مقاله کاربرد نانوتکنولوژی در صنایع غذایی و کشاورزی

بخشی از مقاله

چکیده

نانوفناوری یکی از مهمترین ابزارها در کشاورزی مدرن میباشد و پیش بینی میشود که در کشت غذا تبدیل به نیروی اقتصادی محرک در آیندهی نزدیک شود. کشت غذا روی تحمل پذیری و حفظ غذاهای تولید شدهی کشاورزی برای مصرف انسان و تغذیهی دام متمرکز است. نانوتکنولوژی عاملهای کشت شیمیایی و مکانیسمهای جدید را برای اصلاح پرباری محصول کشاورزی فراهم کرده و به کاهش مصرف آفتکشها کمک میکند. نانوفناوری می تواند تولید کشاورزی را تقویت کند؛ کاربردهای آن عبارتنداز:

- 1نانوفرمولاسیون کشت شیمیایی برای بکارگیری آفتکشها و کودهای شیمیایی برای اصلاح محصول

- 2کاربرد نانوحسگرها و نانوبیوحسگرها در حفظ محصول به خاطر شناسایی بیماری-ها و پسماندهای کشاورزی و شیمیایی

- 3نانو ابزار برای دستکاری ژنتیکی گیاهان

- 4تشخیص بیماری گیاه

- 5پرورش دام و دامپروری

- 6کنترل پس از برداشت، به واسطه کاهش اتلاف نیتروژن به واسطهی فروشست و پراکندن آن و افزایش یکپارچهسازی بلند مدت مواد مغذی از طریق میکروارگانیسمهای خاک.

کاربردهای نانوفناوری عبارتنداز: ژن واسطهی نانو ذره یا انتقال DNA در گیاهان به خاطر رشد گونههای مقاوم به آفات، فرآیند کردن غذا و نگهداری آن، افزودنیهای نانوعلوفه، افزایش عمر محصول. نانوفناوری امیدوار است که رشد و توسعهی تکنولوژی تولید سوخت از بیوماس را سرعت ببخشد. منافع بالقوهی نانوفناوری برای کشاورزی باید علیه نگرانیهایی که برای خاک و آب، محیط زیست و بهداشت وجود دارد متعادل باشد. افزایش آگاهی نسبت به فناوری در بخش کشاورزی یکی از کلیدهایی است که روی انتخاب مصرف کننده تاثیر میگذارد و در کنار این محققان و شرکتها باید اثبات کنند که نانو فناوری، تاثیرمنفی بر محیط زیست ندارد.

مقدمه و بررسی منابع

کشاورزی، ستون و پشتیبان اصلی بیشتر کشورهای در حال توسعه است؛ که غذا را برای انسان چه به صورت مستقیم و چه غیرمستقیم تولید می کند. جمعیت جهان طبق برآورد تا سال 2025 ، 8 میلیارد نفر و تا سال 2050 ، 9 میلیارد نفر رشد خواهد داشت و کاملا مشخص شده است که عملکرد محصولات کشاورزی باید برای تغذیه ی جمعیت جهان که از رشدی سریع برخوردار است، افزایش یابد. تولیدات کشاورزی از اهمیت حیاتی برخوردار است و یکی از محرک های اصلی اقتصاد است.

علاوه بر این می تواند مسیرهایی را برای محصولات با ارزش افزوده پیشنهاد داد. اغلب شیوه های کشاورزی در جلوی دید عموم است؛ چون تغییرات جوی و محدودیت انرژی و منابع و رشد سریع جمعیت جهان، فشاری بی رویه را بر منابع غذا و آب اعمال می کند. طبق پیش بینی سازمان خواربار جهانی، به تولید سالانه ی گوشت به مقدار 200 میلیون تن تا سال 2050 نیاز خواهد بود تا به نیازهای غذای آن زمان پاسخ دهد که به واسطه ی افزایش سریع جمعیت جهان پیش آمده است - 13 - ؛ و پیش بینی افزایش تقاضا برای گوشت فشار بیشتر را بر زمین های کشاورزی وارد می کند؛ چون کشاورزان باید محصولات کشاورزی را برای تولید علوفه ی دام پرورش دهند.

