معرفی کاربرد نانوفناوری در صنایع غذایی

1- مقدمه

صنعت تولید، فرآوری و بسته‌بندی مواد غذایی، بخش بزرگی از بازارهای تجاری دنیا را به خود اختصاص داده است. در این بین، فناوری نانو مانند بسیاری از صنایع دیگر، تاثیر چشمگیری در توسعه صنعت مواد غذایی دارد. اگرچه کاربردهای فناوری نانو در این حوزه بسیار متنوع است، اما حوزه‌های مهمی که این فناوری می‌تواند نقش کلیدی در آنها ایفا کند به چهار دسته کلی زیر طبقه‌بندی می‌شوند (شکل 1): (الف) تولیدات کشاورزی؛ (ب) بسته‌بندی مواد غذایی؛ (ج) حفظ یا بهبود مواد مغذی و طعم‌دهنده‌ها؛ و (د) فرآوری و ایمنی مواد غذایی. در بین این چهار حوزه، صنعت بسته‌بندی حجم بیشتری از بازار را به خود اختصاص داده است و کشاورزی، کمترین سهم را در بین این چهار حوزه دارد.

2- نانوفناوری در بسته‌بندی مواد غذایی

حوزه بسته‌بندی مواد غذایی، مهم‌ترین بخش از کاربردهای فناوری نانو به شمار می‌رود. با وجود تنوع گسترده کاربردهای نانوفناوری در حوزه بسته‌بندی مواد غذایی، می‌توان تأثیرات این فناوری بر صنعت بسته‌بندی مواد غذایی را به سه دسته کلی زیر تقسیم‌بندی کرد. دسته اول، کاربردهایی هستند که در آنها از فناوری نانو برای بهبود خواص بسته‌بندی (شامل خواص مکانیکی، گرمایی، خواص سدی و غیره در بسته‌بندی) استفاده می‌شود. دسته دوم از این کاربردها، مربوط به بسته‌بندی‌های فعال (Active) و دسته سوم مربوط به بسته‌بندی‌های هوشمند (Intelligent) است. در ادامه، به معرفی هر کدام از این بسته‌بندی‌ها پرداخته خواهد شد.

3- بهبود خواص بسته‌بندی‌های مواد غذایی با کمک فناوری نانو

با توجه به قیمت پایین پلیمرها، امروزه 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 نیستند و باید برای دستیابی به ماندگاری بیشتر مواد غذایی، اصلاح و بهینه شوند. استفاده از نانومواد افزدونی (نانوفیلرها) در زمینه پلیمری و ساخت مواد نانوکامپوزیتی می‌تواند بسیاری از خواص پلیمرها را بهبود دهد. برای اطلاعات بیشتر درباره نانوکامپوزیت‌های پلیمری به مقاله «نانوکامپوزیت‌ها، معرفی، خواص و روش تولید» سایت آموزش نانو مراجعه کنید.

یکی از راهکارهای مرسوم برای افزایش ماندگاری مواد غذایی، جلوگیری از نفوذپذیری ترکیباتی مانند اکسیژن است؛ زیرا ورود اکسیژن به داخل مواد غذایی باعث فساد آنها می‌شود. مطالعات نشان می‌دهند که مواد پلیمری در حالت عادی، نفوذپذیری بالایی دارند و اصطلاحاً خواص سدی آنها بسیار ضعیف است. ساخت نانوکامپوزیت‌های پلیمری می‌تواند به‌طور قابل توجهی خواص سدی این مواد را بهبود دهد. این موضوع در شکل 2 نشان داده شده است. نانوکامپوزیت‌ها با طولانی کردن مسیر عبور اکسیژن، میزان شار عبوری اکسیژن به داخل محفظه بسته‌بندی‌شده را کاهش می‌دهند؛ زیرا نانوفیلرها نسبت به گازها نفوذناپذیرند.

همانطور که در شکل 2 مشاهده می‌شود، استفاده از نانوکامپوزیت‌های صفحه‌ای با نسبت ابعادی بالاتر، تأثیر بیشتری در مقایسه با فیلرهای ذره‌ای (شکل ب) برای جلوگیری از نفوذ اکسیژزن دارند. برای نمونه، در یک نانوکامپوزیت پلیمری 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. کاهش میزان فیلر با افزایش نسبت ابعادی آن، مشکلات ساخت و آگلومره شدن را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد. از سوی دیگر، فیلرهای صفحه‌ای شکل، در صورتی بیشترین تاثیر را بر نفوذپذیری اکسیژن دارند که جهت‌گیری آنها عمود بر جهت عبور فلوی اکسیژن (یعنی به موازات ضخامت ورقه‌ها) باشد (شکل 3). این امر هم نیاز به استفاده از روش‌های خاص تولید دارد.

