بسته‌بندی مواد غذایی راهکاری حیاتی برای تضمین ایمنی آن‌ها است. فیلم‌های پلیمری نفتی به‌دلیل قابلیت شکل‌پذیری آسان، قیمت ارزان، سبکی، مقاوت شیمیایی بالا، تنوع خواص فیزیکی، قابلیت درز‌بندی به‌وسیله حرارت، چاپ‌پذیری خوب، و فرایند تولید آسان، به‌طور گسترده در صنایع بسته‌بندی مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، با توجه به رشد روزافزون جمعیت و نیاز به حفظ منابع برای نسل‌های آینده، در سال‌های اخیر، پژوهشگران به‌دنبال راهکارهایی جدید برای بسته‌بندی مواد غذایی بوده‌اند. فناوری نانو از جمله این راهکارهاست. این فناوری می‌تواند موجب بهبود بسته‌بندی مواد غذایی و قابلیت‌های آن‌ها شود و در نتیجه، حصول اطمینان از ایمنی مواد غذایی و حمایت از مصرف‌کننده را در پی داشته باشد [۱ و ۲].

نانوذرات به ذراتی اطلاق می‌شود که حداقل در یک بعد دارای ابعادی کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشند. این‌گونه ذرات باعث افزایش خواص بازدارنده (مکانیکی، حرارتی، شیمیایی، میکروبی)، بهبود خواص مکانیکی و مقاومت در برابر گرما، توسعه فعالیت ضدمیکروبی و سطوح ضدقارچ، و تغییرات بیوشیمیایی می‌شوند [۳].

این پلیمرها در فرایندهای مختلف غذایی استفاده می‌شوند. استفاده از آن‌ها شامل طراحی، فراوری، و تولید است. کاربردشان در بسته‌بندی طیف گسترده‌ای از مواد غذایی است و متشکل از ذرات در اندازه نانومتر هستند.

پلیمرهای نانو به ۳ دسته تقسیم می‌شوند:

نانوذراتی که در نانوپلیمرهای پیشرفته (نانوکامپوزیت‌ها) به‌کار می‌روند، سبب افزایش انعطاف‌پذیری، افزایش ممانعت از ورود و خروج گازها، و افزایش پایداری رطوبتی و حرارتی پلیمرهای تشکیل‌شده از آن‌ها می‌شوند. از جمله این نانوذرات می‌توان به نانوذرات رس اشاره کرد که رایج‌ترین نانوذرات کاربردی هستند و حدود ۷۰ درصد از حجم بازار را تشکیل می‌دهند. این گروه از نانوذرات در بسته‌بندی‌های مواد غذایی مختلف - مانند گوشت فراوری‌شده، پنیر، شیرینی‌ها، غلات، و فراورده‌های لبنی - استفاده می‌شوند و در بهبود خواص ساختار حرارتی و ممانعت از رسیدن اکسیژن و دی‌اکسید کربن و رطوبت به مواد غذایی دخالت دارند.

بسته‌بندی با غذا و محیط اطراف ارتباط برقرار می‌کند و نقشی پویا و فعال در حفظ مواد غذایی دارد. در بسته‌بندی‌های فعال از یک سری جاذب‌ها و رهاسازها استفاده می‌‌کنند. این بسته‌بندی‌ها نسبت به شرایط داخل بسته تغییرات فعالانه می‌دهند. این تغییرات منجر به افزایش عمر محصول، بهبود ایمنی و خواص حسی محصول، و حفظ کیفیت محصول در مدت‌زمان نگهداری می‌شوند. از جمله این پلیمرها می‌توان به این موارد اشاره کرد: نانوپلیمرهای فعالی که در بسته‌بندی مواد غذایی با اتمسفر اصلاح‌شده (Modified Atmosphere Packaging) و نیز در بسته‌بندی‌های حاوی جاذب‌ها (Scavenger، مانند جاذب‌های اکسیژن، دی‌اکسید کربن، اتیلن، آمیدها، و ترکیبات سولفوری) و رهاسازها (مانند دی‌اکسید کربن، اتانول، آنتی‌اکسیدان‌ها، و دیگر ترکیبات نگهدارنده) استفاده می‌شوند. بسته به شکل فیزیکی بسته‌بندی‌های فعال، جاذب‌ها و رهاسازها به سه شکل بالشتک (Sachet)، برچسب (Lable)، و فیلم تقسیم‌بندی می‌شوند. از جمله نانوذرات به‌کاررفته در نانوپلیمرهای فعال می‌توان نانولوله‌های کربنی (Carbon Nanotube)، نانوکامپوزیت‌ها (Nanocomposite)، و نانوتوپ‌های کربنی (carbon nano sphere) را نام برد.

