纳米技术是研究结构尺寸在1～100nm范围内物质的性质和应用的一种技术，兴起于20世纪80年代末90年代初。经过近30年的快速发展，纳米技术已广泛地应用于材料、化工、医药、通讯、能源等各个行业，被认为将推动新一轮的工业革命。在食品科学领域，纳米技术对干改善食品、添加剂等的质地风味、提高营养成分的吸收以及延长食品保质期等方面有重要的作用，广泛应用在食品加工、食品添加剂、食品包装及食品安全检测上，推动了食品行业的发展。

食品纳米包装材料是一种新兴的食品包装材料，发展迅猛。纳米包装材料是一种纳米复合材料，是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的金属、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性剂为分散相，通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于基体材料中，形成一相含有纳米尺寸材料的复合体系。物质到纳米尺度以后，物质的性能就会发生突变，出现特殊的性能，而纳米复合材料中由于一相中含有纳米颗粒，所以其性能较基体有很大的差异，如力学性能、热稳定性、阻隔性能等都会得到极大提高，而其他性能，如韧性和透明度等。都不会有明显的降低。由于塑料聚合物较金属、玻璃、纸等具有便宜、质轻、加工方便等优点，因而目前国内外研究最为关注的纳米包装材料是聚合物基纳米复合材料。现已商业化应用的纳米包装材料有纳米Ag/PP类、纳米Ag/PE类、纳米Ag₂O/PE类、纳米TiO₂/PP类、纳米蒙脱石／PA类等。

目前，纳米技术在食品包装领域的应用可分为三类：一是纳米增强包装材料，主要是利用纳米颗粒比表面积大的特点，可极大地提高聚合物材料基体的力学性能、水、气体的阻隔性能、对温度和水的稳定性以及抗紫外性能和阻燃性能
等。如苹果片放在纳米CaCO₃/PP复合材料中，可阻绝氧气对苹果片的氧化，这是由于纳米颗粒在聚合物基体中会形成“弯曲通道”效应，使得氧气及水汽不能通过包装材料，从而达到保鲜的目的。一些纳米包装材料还具有抗菌作用，如纳米Ag/PP、纳米ZnO/PVA、纳米TiO₂/PP等复合材料，其中纳米颗粒的Ag被认为具有广谱杀菌作用，能杀死细菌、真菌、病毒及其他微生物。二是活性包装和智能包装材料。活性包装材料是指包装材料可以除去不想要的味道和风味，使食品的色泽鲜艳，气味更好闻。如炭黑和碳纳米管与聚合物复合可以吸收食物散发出来的气味。智能包装材料是指包装材料能够监控食品的质量信息，如包装材料与纳米传感器或纳米胶囊相结合，可在食品发生腐败或被污染时通过颜色变化告知消费者食物已变质，或者在变质之前自行释放防腐剂预防变质。三是可生物降解纳米复合包装材料。可降解包装材料是未来的发展方向，可以替代部分不可降解塑料的使用，减少白色污染。可微生物降解的聚合物由于其力学性能及阻隔性能等较差，限制了其大量使用，但是通过填充纳米颗粒的复合材料可有效地提高力学及阻隔等性能，为可降解聚合物在食品包装行业上的大规模应用提供了可能。常用的可降解聚合物有纤维素、淀粉、壳聚糖等天然聚合物以及聚乳酸（PLA),聚经基脂肪酸酯(PHA),聚乙烯醇(PVA）等合成聚合物，常见的纳米颗粒有纳米Ag、蒙脱土（MMT),Cu,TiO₂,ZnO,Ag₂O等。

(1)纳米颗粒的危害

随着纳米包装材料应用越来越广，其安全性也引起了公众的关注。纳米包装材料是复合材料，其迁移到食品中的有害物质不仅包含基体材料中的一些危害物，如残留单体和各种添加助剂等，纳米尺度的颗粒也会迁移到食品中，可能会影响人体健康。虽然纳米包装材料在食品中应用是否会对人的健康造成不良影响并没有得到确切的证明，但是有动物实验和体外细胞实验证实纳米颗粒具有毒害作用，主要的危害有：进入并沉积到肝细胞、神经细胞等内；功能蛋白表达受影响，蛋白质变性及酶活性降低；DNA突变和基因毒性；细胞膜及线粒体等受损等。