نانوذرات رسی به‌عنوان یکی از فیلرهای ارزان قیمت و دارای نسبت ابعادی بالا برای بهبود خواص سدی پلیمرهای بسته‌بندی مورد استفاده قرار می‌گیرند. شکل 4 نمونه‌ای از پلیمرهای PET را نشان می‌دهد که حاوی مقادیری از نانوذرات رس بوده و برای بسته‌بندی بطری نوشیدنی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. همانطور که مشاهده می‌شود، افزایش درصد وزنی ذرات مونت موریلونیت، میزان نفوذپذیری پلیمر PET را نسبت به حالت بدون نانوذرات رس کاهش می‌دهد.

امروزه استفاده از پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر برای بسته‌بندی مواد غذایی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این پلیمرها مشکلات زیست‌محیطی پلیمرهای تجاری مرسوم را ندارند؛ اما خواص آنها برای کاربرد در صنعت بسته‌بندی چندان مناسب نیست. ساخت نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر این پلیمرها می‌تواند خواص آنها برای بسته‌بندی مواد غذایی را بهبود دهد. برای نمونه، خاصیت مکانیکی ضعیف لیپیدها و خاصیت سدی ضعیف پلی ساکاریدها با کمک نانوکامپوزیت‌سازی اصلاح می‌شود. برای نمونه، افزودن 5 درصد وزنی از نانوذرات مونت موریلونیت می‌تواند ظرفیت جذب آب نشاسته را 30 درصد کاهش دهد.

در بسیاری از موارد، پلیمرهای زیست‌سازگار و افزودنی‌های نانومقیاس می‌توانند به‌گونه‌ای تهیه شوند که قابل خوردن باشند. این نانوکامپوزیت‌ها به شکل فیلم نازک بر روی مواد غذایی مانند پنیر کشیده می‌شوند. این فیلم‌های نازک به صورت لایه به لایه با کمک روش پوشش‌دهی لایه به لایه یا LBL تهیه می‌شوند.

4- کاربرد فناوری نانو در ساخت بسته‌بندی‌های فعال

بسته‌بندی فعال یکی از حوزه‌های مهم بسته‌بندی مواد غذایی است که فناوری نانو در آن، نقش تعیین‌کننده‌ای ایفا می‌کند. بسته‌بندی فعال به این صورت عمل می‌کند که هرگاه تغییرات نامطلوب محیطی رخ دهد، با انجام واکنش مناسب سعی می‌کند اثرات نامطلوب تغییرات به وجود آمده را از بین ببرد. از مهم‌ترین بسته‌بندی‌های فعال می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

*بسته‌بندی حذف‌کننده اکسیژن: یکی از مواد مورد توجه در بسته‌بندی فعال، افزودن عواملی موسوم به خورنده‌های اکسیژن (Oxygen Scavenger) است. در این دسته از بسته‌بندی‌ها اگر غلظت اکسیژن در محفظه 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.

*بسته‌بندی آب‌گریز: کاهش میزان آب موجود در بسته‌بندی برای جلوگیری از فساد مواد غذایی امری ضروری است. به کمک نانوذرات سیلیکا می‌توان سطح بسته‌بندی را آبگریز کرد و از این طریق، از نفوذ آب به درون بسته‌بندی جلوگیری به عمل آورد.

*بسته‌بندی تنظیم‌کننده دما: سیلیکات کلسیم نانومتخلخل همراه با مواد تغییردهنده فاز (phase change materials یا PCMs) مانند پارافین می‌توانند اثر منفی افزایش دمای بیرونی بسته‌بندی را کاهش داده و فساد مواد غذایی را به تأخیر بیاندازند.

*بسته‌بندی خودترمیم‌شونده: نانومواد در پاسخ به تنش و ایجاد پارگی در بسته‌بندی، با انتقال نانوذرات به محل پارگی و ترمیم پیوندها موجب جلوگیری از گسست بسته‌بندی می‌شوند.

