بخشی از مقاله
چکیده
امروزه به لحاظ مشکلات زیست محیطی بسیاری از مواد بستهبندی توجه ویژهای به پلیمرهای زیستی و تجزیهپذیربه منظور توسعه مواد بستهبندی غذایی زیست تخریبپذیر معطوف شده است. از طرفی استفاده ازمحصولات جانبی کشاورزی و صنعت غذایی به منظور توسعه مواد زیست تخریب پذیر برای جایگزینی پلیمرهای بر پایه نفت درکاربردهای بستهبندی علاقهمندی روبه رشدی را درپی داشته است.
ورود نانوتکنولوژی به عرصه پلیمرهای زیستتخریبپذیر و تولید نانوکامپوزیتها زیستتخریبپذیر نهتنها راهی برای غلبه بر کاستیهای ذاتی بیوپلیمرها محسوب میشود، بلکه هزینه بهرهوری از آنها را نیز کاهش خواهد داد و استفاده از آنها را بهعنوان پوشش بستهبندی مواد غذایی امکانپذیر مینماید. ضمن آنکه آلودگیهای محیط زیستی ناشی از زبالههای پلاستیکی را به حداقل خواهد رساند.
.1 مقدمه
فناوری نانو برای بخش غذایی اهمیت ویژهای دارد. برای استفاده گسترده از فناوری نانو در بستهبندی مواد غذایی باید موضوعات مهمی را در نظر گرفت؛ مهمترین آنها مسئله ایمنی است، زیرا ممکن است نانوذرات از ظروف بستهبندی وارد غذا شوند. انتظار میرود ترکیب نانومواد در بستهبندی غذا ویژگیهای ممانعت کنندگی بستهبندی را بهبود دهد و درنتیجه به کاهش مصرف مواد خام مفید و تولید زباله کمتر منجر شود.
در بستهبندی غذایی استفاده از پلیمرهای طبیعی یا زیستتجزیهپذیر به دلیل خصوصیات مکانیکی یا ممانعت کنندگی ضعیف آنها محدود است. با تعبیه حتی درصدهای کمی از نانو پرکنندهها مانند رس در بیوپلیمرها پیشرفت قابلتوجهی در عملکرد کلی به دست میآید. این مزایا شامل ویژگیهای مکانیکی، حرارتی و ممانعت کنندگی است. علاوه براین نانوذرات میتوانند بر اساس خصوصیات فعال یا هوشمند خود در بستهبندی غذایی به کار روند.
-1-1فناوری نانو
فناوری نانو به تکنیک طراحی، توصیف، تولید و کاربرد ساختار، ابزار و سیستمها در مقیاس نانو اطلاق میشود [Azedero et al,2009] نانوتکنولوژی یک تکنولوژی قدرتمند در بهکارگیری طبیعت در سطح اتم و مولکول بوده و بر روی خصوصیات، سنتز و دستکاری ساختار زیستی و غیرزیستی کمتر از 100 نانومتر متمرکزشده است
این فناوری با کنترل ابعاد و ساختار ماده در دامنه 1 تا 100 نانومتر ویژگیهای جدید و بینظیری را فراهم میکند. نانو فناوری و نانو علم از پتانسیل قوی برای بهبود اقتصاد و استانداردهای زندگی بشر برخوردار است و کاربرد آن در حوزههای مختلف ازجمله ساخت مواد، الکترونیک و رایانه، پزشکی و بهداشت، امنیت ملی و دفاعی روزبهروز بیشتر میشود. یکی از مهمترین زمینههای تأثیرگذاری نانو فناوری در زندگی انسان، علم غذا است که به دلیل احتیاج روزمره و دائمی انسان به غذا هرگونه تغییر و تحولی در آن نقش به سزایی در تغییر کیفیت زندگی انسان خواهد داشت.
