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奈米在食品科技的應用

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奈米在食品科技的應用

II.奈米在食品科技的應用
II.1.食品奈米化技術
      奈米技術應用在食品加工上,可以利用研磨技術發展出更具健康與活性的奈米食品。以提高在腸胃道的吸收率或讓營養物質有效得傳送至標的細胞,以及可以回應消費者的個別身體需求的食物。此類研究即是目前許多研究團隊所致力發展的”需求性食品” (on-demand food)。另外,藉由奈米膠囊的研發,可將特定物質包裹後再添加進食品中,以具有保護及傳遞包覆物的功能。以下將列出奈米技術應用在食品製備上的相關實例,並將其整理於表一:
1.George Weston Foods公司所生產的”TIP TOP® bread”產品,可成功的將鲔魚油以奈米膠囊包覆。當奈米膠囊到達胃部時,因為pH降低,膠囊所包覆的鲔魚油才會釋放出。因此消費者可避免在口中嚐到鲔魚油的魚腥味,而且又能吸收到鲔魚油富含的omega 3 脂肪酸1
2.以色列的 Nutralease 公司利用奈米大小的自我組裝液體結構(NSSL,Nano-sized Self-assembled Liquid Structures)技術,可將營養物傳送至細胞2。此技術可以包覆茄紅素、β-胡羅蔔素、黃體素、phytosterols、CoQ10和DHA/EPA。因NSSL具有較小的粒徑可有效率的將這些營養物從消化道吸收後在攜帶進入血液中,因此可以增加被包覆營養物的生物利用度(bio-availability)。這項技術已被Shemen Industries用來生產包覆Canola Activa oil的NSSL,此產品已證明將可人體對膽固醇吸收率降低14%,另外,以這項技術因具有特殊的傳遞功能故也可應用在製藥工業上。
3.目前對於食品添加物的研發上,主要研究重點為能讓產品更容易被人體吸收及延長產品的保存期限。Biodelivery Sciences International公司已研發出奈米螯合物,其粒徑只有50 nm,可以傳遞營養物(例如維生素、茄紅素和omega 脂肪酸)至細胞,但並不會影響到食品本身的顏色及味道3
4.Kraft Food和15個大學的研究團隊合作,希望應用奈米技術生產具活性的食品(active food),可依消費者的喜好選擇食品的不同味道和顏色。另外,這個聯盟還計畫研發”Smart Foods”,此產品可依奈米感測器所偵測到消費者個人的生理狀況而適時的釋放出營養補給物。此營養物質則是由奈米膠囊所包覆,可適時的釋放入人體中。此研究目的主要是在增加人體能量、消化吸收功能、免疫力和抗老化等對人體有益的方向發展。
5.奈米技術已經被應用在化妝品工業上以生產透明的乳液(transparent creams)。Royal BodyCare將奈米技術和營養科學結合,上市了一種新產品稱為NanoCeutical。其為一種分子聚合物(colloid particles),直徑小於5 nm。這項產品具有清除自由基、保濕及平衡身體的pH值的功效4。另外,這家公司也研發了NanoClustersTM,為奈米大小的粉末,
可和營養供給物結合,提升人體對營養物質的吸收。
 