با بودن نانوحسگرهای هوشمند در ماتریس پلیمری، می‌توانیم از شرایط ماده غذایی بسته‌بندی‌شده و محیط داخل بسته‌بندی آگاه شویم. نانوسنسورها در برابر تغییرات محیطی (درجه حرارت، رطوبت، و سطح اکسیژن موجود) و عوامل میکروبی و پاتوژنی واکنش نشان می‌دهند. برای مثال، نشانگرهای حرارتی و زمانی که نشان‌دهنده درجه حرارت نگهداری و تاریخ انقضا هستند، باعث آگاهی مصرف‌کننده و تولید‌کننده از شرایط ماده غذایی و بسته‌بندی می‌شوند. در نتیجه، در مصرف‌کننده اعتماد ایجاد می‌شود و تولیدکننده ‌قادر به شناسایی نقاط ضعف خواهد بود [۴].

کامپوزیت به جسمی حجیم یا توده‌ای (Bulk) گفته می‌شود که در حالت کلی حداقل شامل دو ماده مجزا با ساختار مکمل باشد. نانوکامپوزیت به دسته خاصی از کامپوزیت‌ها گفته می‌شود که حداقل یکی از اجزای آن‌ها در مقیاس نانو باشد [۵]. در نانوکامپوزیت‌های پلیمری نسبت به کامپوزیت‌های معمولی برهم‌کنش بهتری بین ماتریس پلیمر و فیلر وجود دارد. توزیع یکنواخت نانوذرات در ماتریس پلیمری موجب افزایش سطح تماس ماتریس و نانوذرات می‌شود که این اتفاق بهبود خواص مکانیکی، گرمایی، و ممانعتی را در پی دارد [۶].

نسبت بزرگ‌ترین بعد فیلر به کوچک‌ترین بعد آن خاصیت مهمی است که نسبت منظر (Aspect Ratio) نامیده می‌شود. فیلرهای با نسبت منظر بالا سطح ویژه بالاتری دارند که خواص تقویت‌کننده بهتری فراهم می‌کند. هرچه اندازه نانوذرات کوچک‌تر باشد، توزیع آن‌ها در ماتریس پلیمری مشکل‌تر خواهد بود، زیرا نانوذرات بسیار ناپایدارند و تمایل زیادی به تجمع یا کلوخه‌ای‌شدن دارند و کلوخه‌ای‌شدن نانوذرات یک نقطه ضعف برای ماتریس پلیمری محسوب می‌شود. نانوذرات معدنی با اندازه ذرات بسیار ریز تغییرات ناچیزی در طبیعت مواد پلیمری ایجاد می‌کنند و اگر به‌درستی طراحی و فرموله شوند، می‌توانند ویژگی‌های گرمایی، مکانیکی، ممانعتی، و قابلیت اشتعال‌پذیری پلیمر را بهبود بخشند. نانوفیلرها در مقادیر بسیار کم ۵-۱ درصد وزنی در مقایسه با فیلرهای سنتی مثل سیلیکا چنین قابلیت‌هایی را بهتر نشان می‌دهند. چندین نوع از این نانوذرات وجود دارند، اما در حال حاضر تمرکز بر روی نانوذرات رس است که پتانسیل کاربردی بیشتری در زمینه بسته‌بندی مواد غذایی دارند [۷].

