。一些含有香味的成分存在于水溶液中，通過噴霧干燥生產(chǎn)出香粉，但是在噴霧干燥過程中產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致風(fēng)味物質(zhì)流失。采用納米囊化技術(shù)可以提高保存率，例如柑橘油是一種對(duì)氧氣敏感的風(fēng)味物質(zhì)[6]，在生產(chǎn)中加入納米囊化技術(shù)，不僅能阻隔氧氣的接觸，而且避免了溫度過高引起的不穩(wěn)定性，提高了甜點(diǎn)制作中柑橘風(fēng)味保存以及乳化穩(wěn)定性。生姜中的姜辣素對(duì)大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌有抑制作用，但姜辣素的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，且溶于有機(jī)溶劑。采用超聲波技術(shù)制備的姜油納米乳液姜辣素保存率達(dá)80%以上，與食用酪蛋白酸鈉制成的納米乳液涂在雞胸肉表面，冷藏12 h后需氧嗜冷菌顯著減少，開發(fā)出含有姜油納米乳液的調(diào)味品，對(duì)雞胸肉腌制的同時(shí)還可以達(dá)到抑菌的效果[7]。

納米復(fù)合材料應(yīng)用于食品中相當(dāng)廣泛，在生活中已用于生產(chǎn)各種食品和飲料(例如采用β-環(huán)糊精將風(fēng)味劑均勻分散在溶液中[8]，因此更適合于提高硬糖和飲料的清澈度以及冰淇淋制品的乳化穩(wěn)定性，使口感更加細(xì)膩)，很少有人意識(shí)到納米技術(shù)在食品中的用途，納米技術(shù)如同生物技術(shù)一樣，并不是單一的技術(shù)創(chuàng)新，而是推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展，結(jié)合各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行工業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新。

表1 納米材料在食品中的應(yīng)用Table 1 The application of nano materials in food

2 納米技術(shù)在風(fēng)味物質(zhì)食品中的加工應(yīng)用

2.1 納米囊化技術(shù)

20世紀(jì)80-90年代納米技術(shù)逐步應(yīng)用到食品領(lǐng)域中，主要體現(xiàn)在食品的保鮮、加工、包裝以及檢測(cè)等方面。納米技術(shù)在食品中展現(xiàn)的不僅僅是采用納米設(shè)備生產(chǎn)食品，而是對(duì)食物進(jìn)行分子原子的重新組合排列，使某些結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而提高人體的吸收利用率，例如類胡蘿卜素有較好的生物活性，但化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、溶解度低[17]，限制了它們?cè)谑称泛退幤分械膽?yīng)用。經(jīng)過納米囊化技術(shù)改良后，如圖1用表面活性劑包裹在最外側(cè)，類胡蘿卜素在納米脂質(zhì)層，最內(nèi)層由表面活性劑包裹水相，使類胡蘿卜素在加工和儲(chǔ)存中保持了原始特性，更好地被人體吸收。

圖1 納米囊泡包裹類胡蘿卜素示意圖Fig.1 The schematic diagram of carotenoids encapsulated in nano vesicles

納米囊化技術(shù)往往采用納米乳劑來包裹有效成分，比常規(guī)乳劑更具有優(yōu)勢(shì)，是因?yàn)榻?jīng)過納米乳劑包裹的生物活性化合物在胃腸道中更容易被吸收，具有更高的安全性。Pinheiro等[19]用納米囊化技術(shù)乳鐵蛋白/藻酸鹽制作的多層納米乳劑，在體外腸胃模擬(動(dòng)態(tài)胃腸道模型包括模擬胃、十二指腸、空腸和回腸)實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了乳鐵蛋白/藻酸鹽涂層，可以迅速地吸附在腸道內(nèi)，被包裹的脂質(zhì)釋放出親脂性生物活性化合物，提高了姜黃素的生物利用度，同時(shí)也可以改善乳狀液的理化穩(wěn)定性。大蒜采用冷凍干燥或噴霧干燥后，提取出大蒜精油，其含有的大蒜素可以抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)[20]，最低抑菌濃度分別為62.5，31.25 mg/mL，將納米囊化技術(shù)加入到肉類食品加工中，作為合成食品添加劑抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，有效保存了肉類食品的新鮮度，并且賦予肉類大蒜風(fēng)味。

