1- مقدمه

در سال‌های اخیر نیاز به خوراکی‌های بهداشتی آماده برای طبخ (Easy-to-cook) و آماده برای بلع (Easy-to-eat) افزایش یافته است. همچنین بیماری‌های ناشی از مواد غذایی سالانه حدود 75 میلیون نفر را دچار دردسر می‌کنند که بالغ بر 325000 نفر آن‌ها نیاز به بستری در بیمارستان دارند [1]. در نتیجه تهیه غذای کافی و بهداشتی با استفاده از روش‌ها و فناوری‌های نوین یکی از اولویت‌های تحقیقاتی کشورهای مختلف جهان است. صنایع مواد غذایی به علومی اطلاق می‌شود که کیفیت فیزیکى، شیمیایى و بیولوژیکى محصولات کشاورزى اعم از گیاهى و دامى را از لحاظ تبدیل و نگهدارى مورد توجه قرار داده و امر جمع‏‌آورى، عمل‌‏آورى، تبدیل، تکمیل و نگهدارى و حمل و نقل این محصولات را مورد بررسى قرار می‌دهند. طبق تعریف استاندارد ISO TS 18110، هر نوع محصول مرتبط با صنعت مواد غذایی حاوی نانوماده که کارکرد یا خاصیت آن با فناوری نانو بهبودیافته یا مبتنی بر فناوری نانو باشد، محصول نانویی صنعت مواد غذایی به حساب می‌آید. محصول مواد غذایی فناوری نانو می‌تواند محصول میانی بهبودیافته با نانو یا محصول نهایی بهبودیافته باشد [2و3]. بسته‌بندی جزء لازم و ضروری یک محصول غذایی است که شناساندن و نگهداری محصول را از تولید تا مصرف بر عهده دارد. در استاندارد ASTM واژه بسته‌بندی به‌عنوان هنر یا عملیات مورد استفاده در آماده‌سازی کالا برای حمل، نگهداری یا تحویل به مشتری تعریف شده است [4]. از اهداف بسته‌بندی می‌توان به محافظت فیزیکی در برابر ضربه، لرزش، فشار و حرارت [2و5]؛ محافظت در برابر عدم ورود اکسیژن، بخار آب، گرد و خاک و اشعه ماوراءبنفش [6و7]؛ حفظ کیفیت محتویات داخل بسته؛ آگاهی از اطلاعاتی نظیر نحوه انبارمانی، ترابری، چگونگی حذف یا نابود کردن بسته‌ها یا محصولات [8و9و10]؛ بازاریابی و ایمنی [11] اشاره کرد.

تا انتهای سال 1395، تعداد 340 محصول نانویی صنعت مواد غذایی موجود در بازارهای جهانی توسط بانک محصولات فناوری نانو (NPD) به آدرس http://product.statnano.com/ مورد پایش قرار گرفت که از میان آن‌ها محصولات 91 شرکت از 19 کشور بررسی شد و در این بانک به ثبت رسید. مکان دفتر مرکزی شرکت‌های تولیدکننده محصولات نانویی به عنوان کشور اصلی آن‌ها در نظر گرفته شد. بالغ بر 41 نوع محصول متمایز نانویی در این صنعت شناسایی شده که در جدول 1 حوزه‌های صنعتی مواد غذایی و انواع مختلف محصولات هر حوزه صنعتی ارائه شده است.

جدول 1- لیست حوزه‌های صنعتی مواد غذایی و انواع محصولات هر حوزه

2- نانومواد مورد استفاده در محصولات تجاری

طبق تحلیل بانک محصولات فناوری نانو، عمده محصولات تجاری موجود در بازارهای جهانی حاوی یکی از نانوذرات نقره، رس، دی‌اکسید تیتانیم، دی‌اکسید سیلیسیم، لیپوزوم Q10، طلا و زئولیت هستند که در ادامه به تفکیک مورد بررسی قرار می‌گیرند.