زمین به خاطر تولید محصولات غذایی با افزایش رقابت مواجه می شود که از نیاز به محصولاتی برای منظورهای دیگر مانند تولید بیوسوخت و داروها نشات می گیرد؛ بنابراین ظرفیت تولید غذا با چالش های فراوانی مواجه است که شامل کاهش نسبت زمین قابل کشت به تعداد جمعیت می شود. کشاورزی به عنوان منبع غذا به صورت افزاینده در جهانی که منابع اش در حال کاهش هستند و جمعیت جهانی آن به طور ثابت در حال افزایش است، بسیار مهم است

با معلوم شدن افزایش جمعیت جهان، استفاده از تکنولوژی های مدرن از جمله نانو فناوری و نانو بیوتکنولوژی در علوم کشاورزی و صنایع غذایی لازم است. نانوفناوری از پتانسیل عظیمی برای دگرگون ساختن کشاورزی و رشته های متحد آن برخوردار است. نانو کشاورزی امروزه روی زراعت هدف متمرکز شده که شامل استفاده از ذرات با اندازه ی نانو و برخوردار از خاصیت های منحصر به فرد برای تقویت محصولات می شود . - 4 - نانوفناوری کشاورزی غذا دارای ماهیت چند رشته ای است. کاربرد نانوتکنولوژی در بخش های کشاورزی و غذا در مقایسه با استفاده از آن در توزیع دارویی و داروها نسبتا جدید است

فناوری نانو از پتانسیل حفاظت از گیاهان، کنترل رشد گیاه، شناسایی بیماری گیاه و حیوان، افزایش تولید جهانی غذا، ارتقاء کیفیت غذا، کاهش پسماند بهخاطر تشدید تحمل پذیری نیز برخوردار است . - 16 - تولید غذا و کشاورزی در این بین مهمترین حوزهی کاربرد نانوتکنولوژی است

نانو تکنولوژی و نانو مواد

نانو مقیاس به ابعاد اندازه بر می گردد که به طور نمونه ای تقریبا بین 1-100nm است. چون در این مقیاس، خاصیت های ماده بر حسب خاصیت های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیک با خاصیت های ماده در مقیاس بزرگ فرق می کند. یک نانومتر خاص - - nm برابر 1بیلیون ام متر است و نانوفناوری به شناخت و کنترل ماده در مقیاس نانو گفته می شود؛ و به عنوان یک پدیده ی منحصر به فرد، کاربردهای جدید را خلق می کند . - 9 - به هر حال محدودیت اندازه در نانو فناوری تا طیف 1-100nm مواد و دستگاه های فراوانی را به ویژه در رشته های دارویی و کشاورزی استثناء نموده است.

احتیاط برخی از کارشناسان در مقابل یک تعریف دقیق بر مبنای اندازه ی فرعی 100nm می باشد. هر شکلی از ماده که از یک یا بیش از یک بعد در نانومقیاس برخوردار باشد به عنوان ماده شناخته می شود. طبق تعریف دیگر، نانوماده به معنای ماده ی طبیعی، تصادفی یا تولید شده است که حاوی ذرات در حالت نامحدود است و یا به شکل یک توده یا انباشته می باشد و به همین خاطر 50 یا بیش از 50 درصد ذرات آن در طیف توزیع اندازه ی عددی قرار دارند و یک یا بیش از یک بعد خارجی از آن در طیف 1-100nm قرار گرفته است

نانوذرات طبیعی بیولوژیک

نانوذرات به وجود آمده به صورت طبیعی و بیولوژیک - نانو خاک رس، لایکوپین کاروتنوئید گوجه فرنگی، بسیاری از مواد شیمایی مشتق شده از ماده ی آلی خاک، لیپوپروتئین ها، اگزوزوم ها، مگنتوزوم ها، ویروس ها و فریتین - از ساختمان متفاوتی با طیف وسیعی از نقش-های بیولوژیک برخوردارند. اغلب نانو ذرات بیولوژیک بیوسازگار هستند و دارای ساختار تکثیر پذیرند.