胡椒堿[21]在酸、堿、光、熱和氧的條件下化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，容易失去呈味效果，運(yùn)用納米載體增加穩(wěn)定性，加入殼聚糖的胡椒堿納米乳液可在常溫下1年保持穩(wěn)定[22]，由此可見納米囊化技術(shù)可以有效保護(hù)含有風(fēng)味物質(zhì)的食品質(zhì)量和利用度。

2.2 納米保鮮技術(shù)

保鮮技術(shù)是風(fēng)味物質(zhì)食品加工中的重要環(huán)節(jié)，早在遠(yuǎn)古時(shí)代人類用鹽腌漬的方法延長(zhǎng)食物的保存期，現(xiàn)在已有的傳統(tǒng)保鮮技術(shù)主要有低溫冷藏(冷凍)、氣調(diào)保鮮法、輻照保鮮法等。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，我國(guó)國(guó)民的生活水平不斷提高，對(duì)食材的新鮮度要求逐步增加，但是這些傳統(tǒng)保鮮技術(shù)已經(jīng)不能滿足帶有風(fēng)味物質(zhì)食品的運(yùn)輸、儲(chǔ)存要求，芳香物質(zhì)的流失、腐爛變質(zhì)給種植農(nóng)民、運(yùn)輸工廠帶來了極大困擾。為進(jìn)一步解決保鮮問題，在食品加工中加入納米技術(shù)。極大改善了食品的品質(zhì)[23]，提高食品原有的風(fēng)味物質(zhì)和有效成分，減少過度暴露在空氣中被氧化的情況，尤其是在蔬果保鮮的應(yīng)用中體現(xiàn)。例如在蘑菇保鮮中，潘教授等[24]采用了交聯(lián)電紡聚乙烯醇/肉桂精油/β-環(huán)糊精(CPVA-CEO-β-CD)納米纖維膜，納米纖維膜提高了蘑菇的硬度，其抑菌圈(大腸桿菌和金黃色葡萄球菌)直徑為(9.16±2.3) nm和(10.11±1.17) nm，普通保鮮膜抑菌圈(大腸桿菌和金黃色葡萄球菌)直徑為(5.23±2.11) nm和(6.10±1.13) nm。由此可見，納米纖維膜比普通保鮮膜更加有效地抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，從而延長(zhǎng)了蘑菇的保存期，同時(shí)保護(hù)了所含有的鮮味物質(zhì)5′-鳥甘酸以及良好的色澤，但失重率有所降低。大腸桿菌是在人類胃腸道中發(fā)現(xiàn)的最常見的食源性病原體，國(guó)外Pandey教授等[25]將新型可生物降解包裝材料(聚乙烯醇-殼聚糖-硝酸銀、纖維復(fù)合納米層)應(yīng)用于肉類保鮮，其抑菌圈(大腸桿菌和李斯特菌)為(20.0±0.7) nm和(20.0±0.7) nm，而普通保鮮膜為(9.0±0.5) nm和(10.0±0.4) nm，通過檢測(cè)得出納米保鮮豬肉中細(xì)菌生長(zhǎng)比普通保鮮豬肉晚了17 h，減少了食源性疾病的發(fā)生率，延長(zhǎng)了保存期限[26]。

新鮮橙子切開后，在儲(chǔ)存過程中真菌感染人、橙子本身氧化呼吸作用會(huì)讓水分迅速蒸發(fā)，風(fēng)味物質(zhì)隨著水分的蒸發(fā)而損失，造成感官質(zhì)量下降[27]。吳教授等[28]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米氧化鋅對(duì)橙子的味道、香氣和咀嚼性都高于普通保存、氬氣保存，評(píng)分詳見表2。納米氧化鋅可降低水的流動(dòng)性，從而減少橙子本身風(fēng)味物質(zhì)的流失，更好地保存了原有的香氣以及較好的新鮮度。納米保鮮涂層有抑制呼吸和抑菌作用，同時(shí)在運(yùn)輸過程中可以減少機(jī)械性損傷，降低運(yùn)輸成本并且提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，在含有風(fēng)味物質(zhì)食品的儲(chǔ)存和保藏中加入納米技術(shù)，有助于推動(dòng)食物儲(chǔ)藏工業(yè)的發(fā)展，但技術(shù)還未完善，有待進(jìn)一步研究探索。