مهمترین ابزار نانو فناوری ساخت نانو مواد است که در شاخههای مختلف علوم ازجمله علوم غذا کاربرد دارند. علم نانو تکنولوژی یکی از دانشهای نوین و روشهای جدیدی است که برای ایجاد تحول و نوآوری در صنعت بستهبندی مدنظر قرارگرفته است. هدف استفاده از دانش نانو بهبود کیفیت و کارایی مواد بستهبندی، آگاه ساختن مصرفکننده از پارگیها و سوراخهای کوچک و ترمیم آن با توجه به شرایط محیطی میباشد
1؛1؛-1فناوری نانو و بستهبندی مواد غذایی
فنّاوری نانو در بستهبندی غذا، یک پدیده در حال ظهور است که طی آن مواد بستهبندی برای بهبود ویژگیهای حفاظتی، ممانعت کنندگی، مقاومت به حرارت و زیستتخریبپذیری در مقایسه با پلیمرهای معمول دستکاری میشوند. این مواد همچنین برای گسترش سطوح ضد قارچی، ضدمیکروبی و نشان دادن تغییرات ضدمیکروبی و بیوشیمیایی فعالیت میکنند.
صنعت بستهبندی غذا این پتانسیل را دارد که بیشترین سهم بازارفنّاوری نانو را جذب کند. یکی از وظایف آن بهبود کیفیت و عمر نگهداری محصولات گوشتی از طریق ویژگیهای ممانعتکنندگی و نوع اجزا در اندازه نانو - نانوکامپوزیت - زیست فعال داخل یا روی فیلم میباشد
فناوری نانو، طراحان را قادر میسازد ساختار عناصر بستهبندی مواد غذایی را در مقیاس مولکولی تغییر دهند. از طریق افزایش ذرات نانو، میتوان بطریها و بستهبندیهایی با مقاومتنسبتاً زیاد، عملکرد گرمایی و مکانیکی بهتر و جذب کم مواد فرّار و اکسیژن تولید کرد. این مشخصهها میتوانند سبب افزایش ماندگاری و حفظ رنگ محصول شوند؛ در ظروف بستهبندی، به علت غیرقابل نفوذ بودن نسبت به اکسیژن و رطوبت، بهویژه استفاده از نانوذرات نقره میتواند از رشد باکتریها و کپکها در بسته جلوگیری کند و درنتیجه، سبب افزایش ماندگار محصول و تغییر نکردن ویژگیهای ظاهری و فیزیکی آن شود.
ترکیبات نانویی که در بستهبندیها به کار رفتهاند، گاهی دارای خواص ضدمیکروبی هستند و درنتیجه خود بستهبندی، بهعنوان یک عامل ضدمیکروب ایفای نقش میکند. میتوان از ترکیبات نانویی دیگری مانند نانواکسید منیزیم، نانواکسید مس، نانودی اکسید تیتانیوم و نانولولههای کربنی نیز، در بستهبندی ضدمیکروبی مواد غذایی استفاده کرد؛ اما تاکنون، ثابتشده است که نانو ذرات نقره، کارآمدترین ضدمیکروب در مقابله با باکتریها و ویروسها هستند
فناوری شناخت فرکانسهای رادیویی - RFID - در بیش از 50 سال پیش توسعه یافت، ولی امروزه این فناوری راه خود را برای کنترل مواد غذایی در مغازهها پیداکرده است. در این فناوری با استفاده از میکروپردازشگرها میتوان دادهها را به گیرندههای بیسیم ارسال کرد. امروزه میتوان از این روش برای کنترل اقلام غذایی از انبار تا دست مصرفکننده بهره گرفت. برخلاف بارکدها که نیاز به اسکن دستی و خواندن یکبهیک دارند، برچسبهای RFID نیازی به خوانده شدن خطی نداشته و امکان خواندن تعداد زیادی از آنها در یک ثانیه وجود دارد.
ضعف اصلی این روش، افزایش هزینه تولید است که نتیجه ساخت سیلیکونی آن میباشد. با ترکیب فناوری نانو و الکترونیک - نانوترونیک - این برچسبها ارزانتر و کاراتر شده، همچنین پیادهسازی آنها آسانتر میشود. پیشرفت در مواد بستهبندی هوشمند، امکان کنترل شرایط محصولات در طول حملونقل و استفاده از روشهای بستهبندی مبتنی بر زیستشناسی را برای ما مهیا میسازد.