1-2- نانوذرات نقره

ویژگی اصلی این نانوماده آن است که به مرور زمان یون‌های ⁺Ag را از خود ساطع می‌کند. این یون‌ها طی واکنش جانشینی، باندهای ^-HS را در جداره میکروارگانیسم به باندهای ^-AgS تبدیل می‌کنند که نتیجه این واکنش، تاتوره شدن و تلف شدن میکروارگانیسم است و به این ترتیب خاصیت آنتی‌باکتریال، آنتی‌میکروبیال و ضدبوی قوی از خود نشان می‌دهد [12]. نانوذرات نقره به عنوان پرکاربردترین نانوماده در حدود 10 درصد از کل محصولات بانک NPD و تقریباً در 20 درصد از محصولات صنعت مواد غذایی ثبت شده در این بانک اطلاعاتی، گزارش شده‌اند. کاربرد اصلی این نانوماده در حوزه‌های صنعتی بسته‌بندی و مکمل‌های غذایی است به‌طوری ‌که در انواع محصولاتی چون ظروف نگهداری غذا، مکمل‌های غذایی، کیسه‌های زباله، آب معدنی و ظروف نگهداری شیر مادر به‌کار گرفته شده است. در شکل 1 سهم خواص مختلف از محصولات حاوی این نانوماده آورده شده است. استفاده از نانوذرات نقره در این دست از محصولات به علت ایجاد خاصیت مقاومت در برابر عبور گاز نیست بلکه در این جا نانوذرات به صورت مستقیم با خود غذا یا محیط نگهداری آن واکنش می‌دهند (بسته‌بندی فعال) [13]. سایر فلزات مانند طلا، تیتانیم، روی و مس نیز این ویژگی را از خود نشان داده‌اند اما خاصیت آنتی‌باکتریال نقره قوی‌تر از سایرین است و به همین دلیل کاربردهای تجاری پیدا کرده است. به‌علاوه این نانوذرات دارای پایداری بیشتری در دمای بالا و در محیط‌های مختلف پلیمری هستند [14]. محصولات حاوی نانوذرات نقره بر حسب زمینه مورد استفاده به دو دسته کلی تقسیم‌بندی می‌شوند. در دسته اول پلیمرهای تجزیه‌ناپذیر مانند پلی‌اتیلن و پلی‌وینیل کلراید قرار دارند که مناسب برای انبار مواد غذایی هستند، زیرا علاوه‌بر خاصیت آنتی‌باکتریال، دارای مقاومت در برابر رطوبت، اسید و گاز هستند [15]. در دسته دوم پلیمرهای تجزیه‌پذیر خوراکی مانند سلولزها و آگارزها قرار دارند که نه تنها ارزان‌قیمت بوده بلکه از منابع تجدیدپذیر تهیه می‌شوند و آلودگی زیست محیطی ندارند. به‌علاوه برای محصولات صنعت مواد غذایی ثبت شده در NPD خواصی چون ارتقای سیستم ایمنی و متابولیسم بدن، سازگاری با محیط زیست و بدن، آبگریزی، آنتی اکسیدان و آنتی بایوسیس ذکر شده است. شرکت‌های زیادی از این نانوماده در محصولات خود استفاده کرده‌اند که در صدر
آن‌ها Natural-Immunogenics Corp، Blue Moon Goods، New Life Co، American Biotech Labs، Skybright Natural Health، Fair vital، Activz، NutriNoche و Dokdo Co قرار دارند. به‌طورکلی شرکت‌های صنایع غذایی و بسته‌بندی کشورهای مختلف اهمیت ویژه‌ای به نانوذرات نقره در محصولات خود می‌دهند که از میان آن‌ها ایالات متحده، کره جنوبی، نیوزلند، ایران و آلمان دارای بیشترین محصول ثبت شده در بانک محصولات هستند.

‎شکل 1- مقایسه بین سهم خواص مختلف ایجاد شده یا بهبود یافته توسط نانوذرات نقره در محصولات صنعت مواد غذایی ثبت شده در بانک NPD.

2-2- نانورس

طبق تحلیل بانک محصولات فناوری نانو تعداد 36 محصول حاوی نانورس در صنعت مواد غذایی به ثبت رسیده است که تماماً در حوزه صنعتی بسته‌بندی طبقه‌بندی شده‌اند. نانورس‌ها علاوه بر صنعت مواد غذایی در بسته‌بندی محصولات صنایع دیگری چون پزشکی و آرایشی و بهداشتی نیز کاربرد دارند. نانورس‌ها، که در دسته فیلرهای معدنی قرار دارند، مواد ارزان‌قیمت و منحصربه‌فردی هستند که عموماً به‌عنوان مواد افزودنی در تهیه نانوکامپوزیت‌ها به کار می‌روند. ویژگی مهم نانورس‌ها آن است که استفاده از آن‌ها در مقادیر بسیار کم می‌تواند باعث کاهش وزن، افزایش استحکام و کاهش مؤثر عبور گاز (اکسیژن، دی‌اکسید کربن، بخار آب و بو) در نانوکامپوزیت‌های پلیمری شود. فیلم‌هایی که موانع قوی در برابر عبور اکسیژن ایجاد می‌کنند، در نگهداری موادی نظیر گوشت و پنیر کاربرد فراوان پیدا کرده‌اند. مواد غذایی دارای آب بسیار حساس به عبور بخار آب هستند زیرا افزایش یا کاهش میزان آب موجود در مواد غذایی، به سرعت منجر به فساد آن‌ها می‌شود [16]. شرکت‌های NanoPack Inc، Nanocor Inc، Juwin PNB Co، InMat Inc، NanoBioMatters Industries و Unitika انواع نانوکامپوزت‌های نایلونی، نانوکامپوزیت‌های پلی‌اولفین و افزودنی‌های جاذب اکسیژن را تولید و به بازارهای جهانی عرضه کرده‌اند. کشورهای پیشرو در استفاده از این نانوماده، ایالات متحده، کره جنوبی، اسپانیا و ژاپن هستند.

