纳米二氧化硅及其衍生物在食品和营养领域的应用

摘要

纳米二氧化硅颗粒及其衍生物已被确定为广泛的科学、技术和工程应用。在本文中，我们从现有的文献资料中对它们在食品和营养部门的各个分支中的应用进行了简要的综述。本文提供的信息描述了影响其性能和效率的各种参数。比较了纳米二氧化硅及其衍生物与微二氧化硅和大块二氧化硅的性能和应用。纳米二氧化硅颗粒及其衍生物的使用提供了许多优势。它们的效率和性能明显高于传统的方法。

1.介绍

由于需要生产高质量的食品配料或食品产品，食品工业中的科学技术面临着许多挑战。例如，病原菌检测、封装、生物活性化合物的传递、包装系统、食品保护和食品储存是开发纳米技术应用的一些例子，这些应用可以改进生产过程，以实现食品工业中具有更好特性和功能的产品[1，2］.

纳米尺度的至少一维材料和大的表面体积比创造了新的性质和现象[2］.它们非常适合应用于食品复合材料、化学反应、活性和功能性包装技术中受控和即时释放物质以及智能包装中的能量存储等领域[2］.

高质量的食品成分或食品产品可以通过纳米技术实现。纳米技术可以满足食品安全的所有要求(控制微生物生长和延缓氧化)[3.］.此外，它还提供了在性能和性能(机械、屏障和抗菌)方面都有改进的新型食品包装材料，并监测食品在运输和储存期间的条件。

纳米颗粒在食品包装中的应用以获得高质量的食品产品可能是其在食品纳米技术应用中的一个主要部分。聚合物纳米复合材料由至少一维范围在1-100纳米的聚合物基体和填料组成。含有纳米颗粒的聚合物具有传统复合材料无法达到的独特组合性能。与传统复合材料不同，这些新型填料经常改变整个聚合物基体的性能，同时，由于其化学成分和纳米级成分，赋予新的功能[4］.摘要纳米颗粒聚合物纳米复合材料是一类新型的复合材料。纳米复合材料由低体积分数的填料制成，由于其大的表面积与体积比，通过相互作用区影响整个基体。这些粒子的独特性质为创造广泛的多功能聚合物复合材料提供了独特的机会[4］.在很低的填料质量分数下，它们的力学性能得到了显著的改善。纳米二氧化硅在食品和营养中的应用将在下面的章节中给出。

在食品技术中应用纳米技术需要考虑一些重要的问题。最重要的问题是安全问题，因为纳米粒子可能从包装材料迁移到食品中，并最终产生毒理学影响[3.］.应用于食品和营养的纳米材料的主要缺点是其毒性。下面给出了一些关于纳米粒子迁移到食物中的有限的科学数据。以前的研究已经表明纳米材料从包装或容器迁移到食品的可能性[3.］.直径小于或等于300纳米的材料可被单个人体细胞所吸收[5，而小于70纳米的纳米材料甚至会被细胞核所吸收，从而造成重大损害[6，7］.人肺粘膜下细胞暴露于SiO的影响₂不同尺寸(10、150和500 nm)，体外培养2-24 h [8］.作者总结了10nm二氧化硅的纳米毒性₂在粘膜下的细胞上与炎症有关。用150和500 nm的无定形二氧化硅未观察到毒性作用。

纳米技术的主要应用可能是在食品包装中，因为它有广泛的好处，例如在屏障、机械和抗菌性能和性能方面的改进。许多研究都致力于建立新的食品包装材料，其中聚合物纳米复合材料包含纳米颗粒[4］.

纳米二氧化硅及其衍生物已被应用于食品和营养领域的各个分支。然而，这些颗粒还没有被用作食品的成分。它们已被用于食品和营养成分分析，作为制作柱层析的支持材料或提高葡萄糖生物传感器的灵敏度或效率;作为食品包装的填料或保护剂，以延长食品的保质期;作为可食用(风味)载体;作为吸湿剂;或作为澄清剂，以去除残留在饮料中的杂质和不良颗粒。在本报告中，我们从一些现有的文献信息中简要回顾了纳米二氧化硅颗粒和二氧化硅衍生物在食品和营养领域的应用:作为食品包装的填料;味道运营商;作为食品和营养成分分析的辅助材料; or as an adsorbent or a clarifying agent. All of the above-mentioned applications of the nanosized particles result in products with better quality, characteristics, or functionalities in food industries in comparison with employing of larger particles with the same composition.