*بسته‌بندی آنتی‌باکتریال: استفاده از مواد آنتی‌باکتریال در بسته‌بندی‌ها می‌تواند باکتری‌ها را نابود کرده و ماندگاری مواد غذایی را افزایش دهد. نانومواد متعددی با خاصیت آنتی‌باکتریال وجود دارند. نانوذرات نقره معروف‌ترین این مواد است. شکل 5 تاثیر نانوذرات نقره را بر ماندگاری مواد غذایی نشان می‌دهد. نقره از دیرباز برای کاربرد آنتی‌باکتریال مورد استفاده قرار می‌گرفت اما نانوذرات نقره به دلیل سطح ویژه بزرگ خود، فعالیت آنتی‌باکتریال بیشتری دارند. نانوذرات نقره با تولید یون نقره و نفوذ این یون به‌درون ساختار باکتری موجب از بین‌رفتن باکتری‌ها می‌شوند. لازم به ذکر است که گزارش‌هایی نیز درباره مضرات نانوذرات نقره وجود دارد به‌طوری‌که مقدار مورد نیاز از این ماده برای ایجاد خاصیت مناسب آنتی‌باکتریال در بسته‌بندی‌ مواد غذایی، بیش از حد مجاز اعلام شده است.

علاوه بر نانوذرات نقره، نانوذرات اکسیدی دیگر مانند اکسید تیتانیوم و اکسید روی نیز می‌توانند به دلیل دارا بودن خاصیت فوتوکاتالیستی، باکتری‌های مضر را حذف کنند. در مواد فوتوکاتالیست با برخورد نور ماوراء‌بنفش و تولید جفت الکترون-حفره، رادیکال‌های اکسیژن فعال تشکیل می‌شوند و به باکتری‌ها حمله می‌کنند. به دلیل نوع ترکیب شیمیایی این مواد به نظر می‌رسد مضرات این نانوذرات کمتر از نانوذرات نقره باشد. البته باید تاکید شود که خاصیت فوتوکاتالیستی این مواد به دلیل گاف بزرگ انرژی، فقط در ناحیه فرابنفش فعال می‌شود و در بسیاری مواقع، نور ماوراء‌بنفش در محیط وجود ندارد. از سوی دیگر، تاباندن مصنوعی نور ماوراء‌بنفش می‌تواند موجب فساد مواد غذایی شود. به همین دلیل، لازم است راهکارهایی برای فعال کردن این مواد در ناحیه نور مرئی توسعه یابند. از مهم‌ترین این راهکارها می‌توان به دوپینگ نانوذرات اکسید تیتانیوم با عناصر مناسب و حساس‌سازی با رنگدانه‌ها اشاره کرد. 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)» سایت آموزش نانو مراجعه کنید.

با توجه به سمی بودن بسیاری از نانومواد آنتی باکتریال، جایگزینی آنها با نانومواد دیگر ضروری است. تعدادی از نانومواد زیستی نیز دارای خاصیت آنتی باکتریال هستند. کیتوسان یکی از این مواد است. این مواد به‌طور کلی خاصیت آنتی باکتریال ضعیف‌تری دارند ولی مشکل سمیت در آنها وجود ندارد.

*بسته‌بندی جاذب نور ماوراء‌بنفش: اشعه مارواء‌بنفش می‌تواند منجر به انجام برخی واکنش‌های ناخواسته شود و فساد مواد غذایی را در پی داشته باشد. از آنجایی که گاف انرژی نانوساختارهای اکسید تیتانیوم و اکسید روی در محدوده ماوراء‌بنفش قرار دارند می‌توانند این اشعه مضر را حذف کنند. این نانوساختارها به شکل‌های مختلفی قابل استفاده هستند؛ اما دو شکل نانوذره و نانوپوشش آنها کاربرد گسترده‌ای دارند. نانوذره در فرم نانوکامپوزیت در بسته‌بندی پلیمری مورد استفاده قرار می‌گیرد و نانوپوشش بر روی موادی مثل شیشه پوشش داده می‌شود.

5- کاربرد فناوری نانو در ساخت بسته‌بندی‌های هوشمند

بسته‌بندی هوشمند (smart یا intelligent) به بسته‌بندی‌هایی گفته می‌شود که در آن از یک برچسب (Lable) یا نشانگر (Indicator) استفاده می‌شود و نقش این برچسب، تغییر رنگ در پاسخ به تغییرات محیطی است. 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. نمونه‌ای از این بسته‌بندی‌ها در شکل 6 نشان داده شده است.

نوع دیگری از بسته‌بندی‌های هوشمند، استفاده از نشانگر تازگی (freshness) و فساد مواد غذایی است. در اثر فساد مواد غذایی، بسته به نوع و ترکیب آنها، گازهای مختلفی تولید می‌شوند که برای ردیابی آنها می‌توان نشانگرهای ویژه‌ای مبتنی بر فناوری نانو ساخت. نشانگرهای تغییر pH نیز می‌تواند برای شناسایی فساد مواد غذایی بکار روند. نشانگرهایی که پاتوژن‌ها را شناسایی می‌کنند، دسته دیگری از نشانگرها هستند. برای نمونه، در اثر وجود آمین‌های حاصل از فساد مواد غذایی، لایه نازک پلی‌آنیلین 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. رنگ سبز در این بسته‌بندی نشانگر سالم بودن ماهی و رنگ آبی نشانگر فساد آن است.

به آرایه‌ای از نانوحسگرها که در قالب یک مجموعه مورد استفاده قرار می‌گیرند، بینی الکترونیک (electronic nose) گفته می‌شود. هر کدام از نانوحسگرهای مورد استفاده در این بینی، برای شناسایی یکی از مواد موجود در صنایع غذایی بکار می‌روند. بینی الکترونیک در صورت تجاری شدن می‌تواند مزایای کاربردی زیادی در صنعت مواد غذایی داشته باشد.

6- کاربردهای فناوری نانو در بخش‌های صنعتی دیگر

بسیاری از مواد غذایی موجود در طبیعت، نانوساختار هستند. برای نمونه، شیر یک کلویید با اجزای نانومتری است. با این‌حال، نانوحامل‌های تولید شده به صورت سنتزی نیز در صنعت غذایی از اهمیت بسزایی برخوردار هستند. با کمک نانوحامل‌ها می‌توان پروتئین‌ها، ویتامین‌ها، مواد پروبیوتیک و پری‌بیوتیک را به بافت مورد نظر در بدن منتقل کرد. نحوه عمکرد نانوحامل‌ها مشابه کاربرد آنها در دارورسانی هدفمند است. انتقال انواع مواد غذایی آبدوست و آبگریز و نیز مواد غذایی که تحت pH بدن دچار تغییر می‌شوند، توسط نانوحامل‌ها امکان‌پذیر است. شکل 8 شمایی از دو نوع حامل مواد غذایی را نشان می‌دهد. یکی از این نانوحامل‌ها، نانوکپسول و دیگری نانوکره است. لیپوزوم‌ها و مایسل‌ها دو نوع دیگر از حامل‌ها هستند. برای اطلاعات بیشتر به مقالات حوزه کاربرد پزشکی سایت آموزش نانو مراجعه کنید.

بسیاری از مواد غذایی برای انسان مفید است اما توسط اسید معده از بین می‌روند. می‌توان این مواد مغذی را به کمک نانوحامل‌ها از تخریب توسط اسید معده حفظ کرد و به بافت مورد نظر در بدن رساند. از سوی دیگر، برخی از مواد غذایی طعم یا بوی نامطبوعی دارند و می‌توان به کمک نانوحامل‌ها آنها را کپسوله و بوی بد آنها را از بین برد. مزیت دیگر این حامل‌ها، رهاسازی کنترل شده مواد غذایی است. از طرف دیگر، کاهش ابعاد ماده غذایی در تا مقیاس نانومتری موجب افزایش فراهمی زیستی (bioavailability) آنها می‌شود.

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 جذب شدن توسط گیاه است، اما با نانوکپسوله کردن کودها، این مواد به‌طور تدریجی آزاد می‌شود و گیاه قادر به جذب  تدریجی آن خواهد بود.

7- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

در این مقاله، کاربردهای مختلف فناوری نانو در صنعت غذا معرفی شدند. گفته شد که با وجود تنوع گسترده کاربردهای نانوفناوری در حوزه بسته‌بندی مواد غذایی، می‌توان تأثیرات این فناوری بر صنعت بسته‌بندی مواد غذایی را به سه دسته کلی زیر تقسیم‌بندی کرد. دسته اول، کاربردهایی هستند که در آنها از فناوری نانو برای بهبود خواص مکانیکی، گرمایی و خواص سدی بسته‌بندی استفاده می‌شود. دسته دوم از این کاربردها، مربوط به بسته‌بندی‌های فعال و دسته سوم مربوط به بسته‌بندی‌های هوشمند است. برای ساخت هرکدام از این بسته‌بندی‌ها، از نانوذرات خاصی استفاده می‌شود. از مهم‌ترین بسته‌بندی‌های فعال می‌توان به بسته‌بندی حذف‌کننده اکسیژن، بسته‌بندی آب‌گریز، بسته‌بندی تنظیم‌کننده دما، بسته‌بندی خودترمیم‌شونده، بسته‌بندی آنتی‌باکتریال، و بسته‌بندی جاذب نور ماوراء‌بنفش اشاره کرد. در ساخت بسته‌بندی‌های هوشمند نیز از موادی مانند اکسید تیتانیوم و رنگدانه‌ها استفاده می‌شود تا بتوانند در برابر تغییرات شرایط محیطی مانند فساد مواد غذایی، تغییر رنگ داده و مصرف کننده را از کیفیت محصول آگاه کنند.