برای فراهم کردن غذای مورد نیاز جمعیت رو ‌به ‌رشد دنیا و در عین حال کاهش اثرات زیست‌محیطی تولید غذا، باید نیازمندی‌های زیر مورد توجه قرار گیرند:

• پایش نزدیک‌تر شرایط زیست‌محیطی، سلامت گیاهان و حیوانات، و میزان رشد آن‌ها، برای رسیدن به تولید بهینه و استفاده موثر از منابع تجدید‌پذیر (شناسایی آفت‌کش‌ها ضرورتی است که با استفاده از فناوری‌های موجود ممکن نیست)؛

• مزرعه‌داری دقیق که منجر به مداخلات هدفمند و زودهنگام می‌شود و با افزایش بهره‌وری تولید، نیاز به مواد شیمیایی کشاورزی (کودها، آفت‌کش‌ها، و آنتی‌بیوتیک‌ها) را کاهش می‌دهد؛

• اندازه‌گیری دقیق اثرات زیست‌محیطی فرایندهای شیمیایی، به‌ویژه بررسی سطح آفت‌کش‌ها و کودها در خاک و آب برون‌ریز.

در صنعت فراوری غذا، ‌شناسایی حضور مواد شیمیایی کشاورزی، آلاینده‌های شیمیایی دیگر (همچون فلزات سنگین)، و عوامل بیماری‌زایی همچون سالمونلا، لستریا، و کمپیلو‌باکتر که منجر به ایجاد بیماری‌های غذایی می‌شوند ضروری است. به‌علاوه، لازم است کیفیت غذا از منظر رنگ، بو، طعم، و «احساس دهان» بررسی شود.

با استفاده از فناوری‌های حسگری موجود می‌توان تمام متغیرهای مورد نیاز را تشخیص داد. با این حال، این حسگرها ممکن است در زمینه حساسیت، سرعت تشخیص، حمل‌پذیری، یا ترکیبی از تمام این‌ها، مشکل داشته باشند. مساحت بالای نانومواد امکان برهم‌کنش‌های مولکولی بسیار زیادی را فراهم می‌کند و این امر می‌تواند حساسیت بالاتر و تشخیص سریع‌تر را در پی داشته باشد.

در گذشته، تولیدکنندگان مواد غذایی از نیروی انسانی بسیار ماهر برای بررسی کیفیت مواد غذایی استفاده می‌کردند. با این حال، روشن است که این راهکار با دنیای پیشرفته امروزی و با حجم بسیار زیاد تولید مواد غذایی سازگاری ندارد. یکی از روش‌های حل این مشکل استفاده از «بینی الکترونیکی» یا «زبان الکترونیکی» است.

هدف از پروژه «ابزار عصبی بویایی الکترونیکی» یا Bioelectronic Olfactory Neuron Device - پروژه‌ای که تحت برنامه چارچوبی هفتم اتحادیه اروپا قرار دارد - تولید نوع جدیدی از بینی الکترونیکی با استفاده از گیرنده‌های بویایی است که در آن از نحوه تشخیص بو توسط حیوانات تقلید شده است. محققان امیدوارند حسگر به دست آمده از حساسیت و انتخابگری بالایی برای شناسایی مقادیر بسیار کم بو برخوردار باشد. علاوه بر مزایایی چون پاسخ سریع و بلادرنگ، نیاز به تخصص پایین، حمل‌پذیری، و هزینه پایین نسبت به حسگرهای زیستی موجود، این حسگر جدید قابلیت‌های مورد نیاز کاربرانی همچون صنایع غذایی را نیز تأمین خواهد کرد.

