食品中碳纳米粒子的研究进展

袁 莉， 李庆舒， 邓 红

（陕西师范大学 食品工程与营养科学学院，陕西 西安710119）

1 碳纳米粒子

1.1 碳纳米粒子概述

碳纳米粒子，又称碳纳米点。粒子直径一般为10 nm左右，主要由碳、氢、氮、氧等元素组成，具有可调谐光致发光特性。目前，碳纳米粒子可被分为两类：一类主要由sp2杂化碳芯和某些化学基团组成，另一类为非晶态碳聚集而成。因其良好的荧光特性和生物可容性被广泛应用于生化传感、成像等领域[1]。2004年，Xu等[2]利用制备凝胶电泳的方法对从电弧放电烟尘中得到的单壁碳纳米管（SWCNTs）进行纯化，在电泳图谱中偶然发现一类在365 nm下具有不同荧光性的混合材料，经洗脱分离后分别发蓝绿色荧光、黄色荧光以及橙色荧光（如图1所示）。红外光谱测得该荧光材料表面存在羧基基团，元素分析结果显示其含有C、H、N和O元素。在碳纳米粒子原子力显微镜下均匀分布，呈现良好的分散性，横向直径不超过18 nm，纵向直径在1 nm左右。Sun等利用有机聚合物（聚乙二醇（PEG1500N））对碳纳米粒子进行表面钝化处理，可大幅度提升碳纳米粒子的荧光发射特性[3]。因此，碳纳米粒子又被称为碳量子点或碳点（C-dots）。研究发现，钝化后的碳量子点直径主要在5 nm左右。碳纳米粒子表面能阱经钝化稳定后，荧光发射特性显著增强，其光致发光光谱分布较宽且依赖于激发波长，发光较稳定且无闪烁。不同直径的碳纳米粒子在钝化后发光强度也不尽相同，同时影响光致发光量子产率。一般来说，尺寸越小的碳纳米粒子发光越强，量子产率越高。在利用表面钝化碳点进行光学标记时，可通过其发光不均匀性来选择不同激发波长的荧光发射颜色。

图1 365 nm下碳纳米粒子荧光图Fig.1 Fluorescent picture of carbon nanoparticles at 365 nm

部分化学合成碳纳米粒子的结构如图2所示，而从食品材料中得到的碳纳米粒子的化学结构尚未见报道。已有研究证明，碳纳米粒子在透射电子显微镜下呈现类球形，由于其表面存在大量羧基，碳纳米粒子具有良好的水溶性及化学反应性，易与有机物、无机物、高分子物质和生物材料结合进行功能化及表面钝化作用。

图2 部分碳纳米粒子的化学结构Fig.2 Chemical structure of some carbon nanoparticles

1.2 碳纳米粒子的化学制备

碳纳米粒子的合成主要分为两个途径：“自上而下”和“自下而上”。前者是将纳米金刚石、石墨、碳纳米管、碳烟尘、活性炭、氧化石墨[3-9]等大块碳质结构通过电弧放电、激光消融、电化学氧化等方法分解后，进行酸氧化处理，再通过表面钝化作用进行修饰而成；而“自下而上”合成法主要是将小分子前体物质如柠檬酸、碳水化合物、聚合二氧化硅纳米复合材料等通过燃烧/热处理、合成/微波热合成等[10-13]。