کاربرد بالقوه بیودارویی نانو ذرات بیولوژیک طبیعی و تغییریافته نیز گزارش شده است - . - 29 نانوفناوری امیدوار است که شیوه های کنونی کشاورزی را از طریق ارتقاء مدیریت و تبدیل ورودی ها در محصولات کشاورزی و تولیدات جانوری و ماهیگیری اصلاح کند. کاربردهای ان در کشاورزی عبارتنداز: توزیع توانمند شده ی مواد شیمیایی کشاورزی با نانوتکنولوژی سیستم های حسگر مزرعه برای کنترل و نظارت بر تنش های محیطی و شرایط محصول و اصلاح صفات گیاه علیه تنش های محیطی و بیماری ها

نانو کشت مواد شیمیایی

آفت کش ها در کشاورزی برای اصلاح بازدهی محصولات و راندمان آن کاربردی شایع دارند و نانو آفت کش ها یکی از استراتژی های نوین هستند که طیف وسیعی از محصولات را پوشش می دهند که برخی از آن ها از خیلی وقت پیش وارد بازار شده است و نمی توان به آن ها به عنوان یک موجودیت خاص توجه کرد

نانومواد از جمله نانوذرات پلیمری، نانوذرات اکسید آهن، نانوذرات طلا و یون های نقره به عنوان آفت کش مورد استفاده قرار می گیرند. محققان جنبه های گوناگون فرمولاسیون نانوذره مشخصات، اثر مشخصه های آنها و کاربردشان در کنترل بیماری گیاه گزارش کردند. از بین بردن علف های هرز برای افزایش بازدهی هر محصول و وجین کردن با استفاده از نانو علف کش ها به عنوان یک راه ثانویه ی کامیاب اقتصادی به حساب می آید. موثر بودن علف کش های سنتی در کنترل علف های هرز بدون صدمه رساندن به محصول کشاورزی یا محیط زیست به اثبات رسیده است.

با این حال کنترل شیمیایی علف هرز در مناطق دیم به دسترس پذیری رطوبت در موقع بکارگیری علف کش ها بستگی دارد. نبود رطوبت، استفاده و راندمان علف کش را محدود می سازد. حامل نانو سیلیکون از دیاتوم تشکیل شده و برای توزیع علف کش ها و آفت کش ها در گیاهان کاربرد دارد. فرمولاسیون CR بر همانند آن یعنی فرمولاسیون سنتی ارجحیت دارد و باعث تولید بازده بیشتر و کیفیت بهتر محصول کشاورزی می شود. در یک فرمولاسیون، کاربرد عامل فعال علف-کش و آفت کش و همچنین تنظیم کننده های رشد گیاه وجود دارد 

رشتهی نانوتکنولوژی کاربردهای جدید را در کشاورزی به وجود آورده است و نانوکپسول سازی پرآتیه ترین فناوری کنونی برای حفاظت از گیاه میزبان علیه آفت حشرات می باشد. با تکنیک نانو پوشینه سازی امکان کاهش آزادسازی شیمیایی تحت شرایط کنترل شده فراهم شد. و به کاهش کاربرد کنونی دوز و اصلاح راندمان منجر شد.

از نانو ذرات می توان در تهیه ی فرمولاسیون جدید از جمله آفت کش ها، حشره کش ها و دفع کننده حشرات استفاده کرد. محققان به کارکرد نانوذره دی اکسید تیتانیوم و نانونقره در کنترل بیماری های گیاهی اشاره کردند.