شکل ۱. پیش‌بینی درآمد جهانی حسگرهای زیستی از سال ۲۰۰۹ تا سال ۲۰۱۶

به‌طور کلی، با استفاده از فناوری‌های موجود ابتدا باید یک نمونه فیزیکی جمع‌آوری شده و این نمونه در جای دیگری آنالیز شود (یک آزمایشگاه مرکزی). این کار نیاز به تخصص بالایی دارد، کار زیادی می‌برد، و ممکن است چند روز طول بکشد؛ در طول این چند روز فرصت انجام مداخله بهینه از دست می‌رود (به‌عنوان مثال، استاندارد صنعتی برای‌ شناسایی مواد شیمیایی انجام کروماتوگرافی گازی یا مایع و سپس طیف‌سنجی جرمی است). شاید پیشرفت‌های فناوری نانو بتواند امکان ‌شناسایی در محل یا پایش پیوسته را فراهم کند و تولیدکنندگان مواد غذایی را قادر به انجام مداخله و بهبود نتیجه (افزایش کیفیت و بهره تولید) نماید. به‌علاوه، کاهش استفاده از ترکیبات شیمیایی کشاورزی موجب تخفیف اثرات زیست‌محیطی خواهد شد.

در کنترل کیفیت غذا نیز روش‌های مبتنی بر فناوری نانو حساسیت بیشتر و‌ شناسایی بلادرنگ (در محل) را ممکن ساخته و در عین حال به نمونه کمتری برای آنالیز نیاز دارد. این قابلیت‌ها منجر به‌ شناسایی موثرتر آلاینده‌هایی می‌شود که موجب شیوع بیماری‌های غذایی می‌شوند یا مضرات دیگری برای سلامتی انسان ایجاد می‌کنند. همچنین، تشخیص سالم بودن غذا حتی پس از رسیدن به تاریخ انقضای آن ممکن شده و دورریز مواد غذایی کم می‌شود.

پیشران اصلی تولید حسگرهای مبتنی بر فناوری نانو استفاده از آن‌ها در حوزه پزشکی است. با این حال، انواع مختلفی از حسگرهای مبتنی بر فناوری نانو می‌توانند در تولید و فراوری غذا نیز مورد استفاده قرار بگیرند. انواع این حسگرها در جدول ۱ آورده شده‌اند.

در حسگرهای زیستی، همچون حسگرهای تک‌مولکولی یا آرایه‌های زیستی، از مولکول‌های زیستی برای ‌شناسایی اهدافی همچون آفت‌کش‌ها یا گازهای مرتبط با رشد محصولات کشاورزی استفاده می‌شود. فناوری نانو با بهبود حساسیت (به‌علت مساحت سطحی بالا)، کوچک‌تر کردن حسگرها، و تشخیص سریع‌تر، روی این فناوری‌ها تاثیر می‌گذارد. فناوری‌های آرایه‌ای در تشخیص چندین ماده مختلف به‌کار می‌روند و می‌توانند در مراحل مختلف زنجیره غذایی مورد استفاده قرار بگیرند. از کاربردهای این فناوری می‌توان به ‌شناسایی حضور عوامل بیماری‌زا در دام و طیور و محصولات کشاورزی، اندازه‌گیری سطح مواد سمی یا مواد مغذی در خاک، و بررسی کیفیت غذای فراوری‌شده اشاره کرد.

جدول ۱. مثال‌هایی از نانوحسگرهای مورد استفاده در تولید و فراوری مواد غذایی

به شکلی تاریخی، بازار حسگرهای زیستی بیش از آنکه معطوف به کاربردهای مربوط به تولید و فراوری مواد غذایی باشد، به‌وسیله کاربردهای پزشکی به پیش رانده شده است. با وجود اینکه بازار مواد غذایی بسیار بزرگ است، اما به‌طور کلی حاشیه سود کمی دارد و رقبای زیادی در بازار حضور دارند. درنتیجه، صنایع غذایی نمی‌توانند همانند حوزه‌های پزشکی یا دارویی که از فناوری بالایی برخوردارند، روی روش‌های آنالیزی پیشرفته سرمایه‌گذاری کنند. به‌علاوه، حسگرهای زیستی باید از نظر هزینه، کارایی، و اطمینان‌پذیری، با روش‌های آنالیزی دیگر در حوزه صنایع غذایی رقابت کنند.