①纳米颗粒致毒机理。目前，纳米颗粒对生物体的毒害作用机理主要有三种。一种是与纳米颗粒种类无关，其毒性由纳米尺寸体现出来。纳米尺度的颗粒会很容易穿过细胞膜进入细胞内，且颗粒越小越容易产生细胞毒性。同时，由于纳米颗粒的比表面积大，容易与细胞结合，导致细胞凋亡。如在相同剂量下，纳米银颗粒的毒性显著高于微米银颗粒，这是因为只有纳米银颗粒能够通过细胞吞噬进入细胞内部，而微米银颗粒不能进入细胞内部，推断纳米银颗粒进入细胞内部使其产生细胞毒性是纳米银颗粒细胞毒性的作用机理。

第二种是纳米颗粒在细胞内会产生活性氧（ROS)，可直接作用于生物体造成自由基氧化损伤，使蛋白质变性、损伤DNA、干扰基因转录等；另一方面，产生的活性氧能导致细胞内氧化应激效应而引起细胞凋亡。纳米颗粒粒径较小，颗粒中的大部分原子位于表面，而表面的原子由于大量悬键的存在，其能量较高，发生化学反应的活性较强。同时，纳米颗粒量子化效应产生的离散能级容易处于激发态，产生带电原子团簇（存在过剩电子或空穴）。悬键及空穴成为反应位点，在反应位点氧分子发生电子俘获，产生过氧化物自由基，再通过歧化作用或芬顿反应产生活性氧。活性氧的大量产生会使体内氧化与抗氧化作用失衡，倾向于氧化，产生大量氧化中间产物，导致细胞发炎或者死亡。氧化应激是由自由基在体内产生的一种负面作用，并被认为是导致衰老和疾病的一个重要因素。Shukla等的研究结果表明，纳米TiO₂颗粒会诱导产生活性氧和氧化应激反应，从而导致DNA损伤和微核形成，显出基因毒性。

第三种是毒性与纳米颗粒的化学组成有很大关系，比如一些纳米金属或金属氧化物会对蛋白质的二级和三级结构进行修饰，进而影响其正常表达，而另外一此类型的纳米颗粒，如单壁碳纳米管或多壁碳纳米管会直接或间接的产生基因毒性。还有就是纳米包装材料中的纳米金属及金属氧化物会溶出金属离子，本身会对细胞有毒害作用，而且纳米材料溶出的金属离子更容易透过被纳米颗粒破坏的细胞膜或者细胞壁，进入到细胞内，从而增强纳米材料的毒性。如能溶出金属离子的纳米颗粒氧化铜的毒性比碳纳米管的强很多。

②影响纳米颗粒毒性的因素。主要有：纳米颗粒的尺寸、形状、比表面积、化学组成、表面电荷以及聚集态。纳米颗粒的毒性表现出一定的尺寸效应，尺寸越小，表面积越大，越容易进入细胞，也更容易与细胞结合，毒性越大。Park
等研究了纳米颗粒大小与毒性之间的关系，用22nm,42nm,71nm和323nm的纳米Ag颗粒喂养老鼠14d发现，暴露在323nm的Ag颗粒下的老鼠其大脑、肺、肝、肾以及睾丸中都未发现Ag的存在，而其他暴露在更小尺寸Ag颗粒中的小鼠中这几个部位都检测到了纳米Ag颗粒，而且尺寸越小，沉积越多，这说明尺寸越小，纳米Ag颗粒的生物相容性越好，毒性越大。纳米颗粒的结构和几何形状也会对其生物毒性产生影响：如肺泡巨噬细胞具有清除吸入的异物的功能，但是却不能清除纤维状的纳米颗粒，从而引起炎症反应。纳米颗粒物的表面积增大，相应的毒性会逐渐增强。纳米颗粒表面电荷也会影响其毒性。如纳米镍颗粒被认为具有致癌性，小于200nm的颗粒可以进入上皮细胞，而颗粒更大的会被巨噬细胞吞噬。纳米颗粒的表面电荷决定其是否能够进入细胞，非结晶的、表面带正电荷的纳米颗粒不进入细胞。相反，结晶的、表面带负电荷的NiS,Ni₃S₂纳米颗粒通过吞噬作用进入细胞，然后被酸性细胞液溶解出Ni²⁺，对细胞核造成损伤。