表2 鮮切橙采用不同保鮮膜的感官評(píng)分

2.3 納米包裝

從古至今，人類生活所必需的條件就是食物和水，而食物在加工、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中其本身的呼吸作用、后熟作用致使食物自然腐爛，發(fā)生的物理、化學(xué)、微生物變化是我們一直以來所要面臨和解決的問題。紙是最早的食品包裝材料，塑料的發(fā)明成為新的保存食物的材料，但塑料帶來的環(huán)境污染讓人們尋找新的包裝材料，納米可降解包裝的問世有效改善了這一問題。傳統(tǒng)的食品包裝材料應(yīng)用于簡(jiǎn)單的食材包裝，對(duì)具有風(fēng)味物質(zhì)食品包裝并不是特別理想，造成的環(huán)境問題也耗費(fèi)人力、物力、財(cái)力，采用納米材料進(jìn)行包裝可改善這一現(xiàn)象。肉桂中含有肉桂醛，是一種天然的香辛料，具有特殊的香氣，是復(fù)合調(diào)味品的用料之一，然而肉桂醛在光、熱和氧的條件下容易氧化降解[29]。靜電紡絲技術(shù)是納米技術(shù)的一種，在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的情況下，肉桂醛/聚乳酸復(fù)合納米纖維膜的抑菌率(92.43%、94.65%、86.78%)高于傳統(tǒng)抗菌劑CuSO4制備的復(fù)合納米纖維膜(55.45%、30.51%、21.35%)[30]。

運(yùn)用小麥面筋蛋白、乳清蛋白、普魯蘭多糖、豆渣、薯渣等原料制作可食膜作為內(nèi)包裝在調(diào)味品包裝中的應(yīng)用已有較多報(bào)道，為提高風(fēng)味物質(zhì)在調(diào)味品中的質(zhì)量及貯藏和應(yīng)用性能奠定了基礎(chǔ)[31]。此外，國(guó)內(nèi)外研究中表明納米材料用于食品包裝后減少了食物垃圾所造成的環(huán)境問題，同時(shí)減少了凈化包裝材料釋放的二氧化碳，間接緩解了由于大量二氧化碳?xì)怏w過多導(dǎo)致的全球變暖問題。

2.4 納米食品傳感器

電子機(jī)械的出現(xiàn)使人類農(nóng)業(yè)發(fā)生了質(zhì)的變化，大規(guī)模的生產(chǎn)提高了產(chǎn)量，食品工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，而不同添加劑層出不窮，質(zhì)量讓人堪憂，科技發(fā)展的同時(shí)也帶來了食品安全問題，有毒有害物質(zhì)、重金屬污染、違法添加劑、有機(jī)污染物沒有采取有效的處理，大量流入水中、土壤中，進(jìn)一步污染農(nóng)田糧食，因此對(duì)于食品檢測(cè)的要求更高。納米傳感器將傳統(tǒng)食品安全檢測(cè)與納米技術(shù)中生物、化學(xué)、物理和信息技術(shù)領(lǐng)域相融合，其中包括納米小分子傳感器、納米氣敏傳感器、納米微生物傳感器，它們較傳統(tǒng)檢測(cè)器具有耗能低、體積小便于操作、靈敏度高等特點(diǎn)，可以更加精準(zhǔn)地檢測(cè)出食品中的有害物質(zhì)，降低化學(xué)污染物、細(xì)菌病原體導(dǎo)致的食源性疾病的發(fā)生。例如我國(guó)金教授采用超順磁性納米探針，在最佳實(shí)驗(yàn)條件為孵育時(shí)間45 min，納米探針SMN-SA(超順磁性納米粒子-鏈霉親和素)濃度為50 μg/mL，120 min完成對(duì)牛奶中沙門氏菌的檢測(cè)[32]。沙門氏菌常規(guī)培養(yǎng)檢測(cè)經(jīng)過溶解(18±2) h，高低溫提取(24±3) h，菌種混合辨識(shí)(24±3) h，菌落純化(24±3) h整個(gè)培養(yǎng)檢測(cè)過程所需時(shí)長(zhǎng)不少于90 h[33]。腌制食品獨(dú)特的風(fēng)味備受人們喜愛，但在加工過程中添加亞硝酸鹽防腐或者在腌制過程中產(chǎn)生大量亞硝酸鹽[34]，Velmurugan等[35]采用SnS2納米六方晶的非酶電化學(xué)傳感器，用于食品樣品中致癌亞硝酸鹽的檢測(cè)，準(zhǔn)確率達(dá)97%。