(http://www.rbcinfo.com)
圖一、Nanoclusters,的作用機制。
 
 
6.另一向新的奈米技術發展為食品和化妝品公司一起合作研發新的機制以直接傳遞維他命至人體皮膚。Nestle和L’Oreal研發了透明的防曬油(transparent sunscreams),可以直接傳遞維他命E至皮膚,目標是生產能被皮膚吸收又能緩慢釋放維他命E,以及增加抵抗UV的效用,這項產品(transparent UV-blocking creams)已上市。另外,Estee Lauder應用奈米分子製造抗老化配方。
7.US based Oilfresh Corporation上市了一種奈米乳化劑產品(OilFreshTM 1000),能減少餐廳和速食業者一半的用油量。因為奈米乳化劑的表面積增大,在高溫油炸時,能防止氧化、油脂凝聚,延長油的使用時間。還有一個優點是油的加熱速度變快,可減少在烹煮時能源的消耗5
圖二、OilFreshTM 1000作用基本原理。
8.在荷蘭的Wageningen University有一個研究中心Wageningen BioNT Center,重點是將奈米技術應用在感測和判斷食品品質及安全、包覆和傳遞營養物質、微米和奈米設備,在物理和(生物)化學加工、化學生物、奈米毒物學、消費者行為探討和科技評估6
9.德國的Aquanova公司研發了一種新的技術,結合兩種活性物質,能減少脂肪並給予飽足感,此新發現可以控制體重。其原理為使用CoQ10以減少脂肪吸收並利用alpha-lipoic acid給予使用者飽足感,此產品稱作NovaSOL SustainNovaSol技術目前也被使用在維他命E的製備,稱為SoluE;而在被使用於維他命C的製備,則稱為SoluC。NovaSOL產品能保護食品抵抗胃酸7
10.Unilever研發低脂冰淇淋(low fat ice cream),藉由減少乳化劑(emulsion particles)的分子大小,可給予冰淇淋新的口感。並且降低乳化劑90%使用量和減低脂肪含量從16%至大約1% 8
表一、食品奈米化技術應用之實例。
項目
產品
功能
出處
製程
Tip-Top
用奈米膠囊包裹鮪魚油,避免魚油不良的味道。
Bakeries in Western Australia
Nutralease
以奈米大小的粒子傳遞營養物質至細胞,可讓化合物進入血液中,增加生物利用性。
Israeli Company
Nanocochleates
更有效地傳遞營養物質至細胞,且不影響食品的色澤、味道。
Biodeliver Sciences International
Smarts food
當感應器偵測到缺乏營養時,會釋放營養物質。
Kraft
低脂冰淇淋
使乳化劑的分子變小,給予冰淇淋新的口感,乳化劑的使用量減少90%,脂肪含量從16%減少到大約1%。
Unilever
NanoCeutical
清除自由基,具有保濕功效,平衡身體的pH值
Royal BodyCare
NanoClusters
和營養供給物結合以提升人體對營養物質的吸收。
Royal BodyCare
防曬油
直接傳遞維他命E至皮膚。
Nestle、L’Oreal
奈米乳化劑
¨      減少餐廳和速食業者一半的用油量。
¨      在高溫油炸時,能防止氧化、油脂凝聚,延長油的使用時間。
¨      油的加熱速度變快,可減少在烹煮時能源的消耗。
US based Oilfresh Corporation
NovaSOL Sustain
能減少脂肪和給予飽足感,可以控制體重。
Aquanova
II.2.奈米技術於食品製程與保存之應用
奈米技術應用於食品,在包裝上,能延長食品的保存期限,並且具有自我修復(self-repaired)的功能,並適應周圍的環境條件,例如溫度和濕度的改變。修飾包裝的通透性,對於氧氣、濕氣等有阻隔性。且對熱、化學、微生物、機械力的抵抗性增加9
現今的奈米技術可將無機黏土Clay和其他高分子形成複合材料,Clay和高分子基材(PET、P P、EVOH)混合後,由於分散相無機物與高分子間產生陽離子交換與離子鍵結反應,形成強烈的吸引力,可提升高分子基材的強度、耐熱性、耐溶劑性、氣體阻隔性及下降熱膨脹係數等特性。目前Eastman Chemical採用此項技術,發展Clay/PET複合材料,可使氣體難以擴散,提高PET瓶的阻隔性,保持它透明的外觀10
在加工上,銀具有好的抗菌效果,銀破壞細菌的機制是和細胞壁、細胞膜結合,得以進入菌體和蛋白質的硫醇基(-SH group)結合,導致細菌和病毒外層蛋白質酵素構形改變失去活性,則細菌的代謝能力降低,最後無法生長。缺點是奈米銀太昂貴,現有的奈米二氧化鋅、二氧化錳可替代奈米銀,且同樣具有抗菌效果10
 
圖三、奈米銀的抗菌效果。
在安全上,生物感測系統被運用在農產品及食品品質與安全性檢查。檢測的項目可分為(1)化學污染檢測(2)食品病原菌檢測(3)基因改造產品測定(gene modified organisms,GMO)(4)腐敗性微生物等。生物感測器可檢測多種標的物,目前朝微小化發展,使成本降低、提高檢測機能與方便性(表二)。
表二、生物感測系統可偵測之項目。
檢測項目
檢測內容
化學污染
真菌毒素、食品過敏原、動物用荷爾蒙、抗生素和農藥殘留。
食品病原菌
大腸桿菌、綠膿桿菌、沙門氏菌等。
基因改造食品
偵測抗蟲(蘇力菌的蛋白質毒素)、抗除草劑等基因改造食品。
腐敗性微生物
肉類腐敗:假單胞菌屬、不動桿菌屬、嗜冷菌屬。
魚類腐敗:假單胞菌屬、腐敗謝旺氏菌。
植物腐敗:鐮孢菌屬、分枝孢子菌屬、鐮格孢菌屬。