(2)纳米颗粒的迁移

目前，食品纳米包装材料中纳米颗粒迁移的研究较少，主要的原因是复合材料中纳米颗粒表征比较困难，以及缺乏定性定量的分析方法。我国、美国、欧盟及日本等国家和地区都有相关的法规和标准，对食品包装用的高分子材料的卫生检测都有明确规定，但是纳米包装材料的卫生检测尚无相关规定出台。

Avella等最先对纳米颗粒的迁移进行了研究。用马铃薯淀粉、马铃薯与可生物降解的聚酯混合物与纳米蒙脱土（MMT）进行复合，得到了一种可降解的纳米MMT／淀粉复合薄膜。用该薄膜包装生菜和菠菜，在40℃条件下进行10d的迁移实验，之后温度缓慢降至室温口生菜和菠菜样品加热到105℃至恒重，然后在马弗炉中550℃烧数小时，再在干燥器中降至室温。得到的灰分用盐水溶解，并用热水浴加热，之后过滤。用原子吸收光谱测滤液中的Si,Mg,Fe,结果表明蔬菜样品中Mg和Fe的含量增加不明显，而纳米MMT中含有的Si的含量大幅增加，这说明包装材料中的纳米颗粒已向蔬菜中迁移。
影响纳米颗粒迁移的因素有纳米颗粒尺寸大小、纳米颗粒种类、使用温度、接触时间以及模拟液或包装内容物种类等。黄延敏等对市售的纳米Ag/PP保鲜盒和纳米Ag/HDPE保鲜袋为研究对象，进行了不同食品模拟液浸泡处理。采用蒸馏水、4％乙酸溶液、65％乙醇溶液和正己烷，分别模拟水类、酸类、酒精类和油类等4种不同类型的食品模拟液，选择不同的温度条件和浸泡时间对样品进行测试。实验结果表明，纳米银会从保鲜盒中迁移出来，纳米银颗粒的迁移量随着浸泡时间的延长而增加，随着温度的升高而增加；而且由于聚乙烯保鲜袋中的纳米Ag颗粒较聚丙烯保鲜盒中的小，其迁移量更大；在相同的温度条件和时间条件下，4种食品模拟液中纳米银的迁移量的大小依次为：正己烷＞4％乙酸＞水＞65％乙醇，这说明纳米银颗粒更容易从包装材料中迁移到油类食品中。

Cushen等研究了纳米颗粒从纳米Ag/PE和纳米Cu/PE包装材料中向鸡肉的迁移。在不同的模拟液及时间、温度条件下，纳米铜颗粒的迁移量范围为0.02～0.049mg/dm²，纳米银颗粒的迁移量范围0.003～0.005mg/dm²，这说明纳米铜颗粒较纳米银颗粒更易迁移；在相同的模拟液中，时间和温度对纳米颗粒的迁移影响不明显。Cushen等还研究了纳米Ag颗粒从Ag/PVC复合膜中向鸡肉迁移，考察了不同迁移条件如纳米尺寸（平均粒径10nm和50nm)、纳米Ag颗粒在复合膜中的含量(0.5％和5％)、接触时间及温度对迁移量的影响。结果为纳米Ag的迁移量范围为0.03～8.4mg/kg，纳米Ag颗粒在复合膜中的含量、接触时间与纳米Ag颗粒迁移量呈显著正相关性；纳米颗粒大小对迁移量没有显著影响；温度与迁移量呈负相关性，这可能是因为纳米银颗粒与PVC聚合物链发生了交联。

(3)纳米颗粒的检测表征

由于纳米颗粒的理化性质参数众多，如聚集态、化学组成、形貌、粒径、表面积、表面电荷等，都会对纳米颗粒的性质有很大的影响，所以迁移到食品样品的中纳米颗粒的检测表征较其他有机小分子及无机物的复杂，不仅需要定性定量分析，还需对纳米颗粒的粒径、聚集态、表面化学性质等进行表征，需要运用多种技术手段来分析表征。