2.介绍不同类型的二氧化硅在各种食品和营养领域的应用

合成二氧化硅(胶体二氧化硅、硅胶和沉淀二氧化硅)是纯的，以无定形粉末形式生产，可用于本研究[9］.硅胶广泛应用于食品工业中作为香料载体[10］.无定形的溶胶-凝胶法SiO₂是无毒和安全的，而微妙的化学物质的溶胶-凝胶包埋在其内部孔导致明显的化学和物理稳定的活性[10］.多孔溶胶凝胶法制备的二氧化硅颗粒已被用作食品和制药部门物质控释的包封基质[11］.溶胶-凝胶法也广泛用于生产二氧化硅、玻璃和陶瓷材料[9］.溶胶-凝胶二氧化硅玻璃已被用作食品包装的容器[12，13］.溶胶-凝胶二氧化硅玻璃在pH值或温度变化下不会膨胀或改变结构，不适合食品和营养应用的其他方面[10］.溶胶-凝胶法SiO₂由于硅氧烷(Si-O-Si)上的剩余价电子能够与水反应，形成覆盖着硅醇基团(Si-OH)的表面，具有高度的极性行为，因此，液体有机掺杂工艺从未导致纯硅氧化物的形成。大量未反应的硅醇基团存在于掺杂的溶胶-凝胶玻璃的表面，从而创造了一个大的内部孔隙率，这使得掺杂的溶胶-凝胶二氧化硅的各种化学应用令人印象深刻[10］.

3.影响材料性能的粒度参数

微纳米科学技术是指以微米和纳米为尺度的材料的尺寸表征。与纳米尺度相比，许多物理效应在微米尺度上具有不同的意义[14- - - - - -16］.纳米填料等纳米材料的小尺寸及其特殊的加工方法影响其缺陷结构，这对这些材料的性能有重要影响[16］.与微尺度填料相比，纳米填料具有较小的机械、光学和电气缺陷[16］.当粒子尺寸减小到纳米级时，其性能与块体材料和微米级粒子有显著差异。因此，熔化温度、颜色、磁化和充电容量的变化经常被观察到[3.］.填料的小尺寸导致复合材料的界面面积特别大[3.］.纳米填料至少具有纳米长度尺度上的一维特征(尺寸在1-100纳米内)。纳米复合材料是指含有少量纳米结构材料的复合材料。通常情况下，1-7%的纳米颗粒被添加到材料中，形成复合材料[2，3.］.包装领域正在考虑的大多数纳米复合材料是基于低体积分数[2，3.］.总表面积为1克。直径为0.1的聚合物颗粒μM大约是60米²，总表面积与直径成反比[17］.

4.纳米二氧化硅颗粒在食品和营养领域的各种应用描述

4．1.纳米二氧化硅颗粒在传感器制造中的应用

SiO₂纳米粒子已被用于构建纳米生物传感器[18，19］.利用纳米材料进行生物传感器的结构和尺寸表征，提高了生物传感器的灵敏度和性能。纳米材料的使用使许多新的信号转导技术得以在生物传感器中引入，因为它们的尺寸为纳米[20.- - - - - -22］.使用生物传感器的主要优点是特异性和灵敏度高，使用简单，仪器成本低，响应时间快，样品预处理最少，便于现场测量的运输[23］.

葡萄糖生物传感器是一种环境友好的诊断设备，用于测量食品、营养和临床部门的葡萄糖。以纳米技术为基础，开发了多种具有高灵敏度和良好重现性的葡萄糖生物传感器[24- - - - - -28］.在这些进展中，纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器是有趣的生物传感器[28］.未受保护的Pt纳米团簇(平均尺寸为2 nm)与纳米级SiO混合₂以平均粒径13 nm的颗粒作为葡萄糖氧化酶固定化载体，制备了安培葡萄糖生物传感器[29］.固定化的葡萄糖氧化酶(GOx)保持了生物活性，制备的生物传感器具有较高的灵敏度(3.85μ一个mm⁻¹)，在葡萄糖溶液中稳定性好。的Pt-SiO₂生物传感器检测限为1.5μM，线性范围为0.27 ~ 4.08 mM。此外，该生物传感器可以在较宽的pH范围(pH 4.9-7.5)下工作，灵敏度变化不大。

作为新陈代谢稳态的一部分，身体自然地调节血糖水平。它是身体细胞和血脂的主要能量来源。它是一种重要的营养物质。因此，需要开发一种可靠的、可重复的、灵敏的测量方法。获得快速、准确、精确的血糖测量的能力是营养和临床部门的一个重要方面。葡萄糖生物传感器提供了一种实现简单和快速分析程序的可能性[30.，31］.

溶胶-凝胶衍生的硅酸盐已被证明与酶高度兼容[32］.随着材料科学的发展，固定化各种对目标分析物表现出高选择性和高灵敏度的生物分子提供了更多的机会，从而制造出性能优良的生物传感器。采用浸涂法制备了一系列不同厚度的单分散纳米二氧化硅薄膜增强葡萄糖生物传感器。纳米sio2的合适厚度₂膜为葡萄糖氧化酶维持其生物活性提供了最佳的环境。制备高灵敏度葡萄糖生物传感器的关键因素是增加表面的酶载量。小的纳米sio2的高表面积₂厚膜中的颗粒增加了表面酶的负载，从而使生物传感器具有高性能。但如果薄膜太厚，由于葡萄糖和H的传质，传感器的性能会下降₂O₂变得困难(28，33，34］.