تحلیلگران بازار تخمین زده‌اند که رشد قوی درآمد مربوط به بازار حسگرهای زیستی ادامه خواهد داشت و در ۷ سال آینده از مرز ۱۰ میلیارد یورو عبور خواهد کرد (شکل ۱). همچنین، تخمین زده شده است که نرخ رشد ترکیبی سالیانه بازار این حسگرها از سال ۲۰۰۹ تا سال ۲۰۱۶ حدود 11/5 درصد باشد. به‌علاوه، نرخ رشد درآمد سالیانه این بازار تا سال ۲۰۱۶ در محدوده ۱۲ تا ۱۴ درصد خواهد بود. هفت سال پیش، حسگرهای زیستی تنها در ۳۲ حوزه کاربردی مورد استفاده قرار می‌گرفتند، در حالی که امروزه این میزان به بیش از ۴۷ حوزه افزایش یافته است. این رشد و توسعه در کاربردهای مورد استفاده مدیون نوآوری‌هایی است که در بازار حسگرهای زیستی روی داده است.

همانند کاربرد حسگرهای دیگر در صنایع غذایی، قوی‌ترین رشد برای بسته‌بندی‌های هوشمند با برچسب RFID پیشنهاد شده است. انتظار می‌رود رشد سالیانه این حوزه تا سال ۲۰۱۴ حدود ۱۹ درصد باشد.

یکی از شرکت‌های فعال در این حوزه شرکت اسرائیلی MS Tech است که حسگرهای آن از روش‌های تشخیصی مبتنی بر میکروبالانس بلور کوارتز با فرکانس بالا (HF-QCM) بهره می‌برند. حسگرهایی که از روش HF-QCM استفاده می‌کنند با نام‌های «زبان الکترونیکی» و «بینی الکترونیکی» نیز شناخته می‌شوند. Attophotonics یک شرکت استرالیایی تولیدکننده حسگرهای هوشمند رطوبت است که نسل بعدی محصولات خود برای بررسی کیفیت مواد غذایی را براساس تغییرات نانوساختاری تولید می‌کند. در حوزه حسگرهای کشاورزی نیز شرکت Syngenta - شرکتی که در سال ۲۰۰۰ از ادغام دو شرکت AstraZeneca و Novartis به وجود آمده است - در «مرکز نوآوری دانشگاهی حسگر Syngenta» در دانشگاه منچستر در انگلیس، سرمایه‌گذاری کرده است. در این مرکز، تحقیقاتی روی فناوری‌های حسگری جدید برای استفاده در بخش کشاورزی در حال انجام است.

استفاده از حسگرهای توانمندشده با فناوری نانو در تولید و فراوری مواد غذایی مزایایی برای شهروندان اروپایی به همراه دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• افزایش تولید غذا، اطمینان از امنیت غذایی، و کاهش تورم مواد غذایی؛

• کاهش استفاده از ترکیبات شیمیایی کشاورزی و درنتیجه کاهش اثرات زیست‌محیطی و کاهش قرار گرفتن انسان‌ها در معرض این ترکیبات؛

• بهبود پایش دام و طیور، محدود کردن خطر بیماری‌ها، و امکان کنترل بیشتر آن‌ها (استفاده محدود از داروهای دامپزشکی)؛

بهبود روش‌های بررسی رشد محصولات کشاورزی، استفاده از کودهای غنی از نیترات را بهینه می‌کند و کاهش می‌دهد. این کودها یکی از منابع اصلی آلودگی آب‌ها در اروپا هستند و غلظت‌های بالای آن‌ها برای انسان و محیط زیست مضر است.

استفاده از حسگرهای حساس در صنعت فراوری مواد غذایی اثرات بسیار مهمی بر سلامتی اجتماع دارد و از مردم در برابر بیماری‌های غذایی‌ای که می‌تواند منجر به مریضی و مرگ شود، حفاظت خواهد کرد. این حسگرها همچنین می‌توانند کیفیت غذا را از منظر طعم، بو، ظاهر، و «احساس دهان» بهبود بخشند.