①成像技术。成像技术检测纳米颗粒主要有光学显微镜、电子显微镜及原子力显微镜，可直观表征纳米颗粒形貌和粒径，其中常用的有透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜（SEM)、环境扫描电子显微镜（ESEM),原子力显微镜（AFM）等。TEM和SEM可对纳米颗粒成像，能直接观察到纳米颗粒的聚集态、粒径大小、形貌、结构以及在聚合物中的分散情况。而AMF的分辨率可到0.5nm，可以得到纳米颗粒的三维表面图，并且能在常压下甚至在液体环境下良好工作。表3-5为常见的几种成像技术可测得粒径范围及参数。

表3-5常见的纳米颗粒成像技术

Vermogen等用透射电镜对纳米MMT/PP复合材料测定纳米MMT的厚度、长度及颗粒间的距离等，分析结果表明纳米颗粒的类晶团聚体的尺寸与材料的剪切应力强度有关。Yalcin等合成了纳米MMT/PVC复合材料，邻苯二甲酸二辛酯为塑化剂，用TEM和AFM进行表征。结果表明，层状纳米MMT会优先分布于基体表面；当塑化剂用量较高时，纳米MMT颗粒穿过PVC聚合物基体的能力会下降，这主要是基体的黏度大幅下降。

②分离技术。由于食品成分比较复杂，会干扰样品的分析，因而需要在分析前对其进行分离。目前分离方法主要有色谱法、场流分级（FFF)以及电泳(CE)等方法。表3-6是几种常用分离方法及可分离的粒径范围和可测参数。

表3-6常用的纳米颗粒分离方法

色谱及相关技术可用于样品中纳米颗粒的分离，具有快速、灵敏、无损等优点，与一些分析仪器联用，如ICP-MS、动态光散射仪（DLS)，不仅可以实现包装材料迁移实验模拟液、食品、水等样品中纳米颗粒的分离，还能对分离的纳米颗粒进行元素及量化分析。常用的纳米颗粒分离表征的色谱及相关技术有：尺寸排阻色谱（SEC)、高效液相色谱（HPLC）和流体动力色谱（HDC)。

SEC其固定相为化学惰性的多孔凝胶，凝胶具有一定大小的孔穴，体积大的分子不能渗透到孔穴中去而被排阻，较早的被流动相淋洗出来；中等体积的分子部分渗透；小分子可完全渗透入内，最后淋洗出色谱柱。这样，样品分子基本按其分子大小先后排阻，从柱中流出，实现高效分离。Huang等用SEC法分离纯化了DNA包覆的碳纳米管，SEC能有效地将影响分析结果的石墨杂质去除。

FFF是分离复杂样品中的纳米颗粒非常有潜力的方法，可以分离1nm～1um范围内的颗粒。其原理是在施加场的作用下，不同粒径的颗粒所受的场作用力不同，使其在流层中的位置不同，从而流动速度出现差异，实现分离。小颗粒受到的作用力小，处在流层中间，速度快，首先分离出来。FFF技术可与紫外吸收、ICP-MS、激光多角度光散射（MALLS)、动态光散射（DLS)等联用，对纳米颗粒进行分离检测。Schmidt等用FFF技术与DLS,MALS及ICP-MS联用，定量测定样品中的三种粒径纳米Au颗粒的混合物。实验结果为：纳米Au的添加回收率为50％～95％，各种粒径的纳米Au检测值为8～80ng，检测限为0.02ng～0.04ng，添加回收率较低的主要原因是纳米Au颗粒会附着在分离通道的膜上。静脉注射10nm和60nm或两种粒径混合的纳米Au颗粒至老鼠中，然后用该法测定老鼠肝脏中总的纳米Au含量，其添加回收率为86％～123％。

③分析表征方法。纳米颗粒的分析表征的方法主要有质谱法和光谱法。其中质谱法又可以分为电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、电喷雾质谱（ESI-MS)和基质辅助激光解吸质谱（MALDI-MS)，光谱法有紫外可见光光谱法（UV-vis),X射线光谱法（X-ray)、静态光散射技术（SLS)、动态光散射技术(DLS)、中子小角度散射技术（SANS)等。

