مقاله رویکرد فناوری نانو در صنایع غذایی

بخشی از مقاله

چکیده

یکی از مهم ترین بخش های صنعت تمام کشورها که با امنیت غذایی در ارتباط است، صنایع غذایی می باشد. با کمبود منابع غذایی و افزایش جمعیت، توسعه این بخش از صنعت، ضروری به نظر می رسد. استفاده از فناوری های نوین در این بخش رویکردی جدید است که می تواند مورد توجه قرار گیرد. یکی از فناوری های مورد توجه در این عرصه فناوری نانو می باشد. نانوتکنولوژی کاربردهای متعددی در زمینه تولید، فرآوری، نگهداری، ایمنی و بسته بندی مواد غذایی دارد. علم نانو تکنولوژی توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید برای در دست گرفتن کنترل در سطوح مولکولی و اتمی، با استفاده از خواصی که در آن سطوح ظاهر می شوند، را دارد که می توان به نانولوله ها، نانوکپسول ها، نانوکامپوزیت ها و غیره اشاره کرد.

کلمات کلیدی: صنایع غذایی، نانو کامپوزیت، نانو کپسول، امولسیون.

.1 مقدمه

واژه نانو دارای ریشه یونانی به نام کوتوله بوده و در علوم ریاضیات و فیزیک به عنوان پیشوند به کار گرفته می شود، در مقیاس ابعاد، معادل یک میلیاردیوم می باشد. علم نانو تکنولوژی توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید برای در دست گرفتن کنترل در سطوح مولکولی و اتمی، با استفاده از خواصی که در آن سطوح ظاهر می شوند، را دارد . [8] نانو فناوری در الکترونیک، ژنتیک، زیست شناسی، هوانوردی، کشاورزی و حتی در مطالعات انرژی بکار برده می شود. هدف اصلی اکثر تحقیقات نانو فناوری شکل دهی ترکیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است. طراحی، ساخت، توسعه و استفاده از محصولاتی که اندازه آن ها در بازه 100-1 نانومتر قرار دارند را نانوفناوری گویند .[3]

.2 فناوری نانو در صنایع غذایی

نانو فناوری علم مطالعه و تحقیق پدیده ها و عملکردها در سطح اتمی، ملکولی و نانو مولکول می باشد. ای ن عمل دارای کاربرد در زمینه های مختلفی می باشد. صنایع غذایی یکی از موضوعاتی میباشد که به آن توجه بیشتری شده است. فاوری نانو پتانسیل ایجاد تغییرات اساسی در صنایع غذایی و نوشیدنی را با ابزارهای جدید برای درمان مولکولی و شناخت سریع بیماری ها، اصلاح توانایی گیاه برای جذب مغذی ها و... دارد. مهم ترین پتانسیل های کاربرد نانو در غذا شامل موارد زیر است: غذاهایی با امکان تغییر رنگ، مزه یا مواد مغذی مطابق درخواست مشتری یا نیازهای سلامت، فیلترهایی برای زدودن سموم، بهبود طعم به وسیله ی عبور از مولکول های خاص برپایه شکل مخصوص مواد به جای اندازه آنها، بسته بندی شناسایی کننده فساد غذایی و هشدار به مشتریان با تغییر رنگ.

حوزه های کاربردی فناوری نانو در غذا و نوشیدنی ها که هم اکنون تحت تحقیق است شامل موارد زیر است: -1 اصلاح رسانش مواد غذایی دارویی و ترکیبات فعال زیستی در غذاهای دارویی برای بهبود سلامت انسان ها، -2 بهبود طعم، نسوج و رسانش ترکیبات دارویی فعال زیستی، -3 بهبود حلالیت، -4 رهایش کنترل شده و اصلاح رنگ محصولات، -5 اصلاح دسترس پذیری زیستی و -6 محافظت از پایداری ریزمغذی ها و ترکیبات فعال زیستی طی فرآیند، انبار و توزیع .[17] شکل 1 حوزه های کاربرد فناوری نانو در صنایع غذایی را نشان میدهد .[30] از مهم ترین فناوری های کلیدی در حوزه نانو برای صنایع غذایی می توان به نانولوله ها، نانوکامپوزیت ها، نانوکپسول ها، نانوالیاف، نانوسنسور و نانوفیلترها اشاره کرد که، در این مقاله به شرح آن پرداخته شده است.