由此可見，納米傳感器在風(fēng)味物質(zhì)食品加工中具有重大的發(fā)展意義，可以更好地檢測(cè)其具體變化，提高工作效率，減少生產(chǎn)商產(chǎn)品質(zhì)量問題。風(fēng)味物質(zhì)在調(diào)味品中應(yīng)用較多，且調(diào)味品中的添加劑使用量多，出現(xiàn)超標(biāo)案件多，為今后納米食品傳感器用于調(diào)味品質(zhì)量檢測(cè)方面奠定了基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，便于檢測(cè)判斷，建立良好的食品安全體系。

3 納米技術(shù)在風(fēng)味物質(zhì)食品加工中的應(yīng)用展望

食品中含有的風(fēng)味物質(zhì)大多數(shù)具有一定的功能性，在加工過程中注重提取率或成品的形態(tài)外觀，往往會(huì)忽略在加工過程中的損失率。納米技術(shù)的出現(xiàn)改良了原有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，“納米電子鼻”可更準(zhǔn)確、靈敏地檢測(cè)風(fēng)味物質(zhì)的變化情況，便于生產(chǎn)中及時(shí)檢測(cè)，同時(shí)提高食物的新鮮度，調(diào)味品中風(fēng)味物質(zhì)居多，用于調(diào)味品的檢測(cè)將進(jìn)一步推動(dòng)納米技術(shù)與食品領(lǐng)域結(jié)合。納米膠囊技術(shù)可以更好地保護(hù)風(fēng)味物質(zhì)順利進(jìn)入人體腸道，提高機(jī)體的吸收利用率。在今后的發(fā)展中要關(guān)注納米材料的安全可靠性，一些納米材料有低毒性，長(zhǎng)期食用被人體吸收后，是否引起慢性中毒有待進(jìn)一步研究，還有可能造成神經(jīng)系統(tǒng)的損傷或者內(nèi)分泌紊亂，同時(shí)內(nèi)分泌的失調(diào)也會(huì)導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生，因此進(jìn)一步降低納米材料的毒性成為今后研究的主要方向，并且建議有關(guān)部門對(duì)納米技術(shù)參與的風(fēng)味物質(zhì)食品加工環(huán)節(jié)的產(chǎn)品緊密檢測(cè)，制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)以及法律法規(guī)，不再出現(xiàn)三聚氰胺奶粉等相似的事件發(fā)生，增強(qiáng)對(duì)納米材料應(yīng)用的合理性，從而提高消費(fèi)者對(duì)納米技術(shù)的接受度，進(jìn)一步改善納米技術(shù)，更好地應(yīng)用于風(fēng)味物質(zhì)食品加工中。

4 結(jié)論

納米技術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)了食品領(lǐng)域的發(fā)展，在風(fēng)味物質(zhì)食品加工中起到了重要的作用，雖然一些納米材料具有一定的毒性，但是總體來說利大于弊，其應(yīng)用于食品加工中，不僅有效保存了風(fēng)味物質(zhì)，同時(shí)提高了保鮮效果，延長(zhǎng)了食品的保存期。在食品檢測(cè)方面，納米技術(shù)與傳統(tǒng)檢測(cè)方法的結(jié)合，提高了工作效率和準(zhǔn)確度，在構(gòu)成合理食品安全體系方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。在采用納米材料包裝風(fēng)味物質(zhì)食品中，需要改良的是納米材料的安全性，做到生物可降解無毒性的納米材料包裝是進(jìn)一步深入研究的主要方向。

綜上所述，可以看出推廣納米技術(shù)在調(diào)味品生產(chǎn)中的應(yīng)用，不僅能提高風(fēng)味物質(zhì)的穩(wěn)定性，而且具有抑菌效果，減少了食品添加劑的使用，更好地發(fā)揮出風(fēng)味物質(zhì)的生物利用度。根據(jù)調(diào)味品中主要為風(fēng)味物質(zhì)的特點(diǎn)，采取納米檢測(cè)系統(tǒng)，為提高工作效率、優(yōu)化生產(chǎn)線發(fā)揮巨大的作用。因此，納米技術(shù)在風(fēng)味物質(zhì)食品加工中具有廣闊的應(yīng)用前景。