 

1979年YSI運用Clark和Lyon提出的酵素電極觀念,研發出第一代生物感應器。之後,第二代生物感應器則是用抗體(antibody)或受體蛋白質(receptor)當生物辨識元件,並有訊號轉換器。然後,第三代生物感應器具攜帶式、自動化及即時檢測功能。現今,第四代生物感應器以朝向具偵測、信號輸出、控制、自我組合、自我修補及複製的功能發展(表三)。
表三、生物感應器發展,參見下表:
代數
生物感測器的基本設計
1
利用酵素電極觀念。
2
使用抗體或受體蛋白質分子辨識元件,並合併使用多樣化的訊號轉換器。
3
更具攜帶式、自動化和及時監測的功能。
4
具偵測、信號輸出、控制、自我組合、自我修復等功能。

 

生物感測系統(表四)可以被區分成(1)微米生物感測(micro-biosensor)系統,利用電化學、光學、質量及熱學技術,來檢驗血液中組成、食品與環境中各項生物或化學物質。(2)陣列式(array)生物感測系統,利用多重檢驗點的組成與測定技術和其功效性分析,例如電子舌、電子鼻。(3)奈米生物感測(nano- biosensor)系統,利用奈米粒子、奈米碳管等奈米材料,像是奈米金球鍵結寡核甘鏈技術技術可運用在快速檢測生物DNA序列11
表四、生物感測系統的區分。
生物感測系統
使用技術
應用
微米(micro-biosensor)
電化學、光學、質量、熱學。
檢測血液組成,食品與環境中各項生物或化學物質。
陣列式     (array)
多重檢測點的組合與測定技術和其功效性分析。
訪生物之電子鼻、電子舌。
奈米(nano-biosensor)
奈米粒子、量子點、奈米晶體、奈米碳管等奈米材料。
使用奈米金球鍵結寡核甘鏈技術於快速檢測DNA序列。

 

 
歐盟的研發團隊正積極發展可攜式奈米感測器,用以偵測(1)化學物質:重金屬、鉛、汞、及農藥(DTT、PCB)(2)病原菌: 大腸桿菌、綠膿桿菌(3)毒素: 肉毒桿菌毒素、金黃色葡萄球菌毒素12。相較於傳統檢驗,需將樣品送至實驗室,奈米感測器可立即地在現場分析食品是否安全。
另外,奈米感測器的裝置也應用了DNA生物晶片,可測定在肉類和魚上不同種的有害菌,或者水果上的有害真菌。DNA生物晶片是將已知的單鏈DNA(single strand DNA, ssDNA)成列陣狀固定在玻璃或矽的基板上,和帶有螢光互補的單鏈DNA形成雙鍵,讀取螢光圖譜就可得知DNA的排列,應用奈米技術可將生物晶片更靈敏化13。目前晶片的大小是25.4×76.2 mm尺寸,其格式可分為三類(1)平面型:點尺寸最小(直徑100~300 μm),故樣本容易變乾,不適用於安定性不佳的蛋白質。(2)凝膠型:是在水溶性膠體(hydrogel)中擴散入蛋白質,樣品不會乾燥,能夠以安定狀態保存蛋白質。相較於平面型晶片需要更多樣本,而且蛋白質會在凝膠中擴散,導致測試靈敏度(assay sensitivity)不佳。(3)微小井(micro well)型:將樣本溶液注入小型井中。是三種形式中需要最多的樣本體積,蛋白質也最能維持在安定的狀態,但是測試靈敏度也最差14。另外,歐盟的研發團隊也有計劃發展微陣列感測器(microarray sensors),可偵測水果和蔬菜上的農藥及監測農場的環境條件,稱作"Good Food Sensors"。而在北歐,食品科學家成立奈米食品企業聯盟,希望能發展更健康、安全的食品提供給消費者。其研究目標包含研發感應器以偵測食品上的毒素、研發抗菌表面、及研發薄、堅固且便宜的包裝,然後創造健康、營養、價值更高的食品15
II.2.1.    食品包裝:
奈米技術在食品包裝的應用,以下將舉出相關例子(表五)。
1.      Kraft 和Rutgers University的研究團隊,研發出電子舌頭(electronic tongue),具有奈米感應器,可十分敏銳的偵測當食品腐敗時所釋出的氣體。而且感應器會因此而變色,清楚給予食品新不新鮮的可觀察訊號(visible signal)。
2.      Bayer Polymers所研發的Durethan ® KU2-2601包裝薄膜,以混合系統(hybrid system)製作,具有較輕、較高韌度以及耐熱程度高的特性。在混合系統中含有大量的矽酸鹽奈米分子(silicate nanoparticles),可防止包裝內容物變乾。另外因可減少氧氣及水氣進入,故具有防止食品腐敗及讓食品保鮮的功效16