نانوکامپوزیت‌ها را می‌توان با پلیمرهای ترموست و یا ترموپلاست (پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، پلی‌آمیدها، پلی‌استایرن، و پلی‌متیل متاکریلات) تولید کرد. این مواد به‌شدت واکنش‌پذیر هستند و اغلب در بسته‌بندی مواد غذایی به‌کار می‌روند. به‌طور کلی، هدف از به‌کارگیری آن‌ها افزایش مقاومت مکانیکی، کاهش وزن، افزایش مقاومت به حرارت، ممانعت بهتر در برابر،UV ،CO₂ ،O₂ و رطوبت، قابلیت بازیافت بهتر، و محافظت بیشتر از محصول است. نانوکامپوزیت با نانوذرات (SiO₂،TiO₂ و نانورس) در بسته‌بندی مواد غذایی باعث محافظت بیشتر از غذا می‌شود. نانوذرات تیتانیوم در بسته‌بندی به‌عنوان پرکننده پلاستیک‌ها و فویل‌ها استفاده می‌شوند [۵].

نانوبیوکامپوزیت‌ها علاوه بر داشتن ترکیبی با ابعاد نانو، دارای ترکیبات بیوزیستی نیز هستند که زیست‌تخریب‌پذیر (Biodegradable) بوده و در محیط به‌وسیله موجودات تجزیه‌کننده به ریزواحدهای خود تبدیل می‌شوند. از جمله پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

نشاسته و مشتقات آن: پلیمرهای طبیعی مهمی هستند که معمولاً بعد از فشرده‌شدن، به ماده‌ای قابل ارتجاع با مقاومت مکانیکی کم و حفاظت کم در برابر اکسیژن و رطوبت تبدیل می‌گردند. اما ترکیب آن‌ها با نانوذرات باعث می‌شود مقاومت کششی توسعه یابد و نفوذپذیری بخار آب کاهش ‌پیدا کند.

پلی‌استرهای زیستی: طبقه مهم دیگری هستند که از مونومرهای زیستی شامل اسید پلی‌لاکتیک، پلـی‌هیـدروکسـی بیـوتـرات، و پلی‌کاپرولاکتون تشکیل شده‌اند. قابلیت این پلیمرهای زیستی به‌عنوان پوسته و قالب دور مواد غذایی آن‌ها را به موادی جذاب در صنعت تبدیل کرده است. تنها مشکل آن‌ها شکنندگی و خصوصیات ممانعت گازی ضعیف آن‌ها است؛ برای غلبه بر این مشکل نیز از نانورس به‌عنوان پرکننده و پشتیبان استفاده می‌شود. بسته‌بندی باید بتواند از پری‌بیوتیک‌ها، پروبیوتیک‌ها، و ویتامین‌های محفظه‌سازی‌شده در شرایط مناسب نگهداری کند؛ این مواد زیستی قابلیت لازم برای این کار را دارند [۸ و ۹].

نانوموادی که در بسته‌بندی موادغذایی کاربرد دارند به دو دسته آلی و غیرآلی طبقه‌بندی می‌شوند. نانوموادی مانند نانوذرات آهن، نقره، تیتانیوم، کلسیم، سیلیکا و... از مواد غیر آلی هستند که عمدتاً برای بسته‌بندی غذا به‌کار می‌روند. جدول ۱ انواع نانوذرات رایج در بسته‌بندی مواد غذایی را نشان می‌دهد [۱۰].

نانوکامپوزیت‌های پلیمری سیستم‌های دوفازی هستند که یک ماتریس پلیمری و نانوذرات معدنی را شامل می‌شوند. نانوذرات رس از جمله نانوذراتی هستند که بسیار مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. دلیل این توجه ارزانی، دسترسی آسان، و عملکرد و فرایندپذیری خوب آن‌ها است [۱۰]. رس را می‌توان به‌صورت نانولایه و با ضخامتی در مقیاس نانو به‌کار برد. این ذرات، پلاستیک را سبک، محکم، و مقاوم به حرارت می‌کند و مانعی برای عبور گاز است. مواد معدنی آن اغلب مونتموریلونت (بنتونیت) است و غالباً یک نانوماده تجاری به‌شمار می‌آید [۱۱].

