برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۹۰۹
  • بازدید این ماه ۴۵
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۶
  • قبول شدگان ۴۸
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۸
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۳
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقالات منتخب ماهنامه نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

افزایش امنیت غذایی با استفاده از فناوری نانو

بدلیل شیوع گستردة بیماری‌های غذایی، نیاز به استفاده از روش‌های حساس و سریع به منظور تشخیص عوامل بیماری‌زا ضروری است. فناوری نانو به عنوان یک دانش نوین امکان مطالعه و دستکاری مواد در مقیاس اتمی و مولکولی را فراهم آورده است. در سال‌های اخیر فناوری نانو به طور فزاینده‌ای در صنایع غذایی به ویژه به منظور افزایش امنیت غذایی استفاده شده است. به عنوان مثال توسعة نانوحسگرهای زیستی برای تشخیص عوامل بیماری‌زا و آلودگی‌های غذایی و یا ساخت بسته بندی‌های غذایی دارای ویژگی‌های مکانیکی، حرارتی، ضد میکروبی و نفوذپذیری مطلوب برای حفظ کیفیت مادة غذایی در برابر اثرات عوامل میکروبی و مکانیکی نامطلوب خارجی از کاربردهای این دانش در زمینة امنیت غذا هستند. در این مقاله مروری بر کاربرد دانش نانو به منظور افزایش امنیت غذایی برای ساخت بسته بندی‌های هوشمند و نیز گسترش نانوحسگرها شده است.
1. مقدمه
فناوری نانو به تکنیک طراحی، توصیف، تولید و کاربرد ساختار، ابزار و سیستم‌ها در مقیاس نانو اطلاق می شود. این فناوری با کنترل ابعاد و ساختار ماده در دامنة 1 تا 100 نانومتر ویژگی‌های جدیدی و بی نظیری را به ماده می دهد [1]. فناوری نانو مبتنی بر علوم مختلف مانند فیزیک، شیمی، زیست شناسی و مواد است [2-4]. با توجه به پیشرفت‌های روز افزون در زمینة تولید، توزیع و فرآیند مواد غذایی، افزایش ایمنی غذا نیز اهمیت به سزایی یافته است. یکی از راهکارهای جدید برای افزایش امنیت غذایی استفاده از فناوری نانو می باشد [5]. مواد تولید شده بر اساس فناوری نانو علاوه بر ایمنی بهداشتی بالاتر دارای قیمت کمتر و کیفیت بالاتر می باشند [6]. فناوری نانو می‌تواند در فرآوری و نگهداری مواد غذایی، پوشش‌ها (با استفاده نانوذرات)‌، گندزدایی تجهیزات کارخانجات مواد غذایی (توسط نانوامولسیون ضد میکروبی) و همچنین در ساخت حسگرهای زیستی برای تشخیص آلودگی‌های بیماری‌زا استفاده شود [7]. با توجه به قابلیت بالای صنایع غذایی برای استفاده از دانش نانو در این مقاله مروری بر کابردهای این فناوری در زمینة امنیت غذا (بسته‌بندی مواد غذایی، تشخیص عوامل بیماری‌زای غذایی و ترکیبات سمی آن‌ها و شناسایی آلودگی‌های شیمیایی در مواد غذایی) صورت گرفته است.

2. کاربرد فناوری نانو در امنیت غذا
1.2. بسته‌بندی مواد غذایی

بسته‌بندی یکی از مسائل اساسی در زمینة ایمنی غذا است. استفاده از دانش نانو می‌تواند سبب بهبود کیفیت و کارایی مواد بسته‌بندی و درنتیجه اطمینان از امنیت غذایی گردد. بسته بندی‌های دارای نانوذرات می‌توانند هوشمندانه به شرایط محیطی (دما و رطوبت) پاسخ دهند و یا مصرف‌کننده را در زمینة آلودگی‌ها و یا حضور مواد سمی آگاه سازند. برخی از نانو مواد می‌توانند ویژگی‌های نفوذپذیری مواد بسته‌بندی را تغییرداده، سبب بهبود ویژگی‌های مکانیکی، شیمیایی، حرارتی و میکروبی شوند. این بسته‌ها توانایی کاهش رشد قارچ‌ها را دارند [8 و 5]. به عنوان مثال نانوذرات اکسید مس، منیزیم و نقره دارای خاصیت ضد میکروبی هستند [9 و 10]. مکانیسم فعالیت ضد میکروبی نقره به دلیل واکنش یون‌های نقره با ریبوزوم‌ها و جلوگیری از بیان آنزیم‌های مرتبط با تولید ATP و همچنین تغییر قابلیت نفوذپذیری غشاء می باشد [11]. پلاستیک‌ها به طور وسیع در صنایع بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می شوند. با این وجود استفاده از آن‌ها به دلیل عدم توانایی آن‌ها در جلوگیری از عبور اکسیژن، دی اکسیدکربن، آب و ترکیبات آرومادار، محدودیت‌هایی دارد. استفاده از نانو ذرات در پلاستیک‌ها می‌تواند سبب بهبود خاصیت نفوذ پذیری بسته‌های غذایی گردد [12]. به عنوان مثال بسته‌های حاوی نانو ذرات رس دارای مزایایی از قبیل ویژگی‌های مکانیکی، حرارتی و ممانعت کنندگی بهتر می باشند [13]. این نانو ذرات سبب جلوگیری از عبور اکسیژن، دی اکسیدکربن و رطوبت گردیده، همچنین موجب افزایش شفافیت بسته می‌شوند [14]. فیلم‌های زیست تخریب پذیر نشاسته و نانو ذرات رس نیز می‌توانند در بسته‌بندی مواد غذایی به منظور افزایش ایمنی غذایی با توجه به خاصیت ضد میکروبی نانو ذرات رس، استفاده شوند [12 و 15]. استفاده از نانو ساختارهای مختلف می‌تواند سبب تولید بسته بندی‌های پلاستیکی با مقادیر مختلف نفوذپذیری نسبت به آب و گازها، بسته به نوع مادة غذایی گردد. با استفاده از این نانو ذرات امکان تولید بطری‌هایی با نفوذپذیری کمتر نسبت به نور و مقاومت مکانیکی و حرارتی بهتر وجود دارد. این بسته‌ها سبب افزایش زمان ماندگاری، حفظ رنگ، عطر و طعم مواد غذایی، جلوگیری از رشد میکروارگانیسم‌ها و تسهیل عملیات حمل و نقل و نگهداری می شود. با استفاده از بسته‌های حاوی نانوحسگرها نیز مصرف‌کننده می‌توانند نسبت به پیشینة شرایط نگهداری (مانند دما‎‎ و pH) آگاه شود [16]. سیلیکات کلسیم نانو ساختار و مواد فاز متغیر برای بسته‌بندی مواد غذایی فساد پذیر استفاده شده‌اند. نانو ذرات سیلیکات کلسیم دارای ساختار متخلخل و خاصیت جذب رطوبت هستند. آلکان‌های فاز متغیر می‌توانند برای ذخیرة حرارت در بسته‌های غذایی (با توجه به ماهیت غیرسمی آن‌ها) استفاده شوند. در این حالت نانو ذرات سیلیکات کلسیم می‌توانند آلکان‌های فاز متغیر (با دمای ذوب 8 درجه سانتیگراد) را درون ساختار متخلخل خود قرار دهند. این بسته‌ها دارای ویژگی‌های حرارتی فوق‌‏العاده‌ای بوده، می‌توانند دمای داخل بسته را پس از افزایش دمای محیط تا 23 درجه سانتیگراد به مدت 5 ساعت در حدود 10 درجه سانتیگراد حفظ نمایند. از این ویژگی می‌توان برای حفظ ‏کیفیت مواد غذایی حساس طی حمل و نقل و افزایش زمان ماندگاری و امنیت غذایی بهره جست [17].
کیتوزان یک پلی ساکارید زیست تخریب پذیر، غیر سمی و زیست‌سازگار است. نانو فیبرهای تولید شده از کیتوزان به عنوان پوشش‌های بسته‌بندی دارای خاصیت ضد میکروبی می باشند [18]. پوشش‌های زیست تخریب‌پذیری توسط ژلاتین و پکتین با درجة متوکسیل پایین نیز برای بسته‌بندی مواد غذایی تولید‎ شده است [19]. سوتومویت و همکاران ویژگی فیلم‌های خوراکی ساخته‌شده از پروتئین‌های آب پنیر و حاوی سه نوع نانورس مختلف (کلویسیت Na+، کلویسیت A20 و کلویسیت 30B( را برای مصارف غذایی بررسی نمودند. فیلم‌های دارای نانورس نسبت به فیلم‌های خالص پروتئینی شفافیت کمتری داشتند. ولی نتایج نشان داد فیلم‌های حاوی نانو ذرات کلویسیت 30B دارای خاصیت ضد میکروبی در برابر باکتری گرم مثبت لیستریا مونوسایتوژنز (Listeria monocytogenes) می‌باشند [20]. فرناندز و همکاران بیان نمودند استفاده نانو ذرات نقره در بسته‌های غذایی از رشد اشرشیا کولی (Escherichia coli) و استافیلوکوکوس اورئوس (Staphylococcus aureus) جلوگیری می‌کند [21]. همچنین ولی پور مطلق نشان داد استفاده از نانوذرات نقره با غلظت 1 و 2 درصد در بسته بندی زرشک باعث کاهش رشد کپک‌ها و شمارش کلی باکتری‌ها و بهبود رنگ محصول می‌شود [22].

2.2. تشخیص عوامل بیماری‌زای غذایی و ترکیبات سمی
بیماری‌های ناشی از مصرف غذاهای آلوده یکی از مشکلات رایج در زمینة پزشکی می‌باشد. حدود 30 درصد افراد در کشورهای صنعتی از بیماری‌های ناشی از مصرف غذاهای آلوده رنج می برند [7]. محققان همواره در جستجوی یافتن ابزاری برای تشخیص سریع و دقیق عوامل بیماری‌زای غذایی بوده‌اند. در سال‌های اخیر تلاش‌های زیادی برای ساخت حسگرها برای تشخیص میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا صورت گرفته است [23]. با استفاده از فناوری نانو امکان ساخت نانوحسگرهایی وجود دارد که قابلیت استفاده در چرخه‌های تولید مواد غذایی و همچنین در بسته‌بندی غذایی به منظور تشخیص میکروارگانیسم‌های مختلف مانند کامپیلوباکتر (Campylobacter) اشرشیا کولی، سالمونلا (Salmonella) و لیستریا را دارند [24 و 25] این حسگرها علاوه بر حساسیت بالا زمان تشخیص را نیز ‏کاهش می دهند. یک نانوحسگر قادر به تشخیص ویروس قبل از تکثیر آن می‌باشد. برخی از ‏کاربردهای بالقوة نانوحسگرهای زیستی عبارتند از: تشخیص آلودگی‌های بیماری‌زا، شرایط محیطی (روشنایی و تاریکی، سردی و گرمی، خشکی و رطوبت) و ترکیبات حساسیت زا [7].
گولتکین و همکاران اسپورهای باسیلوس سرئوس (Bacillus cereus) را با استفاده از نانوحسگرها شناسایی کردند. این محققان از نانوذرات طلا با کمک روش نشانه‌گذاری مولکولی برای تشخیص سریع و حساس ترکیب دیپی‌کلونیک اسید (مادة شاخص موجود در اسپور) استفاده نمودند. نشانه‌گذاری مولکولی روشی برای ایجاد جایگاه‌های اتصال در یک پلیمر با استفاده از یک الگوی ملکولی (به عنوان مثال دیپی‌کلونیک‌اسید) می باشد. میزان حساسیت وابسته به شکل و اندازة حفرات و نوع اتصال بین پلیمر و ملکول می باشد. با توجه به اینکه در این پژوهش از نانوذرات استفاده شد، میزان حساسیت به میزان قابل توجهی افزایش یافت. این پژوهشگران نشان دادند تابش فلورسانس حسگر در حضور دیپی‌‏کلونیک‌اسید کاهش می‌یابد لذا امکان اندازه گیری دقیق اسپورها با حساسیت بالا وجود دارد [26].‎ ژآاو و همکاران از حسگرهای ایمنی الکتروشیمیایی که توسط غشاء آگار - نانوذرات طلا پوشش داده و آنزیم پراکسیداز و آنتی‌بادی بر روی آن تثبیت شده بود برای تشخیص ویبریو پاراهمولیتیکوس (Vibrio parahaemolyticus) استفاده کردند. در این حالت نانو ذرات طلا به عنوان مناطق هادی کوچک، سبب تسریع انتقال الکترون و در نتیجه افزایش دقت اندازه گیری می شوند. این نانو حسگرهای ایمنی دارای حد تشخیص374/7 × 104 و همچنین صحت، دقت، پایداری و قابلیت تکرارپذیری بالایی است [27].

3.2. تشخیص آلودگی‌های شیمیایی در مواد غذایی
آلودگی مواد غذایی ناشی از ترکیبات شیمیایی خطرناک یکی از مسائل بحث برانگیز در زمینة امنیت غذا می باشد. آلودگی‌های مواد غذایی می‌تواند ناشی از آلودگی هوا، آب و خاک، فلزات سمی، دی اکسین‌ها، سموم ضد قارچ و همچنین سموم طبیعی مانند مایکوتوکسین‌ها و گلیکوزیدهای سیانوژنیک باشد. با توجه به ضرورت تشخیص این ترکیبات در مواد غذایی، فناوری نانو می‌تواند ابزاری دقیق در این زمینه باشد [7]. آرسنیک که به مقدار زیادی در آب‌های زیر زمینی یافت می شود، به عنوان یک ترکیب سمی برای انسان به شمار می رود. این ترکیب سبب سرطان پوست، کلیه، جگر و مثانه می شود. روش‌های مختلفی مانند اسپکتروسکوپی فلورسانس اتمی و اسپکتروسکوپی وزنی برای تعیین میزان آرسنیک استفاده شده است. ولی این روش‌ها نیاز به ابزارهای گران قیمت و مراحل آماده سازی متعدد دارد. سلیمی و همکاران از نانوذرات اکسید کبالت برای تعیین مقادیر جزئی آرسنیک در آب استفاده ‏کردند. برای این منظور نانو ذرات اکسید کبالت بر روی سطح الکترود کربن شیشه‌ای رسوب داده شد. این محققان بیان نمودند این نانو حسگر دارای قابلیت تکرار پذیری، پایداری طولانی و عدم حساسیت به سایر یون‌ها می باشد [28]. کو و همکاران از تکنیک رنگ‌سنجی با استفاده از نانوزیست حسگرها برای شناسایی 2و 4 دینیتروفنول استفاده نمودند. برای این منظور ترکیب توکسین مانند 2و 4 دی نیتروفنول- بووین سرم آلبومین (Bovin serum albomin) بر روی نانوذرات طلا قرار می گیرد. در این حالت در صورت عدم وجود 2و 4 دینیتروفنول ترکیب توکسین مانند بر روی آنتی بادی تثبیت شده بر روی بستر متصل می‌گردد و در صورت وجود توکسین با توجه به میل ترکیبی بالاتر آن، 2و 4 دی نیتروفنول به آنتی‌‌‏بادی متصل می شود. با توجه به این که اتصال توکسین و یا ترکیب توکسین مانند بر آنتی بادی سبب ایجاد رنگ‌های مختلف می شود، امکان تعیین میزان 2و 4 دی نیتروفنول با استفاده از روش رنگ سنجی وجود دارد [29]. با وجود کارایی بالای نانوحسگرها برای اندازه گیری و شناسایی ترکیبات مختلف، کاربرد آن‌ها به صورت صنعتی به دلیل استفاده از ترکیبات بیولوژیکی مانند آنتی ژن و آنزیم‌ها و در نتیجه عدم پایداری با مشکلاتی مواجه است.

نتیجه گیری
دانش نانو به عنوان یک فناوری نوین امکانات بالقوه‌ای را برای بهبود کیفیت و امنیت غذا فراهم آورده است. بیشترین کاربرد فناوری نانو در زمینة بسته‌بندی و تشخیص عوامل بیماری‌زای غذایی می باشد. این دانش سبب ایجاد تحولی عظیم در صنایع بسته‌بندی به دلیل اصلاح ساختار مواد در سطح ملکولی شده است و هم اکنون امکان تولید صنعتی آن‌ها فراهم می باشد. پوشش‌های خودپاک‌کننده در مقیاس نانو و بسته‌های دارای خاصیت ضد میکروبی به طور موفقیت آمیزی برای مصارف غذایی استفاده شده است. با این وجود تحقیقات جامع‌تری به منظور بررسی تاثیر تماس نانو‌ذرات مختلف با مواد غذایی بر روی سلامتی انسان در طولانی مدت با توجه به توانایی آن‌ها در عبور از غشاء سلولی مورد نیاز است.

منابـــع و مراجــــع

1- J Weiss, P Takhistov, D.J Mcclements, Journal of Food Science, Vol. 71, No. 9, (2006) 107-116.

2- S.K Sahoo, S Parveen, J.J Panda, Biology and Medicine, Vol. 3, No. 1, (2007) 20-31.

3- R Angelucci, F Corticelli, M Cuffiani, G.M Dallavalle, L Malferraxi, A Montanari, C Montanari, F Odorici, R Rizzoli, C Summonte, Nuclear Physics B - Proceedings Supplements, Vol. 125, No. 1, (2003) 164-168.

4- M Manoharan, Technology in Society, Vol. 30, (2008). 401-404.

5- T Joseph, M Morrison, Nanotechnology in agriculture and food, Institute of nanotechnology, (2006).

6- H.C Warad, J Dutta, Nanotechnology for agriculture and food systems–A review,Asian Institute of nanotechnology, (2006).

7- B Farhang, Food Science and Technology, Academic Press is an imprint of Elsevier, (2009).

8- L De Jong, International Food Ingredients, Vol. 5, No. 1, (2005) 107– 108.

9- URL: http://www.foodproductiondaily.com/news

10-P.T.S Kumar, S Abhilash, K Manzoor, S.V Nair, H Tamura, R Jayakumar, Carbohydrate Polymers, In Press, doi: 10.1016/j.carbpol.2009.12.024, (2009).

11- M Yamanaka, K Hara, J Kudo, Applied and Environmental Microbiology, Vol. 71, No. 11, (2005) 7589–7593.

12- J.M Lagaron, Food Engineering and Ingredients, Vol. 31, No. 2, (2006) 50–51.

13- S Ray, S.Y Quek, A Easteal, X.D Chen, International Journal of Food Engineering, Vol. 2, No. 4, (2006) 22– 25.

14- A.L Brody, Food Technology, Vol. 60, No. 3, (2006) 92–94.

15- M Avella, J.B De Vlieger, M.A Emanuela Errico, S.B Fischer, C.P Vacca, M.C Grazia Volpe, Food Chemistry, Vol. 93. No. 3, (2005) 467–474.

16- G Asadi, M Mousavi, Application of nanotechnology in food packaging, Proceedings of 13th IUFoST World Congress. Nantes, France, (2006).

17- J.H Johnston, J.E Grindrod, M Dodds, K Schimitschek, Current Applied Physics, Vol. 8, No. 3, (2008) 508–511.

18- S Torres-Giner, M. J Ocio, J. M Lagaron, Engineering Life Science, Vol. 8, No. 3, (2008) 303–314.

19- S Farris, K.M Schaich, L Liu, L Piergiovanni, K.L Yam, Trends in Food Science and Technology, Vol. 20, No. 8, (2009) 316-332.

20- R Sothornvit, J.W Rhim, S.I Hong, Journal of Food Engineering, Vol. 91, No. 3, (2009) 468–473.

-21 ولیپور مطلق, ن, بررسی تاثیر بسته‌بندی‌های نانو کامپوزیت بر کیفیت و ماندگاری زرشک در مقایسه با بسته‌های معمولی, پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی شیمی, دانشکده فنی و مهندسی, دانشگاه فردوسی مشهد .1387

22- A Fernández, E Soriano, G LópezCarballo, P Picouet, E Lloret, R Gavara, R Hernández-Muñoz, Food Research International, Vol. 42, No. 8, (2009) 105-1112.

22- A Fernández, E Soriano, G LópezCarballo, P Picouet, E Lloret, R Gavara, R Hernández-Muñoz, Food Research International, Vol. 42, No. 8, (2009) 105-1112.

23- A.K Bhunia, A Lathrop, McGraw-Hill Yearbook of Science and Technology, The McGraw-Hill Companies, Inc., New York, (2003).

24- L Sage, Analytical Chemistry, Vol. 79, No. 1, (2007) 7–8.

25- E Russell, International Food Ingredients, Vol. 5, (2005) 103–105.

26- A Gültekin, A Ersöz, D Hür, N.Y Sarıözlü, A Denizli, R Say, Applied Surface Science, Vol. 256, No. 1, (2009) 142-148.

27- G Zhao, F Xing, S Deng, Electrochemistry Communications, Vol. 9, No. 6, (2007) 1263-1268.

28- A Salimi, H Mamkhezri, R Hallaj, S Soltanian, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 129, No. 1, (2009) 246-254.

29- S Ko, S Gunasekaran, J Yu, Food Control, Vol. 21, No. 2, (2010) 155- 161.