در زمینه بسته‌بندی نیز این حسگرها اطمینان مصرف‌کننده را از سالم بودن غذا افزایش می‌دهند و از دورریز مواد غذایی خواهند کاست.

شکل ۲. ارزیابی سطح برخی از فناوری‌های حسگری مورد استفاده در تولید و فراوری غذا

بازار حسگرهای زیستی بسیار رقابتی است، اما همان‌گونه که گفته شد، پیشران این بازار کاربردهای پزشکی و دارویی آن است. با این حال، تعدادی از مراکز نوآوری اروپایی در زمینه استفاده از این حسگرها در تولید و فراوری غذا فعال هستند.

دانشکده مهندسی برق و الکترونیک دانشگاه منچستر خوشه تحقیقاتی e-Agri را برای یکپارچه‌سازی تحقیقات پیشرفته در حوزه ICT، حسگری، الکترونیک، و سامانه‌های قدرت و کنترل راه‌اندازی کرده است تا به ایجاد آینده‌ای نو برای کشاورزی و امنیت غذایی در جهان کمک کند. این خوشه مسئول تلاش‌هایی است که با نام «bio-centric» شناخته می‌شوند.

در حوزه RFID نیز اتحادیه اروپا پروژه RACE networkRFID را به راه انداخته است تا این اتحادیه را به‌عنوان رهبر جهانی این حوزه معرفی کند. همچنین، بستر توسعه‌یافته از طریق پروژه LOTUS EU موقعیت رهبری صنایع اروپایی را در زمینه RFIDهای انعطاف‌پذیر تقویت می‌کند. مواد و فناوری‌های تولیدشده در این پروژه اروپا را قادر به رقابت با آسیا و آمریکای شمالی می‌کند و روش‌های جدیدی برای رفع نیازهای اجتماعی فراهم می‌آورد. راهبرد کلی این پروژه پاسخگویی به نیازمندی‌های عمومی و همچنین نیازهای خاص مربوط به قطعات الکترونیکی انعطاف‌پذیر و حفاظت غذایی یا تازگی مواد غذایی است.

بسیاری از حسگرهای توانمندشده با فناوری نانو در مراحل اولیه توسعه قرار دارند و با چالش‌های فنی‌ای مواجه‌اند که باید رفع شود. یکی از مسائل اصلی این حوزه پایداری و دوام مولکول‌های زیستی مورد استفاده در تولید این حسگرها در شرایط میدانی است؛ به‌عنوان مثال، چگونگی تاثیرپذیری این مولکول‌ها از دما، مواد شیمیایی، و ذرات دیگر جزو سوالاتی است که باید پاسخ داده شود. جنبه‌های دیگر این حسگرها همچون انتقال و پردازش سیگنال نیز باید بهبود یابد. به‌عنوان مثال، نانوسیم‌های پلیمری رسانا از نظر مکانیکی ضعیف هستند و به‌راحتی می‌شکنند.

حضور متخصصان فناوری نانو در هر نقطه از زنجیره غذایی حساسیت‌زا است و - به‌خصوص با توجه به اثرات زیست‌محیطی، سلامتی، و ایمنی این فناوری - نگرانی‌هایی را در میان مردم و برخی سازمان‌های غیردولتی ایجاد می‌کند. با این حال، از آنجا که قرار نیست حسگرهای توانمندشده با فناوری نانو مصرف شوند، انتظار می‌رود با مقاومت کمتری نسبت به سایر پیشرفت‌های حوزه محصولات کشاورزی مواجه شوند. به‌طور خاص، برچسب‌های RFID نگرانی‌هایی در زمینه حریم شخصی دارندگان دام و طیور و مصرف‌کنندگان مواد غذایی ایجاد کرده است. حسگرهای زیستی مورد استفاده در کنترل بیماری‌های حیوانات می‌توانند از نظر اخلاقی به روش‌های دیگر، همچون واکسیناسیون عمومی یا ریشه‌کن کردن بیماری از طریق جمع‌آوری احشام، ترجیح داده شوند.