在葡萄糖氧化酶存在下，葡萄糖可被氧化为葡萄糖酸内酯，同时溶解O₂到H₂O₂．葡萄糖氧化酶产生过氧化氢，过氧化氢与葡萄糖浓度成正比。H₂O₂因此，可以定量地检测(通过氧化或还原)在电极附近形成的[28，34]； 大多数用于葡萄糖测量的生物传感器都集中在葡萄糖的安培检测上。在pH为7.2的磷酸盐缓冲溶液中，纳米二氧化硅生物传感器对葡萄糖的电化学响应显示出0.005-2.5 mM葡萄糖范围内的线性行为[28，34，35］.

4．2．纳米二氧化硅颗粒在食品包装中的应用

一般情况下，以低浓度硅酸盐为填料制备的聚合物复合材料的力学性能和物理化学性能均较原聚合物有所提高。通常需要机械强度来保持薄膜的结构完整性和屏障性能。纳米粒子已被证明是一种很有前途的选择，以改善材料的力学和屏障性能，以制造纳米复合材料[36］.由此可以推断，纳米粒子可以影响聚合物薄膜的水蒸气渗透性(WVP)、氧渗透性(OP)和纵向强度，从而产生显著的阻隔性和力学性能优势[37］.这种改进可以防止食品变质，延长食品的保质期，并保持食品质量。气体通过聚合物纳米复合材料遵循类似于在半结晶聚合物基体中的质量传输机制。在气体渗透过程中，气体分子首先吸附在聚合物表面，然后扩散到聚合物中。在纳米复合材料中，聚合物相被认为是可渗透的，而硅酸盐片被认为是气体不可渗透的[38］.将纳米二氧化硅作为无机材料适量引入具有可生物降解性能的有机组分聚乳酸(PLA)中，采用溶胶-凝胶法制备可生物降解的有机-无机杂化涂层材料[39］.最终复合材料PLA/SiO的水蒸气和气体阻隔性能₂改进的。最终产品可作为食品包装的涂层膜。聚合物材料的阻隔性可以用渗透性来描述，渗透性取决于气体的扩散系数和气体在聚合物基体中的溶解度系数[12，13，38- - - - - -41］.聚己内酯(PCL)填充二氧化硅₂纳米颗粒可作为聚合物基纳米复合体系[42］.用透射电子显微镜(TEM)和x射线衍射分析了单分散二氧化硅颗粒的尺寸和形貌。TEM分析表明，二氧化硅纳米颗粒几乎是完美的，没有团聚的球，平均直径为100-200 nm，而x射线分析表明，二氧化硅纳米粉体是完全无定形的[42］.PCL/改性sio2的杨氏模量₂与PCL均聚物相比，纳米复合材料增加了约25%。这些结果归因于良好的相容性，良好的分散纳米粒子，以及良好的界面附着力的基体[42］.尼龙6填充了5%直径为50 nm的二氧化硅纳米颗粒，其拉伸强度提高了15%，杨氏模量提高了23%，冲击强度提高了78% [43］.

铝被用作薄膜、薄层、多层膜、饮料(果汁和啤酒)的桶(罐)和食品的涂层和包装[12，13，44］.铝表面的几纳米二氧化硅薄膜(作为薄膜、薄层或多层膜)保护金属表面不被氧化并降低其反射率[12，13，45］.

5.纳米二氧化硅作为食品添加剂在食品技术中的应用

钙和镁硅酸盐(卡西欧_3.·gydF4y2BaXH₂O, MgSiO_3.·gydF4y2BaXH₂O)、硅酸钙、硅酸铝和硅酸铝已在食品工业中用作防结块剂，以防止食品[普通盐、调味盐(例如，洋葱或大蒜粉与普通盐的混合物)、脱水蔬菜和水果粉、汤汁粉和发酵粉][44，46- - - - - -48］.硅酸钙和二氧化硅也被用作食物工业的营养来源和食物补充剂[49］.

膨润土、蒙脱土、复合水合硅酸铝[Al₂SiO₉(哦)_x]和交换性阳离子，经常使用钠离子作为澄清剂。它是蛋白质、果胶、酚类化合物和植物色素如叶绿素和类胡萝卜素的选择性吸附剂。吸附和分离过程是基于后一组分的正电荷和硅酸盐的负电荷之间的吸引。纳米二氧化硅被用作葡萄酒的细化剂，以防止蛋白质沉淀。纳米二氧化硅颗粒比大尺寸的颗粒具有更强的吸附能力，用于分离带正电荷的食品组分[46，47，50］.