.3 نانوکامپوزیت ها

کامپوزیت به ماده ای اطلاق می شود که از دو یا چند جزء تشکیل شده است به طوری که این اجزاء در مقیاس ماکروسکوپی با هم خصوصیتی را ایجاد کنند که به تنهایی در هیچ یک از آن اجزاء موجود نباشد. در صورتی که حداقل ابعاد یکی از اجزاء تشکیل دهنده در کامپوزیت در مقیاس نانومتری قرار گیرد، به چنین ماده ای واژه نانوکامپوزیت اطلاق می شود. مشابه مواد کامپوزیتی، نانوکامپوزیت ها نیز بر حسب جنس زمینه به سه گروه نانوکامپوزیت های زمینه فلزی، زمینه سرامیکی و زمینه پلیمری دسته بندی می شوند. قابل توجه است که فاز تقویت کننده نانومتری می تواند به صورت کریستالی، نیمه کریستالی و یا غیرکریستالی باشد. با استفاده از مواد تقویت کننده نانومتری در کامپوزیت ها می توان خواص این مواد را بهبود داد .[9]
کاربرد عمده نانوکامپوزیت ها در صنعت بسته بندی مواد غذایی است.

بسته بندی عبارتست از: محافظی که سلامت کالای محتوی خود را از مرحله پس از برداشت و تولید تا مرحله مصرف - نگهداری یا انبارمانی - حفظ کند .[23] مواد بسته بندی به عنوان یک محافظ فیزیکی محصول بوده و با ایجاد شرایط فیزیکوشیمیایی مناسب منجر به افزایش زمان ماندگاری مواد غذایی می گردد. بسته بندی های تهیه شده از پلیمرهای زیستی می توانند سدی در برابر رطوبت، بخار آب، گازها و مواد محلول باشند و نیز وسیله ای مناسب برای افزودن طیف گسترده ای از افزودنی ها مانند ترکیبات ضد قارچی، آنتی اکسیدان ها، ضد میکروب ها، رنگ ها و سایر ترکیبات غذایی هستند. مزیت اصلی آنها نسبت به مواد پلیمری مصنوعی، زیست تخریب پذیر بودن آنهاست .[13] استفاده از پلیمرهای ترکیبی یک روش مفید برای جلوگیری از نفوذپذیری گازها در بسته بندی های مواد غذایی می باشد. یک روش برای رسیدن به این هدف، ساخت پلیمرهایی می باشد که از مواد زیستی ساخته شده اند و تحت عنوان نانو کامپوزیت های پلیمری - PNC - شناخته می شوند. برای ساخت این پلیمرها، یک ماده ی پر کننده در مقیاس نانو در سرتاسر ماتریس پلیمر پراکنده می شود.

این مواد پر کننده می توانند شامل نانو صفحات خاک رس، سیلیکات، نانو سیلیکا - SiO2 - ، نانوکریستال های نشاسته، نانو فیبرهای سلولزی و ترکیبات غیر آلی دیگر باشند. PNCs ها نسبت به پلیمرهای دیگر مستحکم تر، در مقابل اشتعال مقاوم تر، دارای خصوصیات حرارتی بهتر، نقطه ذوب و دمای انتقال گاز پایین تر و در برابر شرایط رطوبتی مقاوم تر می باشند .[15] نانوکامپوزیت ها می توانند با عامل هایی همراه شوند که خصوصیات دیگری چون فعالیت های ضد میکروبی، نشان دادن تازگی و نوع غذا به چشم، ابزار شناسایی و قابلیت هایی که افزایش سهولت ردیابی محصولات غذایی را رقم می زند در بر بگیرد.