1.3 碳纳米粒子的应用

近年来，碳纳米粒子由于其成分安全、生产方便、成本低廉、易被功能化和表面钝化、光化学稳定性强、无光致褪色和光致闪烁等[14]优点，已逐步替代半导体量子点在化学传感、生物传感、生物成像、药物传递、光催化、电催化等[15]研究领域的应用。化学传感技术中，经表面钝化的碳纳米粒子可作为荧光探针用于检测水溶液[16-17]和肝细胞[18]中的Hg2+，基于金属离子对于碳纳米粒子会产生荧光猝灭效应，也可用于Cu2+、Fe3+、Pb2+、Ag+等离子的检测[19-30]；在生物传感领域，碳纳米粒子可在免疫层析和基因芯片分析中作荧光标记[31]，也可用于核酸适配体的开发[32]。此外，碳纳米粒子还可作为荧光探针检测小分子物质，Niu[33]等以谷氨酸为原料制备的碳纳米粒子用于阿莫西林抗菌药的检测。在生物成像过程中，碳纳米粒子可代替半导体量子点作为安全无毒的荧光探针，应用于生物体内外可视化[34]。有研究证明，H2S可通过扩散作用穿透细胞膜[35]，而有机染料与碳纳米粒子的共轭体可作为H2S的荧光探针，使得H2S在肝细胞中的生理水平变化呈可视化，进而在荧光显微镜下得以观察[36]。由于碳纳米粒子的安全性——低剂量时对实验动物无明显毒性，在纳米医学方面也得以重视[37-38]，用于针对浅表肿瘤的光能治疗[39]。此外，碳纳米粒子具有利用长波长光和能量交换的特性，这可代替太阳光在有机物合成中发挥催化作用，同时可消除紫外光和短波长可见光对有机物的损害[40]。在清洁能源如燃料电池、清洁燃料等的生产过程中，碳纳米粒子以其良好的导电性和细微的粒径，成为氧化还原反应的催化剂，加速反应进程，提高生产效率[41-42]。

2 食品中的碳纳米粒子

除了化学合成碳纳米粒子外，研究人员在食品材料中也相继发现碳纳米粒子的存在，主要涉及高温加工的食品如面包、烤肉、速溶咖啡、啤酒等，提取方法如图3所示[46-48]。不同食品产生的碳纳米粒子的性质存在一定差异，表1从粒径、荧光量子产率、应用等3个方面归纳了各类碳纳米粒子的来源及性质。

图3 食品中碳纳米粒子的提取方法Fig.3 Extraction method of carbon nanoparticles from food

表1 不同食品中的碳纳米粒子的性质及应用Table 1 Properties and applications of different foodborne carbon nanoparticles

2.1 碳水化合物类食品

Md等对面包、棕榈糖、方糖、玉米片、饼干等富含碳水化合物的食品中碳纳米粒子进行了检测[43]。具体方法如下：将购买来的面包棕色外衣部分剥离，溶于甲醇溶液并超声提取处理，再经浓缩纯化后即可得到碳纳米粒子。经检测，面包碳纳米粒子的粒径为（27.5±6.1）nm，荧光量子产率为1.2%；棕榈糖和方糖置于锅中加热中焦糖色，甲醇提取并离心去除大颗粒，透析纯化后得到样品。棕榈糖和方糖碳纳米粒子的粒径和荧光量子产率分别为（20.3±7.5）nm、（4.3±1.5）nm和0.55%、0.63%。其粒径差异主要是加热温度不同所导致，一般来说，较高温度下形成的碳纳米粒子粒径要比低温形成的大。从上述食品中提取得到的碳纳米粒子水溶液可在365 nm紫外灯下发蓝色荧光。Ahmed等[44]在对烘焙温度200～250℃的面包褐色面包外层进行提取后，制得的碳纳米粒子粒径为5～20 nm，紫外灯下发蓝色荧光。

