综述：食品中的纳米材料：从功能应用到毒理学结果——一篇综述

《Next Materials》：Nanomaterials in food: From functional applications to toxicological outcomes–A review

　　

纳米技术是一项变革性技术，应用于食品加工、保藏、包装及食品强化领域。有机、无机及杂化复合材料等纳米材料的利用，已成为改善营养生物利用度、货架期、感官特性以及智能与活性包装技术的一种有前景的方法。它们以尺寸、形状和表面化学依赖的方式与蛋白质、脂质和碳水化合物相互作用，这对其在加工和储存过程中的稳定性和功能性产生影响。尽管存在这些积极的应用，但纳米材料在食品系统中的高普及率也带来了风险，例如引起细胞毒性、基因毒性、氧化应激、生物蓄积以及肠道微生物群紊乱。其他环境问题，包括生态毒性、持久性以及生命周期评估的困难，进一步凸显了建立强健监管结构和安全评估政策的重要性。当前在大规模生产、风险评估和公众认知方面的不足，强调了开展跨学科研究、风险管理和公开沟通的必要性。正如可持续和可生物降解纳米材料、人工智能与数字食品系统，以及用于智能包装的先进纳米传感器所展示的那样，实施更安全、更高效且环境友好的纳米赋能食品技术的潜力是光明的。本综述深入概述了食品纳米技术的应用、潜在健康风险、法规、挑战及新兴趋势。

2. 食品行业中采用的纳米材料类型（详细分类）

本节对食品相关应用中使用的各类纳米材料进行了详尽考察，是对第1.2节中简要分类概述的深化。与引言框架不同，本节提供了具体实例及其作用机制、比较分析、应用依赖的性能属性以及详细的操作和结构分析。构成食品行业纳米材料的物质范围广泛，结构、成分、来源和功能各异。这些材料可分为以下几类：天然存在的、杂化的、无机的、有机的和人工的纳米材料。不同类别间的物理化学性质各不相同，决定了其在食品加工、保藏、包装或营养递送中的应用。这些分类对于确定其技术效益和在食品系统中的风险至关重要。

2.1. 有机纳米材料（生物聚合物材料、纳米乳液、脂质体）

有机纳米材料因其生物相容性、可生物降解性和无毒性而成为食品工业中最常见的纳米结构之一。这些材料通常是天然的，因此可用于直接接触食品和供人类食用。壳聚糖、海藻酸盐、明胶或其他基于蛋白质的系统是食品技术中的重要生物聚合物纳米材料。它们是优异的成膜材料，具有良好的包封和稳定性能，可用于生物活性化合物和营养素的受控递送系统。例如，壳聚糖是一种聚阳离子化合物，通过与微生物带负电的细胞膜相互作用来抑制其生长，从而表现出良好的抗菌活性。相比之下，海藻酸盐因其能在二价离子存在下形成水凝胶，保护益生菌、酶、维生素等敏感物质而被广泛用于包封。酪蛋白和乳清蛋白等蛋白质纳米颗粒已被证明是疏水分子的有效结合剂，并能促进在胃肠道中的靶向递送。另一类重要的有机纳米材料是纳米乳液，其液滴大小为20-200 nm。由于液滴尺寸小、动力学稳定性高、透明度和表面积大，纳米乳液对亲脂性化合物具有高溶解度和生物利用度。它们被广泛用作风味递送系统、饮料调味以及递送ω-3脂肪酸和脂溶性维生素等功能性成分。此外，纳米乳液因能改善口感等感官特性而在食品中备受青睐。脂质体是由单层或多层磷脂双分子层构成的囊泡，内含水性核心。其独特设计可以同时捕获亲水和疏水分子。在食品应用中，脂质体通常用于保护各种生物活性肽、抗氧化剂和维生素在加工和储存过程中不被降解。此外，它们与生物膜的结构相似性增强了其生物相容性和在人体内的有效吸收。脂质体的控制释放特性也有助于功能性成分的持续、靶向递送。然而，较差的耐热性和高昂的生产成本限制了它们在广泛食品应用中的采用。