1؛1؛1؛-1بستهبندی فعال
حاوی موادی با عملکرد خاص هستند - شبیه به بستهبندیهایی که از ورود اکسیژن و فساد غذا جلوگیری میکنند - . مثالهایی از این نوع شامل موارد زیر هستند: جایگزینی نانو مواد بهجای پلی وینیل استات و پلی وینیل الکل در ظروف بستهبندی مقوایی؛ استفاده از بطریهای پلاستیکی ساختهشده از مواد نانوکامپوزیت و استفاده از لایههای پلاستیکی ضد قارچ و ضد باکتری که دارای طول عمر بیشتری نیز هستند
بیشتر پوششهایی که امروزه مورداستفاده قرار میگیرند،اصطلاحاً خاموش هستند، یعنی تنها قابلیت اعمال خاصیت اولیه خود را دارند، بدون اینکه توانایی سازگاری با محیط و اصلاح خواص در اثر تغییر شرایط محیط را داشته و یا بتوانند عیبها و نقایص بالقوه مانند مشکلات خوردگی را به کاربر اطلاع دهند. پوششهای مبتنی بر فناوری نانو امکان دسترسی به قابلیتهای چندمنظوره را فراهم مینمایند؛ بدین معنی که میتوانند حداقل دو ویژگی همزمان مانند مقاومت بالا در برابر خوردگی و آبگریزی یا ابر آبگریزی - در زوایای تماس 100 تا - 170 را داشته باشند.
محصولات نانوکامپوزیتیعموماً به شکل پرکنندههایی در شبکههای پلیمری همانند پلیپروپیلن، پلی آمیدها، پلی استایرن، پلی متیل متاکریلات و پلی آنیلین در صنایع بستهبندی به کار میروند. نانوکامپوزیت ها به دلیل خواص حرارتی، مقاومت و رسانایی بهبودیافته در حال حاضر برای بستهبندی نوشابههای غیرالکلی مورداستفاده قرار میگیرند. نانومواد مقاومکننده مانند نانولولهها، کربن سیاه با ابعاد نانومتری، سیلیکا، کربنات کلسیم، اکسیدها، الیاف کربنی و تالک بهعنوان افزودنی در مخلوطهای پلیمری به کار میروند. کامپوزیتهای ساختهشده مبتنی بر نانومواد رسی بهعنوان مقاومهای حرارتی و لایههای عایق گاز در بستهبندی مواد غذایی و نوشیدنی کاربرد دارند . نانوکامپوزیتهای رسی جالبترین زمینه نوآوری در عرصه کامپوزیتها هستند
2؛1؛1؛-1بستهبندی هوشمند
محصولات تازه یا گوشتهایی که خراب شدهاند، از خود رنگ، بو یا دیگر مشخصههای حسی را نشان میدهند که بهآسانی توسط مصرفکنندگان تشخیص داده میشوند. هنگامیکه مواد غذایی بستهبندی میشوند، این مشخصههای حسی آنها توسط مصرفکنندگان کمتر قابلتشخیص است و مصرفکنندگان میبایست که به تاریخ انقضاء که توسط تولیدکنندگان، بر مبنای یکسری فرضیات مربوط به روش نگهداری و حملونقل غذا تعیین میشود اعتماد کنند.
درحالیکه تاریخ انقضاء برای یک کارتن شیر، به مصرفکننده نشان میدهد که محصول برای یک دورهی دوهفتهای قابلاستفاده است، اما اگر این شیر در دمایی بالاتر از دمای بهینهاش به مدت یک ساعت نگهداشته شود، در حین حملونقل یا داخل یک اتومبیل گرم این تاریخ انقضاء، اعتبار نخواهد داشت. ویژگیهای شیمیایی و الکترونوری ذرات در مقیاس نانو و استفاده از بستهبندیهای هوشمند راهحلی را برای این مشکل ارائه میدهند که قادر به شناسایی - تشخیص - حضور گازها، رایحهها، آلودگیهای شیمیایی و عوامل بیماریزا هستند و نسبت به تغییرات در شرایط محیطی واکنش نشان میدهند. استفاده از این روشها نقش مهمی در کاهش فراوانی بیماریهای واگیردار از راه غذا دارند [ .Duncan, 2011] به طور کلی کاربردهای بستهبندی هوشمند شامل موارد زیر میباشد:
.1 نشانگرهای کیفیت و ایمنی: شناساگرهای زمان-دما، شناساگرهای رشد میکروبی، شناساگرهای گازی، شناساگرهای تشخیص پاتوژنها
.2 قابلیت ردیابی: شناساگرهای امواج رادیویی
.3 صحت فرآورده: تصاویر هولوگرافیک بستهبندیهای هوشمند دارای سنسورهایی هستند که تازه بودن مواد را مشخص میکنند. بستهبندی هوشمند بر روی بررسی و آگاهی از وضعیت محصول متمرکز میشود و به این طریق از ایمنی و کیفیت محصول - تازگی و رسیده بودن و ثبات آن - اطلاع میدهد.