نانوذرات خاک رس معمولاً به‌صورت صفحات دوبعدی با ضخامت بسیار ناچیز (حدود نانومتر) در نظر گرفته می‌شوند. هنگامی که این صفحات در ماتریس پلیمری پراکنده می‌شوند، مسیری را ایجاد می‌کنند که انتقال گازها را به‌شدت کاهش می‌دهد. دو ویژگی خاص نانورس که نقش مهمی در تولید نانوکامپوزیت‌ها ایفا می‌کنند عبارتند از: ۱) بازشدن لایه‌ها از همدیگر و پراکنده‌شدن آن‌ها در ماتریس پلیمری، و ۲) اصلاح سطح آن‌ها جهت برهم‌کنش بهتر بین ماتریس پلیمری و نانوذرات [۱۲].

اختلاط ساده پلیمر و خاک رس همیشه منجر به تشکیل نانوکامپوزیت نمی‌شود، زیرا باعث کلوخه‌ای‌شدن لایه‌ها می‌شود که علت آن برهم‌کنش ضعیف بین ماتریس و ذرات نانو است. در غلظت‌های بسیار پایین از نانوذرات سطح تماس بین پلیمر و لایه‌های خاک رس نسبت به کامپوزیت‌های معمولی بسیار بیشتر است. از ترکیب‌های پلیمر/ نانورس در بسته‌بندی غذاهای مختلف مثل گوشت عمل‌آوری شده، پنیر، غلات، آبمیوه، لبنیات و نوشیدنی‌های کربناته استفاده می‌شود [۱۱].

در خیلی از کاربردها خاصیت بازدارندگی پلیمرها بسیار حیاتی است. این امر به‌ویژه در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی مصداق دارد. در بسیاری از بسته‌بندی‌های مواد غذایی میزان نفوذ اکسیژن عمر مفید مواد غذایی در بسته‌بندی را تعیین می‌کند و در نوشیدنی‌های گازدار خارج‌شدن دی‌اکسید کربن. در نانوکامپوزیت‌های تقویت‌شده با خاک رس نانوذرات رس با نسبت منظر بالا می‌توانند نقش بازدارندگی را به‌خوبی انجام دهند. خاصیت بازدارندگی اکسیژن از ظروف بسته‌بندی مواد غذایی نقش مهمی در حفظ غذاهای تازه مانند میوه، سالاد، و غذاهای آماده دارد. بازدارندگی اکسیژن به‌صورت ضریب نفوذ اکسیژن اندازه‌گیری می‌شود که میزان نفوذ اکسیژن در واحد سطح و زمان در مواد بسته‌بندی‌شده را نشان می‌دهد [۱۰]. شکل ۱ مسیر نفوذ گاز را در یک نانوکامپوزیت حاوی نانورس نشان می‌دهد.

فناوری نانو طراحان را قادر می‌سازد ساختار عناصر بسته‌بندی را در مقیاس مولکولی تغییر دهند. از طریق افزایش ذرات نانو می‌توان بطری‌ها و بسته‌بندی‌هایی با مقاومت نسبتاً کم، عملکرد گرمایی و مکانیکی کمتر، و جذب کم مواد فرار و اکسیژن تولید کرد؛ این مشخصه‌ها می‌توانند سبب افزایش ماندگاری و حفظ رنگ محصول شوند. به‌ویژه، استفاده از نانوذرات نقره در ظروف بسته‌بندی یک‌لایه یا چندلایه به‌عنوان مواد افزودنی، به‌علت غیر قابل نفوذبودن نسبت به اکسیژن و رطوبت، می‌تواند از رشد باکتری‌ها و کپک‌ها در بسته جلوگیری کند و در نتیجه، سبب افزایش ماندگاری محصول و تغییرنکردن ویژگی‌های ظاهری و فیزیکی آن شود [۱۱].