3. 釀酒廠理想的啤酒包裝是塑膠瓶,在運送上比玻璃瓶輕,可以降低運輸成本,而且也比金屬罐便宜。但是乙醇會和塑膠瓶反應,造成啤酒的保存期限快速縮短。Voridan和Nanocor研發出的奈米包材Imperm,用其所合成的瓶子中含有clay奈米分子(圖四),能減少啤酒中二氧化碳的損失,及外部氧氣的進入,以保持啤酒的新鮮。此種瓶子相較於玻璃更輕,且不易破碎,啤酒於此包材的保存期限目前可達六個月17。已被Miller Brewing Co.等公司採用,而且希望保存期限可延長至26個禮拜

 

圖四、(A) clay奈米分子的分子結構圖,(B)由clay奈米分子所鑄成的瓶子24   

 

 

釀酒廠理想的啤酒包裝是塑膠瓶,在運送上比玻璃瓶輕,可以降低運輸成本,而且也比金屬罐便宜。但是乙醇會和塑膠瓶反應,造成啤酒的保存期限快速縮短。Voridan和Nanocor研發出的奈米包材Imperm,用其所合成的瓶子中含有clay奈米分子(圖四),能減少啤酒中二氧化碳的損失,及外部氧氣的進入,以保持啤酒的新鮮。此種瓶子相較於玻璃更輕,且不易破碎,啤酒於此包材的保存期限目前可達六個月17。已被Miller Brewing Co.等公司採用,而且希望保存期限可延長至26個禮拜。

4.針對抗菌包裝或微生物偵測包裝方面,Kodak研發出抗菌薄膜(antimicrobial film),能從包裝內容物中吸收氧氣,阻止食品變壞。生物晶片也可應用在食品包裝上,例如由AgroMicron所研發NanoBioluminescence Detection Spray”,含有冷光的蛋白質(luminescent protein),可和細菌表面結合,如SalmonellaE. coli。當結合時會放出可見的冷光,故當測試物被細菌污染程度越高,所放出的光就越強烈。所以此技術便能容易的偵測出被污染的食品或飲料。另外,這家公司也計畫生產BioMark,以偵測出被污染或者遭受到生物恐怖攻擊的海運船隻18

表五、奈米技術在食品包裝上的應用。
項目
產品
功能
出處
包裝
Durethan KU2-2601
能減少氧氣及水氣進入,防止食品腐敗。
Bayer Polymers
Imperm
所合成的瓶子比玻璃瓶更輕、不易破碎,能減少二氧化碳從啤酒中損失,降低氧氣進入瓶中,保持啤酒新鮮。
Voridan、Nanocor
抗菌薄
(Antimicrobial films)
吸收包裝內容物中的氧氣,防止食品變壞。
Kodak
奈米氧化鎂、奈米氧化鋅(MgO、ZnO)
可破壞微生物,在製造上比銀便宜。
University of Leeds
Clay/PET
使氣體不易擴散,提高PET瓶的阻絕性,保持PET瓶透明的外觀。
Eastman Chemical
PET/LCP瓶
使氧氣通透率下降70%,阻氣性為PET瓶的200倍,不受環境溼度影響,對光敏性物質有保護作用。
Superex Polymer
MXD6
具有超高阻氣性、易加工、重量輕、不易碎、易回收,儲存期限可達六個月。
Nanocor

 

 
II.2.2.    食品監測:
奈米技術在食品監測的應用,以下舉出相關例子(表六)。
1.      歐盟研發出Biofinger(圖五),它的懸臂樑(cantilever)鍍有化學物質,會和特定分子作專一性結合,如病原菌的表面分子。當與待測物結合時懸梁臂會彎曲,發出光共振(resonate)用以測量。Biofinger的懸臂樑可與拋棄式微晶片結合,使它成為小且可攜帶(portable)的儀器19   