از این جهت بستهبندی هوشمند این قابلیت را دارد که محصول را رهگیری کند و تولیدکننده، فروشنده و مصرفکننده را از وضعیت محصول آگاه سازد. وقتی سنسورها در بستهبندی مواد غذایی قرار میگیرند، میتوانند مواد شیمیایی،پاتوژنها و سموم را در مواد غذایی آشکار کنند. وظیفه اصلی بستهبندی دارای حسگر، آگاهی دادن از محیط درون بستهبندی، وضعیت و کیفیت محصول، تبادل اطلاعات با پایگاه دادههای بیرونی و در اختیار قرار دادن اطلاعات برای تصمیمگیریهای بعدی است. یک نوع از حسگرهایی که به این منظور استفاده میشود، بیوسنسور میباشد. بیوسنسورها میتوانند با روشهایی چون تغییر شیمیایی و حساس کردن برچسبهای بستهبندی، تعبیهی میکروقطعات - تراشههای هوشمند - یا قرار دادن عناصر نانو در درون برچسب یا خود بستهبندی ساخته شوند
اگرچه که پیشرفت اولیه در فناوری بیوسنسور در زمینهی پزشکی انجام شد، قابلیت آشکارسازی، آنالیز و اندازهگیری مولکولهای منابع بیولوژیکی مختلف و تنوع اصول اندازهگیری منجر به ایجاد طرحهای بیوسنسور برای پوشش طیف وسیعی از نیازهای تکنیکی شد. اصول عملیاتی مختلف منجر به ایجاد بیوسنسورها برای آنالیز مواد خارجی در محصولات غذایی مثل حشرهکشها، بقایای کود و دیوکسین ها، بقایای آب و خاک - بهطور تصادفی به زنجیره غذایی واردشده - ارگانیسمهای تغییر ژنتیکی شده، میکروارگانیسمهای پاتوژن و سم آنها و ترکیبات غذایی مثل مواد ضدتغذیهای، آلرژنها، داروها، افزودنیها و هیدروکربنها شده است
در ساخت بیوسنسورها از نانومواد مختلفی استفاده میشود که یکی از آنها نانوذرات طلا میباشد. در میان انواع نانومواد، طلا نقش منحصربهفردی دارد. روشهای مختلفی وجود دارد که به کمک آنها میتوان اندازه، شکل و شیمی سطحی نانوذرات طلا را کنترل کرد
سنسورهای مبتنی بر فناوری نانو این پتانسیل را دارند که سرعت و دقت صنایع و یا سازمانهای نظارتی را در شناسایی آلایندههای مولکولی در ماتریسهای غذایی پیچیده، افزایش دهند .بسیاری از این تستها بر مبنای مشاهدهی تغییرات رنگی که در حضور این اجزا در محلول نانوذرات فلز اتفاق میافتد میباشند[ Duncan, 2011] یکی دیگر از کاربردهای نانوسنسورها در تشخیص گازهای درون بستهبندی است .رطوبت و اکسیژن اضافی باعث فساد غذا میشوند و هنوز هم بسیاری از روشهای اندازهگیری محتوای بخار یا گاز داخل یک بستهبندی، به تخریب بسته نیاز دارند.
بنابراین به هنگام فرآوری مواد غذایی بستهبندیشده، از هر -400 300 بسته، یک مورد تست میشوند و محتوای رطوبت و گاز داخل بسته اندازهگیری میشود. که این کار زمانبر و هزینهبر میباشد، درحالیکه مطمئن نیستیم که بستهبندیهایی که از آنها نمونهبرداری نشده است دارای استاندارد و کیفیت لازم باشند .داشتن توانایی اینکه بهصورت پیوسته و بهآسانی بر محتوای گاز داخل بستهبندی نظارت کنیم و اینکه وسیلهای در اختیار داشته باشیم که بتواند ایمنی و امنیت مواد غذایی بستهبندیشده را در یک مدتزمان طولانی بعد از خروج مواد غذایی از کارخانه و مراکز تولید ارزیابی کند، نشان میدهد که روشهای غیر مخرب تشخیص محتوای رطوبت و گاز در داخل بستهبندیهای مواد غذایی میتوانند بسیار ارزشمند باشند.