شکل ۱. مسیر غیرمستقیم نفوذ یک مولکول گاز در نانوکامپوزیت‌های پلیمر/ خاک رس

اندازه ذرات نقره یکنواخت (۵۶-5 نانومتر و به‌طور متوسط ۲۶ نانومتر) است. این ذرات دارای خلوص بالا، پراکندگی خوب، و شکل شبه‌کره هستند. در حالت یونی اثر ضدمیکروبی آن بیشتر است، اما سمی است. از آن‌جا که نانوذرات آن سطح بیشتری از ذرات بزرگتر را دارد، از لحاظ شیمیایی فعال‌تر از ذرات بزرگ نقره است [۱۳].

شکل ۲. بسته‌بندی مواد ضدمیکروبی

ترکیبات نانویی که در بسته‌بندی‌ها به‌کار رفته‌اند گاهی دارای خواص ضدمیکروبی هستند و در نتیجه، خود بسته‌بندی به‌عنوان یک عامل ضدمیکروب ایفای نقش می‌کند. از جمله پرکاربردترین ترکیبات نانو که در این بسته‌بندی‌ها استفاده می‌شود می‌توان به ذرات نانونقره اشاره کرد، هرچند که نانواکسید روی و نانودی‌اکسید کلرین هم قابل استفاده است. ترکیبات نانویی مانند نانواکسید منیزیم، نانواکسید مس، نانودی‌اکسید تیتانیوم، و نانولوله‌های کربنی نیز از جمله ترکیباتی هستند که پیش‌بینی می‌شود در آینده در بسته‌بندی ضدمیکروبی مواد غذایی استفاده ‌شوند. اما تاکنون ثابت شده که نانوذرات نقره کارآمدترین ضدمیکروب در مقابله با باکتری‌ها، ویروس‌ها، و سایر میکروارگانسیم‌های یوکاریوت است [۱۳]. در شکل ۲ بسته‌بندی مواد غذایی با پوشش‌های ضدمیکروبی نشان داده شده است.

ویژگی‌های فیزیکی نانومواد، مثل اندازه و شکل، ویژگی‌های سطحی، و ترکیب شیمیایی آن‌ها می‌تواند باعث ایجاد اثر سمی شود. مثلاً، نانوذرات نقره گونه‌ای اکسیژن فعال (Ros) تولید می‌کنند که واکنش مولکول‌ها را افزایش می‌دهد و رادیکال آزاد ایجاد می‌کند و در نهایت، باعث آماس و آسیب پروتئین‌ها، غشا، و DNA می‌شود. اثر ضدباکتریایی زیاد نانونقره ممکن است باعث از بین رفتن باکتری‌های مفید در بدن و اطراف ما شود [۱۳].

جدول ۱. نانوذرات رایج در صنایع غذایی

فرایندهای نانوذرات نقره را می‌توان به موارد زیر دسته‌بندی کرد:

• فرایند کاتالیستی تولید اکسیژن فعال با نقره: این فرایند بیشتر در مورد کامپوزیت‌های نانونقره‌ای صدق می‌کند که روی پایه‌های نیمه‌هادی مانند TiO₂ و SiO₂ قرار می‌گیرند. در این وضعیت، ذره مانند پیلی الکتروشیمیایی عمل می‌کند و با اکسیدکردن اتم اکسیژن و یون اکسیژن با هیدورلیزکردن آب، یون –OH را تولید می‌کند که هر دو از بنیان‌های فعال و از عوامل ضدمیکروبی قوی نیز به‌شمار می‌روند.

• فرایند یونی (تبدیل پیوندهای –SH به (–SAG: در این فرایند ذرات نانونقره فلزی به‌مرور زمان یون‌های نقره از خود ساطع می‌کنند. این یون‌ها در طول واکنش جانشینی، باندهای –SH را به باندهای –SAG تبدیل می‌کنند (پیوندهای دی‌سولفیدی در دیواره باکتری نقش حفاظتی را در مقابل واکنش‌های اکسایش ایفا می‌کنند. اما حضور یون‌های نقره در طی واکنش جانشینی سبب تبدیل باندهای S-H به سولفید نقره در جداره باکتری شده و در نتیجه، موجب از بین رفتن آن‌ها می‌شود).