3-2- نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم

نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم (TiO₂) به‌عنوان افزودنی مواد غذایی با کد E171 در اتحادیه اروپا (EU) به ثبت رسیده است. این نانوماده به عنوان دومین نانوماده پرکاربرد، در حدود 9 درصد از کل محصولات بانک NPD و در 14 برند صنعت مواد غذایی این بانک اطلاعاتی از کشورهای ایالات متحده، کانادا، هلند و سوئیس گزارش شده است. خوراکی‌هایی مانند شکلات، آبنبات، آدامس و شیرینی از جمله انواع محصولاتی هستند که شرکت‌هایی نظیر MARS، The Hershey Company، Kraft، Eclipse، Pinnacle Foods Corp، Allen's، Mentos، Dickinson's، Carnation Breakfast Essentials و Albertsons به بازارهای جهانی عرضه کرده‌اند. مهمترین نقش این نانوذرات در محصولات صنعت مواد غذایی افزایش رنگ سفید آن‌ها بدون تغییر در طعم است.

‎4-2- نانوذرات دی‌اکسید سیلیسیم

نانوذرات دی‌اکسید سیلیسیم (SiO₂) در 231 محصول ثبت شده در NPD گزارش شده‌اند و چهارمین نانوماده پرکاربرد در حوزه صنعت مواد غذایی هستند. شرکت‌های Nano Plast Jolfa Aras، Purest Colloids، Nestle و Old el Paso انواع محصولاتی چون کیسه‌های زباله، طعم‌دهنده‌ها، مکمل‌های غذایی و خوراکی‌هایی مانند قهوه را با استفاده از این نانوماده عرضه کرده‌اند که ویژگی عمده آن‌ها افزایش قابلیت بسته‌بندی محصولات در نگهداری محتویاتشان است. همچنین در این محصولات خواصی چون آنتی‌باکتریال و تقویت سیستم ایمنی بدن ذکر شده است. کشورهای ایران، ایالات متحده و سوئیس مهمترین مصرف‌کنندگان نانوذرات SiO₂ در محصولات صنعت مواد غذایی هستند.

5-2- لیپوزوم Q10

کوآنزیم Q10 که یوبی‌کوئینون (ubiquinone) هم نامیده می‌شود، یک آنتی‌اکسیدان قوی است که در غشای داخلی میتوکندری تمام بافت‌ها یافت می‌شود. وظیفه آن در انتقال الکترون‌ها در زنجیره انتقال الکترون میتوکندری‌ها و کمک به سنتز آدنوزین تری‌فسفات در غشای آن‌ها است. لیپوزوم این ماده که حاوی ویتامین‌های C و E است، توسط شرکت‌های مطرح تولید و در محصولات صنعت مواد غذایی استفاده می‌شوند. مکمل‌های غذایی مهمترین محصولاتی هستند که لیپوزوم Q10 در آن‌ها گزارش شده‌اند. دو شرکت آمریکایی Nu Skin Enterprises و Pharmanex عمده مصرف‌کنندگان Q10 هستند تا در محصولات خود خواصی نظیر جوان‌سازی، رطوبت‌رسانی و تغذیه‌رسانی پوست، رفع چروک، بهبود چرخش خون و آنتی‌اکسیدان را ایجاد کنند. کوآنزیم Q10 به داخل لایه بیرونی پوست (epidermis) نفوذ کرده و سطح اکسیداسیون را کاهش می‌دهد. این ماده میزان کلاژن در فیبروبلاست پوستی (dermal fibroblasts) ناشی از اشعه فرابنفش خورشید را کاهش می‌دهد و در نتیجه متابولیسم پوست را ارتقا می‌دهد [17]. کوآنزیم Q10 عملکرد قلبی عروقی را بهبود می‌بخشد و در تولید انرژی داخل سلولی نقش حیاتی دارد. این آنتی‌اکسیدان محلول در چربی از پراکسیداسیون لیپیدهای غشایی جلوگیری کرده، به تثبیت غشای سلول کمک می‌کند و سبب حفظ استحکام و عملکرد سلول می‌شود [18].

3- خواص ایجاد شده توسط نانومواد در محصولات صنعت مواد غذایی

در حوزه صنعتی مکمل‌های غذایی، مهمترین ویژگی قید شده افزایش قابلیت جذب مواد مغذی و ویتامین‌های مورد نیاز، شادابی پوست، محافظت از DNA، تنظیم pH و کنترل رهایش ترکیبات شیمیایی در بدن است. در حوزه صنعتی مکمل‌های ورزشی خواصی نظیر افزایش انرژی، بهبود متابولیسم بدن و کمک به رشد ماهیچه‌ها و عضله‌ها دیده می‌شوند. فیلتراسیون اکسیژن و رطوبت، خواص آنتی‌باکتریال و مقاومت در برابر نفوذ روغن و اسید مهمترین ویژگی‌هایی هستند که فناوری نانو در محصولات حوزه بسته‌بندی مواد غذایی ایجاد می‌کند. ویژگی مهم حسگرهای مبتنی بر فناوری نانو نیز کنترل کیفیت مواد غذایی، تشخیص عوامل بیماری‌زا و آلاینده‌ها، شناسایی مقادیر بسیار اندک آلاینده‌های شیمیایی، ویروس‌ها و باکتری‌ها است. در جدول 2 انواع محصولات صنعت مواد غذایی به تفکیک ویژگی‌ها و نانومواد موجود در آن‌ها آورده شده است.

جدول 2- مقایسه انواع محصولات صنعت مواد غذایی به تفکیک ویژگی موجود در آن‌ها

4- نحوه استفاده شرکت‌های مطرح صنایع مواد غذایی از فناوری نانو

1-4- فناوری نانوفیلتراسیون

اولین شرکت تولیدکننده مکمل‌های بدنسازی و پرورش‌اندام در جهان که به‌طور تخصصی از فناوری نانو در جهت بهبود کیفیت محصولات خود استفاده کرده است، شرکت استرالیایی Advanced Sports Nutrition است. آمینو اسیدها، پروتئین‌ها، پودرهای افزایش و کاهش وزن این شرکت با استفاده از فرایند فیلتراسیون نانویی تهیه می‌شوند که در نتیجه آن محصولات عرضه شده قابلیت جذب بهتری در بدن دارند. در این روش محصولات تهیه شده دارای خلوص نهایی بالاتری بوده و کارایی بهتری در کاهش وزن، ترمیم مفاصل، رشد کردن عضلات و شادابی پوست از خود نشان می‌دهند.

2-4- فناوری ایجاد مانع در برابر عبور گاز

شرکت آمریکایی NanoPack Inc حدود یک دهه پیش توسط چندین تن از مهندسین و متخصصان علم مواد جهت تولید مواد مانع (Barrier materials) مورد نیاز در صنعت بسته‌بندی تأسیس شد. محصولات این شرکت به صورت سوسپانسیون پلیت‌های ورمیکولیت (Vermiculite) دارای ضخامت 1 تا 3 نانومتر و پهنای 30 میکرون معلق در پلی‌وینیل الکل یا آب هستند و به‌صورت پوشش روی محصول نهایی قرار می‌گیرند. محصولات این شرکت ممانعت عبور اکسیژن بیشتری نسبت به موانع استاندارد یعنی نایلون، BOPP و PET دارند.

تمرکز اصلی شرکت آمریکایی Nanocor Inc تهیه نانورس برای ساخت نانوکامپوزیت‌های پلاستیکی است. این محصولات قابلیت خوبی در ممانعت از عبور اکسیژن و مقاومت در برابر شعله از خود نشان می‌دهند و به همین جهت به‌منظور کاربرد در صنعت بسته‌بندی مناسب هستند.

3-4- فناوری کپسول‌سازی

شرکت آمریکایی BioPharma Scientific, LLC در حال تولید و عرضه مکمل‌های غذایی است که مهمترین ویژگی این مکمل‌ها آن است که ویتامین‌ها و مواد مغذی مورد نیاز قسمت‌های مختلف بدن از جمله مغز، قلب، استخوان و پوست را به کمک کپسول‌های نانومقیاس فراهم می‌کنند و به این ترتیب باعث ارتقای سیستم ایمنی و متابولیسم بدن می‌شوند. به‌علاوه این مواد عموماً آنتی‌اکسیدان و انرژی‌زا هستند و باعث کاهش خستگی بدن می‌شوند. از دیگر ویژگی‌های اشاره شده برای این محصولات می‌توان به بهبود عملکرد پروستات، کبد و سیستم قلبی و عروقی اشاره کرد. تمامی محصولات نانویی این شرکت دارای تأییدیه FDA هستند.

شرکت هلندی EAT NANO در زمینه تولید سوپ‌های آماده بر پایه سبزیجات گیاهی فعالیت می‌کند. متخصصان این شرکت از فناوری کپسول‌سازی نانویی و میکرونی (Nano- and micro-encapsulation technology) برای تهیه این سوپ‌ها استفاده می‌کنند به این ترتیب که مواد اولیه به‌صورت مخلوطی از کپسول‌های نانویی و میکرونی آماده می‌شوند. مواد مغزی موجود در این کپسول‌ها در حین ورود به بدن در برابر اکسیداسیون و اسیدها محافظت می‌شوند و در نتیجه احتمال جذب هرچه بیشتر آن‌ها در بدن افزایش می‌یابد. این کپسول‌های نانویی طعم سوپ را تغییر نمی‌دهند و آلرژی‌زا نیستند.

حوزه اصلی فعالیت شرکت دانش‌بنیان و آمریکایی Dose of Nature، تولید مکمل‌های غذایی است. متخصصان این شرکت با استفاده از فناوری Hydrosome™ Nano CBD ، خوشه‌های میکرونی حاوی ذرات 3 نانومتری کانابیدیول (Cannabidiol) را تهیه می‌کنند. این فناوری به محصولات این شرکت مزایایی چون بهبود رسانش بهتر مواد مغذی و هیدراتاسیون پیشرفته سلولی را می‌دهد که منجر به بهبود عمکرد پروستات و قوای بینایی می‌شود.

شرکت دانش‌بنیان Nano Health Solutions حاصل نتایج آزمایشگاه‌های BDR (Biomedical Diagnostic Research Laboratories, Inc.) است. تمرکز اصلی این شرکت بر تهیه کپسول‌های نانویی حاوی مکمل‌های غذایی است که سرشار از ویتامین‌های مورد نیاز برای بهبود عملکرد سیستم ایمنی بدن و کاهش سرعت پیرشدن سلول‌ها هستند. مواد اولیه محصولات این شرکت از گیاهان و میوه‌های طبیعی به دست می‌آیند.

مکمل‌های غذایی و پکیج‌های کاهش وزن انواع محصولاتی هستند که در شرکت NanoGreens تولید و عرضه می‌شود. متخصصان این شرکت با استفاده از فناوری نانو مکمل‌های طبیعی حاوی مواد مغذی و ویتامین‌های مورد نیاز بدن را تهیه می‌کنند که ماده اولیه آن‌ها گیاهان و میوه‌ها هستند. در این محصولات از خواص زیستی زردچوبه استفاده شده است که منجر به بهبود سیستم ایمنی و متابولیسم بدن می‌شود. ویتامین‌ها و مواد آنتی‌اکسیدان مورد استفاده در مکمل‌های این شرکت مناسب برای ارتقای عملکرد قلب، استخوان، پروستات و حافظه هستند.

5- بحث و نتیجه‌گیری

تحلیل داده‌های به دست آمده نشان می‌دهد که عمده محصولات تجاری موجود در بازارهای جهانی حاوی یکی از نانوذرات نقره، رس، دی‌اکسید تیتانیم، دی‌اکسید سیلیسیم، لیپوزوم Q10، طلا و زئولیت هستند. هنوز بسیاری از شرکت‌های فعال در صنعت مواد غذایی در محصولات خود از مزایای فناوری نانو بهره نبرده‌اند. عمده محصولات این بخش که از حوزه‌های صنعتی خوراکی‌ها، مکمل‌های غذایی و ورزشی، نانوحسگرها و بسته‌بندی هستند، در کشورهای ایالات متحده، استرالیا، هلند، کره جنوبی و کانادا تولید و عرضه می‌شوند. با استقبال سایر شرکت‌های تولیدی به استفاده از فناوری نانو در محصولات مواد غذایی می‌توان امیدوار بود که کنترل کیفیت مواد غذایی، تشخیص عوامل بیماری‌زا و آلاینده‌ها، افزایش قابلیت جذب مواد مغذی، تنظیم pH بدن، محافظت از DNA، کنترل رهایش ترکیبات شیمیایی در بدن، فیلتراسیون اکسیژن و رطوبت به‌صورت بهتر و با هزینه پایین‌تری صورت گیرد.