2.2 蛋白质、脂质类食品

牛奶中富含大量蛋白质、碳水化合物和营养矿物质，Wang等[45]利用湿热化处理牛奶（180℃，2 h）的方式生产荧光含氮碳量子点。得到的碳量子点呈良好的单分散性、具有强烈的蓝色荧光且粒径在3 nm左右，可应用于生物成像等研究过程中。2017年，研究者[46-49]先后从烤羊肉、烤海鳗、烤牛肉汉堡、烤猪肉中分别提取得到荧光碳纳米粒子。由于烧烤、烘焙、煎炸等高温加工的烹饪方式与碳纳米粒子“自下而上”合成路径相似，研究人员将清洗干净的生羊肉置于250℃的电烤箱中处理30 min，从烤好的羊肉通过肉块破碎、乙醇提取、离心去除大颗粒、氯仿萃取纯化、透析纯化、真空冷冻干燥等步骤获得荧光碳纳米粒子。因加工温度较高，碳纳米粒子的平均直径在2 nm左右，荧光量子产率也达到了10%。可作为荧光传感器检测苹果汁等体系中的葡萄糖含量。富含蛋白质的灰海鳗鱼经过不同温度（160、200、230、260、300℃）的蒸汽烘烤30 min，提取方法与上述相似，得到的碳纳米粒子的荧光量子产率最高可达80.16%。烘烤温度越高粒径越小，300℃的碳纳米粒子粒径在1.75～4.25 nm，且随着温度的升高，碳纳米粒子发出的蓝色荧光越强。与上述处理方式类似，研究人员也从烤牛肉（220、260、300℃，30 min）中提取得到荧光碳纳米粒子。不同加工温度下粒径分别为（33.6±21.2）nm、（5.1±4.9）nm、（2.5±1.6）nm，300℃下的碳纳米粒子在透射电子显微镜中有明显的可辨晶格结构，而低温下则没有。随着温度的升高，碳纳米粒子表面CO—NH键断裂，氮元素含量降低，而荧光量子产率则逐步降低（分别为23.25%、19.43%、15.03%）。最后，对猪肉也进行了相应的实验（180、230、280℃，30 min），提取得到的碳纳米粒子粒径在5.93～7.49 nm之间。作者前期研究也发现，煎、炸、烤等高温加工的猪肉制品也含有大量碳纳米粒子，其溶液在365 nm下呈现蓝色荧光，平均粒径为4.008 nm。同时，高温加工前在猪肉中加入不同浓度的食品添加剂茶多酚后，所得到的碳纳米粒子粒径成倍增加，且蓝色荧光逐渐变为蓝绿色，初步推断茶多酚可改变碳纳米粒子的结构、荧光特性和表面性质等。

Cong等将鸭肉进行170℃、60 min的烘烤处理，得到粒径为1.3 nm的碳纳米粒子，其量子产率为4.4%。该碳纳米粒子可与人血清白蛋白相互作用，导致后者发生静态荧光猝灭，其构象也随之发生变化[50]。研究团队从高温（200、250、300℃，30 min）烘烤鸡肉制品中提取到了碳纳米粒子，粒径均在20 nm以下，荧光量子产率在6.71%～17.46%且随温度升高而增加[51]。有研究人员从发酵陈醋中也提取到碳纳米粒子，其形成原因主要是多糖和蛋白质高温变性后降解为寡糖和氨基酸再重新聚合而成[52]。

2.3 市售商品饮料

市售速溶咖啡粉中的主要成分为糖和咖啡奶油，Jiang等将购买的速溶咖啡用90℃热水冲泡，从中提取出荧光碳纳米粒子[53]。平均粒径在4.4 nm左右，荧光量子产率为5.5%，具有相对的酸碱稳定性，其强荧光性可直接应用于癌细胞成像。随后，他们又从市售啤酒中提取了碳纳米粒子，又称为啤酒碳量子点[54]（BCDs）。与其他碳纳米粒子相同，BCDs也具有稳定的化学性质和强荧光性，其平均粒径在2.5 nm左右，荧光量子产率为7.39%。它在极端pH值、激光辐射、高离子强度等条件下仍保持良好的稳定性，可用于生物成像等领域。

2.4 美拉德反应体系

美拉德反应又称非酶褐变，是食品产业重要的加工方式之一。在葡萄糖-赖氨酸美拉德反应体系中，将混合物溶液在180℃下加热10 min，得到的粗产物通过大孔吸附树脂进行洗脱纯化，得到目标产物碳纳米粒子。在透射电子显微镜下呈近球形，平均粒径在4.3 nm左右且紫外灯下发蓝色荧光，其荧光量子产率为16.30%。红外光谱显示该碳纳米粒子表面存在羟基、氨基、羧基，采用洋葱表皮细胞和HepG2细胞测其生物分部，结果显示，碳纳米粒子存在于洋葱表皮细胞的细胞壁而非细胞质中，存在于HepG2细胞的细胞质而非细胞核中。