• افزایش تمایلات بار مثبت نقره در ابعاد نانو موجب اتصال با میکروارگانسیم‌های دارای بار منفی می‌شود که این سازوکار به تخریب غشای سلولی میکروارگانیسم می‌انجامد (دیواره سلولی باکتری حاوی مقادیر زیادی بار منفی است؛ زمانی که این باکتری در مجاورت بافتی که حاوی نقره بوده قرار می‌گیرد، یون‌هایی با بار مثبت نقره جذب بار منفی دیواره باکتری شده و در نهایت، موجب از بین رفتن باکتری می‌شوند).

• در بعضی از میکروارگانسیم‌هایی که تنفس آن‌ها به‌وسیله‌ آنزیم‌ها صورت می‌گیرد نانونقره با از بین بردن آن آنزیم‌ها مکانسیم تنفسی میکروارگانسیم‌ها را مختل می‌کند و باعث مرگ آن‌ها می‌شود (یون‌های نقره زنجیره تنفسی باکتری را در سیتوکروم اکسیداز بلوکه می‌کند) [۱۴].

نانوذرات نقره از راه‌های زیر خواص ضدمیکروبی از خود نشان می‌دهند:

• چسبندگی به سطح سلول؛

• تجزیه لیپوپلی ساکاریدها؛ 

• نفوذ در داخل سلول باکتریایی و تخریب DNA؛

• اتصال به گروه‌های الکترون دهنده در مولکول‌ها؛ و

• آزادسازی یون‌های⁺Ag ضدمیکروب [۱۳]

باعث بهبود خواص بازدارندگی در برابر اکسیژن و دی‌اکسید کربن و بهبود خواص مکانیکی بسته‌بندی می‌شوند. همچنین دارای فعالیت خواص ضدمیکروبی، ضدقارچی، و ضدآنتی‌بیوتیکی هستند [۴].

نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم یکی از پرکاربرد‌ترین نانوذرات نیمه‌رسانا با ویژگی‌های خاص آبدوستی و فوتوکاتالیستی، جاذب نور ماورای بنفش، و آنتی‌باکتریال هستند و به‌طورگسترد‌ه‌ای در ساخت نانوکامپوزیت‌های پلیمری با هدف بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شوند [۱۵].

نانوذرات اکسید روی از خانواده ورتزیت و دارای ویژگی‌هایی مانند نیمه‌رسانایی، پیزوالکتریک، و پیروالکتریک هستند. این خواص بی‌نظیر باعث می‌شوند که ذرات اکسید روی از غنی‌ترین مواد نانوساختاری باشند. همچنین، این ذرات زیست‌سازگار و ایمن هستند و می‌توانند در کاربردهای پزشکی به‌راحتی و بدون روکش استفاده شوند. این خصوصیات ویژه اکسید روی می‌تواند زمینه‌های تحقیقاتی گوناگونی را در آینده ایجاد کند [۱۴].

سیلیسیوم دی‌اکسید یا سیلیکا فراوان‌ترین ماده سازنده پوسته زمین است. این ترکیب با فرمول شیمیایی SiO₂ ساختاری شبیه الماس دارد و ماده‌ای بلوری و سفیدرنگ است. دمای ذوب و جوش آن نسبتاً زیاد است و در طبیعت به دو شکل بلوری و آمورف (بی‌شکل) ‌یافت می‌شود. نانوکامپوزیت حاوی نانوذرات سیلسیوم دی‌اکسید نیز از جمله نانوکامپوزیت‌هایی است که نیاز به توسعه و تحقیق و مطالعات بیشتری دارند.

فناوری نانو برای بخش غذایی اهمیت روزافزونی می‌یابد. تا امروز، نتایج و کاربردهای امیدوارکننده‌ای در زمینه‌ بسته‌بندی و بهداشت غذا به‌دست آمده است. 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 مواد غذایی وارد غذا شوند. انتظار می‌رود ترکیب نانومواد در بسته‌بندی غذا خصوصیات ممانعتی مربوط به بسته‌بندی را بهبود دهد و در نتیجه، به کاهش مصرف مواد خام مفید و تولید زباله کمتر منجر شود.