2013年7月1日

奈米科技與綠色食品

奈米科技正推動一場新的綠色工業革命。善用奈米科技,不僅將使我們享有安全方便的食品,也能對生態更友善。

作者/陳輝煌(宜蘭大學食品科學系教授兼奈米科技中心主任)

假使有一天,我們可以放出許多奈米機器人到野外,讓它們自動收集綠草與樹木的種子,然後啟動內建的奈米晶片,執行刺激種子的發芽與生長,利用小尺度的大表面積效應,在極短的時間內長出綠葉與樹木,甚至開花、結果,我們就不用擔心地球上的樹木會被砍伐光。另一類奈米機器人可到處收集各種食品或有機廢棄物,然後分解、組合成各種原料後回收使用,可以使食物資源永續回收不虞匱乏。再由另一組奈米機器人,從收集回來的原料分別負責拿水分子、蛋白質、脂肪、醣類、維生素、礦物質、色素、香味成分等,經程式設計組合後,合成你想要的食物……。

奈米科技
著名的諾貝爾物理獎得主費曼博士(Richard P. Feynman) 於西元1959年在加州理工學院舉辦的物理學會,演講「寬廣的底層」(There’s plenty of room at the bottom)時,提到操縱與控制微小物體是可能的,當物體被縮小後,在微小世界仍有許多的空間。此演講啟發了許多科學家,開始投入探索奈米世界的研究。

那麼,奈米等級的物質到底有多大?如果以一個原子大小約1埃(angstron, Å),即0.1奈米(nanometer, nm)來看,1奈米的長度就是大約10個原子排列起來的長度。奈米的尺度介於巨觀(macroscope,大於微米級的物質或物理現象是屬於巨觀)與微觀(microscope,描述原子、分子與電子運動者,屬於微觀行為)的範圍,用以解釋奈米材料或奈米科技的新理論,稱之為介觀(mesoscope)科技。根據美國國家奈米技術創新中心的定義,「奈米科技」包括以下三項:(一)物件或結構尺寸範圍在1~100奈米之間的研究;(二)因尺寸達到奈米等級,所衍生出物理、化學、生物等特性的改進技術;(三)工作或操作的對象是分子等級的物件。

奈米科技被視為影響人類生活的第四次工業革命,因為利用微細化材料,可以開創出更快、更實用、更輕薄短小、前所未有的革命性新產品。舉凡食、衣、住、行、育、樂的品質,均將因奈米科技的貢獻而向上提升。舉個簡單的例子,曾經有一位學者估算,以二十年前人類的科技,要生產目前的智慧型手機(不管是iPhone 5 或HTC one),至少需要二公噸的電子元件,拜奈米科技之賜,我們現在可以帶著一百多公克的智慧型手機叭叭走(圖一)。
圖一:奈米科技讓資訊產品體積變小。

綠色科技
綠色科技是對生態環境友善的科技,一開始是由永續發展概況延伸,廣義的定義為凡以「保護人體健康和自然環境」並「促進經濟持續發展」為核心之科技稱之;狹義的定義即以「減少能源使用與降低汙染」,並謀「改善生活環境品質」的科技。

在充滿生機的21世紀,以知識經濟為主的奈米科技,也是強調自然資源的應用、能源使用的效率與環境保護的使命,奈米科技不同以往的科技發展,它正在推動一場新的綠色工業革命。奈米科技產業可以減少汙染、減少能源浪費,進而保護自然環境,因此奈米科技常被視為「綠色產業革命」。以傳統食品產業來說,若能利用多種奈米級材料的自潔及抗菌、除臭效果,可發明出更容易清洗的碗筷,不易被汙染的加工器具,更輕薄、保存更久的包裝材料,減少環境的負擔;若能將食材或機能性成分奈米化,可發明出更容易吸收利用、口感更好的食品,減少生物資源的使用;若能將微晶片組合成奈米偵測器,可直接偵測目標細菌的DNA或病毒,達到快速監控食品的安全衛生。

食品奈米科技
人體對食物的作用,進入口中的食物為公分的尺度,經咀嚼降為毫米的尺度後吞入肚中,經過胃酸作用成為糜狀,再進入腸中,經酵素消化,最後成為分子層級,才能被人體吸收;不被消化的成分,將被排出體外。所以人體的口、胃、腸以由上而下(top down)的方法,逐步地將食品微米化、奈米化與分子化,如預先將食物奈米化,將有助於消化系統不良者;被腸道吸收的分子,經酵素合成作用,成為人體所需的物質(人體中的蛋白質約在1~20 奈米之間),是一種精巧的由下往上(bottom up)之途徑(圖二)。所以說,人體就像是一個奈米工廠,此乃造物者的精心設計,目前人類奈米化的技術仍無法與之比擬。
圖二:食品由上而下(top down)及由下而上(bottom up)形成奈米級分子。

因此,我們也可以藉由奈米科技製作食品,減輕身體消化的負擔,或者提供原本消化系統較差的消費者,能更有效的吸收營養物質。為了增強食品的機能性、方便性及品質,追求食品加工新穎性、快速、安全,約亨威斯(Jochen Weiss)等學者就奈米科技可以應用在食品的範疇,區分食品奈米科技的四個主要項目:奈米材料、奈米製程、奈米產品及奈米食品及安全性(圖三)。2009年在泰國曼谷舉辦奈米技術在食品工業之應用專題討論會(Workshop on Applications of Nanotechnology in the Food Industry),一致認為功能性包裝、奈米乳化技術、生物感測器與奈米過濾為最可能成功應用的食品奈米技術,因為奈米包材為可以延長架售期又不破壞生態的綠色功能性包裝,奈米乳化技術可更有效攜帶機能性物質,生物感測器可檢測病原菌、毒素、重金屬汙染及協助純化、回收機能性成分,奈米過濾之技術門檻與投資金額不高、安全顧慮低,可減少傳統以蒸餾或結晶方式分離食品成分所消耗的熱能,或使用有機溶劑萃取造成的環境汙染。【更詳細的內容,請參閱第523期科學月刊】
圖三:奈米科技在食品應用的範疇。

沒有留言: