برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۰۹/۰۱ تا ۱۳۹۹/۰۹/۰۷

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۵۰۵
  • بازدید این ماه ۱۵
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۷۳
  • قبول شدگان ۵۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۴۷
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۹
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

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

معرفی کاربرد نانوفناوری در صنایع غذایی

این مقاله به کاربردهای فناوری نانو در صنایع غذایی می‌پردازد. به طور خاص کاربرد نانوفناوری در بسته‌بندی مواد غذایی شامل بهبود خواص بسته‌بندی و بسته‌بندی‌های فعال و هوشمند شرح داده خواهد شد. همچنین به‌طور خلاصه کاربرد نانوفناوری در تولید و فرآوری مواد غذایی ارائه خواهد شد.

1. معرفی
صنعت تولید، فرآوری و بسته‌بندی مواد غذایی بخش بزرگی از تجارت را به خود اختصاص داده است. همچون دیگر صنایع، فناوری نانو بر صنعت مواد غذایی تأثیرات قابل توجهی دارد. کاربردهای نانوفناوری در این حوزه تنوع زیادی دارد ولی به طور کلی حوزه‌هایی که نانوفناوری بر روی آن تأثیر دارد را می‌توان به چهار دسته کلی تقسیم کرد که در شکل 1 قابل مشاهده است. در بین چهار حوزه، صنعت بسته‌بندی حجم مهم‌تری از بازار را به خود اختصاص داده است و کشاورزی کمترین اهمیت را در بین این چهار حوزه داراست.
filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1- نمایش حجم کاربرد نانوفناوری در بخش‌های مختلف بازار صنایع غذایی
2. نانوفناوری در بسته‌بندی مواد غذایی
مهم‌ترین بخش از کاربردهای فناوری نانو در حوزه بسته‌بندی مواد غذایی است. با وجود فراوانی بسیار و تنوع کاربردهای نانوفناوری در حوزه بسته‌بندی مواد غذایی، می‌توان تأثیرات نانوفناوری بر صنعت بسته‌بندی مواد غذایی را به سه دسته تقسیم‌بندی کرد. دسته اول، کاربردهایی است که برای بهبود خواص بسته‌بندی (خواص مکانیکی، گرمایی، خواص سدی و ... در بسته‌بندی) از نانوفناوری در صنعت بسته‌بندی استفاده می‌شود. دسته دوم کاربردها، مربوط به بسته‌بندی‌های فعال (Active) و دسته سوم مربوط به بسته‌بندی‌های هوشمند (Intelligent) است. در ادامه درباره هر کدام از این بسته‌بندی‌ها توضیحاتی ارائه شده است.

3. بهبود خواص با کمک نانوفناوری در صنعت بسته‌بندی
با توجه به قمیت مناسب پلیمرها (پلیمرها ماده سازنده پلاستیک، لاستیک و ...هستند)، امروز در بسته‌بندی بسیاری از مواد غذایی به جای استفاده از شیشه و فلزات، از این مواد استفاده می‌شود. با این وجود بسیاری از خواص پلیمرها هنوز مطلوب نیست که موجب می‌شود ماندگاری مواد غذایی آن‌طور که باید و شاید، نباشد. استفاده از نانومواد افزدونی (نانوفیلر) در زمینه پلیمر و ساخت یک نانوکامپوزیت می‌تواند بسیاری از خواص پلیمرها را بهبود دهد. برای اطلاعات بیشتر درباره نانوکامپوزیت‌های پلیمری به مقاله (نانوکامپوزیت‌ها، معرفی، خواص و روش تولید) مراجعه شود.
یکی از نیازهای لازم برای ماندگاری مواد غذایی، جلوگیری از نفوذپذیری موادی مانند اکسیژن است زیرا عبور اکسیژن باعث فساد مواد غذایی می‌شود. متأسفانه پلیمرها در حالت عادی نفوذپذیری بالایی دارند (خواص سدی آن‌ها ضعیف است). ساخت نانوکامپوزیت‌ها می‌تواند به‌طور قابل توجهی خواص سدی پلیمرها را بهبود دهد. شکل 2 خواص سدی نانوکامپوزیت‌ها را نشان می‌دهد. نانوکامپوزیت‌ها با طولانی ساختن مسیر عبور اکسیژن (چون نانوفیلرها نسبت به گازها نفوذناپذیرند)، میزان شار عبوری اکسیژن به داخل محفظه داخلی بسته‌بندی را کاهش می‌دهند.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636شکل 2- نمایش خواص سدی نانوکامپوزیت‌ها
با توجه به شکل 2 مشخص است که استفاده از نانوکامپوزیت‌های صفحه‌ای با نسبت ابعادی (نسبت طول به ضخامت) بالا همانند آنچه در شکل الف نشان داده شده، تأثیر به مراتب بیشتری در مقایسه با فیلرهای ذره‌ای (شکل ب) دارد. به‌طور مثال در یک نانوکامپوزیت برای اینکه 50 درصد نفوذپذیری کاهش یابد، اگر از فیلری با نسبت ابعادی 20 استفاده شود، به 9 درصد وزنی و اگر از فیلری با نسبت ابعادی 200 استفاده شود به یک درصد وزنی فیلر نیاز است. کمتر بودن میزان فیلر، مشکلات ساخت و آگلومره شدن را کاهش می‌دهد. فیلرهای ابعادی در حالتی نقش مؤثرتری دارند که جهت طویل آن‌ها عمود بر جهت عبور (یعنی همانند شکل 3 به موازات ضخامت) قرار گیرد. این نیاز به دقت خاصی در هنگام ساخت نانوکامپوزیت دارد.
شکل 3 - نمایش قرارگیری نانوفیلرها برای مؤثر بودن خواص سدی

نانورس‌ها به‌عنوان یکی از فیلرهای ارزان قیمت و دارای نسبت ابعادی بالا برای بهبود خواص سدی مورد استفاده قرار می‌گیرند. شکل 4 یک نمونه پلیمر PET که دارای نانورس است و برای بسته‌بندی بطری نوشیدنی استفاده می‌شود، را نشان می‌دهد. همچنین تأثیر نانورس مونت موریلونیت بر کاهش نفوذناپذیری نسبته به حالت بدون نانورس (حالت با عدد یک) نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4 - نمایش استفاده از نانورس برای پلیمر و تأثیر نانورس مونت موریلونیت بر کاهش نفوذناپذیری
امروز استفاده از پلیمرهای زیست‌تخریب برای بسته‌بندی مواد غذایی مورد توجه قرار گرفته است. این پلیمرها مشکلات زیست‌محیطی پلیمرهای تجاری مرسوم را ندارند. اما خواص این نوع پلیمرها برای کاربرد در صنعت بسته‌بندی چندان قوی نیست. ساخت نانوکامپوزیت از این پلیمرها می‌تواند خواص آن‌ها برای بسته‌بندی مواد غذایی را بهبود دهد. به‌طور مثال خاصیت مکانیکی ضعیف لیپیدها و خاصیت سدی ضعیف پلی ساکاریدها با کمک نانوکامپوزیت‌ها اصلاح می‌شود. به‌طور مثال اضافه کردن 5 درصد وزنی نانورس مونت موریلونیت ظرفیت جذب آب نشاسته را 30 درصد کاهش می‌دهد.
در بسیاری موارد، پلیمر زیست‌سازگار و نانوافزودنی می‌توانند به نوعی تهیه شوند که امکان ساخت نانوکامپوزیت‌های قابل خوردن وجود داشته باشد که این نانوکامپوزیت‌ها به شکل فیلم نازک بر روی مواد غذایی مانند پنیر، روکش داده می‌شوند. این فیلم‌های نازک لایه به لایه با کمک روش LBL تهیه می‌شوند.

4. نانوفناوری در بسته‌بندی‌های فعال
بسته‌بندی فعال یکی از حوزه‌های مهم بسته‌بندی مواد غذایی است. نانوفناوری در این حوزه تدثیرات زیادی دارد. در بسته‌بندی فعال و در پاسخ به تغییرات نامطلوب محیطی، با واکنشی که بسته‌بندی از خود نشان می‌دهد، اثرات نامطلوب این تغییرات از بین می‌رود. در زیر، تعدادی از بسته‌بندی‌های فعال مشخص شده است:
حذف‌کننده اکسیژن: یکی از مواد مورد توجه در بسته‌بندی فعال، بسته‌بندی‌های خورنده اکسیژن (Oxygen Scavenger) است. در این بسته‌بندی‌ها اگر غلظت اکسیژن بالا رود، خود بسته‌بندی اکسیژن موجود در محیط را کاهش می‌دهد. نانوذرات اکسید تیتانیوم با دارا بودن خاصیت فوتوکاتالیستی، قادرند اکسیژن موجود در محیط را کاهش دهند.
ایجاد آب‌گریزی: کاهش میزان آب موجود در بسته‌بندی برای جلوگیری از فساد مواد غذایی ضروری است. با کمک نانوذرات سیلیکا و ... می‌توان سطح بسته‌بندی را آب‌گریز کرد و از این طریق از نفوذ آب به درون بسته‌بندی جلوگیری کرد.
تنظیم‌کننده دما: سیلیکات کلسیم نانومتخلخل همراه با مواد تغییردهنده فاز مثل پارافین، تخفیف‌دهنده اثر افزایش دمای بیرونی بسته‌بندی است، بنابراین فساد مواد غذایی را به تأخیر می‌اندازد.
خودترمیمی: نانومواد در پاسخ به تنش، ایجاد پارگی و ... در بسته‌بندی، با انتقال نانوذرات به محل پارگی و ترمیم پیوندها موجب جلوگیری از گسست بسته‌بندی می‌شوند.
آنتی باکتریال: یکی از حوزه‌هایی که نانوفناوری تأثیر قابل توجهی در آن دارد، استفاده از نانومواد آنتی باکتریال است. این مواد باکتری‌ها را نابود کرده و موجب ماندگاری مواد غذایی می‌شوند. نانومواد مختلف زیادی با خاصیت آنتی باکتریال وجود دارند. نانوذرات نقره معروف‌ترین نانومواد ضدباکتری هستند. شکل 5 تدثیر نانوذرات نقره را بر ماندگاری مواد غذایی نشان می‌دهد. نقره از دیرباز برای کاربرد ضدباکتری مورد استفاده قرار می‌گرفت اما نانوذرات نقره به دلیل سطح بیشتر، فعالیت به مراتب بالاتری دارند. نانوذرات نقره با تولید یون نقره و نفوذ این یون به‌درون ساختار باکتری موجب از بین‌رفتن باکتری‌ها می‌شوند. متأسفانه مباحثی درباره مضرات نانوذرات نقره وجود دارد. با وجود تأثیر مثبت نانوذرات نقره، گزارش شده مقداری که برای داشتن خاصیت مناسب ضدباکتری در بسته‌بندی لازم است، بیش از حد مجاز تعیین شده است.


شکل 5- مقایسه فساد مواد غذایی در یک بسته‌بندی حاوی نانوذرات نقره با یک بسته‌بندی فاقد نانوذرات نقره.

علاوه بر نانوذرات نقره، نانوذرات اکسیدی مانند اکسید تیتانیوم و اکسید روی، به دلیل دارا بودن خاصیت فوتوکاتالیستی، قادرند باکتری‌های مضر را حذف کنند. در فوتوکاتالیست‌ها با برخورد نور ماوراء‌بنفش و تولید الکترون-حفره، گونه‌ای اکسیژن فعال تشکیل شده که به کشتن باکتری‌ها می‌پردازد. به دلیل نوع ترکیب این مواد به نظر می‌رسد مضرات این نانوذرات کمتر از نانوذرات نقره باشد. با این وجود به دلیل اینکه خاصیت فوتوکاتالیستی آن‌ها (به دلیل گاف انرژی بالا) فقط در ناحیه فرابنفش فعال می‌شود و در بسیاری مواقع نور ماوراء‌بنفش در محیط وجود ندارد، و به‌علاوه تاباندن مصنوعی نور ماوراء‌بنفش موجب فساد مواد غذایی می‌شود، بنابراین باید محدوده‌ای را که فعالیت فوتوکاتالیستی فعال می‌شود، به ناحیه مرئی انتقال داد. این حوزه یکی از حوزه‌های فعالی است که در حال بررسی توسط محققان نانوفناوری بوده و هست تا محدوده فعال شدن فوتوکاتالیست‌ها به ناحیه مرئی انتقال داده شود. روش‌هایی چون دوپینگ در نانوذرات اکسید تیتانیوم، حساس‌سازی با رنگدانه و ... مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای اطلاعات بیشتر به مقاله " تکمیل ضدمیکروبی منسوجات با استفاده از نانومواد (بخش دوم)" و مقاله "کاربرد فناوری نانو در تکمیل خودتمیزشونده منسوجات (بخش دوم)" مراجعه شود.
با توجه به سمی بودن بسیاری از نانومواد آنتی باکتریال، جایگزینی آن‌ها با نانومواد دیگر ضروری است. تعدادی از نانومواد بیولوژیک نیز دارای خاصیت آنتی باکتریال هستند؛ کیتوزان یکی از مواد آنتی باکتریال است. این مواد به‌طور کلی خاصیت آنتی باکتریال ضعیف‌تری دارند ولی مشکل سمیت در آن‌ها وجود ندارد.
جاذب نور ماوراء‌بنفش: اشعه مارواء‌بنفش می‌تواند موجب راه افتادن واکنش‌های ناخواسته‌ای شود که فساد مواد غذایی را در پی دارد. نانوساختارهای اکسید تیتانیوم و اکسید روی به دلیل قرار گرفتن گاف انرژی‌شان در محدوده ماوراء‌بنفش، این اشعه مضر را حذف می‌کنند. این نانوساختارها به انواع گوناگونی قابل استفاده هستند اما دو نوع نانوذره و نانوپوشش آن‌ها کاربرد گسترده‌ای دارد. نانوذره در فرم نانوکامپوزیت در بسته‌بندی پلیمری مورد استفاده قرار می‌گیرد و نانوپوشش بر روی موادی مثل شیشه پوشش داده می‌شود.

5. نانوفناوری در بسته‌بندی هوشمند
بسته‌بندی هوشمند( smart یا intelligent)، بسته‌بندی‌هایی هستند که در آن‌ها از یک برچسب (Lable) یا نشانگر (Indicator) استفاده می‌شود که در پاسخ به تغییرات محیطی، از خود تغییر رنگ نشان می‌دهند. یکی از کاربردهای بسته‌بندی هوشمند، شناسایی وجود اکسیژن در محیط داخلی بسته‌بندی به کمک نانوذرات اکسید تیتانیوم و رنگدانه است. این بسته‌بندی‌ها در پاسخ به وجود اکسیژن تغییر رنگ می‌دهند. شکل 6 یک رنگدانه آبی و نانوذرات اکسید تیتانیوم را نشان می‌دهد که در پاسخ به وجود اکسیژن تغییر رنگ می‌دهد و از این طریق وجود اکسیژن را نشان می‌دهد.

شکل 6 - نمایش یک بسته‌بندی فعال که در آن برچسب با تغییر رنگ وجود اکسیژن را اطلاع می‌دهد.

نوع دیگری از بسته‌بندی‌های هوشمند استفاده از نشانگر تازگی و فساد مواد غذایی است. در اثر فساد مواد غذایی، بسته به نوع ماده غذایی، گازهای مختلفی تولید می‌شود که با کمک نانوفناوری و با ساخت نشانگر مناسب می‌توان فساد مواد غذایی را شناسایی کرد. نشانگرهای تغییر pH نیز می‌تواند برای شناسایی فساد مواد غذایی استفاده شود. نشانگرهایی که پاتوژن‌ها را شناسایی می‌کنند، دسته دیگری از نشانگرها هستند.
به‌طور مثال در اثر وجود آمین‌های حاصل از فساد مواد غذایی، لایه نازک پلی آنیلین تغییر رنگ می‌دهد. این مورد در ماهی به‌خوبی مشاهده شده است. شکل 7 تغییر رنگ این نوع بسته‌بندی فعال را در اثر فساد مواد غذایی نشان می‌دهد که رنگ سبز نشانگر سالم بودن ماهی و رنگ آبی نشانگر فساد ماهی است.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5شکل 7 - نمایش تغییر رنگ یک نشانگر فساد مواد غذایی، که رنگ آبی نشانگر فساد مواد غذایی است.

به آرایه‌ای از نانوسنسورها که در قالب یک مجموعه استفاده می‌شوند، بینی الکترونیک گفته می‌شود. هر کدام از نانوسنسورها برای شناسایی یکی از مواد موجود در صنایع غذایی استفاده می‌شود. بینی الکترونیک در صورت تجاری شدن می‌تواند تأثیرات مطلوب زیادی داشته باشد.

6. کاربردهای نانوفناوری در بخش‌های دیگر
علاوه بر این که بسیاری از مواد غذایی موجود در طبیعت خود یک ماده نانوساختار هستند (به‌طور مثال شیر یک کلویید با اجزای نانومتری است)، نانوحامل‌های تولید شده به‌صورت مصنوعی در صنعت غذایی دارای اهمیت زیادی هستند. با کمک نانوحامل‌ها می‌توان پروتئین‌ها، ویتامین‌ها، مواد پروبیوتیک و پری بیوتیک و ... را به بافت مورد نظر در بدن منتقل کرد. نحوه عمکرد نانوحامل‌ها مشابه کاربرد آن‌ها در دارورسانی هدفمند است.
انتقال مواد غذایی آب‌دوست و آب‌گریز، مواد غذایی که تحت pH بدن دچار تغییر می‌شوند و ... توسط نانوحامل‌ها امکان‌پذیر است. شکل 8 دو نوع حامل مواد غذایی یکی نانوکپسول و دیگری نانوکره را نشان می‌دهد. لیپوزوم‌ها و مایسل‌ها دو نوع دیگر از حامل‌ها هستند. برای اطلاعات بیشتر به مقالات حوزه کاربرد پزشکی مراجعه شود.
شکل 8 - نمایش نانوکپسول در a و نانوکره در b

بسیاری از مواد غذایی برای انسان مفید است اما توسط اسید معده از بین می‌روند؛ به کمک نانوحامل‌ها می‌توان آن‌ها را تحت تأثیر اسید معده حفظ کرد و به بافت مورد نظر در بدن رساند. همچنین به کمک این نانوحامل‌ها می‌توان مواد غذایی که طعم نامطبوع دارند را کپسوله کرد. مزیت دیگر این حامل‌ها رهاسازی کنترل شده مواد غذایی است، همچنین کاهش ابعاد ماده غذایی در رنج نانومتری، موجب افزایش زیست دسترس‌پذیری مواد غذایی می‌شود. به‌عنوان یک کاربرد دیگر از نانوفناوری در هنگام تولید و فرآوری مواد غذایی، با استفاده از نانوفیلترها، باکتری‌ها، ویروس‌ها و دیگر عوامل مضر حذف می‌شوند.
در حوزه کشاورزی استفاده از آفت‌کش‌های نانومتری که مشکلات آفت‌کش‌های شیمیایی معمول را ندارند، یکی از مزایای نانوفناوری در حوزه کشاورزی است. یکی از مشکلات کودهای متداول، شستشوی کودها قبل از این است که توسط گیاه جذب شود، اما با نانوکپسوله کردن کودها، این مواد به‌طور تدریجی آزاد می‌شود و گیاه قادر است به‌طور تدریجی آن را جذب کند.

7. جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
در این مقاله بخش‌های مختلف کاربرد نانوفناوری در صنعت غذا معرفی شد. کاربردهای نانوفناوری در بهبود خواص مکانیکی، بهبود خواص پایداری و ... در صنعت بسته‌بندی مشخص شد. تأثیرات نانوفناوری بر دو نوع بسته‌بندی فعال و هوشمند مورد بررسی قرار گرفت. در انتها درباره کاربردهای نانوفناوری در تولید و فرآوری و همچنین استفاده از نانوحامل‌ها برای حمل مواد غذایی مورد اشاره قرار گرفت.
 

منابـــع و مراجــــع

[1] Lagarón, José-María, ed. Multifunctional and nanoreinforced polymers for food packaging. Elsevier, 2011.

[2] Sekhon, Bhupinder S. "Food nanotechnology–an overview." Nanotechnology, science and applications 3.1 (2010): 1-15.

[3] Rai, Mahendra, et al., eds. Nanotechnologies in food and agriculture. Cham/Heidelberg/New York/Dordrecht/London: Springer, 2015.

[4] Weiss, Jochen, Paul Takhistov, and D. Julian McClements. "Functional materials in food nanotechnology." Journal of food science 71.9 (2006): R107-R116.

[5] Gontard, Nathalie, et al. "Nanotechnologies for Active and Intelligent Food Packaging: Opportunities and Risks." Nanotechnology in Agriculture and Food Science (2017).