3 碳纳米粒子的检测方法

碳纳米粒子因其特有的荧光发射性质又被称为荧光碳纳米粒子。因此，观察其在365 nm紫外光下是否发射荧光是判定碳纳米粒子存在性的首要检测手段。多项研究表明，从食品中提取到的碳纳米粒子在365 nm紫外灯下呈现明显蓝色荧光，而在自然光照射下无荧光。其次，碳纳米粒子在透射电子显微镜下呈现良好的分散性，形态为近球形，粒径分布主要在10 nm以下。高分辨率透射电镜还可观察到其明显的可辨晶格结构。最后，利用X射线衍射仪对其进行测定，碳纳米粒子的非晶质结构使得结果只出现一个吸收峰。此外，还可通过紫外、红外、荧光、X射线电子能谱等进行进一步的验证检测[46]。

4 碳纳米粒子的抗氧化性

食品中碳纳米粒子的抗氧化性还处于初步研究阶段。在不同加工温度下（200、300、350℃）烤羊肉中碳纳米粒子特性研究过程中，发现碳纳米粒子也具有显著的自由基清除作用，且其抗氧化能力呈现温度依赖性，烘烤温度越高得到的碳纳米粒子抗氧化性越强。350℃下，质量浓度为8 mg/mL的碳纳米粒子对于羟基自由基（·OH）的清除率为43%，而质量浓度达到4 mg/mL的碳纳米粒子对DPPH自由基清除率可达100%，具有极其显著的抗氧化特性。而在葡萄糖-赖氨酸美拉德反应体系下，生成的碳纳米粒子对清除DPPH（EC50=570μg/mL）和羟基自由基（EC50=12.23 mg/mL）有一定的效果，但与抗坏血酸（EC50=9.86μg/mL）相比，清除效率较低。

5 碳纳米粒子的毒性

目前，食品中碳纳米粒子的安全性已得到广泛关注。对从烤面包中提取出的碳纳米粒子进行体外毒性实验，发现其可通过p53和CYP1A等介导的氧化还原途径引起人体骨髓干细胞的慢性氧化应激，在400μg/mL时具有中等毒性作用。烤鸡肉中生成的碳纳米粒子可被肝细胞吸收，分布于细胞质中，可与神经递质多巴胺结合形成荧光共轭体，并且可通过小鼠血脑屏障在其大脑内累积。当其质量浓度为4 mg/mL时，可减少33%细胞活力，对机体健康有潜在的生物毒性。从高温加热的牛奶中获得的碳纳米粒子在人体脑胶质肿瘤细胞（U87）中进行毒性试验，得到的碳量子点基本不改变细胞活力，无明显细胞毒性。对烤鳗鱼中碳纳米粒子进行MTT实验，发现其对小鼠成骨细胞（MC3T3-E1）无明显毒性。与之相类似，从烤牛肉得到的碳纳米粒子对绿豆芽无明显毒性，在小鼠成骨细胞系中的毒性与烘烤温度成正相关，但细胞活力没有明显降低。高温烘烤后，提取的碳纳米粒子对小鼠无明显毒性作用，但其可进入实验小鼠的肝脏、肾脏及肠胃，并且通过血脑屏障最终在大脑中累积。葡萄糖-赖氨酸模式美拉德反应产生的高质量浓度碳纳米粒子（10 mg/mL）对HepG2细胞的糖酵解途径中的关键酶有明显抑制作用，从而产生毒性，但其抑制机理有待进一步探究。许多研究发现，碳纳米粒子进入体内可分布于肝脏、小肠、胃、肾脏及大脑等器官，主要分布在细胞质而非细胞核中，表2为已报道的食品中碳纳米粒子的毒性。

表2 食品中碳纳米粒子的毒性Table 2 Toxicity of foodborne carbon nanoparticles

续表2

6 展望

综上所述，食品中碳纳米粒子的性质和应用已得到了广泛关注。出于对食品安全的考虑，其安全性和蓄积性尤为重要。有研究证明，碳纳米粒子可以进入雄性小鼠的肾脏、小肠、肝脏、胃、肺、心脏、睾丸等多个器官，并且在灌胃2 h后，肝脏、肾脏内蓄积量达到最大。更为重要的是，碳纳米粒子可通过血脑屏障进入大脑并蓄积，对机体存在一定的神经性毒性，而其影响机制仍需深入探究。也有研究表明，碳纳米粒子可通过血脑屏障抑制多巴胺神经元的丢失，从而对帕金森症的治疗有一定的促进作用。因此，食品中碳纳米粒子的生物安全性还需进一步探究。