圖五、Biofinger的檢測原理25
2.      US military研發超級感應器(Super sensors),用以偵測因恐怖主義散佈在食品上的病原菌。以往的系統需數天去做確認,新的奈米技術能讓超級感應器,立即地偵測到病原菌。
3.      University of Bonn 研發出在包裝上鍍除污層(direct repellent coatings),其利用的是蓮花效應(lotus effect)。蓮花葉的表面奈米結構為臘質(wax)的奈米金字塔(nano-pyramid),使灰塵或污物不易附著,故可達到自我潔淨的功效20
4.      另外,University of Leeds發現奈米大小的氧化鎂、氧化鋅,能有效的破壞微生物,以達到抑菌的效果,在價格上也比奈米銀便宜21
5.      US Military在五十年前所開始研發的RFID(Radio Frequency Identification),可應用在食品運銷的監測上,以提高食品銷售網的效率。此系統含有微處理器(microprocessor)及天線(antenna),可將訊息傳遞給無線電接收。在食品供給上,能做到遠距監測,將食品從出廠(warehouse)一直到消費者手中,都在被監測的範圍內。與傳統條碼系統不同處是在於其不需要手工掃描、讀取,但RFID標籤能以每秒數百個被全自動讀取。目前超商如Wal-Mart、Home Depot、Metro Group、及Tesco等都嘗試採用RFID。但是使用RFID最大的問題是在於有侵犯隱私權。另外,RFID會增加食品的成本,因為是主體以矽製成的。若能融合奈米科技和奈米電子技術(nanoelectronics),將會使本系統更便宜、有效的被執行22
 
 
表六、奈米技術在食品監測上的應用。
項目
產品
功能
出處
安全
電子舌頭
(Electronic tongue)
能偵測食品腐敗時釋放出的氣體。
Kraft、Rutgers University
NanoBioluminescence Detection Spray
會有發光的蛋白質,能和微生物表面結合放出可見光,可容易偵測出被污染的食品或飲料。
AugroMicron
超級感應器
(super sensor)
立即地偵測到食品上的病原菌。
US military
電子手指
(Biofinger)
Biofinger的懸梁臂上鍍有化學物質,可和特定分子做專一性結合,例如細菌的表面。
EU-funded
自動除污保層
(Diret repellent)
在包裝上鍍除污層,提供除污效果。
University of Bonn
RFID (Radio Frequency Identification)
在產品配給上,提供遠距監測。
US Military

參考資料
1.   http://www.agromicron.com/BTP.htm
2.   http://www.aquanova.de/product-micelle.htm
3.   http://www.biodeliverysciences.com/bioralnutrients.html
4.   http://www.forbes.com/
5.   http://www.biofinger.org/
6.   http://www.foodscience.afisc.csiro.au/foodfacts11-fishoil.htm
7.   http://www.nutralease.com/technology.asp
8.   Royal Body Care, http://smartwoman.royalbodycare.com/Nanotechnology Revolution.aspx
9.   www.forbes.com
10. http://www.biofinger.org/
11. Oilfresh Corporation, http://www.oilfresh.com/of1000.html
12. http://www.biont.wur.nl/nl
13. How super-cows and nanotechnology will make ice cream healthy, Daily Telegraph(21/8/05), http://www.telegraph.co.uk/finance/2920953/How-super-cows-and-nanotechnology-will-make-ice-cream-healthy.html
14. Nanotechnology targets new food packaging products, www.foodproductiondaily.com
15. http://www.goodfood-project.org
16. New consortium to secure safe and healthy food, Press release (14/06/05).
17. http://www.scanbalt.org/sw4126.asp
18. Nanoparticales make Durethan films airtight and glossy, Bayer Polymers.
19. Safer And Guilt-Free Nano Food, Josh Wolfe, Forbes/Wolfe Nanotech Report.
20. http://www.forbes.com
21. http://www.biofinger.org/
22. 楊欣儀。2006。奈米科技在食品包裝上的應用。食品資訊。
23. 林志生、蔡明蒔、潘俊旭、孫玉苓、王瑞萍、黃元平、張豐鵬。2005。微奈米生物感測系統專利地圖及分析。國家實驗研究院科技政策與資訊中心。台北。
24. 大泊巖。圖解奈米技術。全華科技圖書股份有限公司。台北。
25. 川合知二。2005。圖解奈米應用技術。工業技術研究院 奈米科技研發中心。新竹。
26. 馬遠榮。2002。奈米科技。商周出版。台北。
最後修改者 : 睿綸數位 2009-12-04 16:20:25