زمانی که پلیمرهایی زیستی نظیر سلولز با ذرات نانورس ترکیب می شوند، نانوکامپوزیت هایی حاصل خواهند شد که خاصیت جلوگیری از عبور - سد - بهتری نسبت به پلیمر خالص نشان می دهند و بعد از پایان عمر مفیدشان، با تبدیل شدن به کمپوست به خاک برمی گردند. نانومواد دیگری که می توان استفاده کرد شامل نانوذرات اکسید فلزی، نانولوله ها و نانوالیاف کربنی است. پلیمرهای زیستی دیگری که با نانوذرات رس ترکیب شده اند شامل کیتوزان، نشاسته، کازئین، آب پنیر و ژلاتین هستند. پروتئین سویا به خاطر دارا بودن خاصیت زیست تخریب پذیری و ویژگی های ترموپلاستیکش جذابیت ایجاد کرده است .[6]

-3-1 نانو ذرات

نانوذرات در نانوکامپوزیت های پلیمری سطح ویژه بالایی نسبت به ذرات در اندازه میکرو دارند. همین سطح ویژه بالا موجب بهبود برهم کنش بین پلیمر و نانوذرات می شود و دستیابی به ویژگی های مناسب را ممکن می سازد. نانو ذراتی که در بسته بندی موادغذایی کاربرد دارند به دو دسته آلی و غیرآلی طبقه بندی می شوند. نانوموادی مانند نانوذرات آهن، نقره، تیتانیوم، کلسیم، سیلیکا و... از مواد غیر آلی برای بسته بندی غذا به کار می روند. جدول 1 انواع نانوذرات رایج در بسته بندی مواد غذایی را نشان می دهد .[33] با وجود اینکه گزارش هایی مبنی وجود خاصیت آنتی باکتریال در نانورس ارائه شده است، اما بیشترین نانوذرات به کار رفته برای ایجاد خاصیت آنتی باکتریال در فیلم های مورد استفاده در بسته بندی مواد غذایی، نانوذرات نقره می باشد. علت خاصیت آنتی باکتریال نانوذرات نقره، اندازه کوچک و بار سطحی آن ها عنوان شده است که سبب نفوذ این نانوذرات به داخل غشای باکتری و آسیب رساندن به DNA آن می گردد. علاوه بر خاصیت آنتی باکتریال نانوذرات نقره، این نانوذرات مانع از رشد میکرواورگانیسم ها در داخل محصولات غذایی می شوند .[33][28] در مواد غذایی، می توان از نانو ذرات مغناطیسی برای تثبیت آنزیم ها، خالص سازی پروتئینها و آنالیز ترکیبات مربوطه بهره برد .[16]

-3-2 نانو لوله های کربنی

استفاده از نانولوله های کربنی در بسته بندی مواد غذایی خیلی معمول نیست . چرا که احتمال ایجاد خطر مسمومیت از این مواد برای سلول های انسانی وجود دارد. با این وجود هنوز مفید بودن استفاده از نانولوله های کربنی برای بسته بندی در صنایع غذایی تحت مطالعه و بررسی قرار دارد. اضافه نمودن نانولوله های کربنی به پلیمرهای زیست تخریب پذیر علاوه بر بهبود خواص مکانیکی این پلیمرها سبب کاهش نفوذ گاز و بخار آب در این پلیمرها می گردد. علاوه بر این با انجام اصلاحات شیمیایی بر روی نانولوله های کربنی می توان سازگاری آن ها را با زمینه پلیمری افزایش داد. ویژگی دیگری که در مورد نانولوله های کربنی باید به آن اشاره نمود این است که اضافه نمودن مقادیر بسیار کم از آن به پلیمرهای زیست تخریب پذیر می تواند سبب افزایش زیست تخریب پذیری این کامپوزیت ها گردد .[28]کربن نانوتیوبها نیز از جمله نانو کامپوزیت هایی محسوب می شوند که دارای خواص ضد باکتریایی می باشند. نانو کامپوزیتهای کربنی دارای استحکام بیشتری نسبت کامپوزیتهای موجود و کامپوزیتهای مبتنی بر نانو ذرات هستند. از نظر تئوری کاربرد نانو لوله ها درکامپوزیتها به دلیل استحکام کششی بالا مانع مصرف الیاف کربنی در کامپوزیتها خواهد شد .[18]

-3-3 نانو الیاف

کلمه الکتروریسی که از ریسندگی الکترواستاتیکی گرفته شده است، برای اولین باردر حدود سال 1994 بکار گرفته شد .[11] الکتروریسی ساده ترین روش برای تولید نانوالیاف با انواع ساختارها مانند ساختار توخالی و یا هسته-پوسته با طول زیاد، قطر یکنواخت و یا انواع ترکیبات می باشد .[34] تاکنون، بسیاری از زیست پلیمرها مانند چیتوسان، سلولز، کلاژن و زئین - موجود در ذرت - با