纳米膜用于在分子水平分离液体和气体。嵌在碳基材料中的二氧化硅纳米颗粒可能有助于产生无杂质的气体。由于纳米复合材料能够捕获分子大小的杂质，它可以进一步用于生物分子净化和海水淡化等过程[51］.纳米膜通常由厚度小于100纳米的聚合物基纳米复合材料制成。这种纳米膜包括聚合物与二氧化硅纳米颗粒网结合。网孔的大小限制或允许不同大小的分子通过。与纳米二氧化硅结合的纳米膜已被用于净化污水和从液体和气体中去除二氧化碳和其他污染物[51］.

6.纳米二氧化硅在色谱分析食品成分中的应用

色谱柱固定相最常用的支撑物是高纯度的球形微孔二氧化硅颗粒，该颗粒可渗透到溶剂中，表面积为每克几百平方米。二氧化硅表面有多达8μ每平方米硅醇基(Si-OH)的摩尔数[45］.另一个固定相的例子是沉积在二氧化硅上的多孔石墨。柱内充满了微小的二氧化硅颗粒，这些颗粒附着在长烃分子上。相对于C等键合相，该材料的非极性化合物保留率增加₈．它对极性化合物有很高的亲和力，并能分离C₁₈［45］.整体硅胶柱是由液体前驱体聚合而成的单一多孔硅胶棒。内部的二氧化硅骨架(与网络2μM孔)包含~13 nm孔的精细网络[45］.杆的体积约有80%是空的。表面积为300米²·g⁻¹，可与优良的固定相材料相比[45］.制作完成后，二氧化硅棒被紧紧地包裹在由聚醚醚酮(PEEK)制成的耐化学腐蚀塑料管中。采用整体硅胶柱分离不同的组分使我们能够提高液相色谱的流速，最高可达10 mL·min⁻¹，同时又保持着良好的分离。固相粒度越细，色谱柱的分辨率越高，流速越慢。这将导致更快的分析以及更短的分析时间[45］.微孔二氧化硅具有可控的孔径，每米可提供10000-16000板。不同孔径的颗粒可以混合，使分子尺寸分离范围更宽。例如，固定相的孔径范围为13-100 nm，可用于分离分子量范围广(0.5-150 kDa)的化合物[45］.一种非常精细的(10 nm孔径)超纯硅胶已经被用来在表面进行化学修饰，通过键合十八烷基硅基[38］.为了尽量减少与碱性化合物的相互作用，应将这些颗粒小心地封装起来，以覆盖大多数剩余的硅醇基团[38］.

不同色谱程序中的色谱柱用于分离未知样品中的几种物质。例如，在巧克力样品中从可可碱中分离咖啡因时，咖啡因比可可碱在硅表面的碳氢化合物中更容易溶解。因此，咖啡因比可可碱更强烈地粘附在柱中的涂层二氧化硅纳米颗粒上[45］.用硅胶气相色谱法分离焙烤咖啡的香气提取物[47］.用熔融石英毛细管柱气相色谱法可将风味分离物分离成单独的组分[46］.挥发性风味化合物在交联的5%苯甲基硅酮熔融石英毛细管柱上分离，该毛细管柱安装在配有火焰电离检测器的气相色谱中[52］.薄层色谱上浸渍硝酸银硅胶已被用来区分同分异构体对甘油酯。银离子与不饱和甘油三酯的双键相络合，从而使其流动性降低[45］.脂肪可在硅胶柱上分馏，其非极性馏分用石油醚-乙醚混合物洗脱[46］.以二氧化硅为固定相的高效液相色谱法可以分离许多高沸点的食品化合物[46］.

7.结论

在这一简短的审查中，作出了下列结论:（1)在食品包装技术中，利用纳米二氧化硅作为填料制备纳米复合材料是一种很有前途的选择，以改善各种(水蒸气、氧气或其他气体屏障或机械屏障)性能，提高效率和延长食品的货架期。（2）应用纳米二氧化硅可提高葡萄糖传感器的灵敏度和准确度。在葡萄糖传感器中使用纳米二氧化硅使测量葡萄糖具有更大的重现性和低浓度。（3)在色谱柱中使用纳米二氧化硅来分离不同的食品成分需要比微二氧化硅更短的时间。(4）由纳米级二氧化硅组成的几纳米薄层可以保护铝表面免受氧化反应，并降低其反射率。(5）使用纳米二氧化硅代替传统的颗粒(微米级填料)，提高了材料(如抗结块、澄清剂、吸附剂)的效率，减少了原材料的消耗。

利益冲突

本文作者声明本文的发表不存在利益冲突。

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