3.5. چالش‌های زیست‌محیطی، سلامتی و ایمنی

بنا بر آنالیز انجام‌شده به‌وسیله ObservatoryNANO، احتمال قرار گرفتن کشاورزان یا مصرف‌کنندگان در معرض حسگرهای حالت جامدی که در مزارع برای اندازه‌گیری گاز به‌کار می‌روند پایین است. همچنین، قرار گرفتن متخصصان و مصرف‌کنندگان در معرض حسگرهای مختلفی که در فراوری مواد غذایی به‌کار می‌روند نامحتمل است.

در مرحله امحای قطعات حاوی نانوحسگرها، احتمال آلوده شدن هوا (با سوزاندن)، خاک (با دفن زباله)، یا آب (از مراکز تصفیه آب) وجود دارد. خاک و آب می‌توانند در اثر دور ریخته‌ شدن این حسگرها آلوده شوند (دور ریختن بسته‌بندی‌های غذایی حاوی نانوحسگرها).

چالش‌های قانونی زیادی در مواجهه با تمام پیشرفت‌های مرتبط با فناوری نانو وجود دارند و تمام این چالش‌ها تحت پوشش ObservatoryNANO قرار گرفته‌اند. در حوزه کشاورزی و مواد غذایی، کمیسیون اروپا از آژانس استانداردهای غذایی اروپا (EFSA) خواسته است که نظر علمی خود را در زمینه خطرات بالقوه استفاده از علم و فناوری نانو (به‌خصوص نانومواد مهندسی‌شده) در زنجیره غذای انسان و حیوانات ارائه دهد. کمیته علمی EFSA به این نتیجه رسیده است که در حال حاضر می‌توان از قوانین بین‌المللی ارزیابی ریسک استفاده کرد، اما به‌دلیل محدودیت‌هایی که در زمینه ارزیابی ریسک نانومواد و عدم قطعیت حاصل از آن وجود دارد، باید از راهکار بررسی موردی استفاده شود.

هر نوع استفاده موفق از فناوری نانو در صنعت تولید و فراوری مواد غذایی مستلزم تلاش هماهنگ دانشگاه، صنعت، سازمان‌های غیردولتی، عموم مردم، و سیاست‌گذاران است تا دانش بنیادین مربوط به ساختارهای نانومقیاس درک شده و توازنی میان ریسک و مزایا ایجاد شود. مطابق پیشنهادات کارگروه JRC-EASAC، تبدیل دقیق‌تر این دانش به محصولات نهایی خوب نیازمند همکاری نزدیک میان تولیدکنندگان اولیه، استفاده‌کنندگان پایین‌دستی، و مصرف‌کنندگان نهایی است.

• با توجه به افزایش سریع جمعیت جهان، نیاز فزاینده‌ای به بهبود بهره‌وری و کاهش اثرات صنایع کشاورزی روی مردم و محیط زیست وجود دارد.

• حسگرهای توانمندشده با فناوری نانو می‌توانند حساسیت بیشتری نسبت به حسگرهای معمولی داشته باشند و با فراهم کردن امکان آنالیز پیوسته در محل تولید و بدون نیاز به تخصص بالا، مزرعه‌داری دقیق را ممکن سازند.

• قبل از تجاری‌سازی حسگرهای توانمندشده با فناوری نانو و امکان رقابت موثر آن‌ها با فناوری‌های موجود، چالش‌های فنی زیادی وجود دارد که باید رفع شود.

• از منظر پذیرش عمومی، حساسیت بالایی نسبت به استفاده از پیشرفت‌های فناوری نانو در زنجیره غذایی وجود دارد و این امر همراه با احتمال قرار گرفتن انسان و محیط زیست در معرض نانومواد و نبود قوانین خاص در این زمینه، مانع بزرگی بر سر راه تجاری‌سازی در مقیاس وسیع است.