质谱仪由离子源、质量分析器及检测系统组成，通过将纳米颗粒转化为运动的气态离子，并通过对其质荷比的分析而实现样品定性和定量。ICP-MS主要是用来分析金属纳米颗粒，其检测限可达ng/L级，广泛用于纳米材料的元素测定及准确定量。ESI-MS和MALDI-MS常用于液态和固态的生物样品的分析检测。

ICP-MS由于不能直接注射进样到离子源，一般会与高效液相色谱(HPLC)、场流分级法（FFF）及非对称场流分级法（AF⁴）联用。Loeschner等首次建立了AF⁴-ICP-MS法分离检测了食品中的纳米银颗粒。该法是通过酶解鸡肉，将其中的纳米银颗粒释放到悬浮液中，再经AF⁴分离，然后用ICP-MS进行检测。Artiaga等用AF⁴-ICP-MS法分析了食品容器纳米Ag颗粒的迁移情况。结果显示，在正常的使用条件下，纳米Ag颗粒从容器中迁移到食品模拟液的量较低，为17ng/g，该法纳米Ag的检测限为0.4ug/L。

纳米颗粒的光学性质对其粒径、形貌、聚集态及浓度变化等非常敏感，这些条件一变化就会影响纳米颗粒表面的折射率；紫外可见光吸收光谱（UV-vis)正是利用这一性质实现对纳米颗粒的分析检测。Hairs等通过多级散射得到了理沦结果，然后合成了5～100nm的Au颗粒，并用TEM和UV-vis光谱表征测定。结果显示理论值和实验结果一致，这说明U V-vis、光谱可以直接用来测定纳米Au的尺寸及浓度。XRF是利用元素内层电子跃迁产生的荧光光谱，可用于元素的定性定量分析以及固体表面薄膜成分分析。黄延敏研究了纳米Ag/PP和纳米Ag/HDPE材料中纳米Ag颗粒向食品中的迁移，采用煅烧法处理包装材料，通过XRF确定灰分中各种物质的组成。XPS是利用元素受激发射的内层电子或价电子的能量分布进行元素的定性、定量分析，也可用于固体表面薄层成分分析。XRD是利用X射线对不同晶体产生不同的衍射效应来进行定性、定量分析，可获得纳米颗粒的化学组成及晶相结构信息。

DLS又称光子相关光谱（PCs)，是纳米科技中比较常规的一种表征方法，可用来测定纳米颗粒的水合粒径及团聚状态，还具有测量Zeta电位的功能，测量粒径范围为1～1000nm，但是易受干扰。刘俊莉等用DLS分别测定了纳米TiO₂聚丙烯酸酯乳液和纯聚丙烯酸酯乳液粒径。庄欠粉等通过DLS测量了Si0₂纳米粒子的Zeta电位，而且将两条与目标DNA两端完全互补的探针DNA修饰到纳米SiO₂上，然后加入目标DNA，使其与修饰后的纳米SiO₂杂交，导致纳米SiO₂颗粒团聚，水合粒径增大。加入DNA浓度不同，团聚程度不同，用DLS检测到粒径的不同，从而实现对目标DNA的检测。

(4）食品纳米包装材料面临的问题

纳米包装材料已经走出实验室，逐渐走进人们的生活当中，给我们带来了便利，推动了食品包装行业的发展。但是纳米包装材料是否会对人的健康造成不良影响尚无定论。迄今为止，世界范围内还未有任何机构对纳米包装材料安全性进行过全面和系统的评价；分析检测尚无标准和相关文件可引用；纳米颗粒向食品的迁移、暴露性危害、摄入后对人体的危害等科学数据相对缺乏。因而在纳米包装材料还未普遍进入人们生活之前，相关科研人员要继续深入研究纳米颗粒的迁移和毒性，开发出适合的分析检测方法；政府部门要根据评估结果制订相关的标准和政策法规，明确纳米颗粒在包装材料中的添加限量及最大迁移量，指导和规范食品纳米包装材料的生产。