2.2. 无机纳米材料（金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物）

无机纳米材料是当今食品工业中使用的重要纳米结构组，大多稳定耐用并具有有趣的功能特性。它们主要由金属和金属化合物组成，广泛用于食品包装、保藏和安全领域。最常用的包括氧化锌（ZnO）和二氧化钛（TiO₂）等金属氧化物纳米颗粒。二氧化钛是一种常用的食品添加剂，具有增白和不透明效果。氧化锌纳米颗粒的抗菌活性使其可用于包装应用以抑制细菌和真菌生长，其抗菌作用是通过产生活性氧（ROS）和破坏微生物细胞膜实现的。金属硫化物和金属氮化物虽较少用于食品加工，但具有独特的催化活性、热稳定性和抗化学降解性。由表面结合分子功能化的金属核心构成了金属基纳米颗粒。这些纳米颗粒包括二氧化硅（SiO₂）、氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO₂）和银（Ag），具有磁性、光催化、紫外线屏蔽、荧光和抗菌等特性。花青素常与金属基纳米传感器结合构建智能食品包装解决方案。纳米TiO₂因其吸收和散射紫外辐射的能力而受到关注。碳原子可以组装成不同的结构形式，产生不同类型的碳基纳米材料。这些纳米材料具有高氧气和水蒸气渗透性、抗异味和污染物能力以及强抗菌性能，有助于增强食品包装材料和食品安全。碳纳米管（CNTs）、碳点（CDs）、石墨烯和富勒烯是食品行业中应用最广泛的碳纳米材料。石墨烯是一种sp²杂化的蜂窝状二维碳纳米材料，具有强抗菌性能。碳纳米管是中空的圆柱形碳纳米结构，也因其抗菌性能被广泛应用于食品包装。CDs，也称为碳量子点，因其优异的化学和光稳定性、强荧光和高灵敏度，在检测食品成分和污染物的荧光传感应用中引起了极大兴趣。大多数金属纳米颗粒尺寸小于70 nm，通常具有生物相容性和稳定性，并具有良好的抗菌活性。食品包装中最常用的贵金属纳米颗粒是金纳米颗粒（AuNPs）和银纳米颗粒（AgNPs）。AgNPs因其对各种微生物的出色抗菌活性而备受关注。纳米硅酸盐和纳米二氧化硅可用于提供控释和抗菌性能，延长食品货架期。由于具有增稠、乳化和稳定特性，一些纳米硅酸盐被用作食品添加剂。

2.3. 杂化复合材料

杂化复合纳米材料是通过结合有机和无机材料工程化而成的多功能材料。其目标是利用两者的优点并弥补各自的缺点，最终在食品应用中提供改进的功能。在食品工业中，杂化纳米复合材料在食品包装领域显示出广泛应用，可提高机械强度、阻隔性能和抗菌活性。例如，聚合物-金属纳米复合材料由含有金属纳米颗粒的聚合物制成，兼具结构强度和抗菌性能。同样，粘土-聚合物纳米复合材料用于增强对水分、气体和其他导致食品变质的环境因素的阻隔性能。尽管杂化纳米复合材料提供了多功能性，但仍面临关键障碍，包括无机纳米颗粒在聚合物基体中分散性较差，导致机械性能不均匀和重现性降低。

2.4. 工程化与天然纳米材料

根据来源，食品工业中的纳米材料可分为工程化或天然存在的。工程化纳米材料是有意设计和制造的，具有可控的性质。天然纳米材料存在于食品和生物系统中，如牛奶中的酪蛋白胶束和淀粉纳米结构。这些天然纳米结构在食品的质地、稳定性和营养价值方面起着关键作用。工程化与天然纳米材料之间的区别对于安全评估和监管问题尤为重要。工程化纳米材料可能具有自然界中不存在的新特性和相互作用，需要仔细评估其对健康和环境的潜在影响。