اثرات مفید فلزات مختلف نانو اندازه بر سلول های گیاهی و رشد و نمو بذر نیز گزارش شد. این یافته های بحث برانگیز به شفاف سازی نیاز دارند تا از اختلال و آشفتگی در بین عموم جلوگیری شود. با این حال با توجه به اثرات مثبت و منفی نانو ذرات، ارزیابی تاثیر نانو ذرات بر سلول های گیاهی لازم است. به ویژه بذرهایی که در خاک های کشاورزی رشد می کنند و جلوگیری از کشت گیاهان حساس در این مناطق و جایگزین کردن آن ها با گیاهانی که به غلظت زیاد نانو ذرات مقاوم هستند، ممکن می باشد

نانو کود شیمیایی

تکنولوژی نانو کود شیمیایی یک فناوری بسیار نوآورانه و نادر است. جایگزین کردن نانو کود به خاطر روش های سنتی به استفاده از کود یک روش برای آزاد کردن مواد مغذی به تدریج در خاک و به شیوه ی کنترل شده می باشد تا از آلودگی منابع آب جلوگیری کند. محققان ایرانی کود کیلیت شده با آهن نانو ارگانیک را تولید کردند که از نظر محیطی مقاوم و تحمل پذیر بود. نانو کود دارای خاصیت-های واحدی مانند جذب فراپر، افزایش تولید، افزایش فتوسنتز و گستردگی در مساحت سطح برگ است

استفاده از نانو کود به افزایش راندمان عناصر، کاهش سمیت خاک و بالاخره رسیدن به اثرات منفی به علت مصرف بیش از حد کود و کاهش فراوانی استفاده از کود منجر شد. اثر مثبت - از جمله جذب و نفوذ نانوذرات اکسید روی در برگ ها - نانو ذرات اکسید روی بر گیاه گوجه فرنگی، دریچه ی جدیدی را بر روی مصرف بالقوه ی آن به عنوان نانو کود در آینده گشود

کودهایی که بر مبنای نانو تکنولوژی تولید می شوند از پتانسیلی بیشتر از کودهای سنتی برخوردارند. نوآوری در نانو کود به رویکرد چند رشته ای نیاز دارد. در نانو کودها، مواد مغذی را می توان با نانو مواد پوشینه سازی کرد و به صورت امولسیون یا نانو ذرات توزیع کرد. کودهای CR یا آزاد شده ی آهسته بر مبنای نانو پتانسیلی برای افزایش راندمان جذب مواد مغذی دارند.

نانو ذرات مهندسی شده برای کاهش مساله ی حاد حفظ رطوبت در خاک های خشک و افزایش تولید محصول از طریق بالابردن دسترس پذیری به مواد مغذی در ریزوسفر بسیار مفید هستند. پوشاندن و به هم چسباندن کامپوزیت های نانو و نانو فرعی به تنظیم رها سازی مواد مغذی از کپسول کود کمک کرد. در این زمینه، محققان کاربرد نانو کامپوزیت را معلوم کردند که از نیتروژن، فسفر، پتاسیم، ریزمغذی ها، ماننوز و آمینواسیدها تشکیل شده و جذب و مصرف مواد مغذی از طریق محصولات دانه ای را افزایش می هد.

نانوکامپوزیت های هیدروکسید دوتایی لایه لایه آلومینیوم و روی برای کنترل رها شدن ترکیبات شیمیایی که به عنوان تنظیم کننده-های رشد گیاه، عمل می کنند، استفاده می شوند.

کپسول دار کردن کود با نانو ذره به 3 روش انجام می شود که عبارتنداز: - 1 موادمغذی موجود در داخل مواد نانو متخلخل را می توان کپسول دار کرد - 2 با فیلم پلیمری نازک پوشاند - 3 به صورت ذرات یا امولسیون با ابعاد نانو مقیاس توزیع کرد. نقش نانو کود در کشاورزی پایدار گزارش شده است

نانوبیو فناوری در تولید محصولات کشاورزی

فرصت های نانو بیوتکنولوژی، بکارگیری آن در غذا، کشاورزی و انرژی به حساب می آیند. در صنایع فرآیند سازی غذا، تعداد کمی از شایع ترین کاربردهای نانو بیوتکنوژی در کنترل کیفی فرآورده های غذایی به عنوان نانو حسگر، یا نانو بیوحسگر و یا شناسایی باکتری به کار گرفته شود.