X
تبلیغات
دانشجویان میکروبیولوژی دانشگاه مراغه - نانوتکنولوژی و کاربردهای آن در صنایع غذایی

دانشجویان میکروبیولوژی دانشگاه مراغه

زیبایی،حقیقت است حقیقت،زیبایی است. افلاطون .Beauty Is Truth,Truth Is Beauty

نانوتکنولوژی و کاربردهای آن در صنایع غذایی

معرفی

نانوتکنولوژی عموما به عنوان طراحی، تولید و کاربرد ساختارها، ابزارها و سیستم ها از طریق کنترل اندازه و شکل ماده در مقیاس 9-10 متر تعریف می شود. موسسه ملی نانوتکنولوژی(Arlington, VA, USA)، نانوتکنولوژی را به این صورت تعریف می کند: فهم و کنترل ماده تقریبا در اندازه های 100-1 نانومتر، به طوری که پدیده های منحصربفرد، باعث ایجاد قابلیت(کاربرد) های جدید شوند.

نانوتکنولوژی درحقیقت یک موضوع بین رشته ای است که با طیف کاملی از علوم شامل فیزیک، شیمی، زیست و نیز مهندسی جهت تکنیک های تولید میکروسکوپی در ارتباط است. ویژگی های فیزیکی، شیمیایی و زیستی ساختارها و سیستم ها در مقیاس نانو اساسا متفاوت از ویژگی های ماکروسکوپی آنهاست و نتیجه واکنش های اتم ها و مولکول های خاص وبه دنبال آن، ارائه کاربردهای کارآمد است. با کاهش اندازه ذرات به  سطح مقیاس نانو، افزایش فوق العاده ای در نسبت سطح به حجم آنها به وجود می آید که واکنش پذیری را افزایش داده و خصوصیات مکانیکی، الکتریکی و نوری مواد را تغییر می دهد.

صنایع غذایی و فرآوری زیستی با چالش های عظیمی برای توسعه و تکمیل سیستم هایی که بتوانند غذاها و نیز خوراک دام و طیور با کیفیت بالا و ایمن به دست دهند و در عین حال پربازده(به صرفه)، از نظر زیست محیطی قابل قبول و قابل تحمل باشند، روبروست. برای حل این (مجموعه) چالش های پیچیده مهندسی و علمی، ایجاد ابتکاراتی برای فرآیندها، تولیدات و ابزارهای جدید در صنایع غذایی، مورد نیاز است. نانوتکنولوژی در حال ورود به عرصه و تبدیل شدن به یک ابزار مهم در سراسر جهان برای صنایع غذایی و فرآوری زیستی در مواجهه با افزایش قابل پیش بینی نیاز جهانی ای است که از رشد جمعیت و افزایش درآمدها در کشورهای درحال توسعه پیش خواهد آمد. در صنایع غذایی و فرآوری زیستی، نانوتکنولوژی با پتانسیلی که دارد می تواند فرآیندهای تولید را برای تهیه تولیدات با ویژگی های بهتر و کاربردهای جدید بهبود بخشد.

کل سرمایه گذاری جهانی در بخش های نانوتکنولوژی در سال 2004، 7 میلیارد دلار آمریکا بود. ارزش سالیانه تولیدات وابسته به نانوتکنولوژی برای سال های 2015-2011، 1 تریلیون دلار آمریکا برآورد شده است. انتظار می رود بازار نانوغذاها از 7 میلیارد دلار آمریکا در سال 2006 به 4/20 میلیارد دلار آمریکا در سال 2010 جهش(رشد) داشته باشد. در سال 2006، حدود 400 شرکت کشاورزی و غذایی در دنیا فعالانه پیگیر تحقیقات و توسعه نانوتکنولوژی بودند و انتظار می رود این تعداد به بیش از 1000 شرکت در سال 2015 افزایش یابد.

اصطلاح {نانوغذا} غذایی را توصیف می کند که در مراحل کشت، تولید، فرآوری یا بسته بندی آن از تکنیک ها یا ابزارهای نانوتکنولوژی استفاده شده و یا از نانومواد تولید شده به آن افزوده شده است. برای بیان صحیح مزایای نانوتکنولوژی در کاربردهای غذایی و جلوگیری از اشتباه و سردرگمی، تعریف جدیدی از نانوتکنولوژی برای کاربردهای غذایی ضروری است.

نانوتکنولوژی کاربردهای بالقوه ای در همه جنبه های زنجیره غذا شامل ذخیره، نمایش(گزارش) کیفیت، فرآوری غذا و بسته بندی غذا دارد. کاربردهای نانوتکنولوژی در صنایع غذایی از بسته بندی هوشمند تا طراحی غذاهای فعال سفارشی را دربر می گیرد که به مشتریان اجازه تغییر غذا بسته به نیازهای غذایی و طعم ها را می دهد.

ویژگی این مقاله این است که گزارشی از نانوتکنولوژی زراعی-غذایی و یک گزارش جدید از کاربردهای شناخته شده و کاربردهای ممکن آینده نانوتکنولوژی در صنایع غذایی و فرآوری زیستی ارائه می دهد. مارک ها و نام های شرکت های ذکر شده در این نوشته فقط جهت اطلاع و نه به قصد تمجید یا تایید است.

نشان دادن کیفیت غذا

حصول اطمینان از کیفیت غذا در صنایع غذایی و فرآوری زیستی بیشترین اهمیت را داراست چون مشتریان انتظار غذای ایمن و سالم دارند و دولت ها نیز قوانین سختی اعمال می کنند تا ایمنی غذاها و بهداشت خوراک دام و طیور را تضمین کنند. کار حسگرها یا سیستم های تشخیص برای تشخیص سریع فساد اجزای فرآورده، برای کنترل کیفیت و برای تشخیص کارکرد نامناسب بر روی منبع و یا در طول زنجیره تولید، از طریق نانوتکنولوژی میسر است.

نانوحسگرها

نانوسنسورها با بررسی میکروب ها، سم ها و آلودگی ها طی زنجیره فرآوری غذا با فراهم آوردن اطلاعات قادرند اطمینان کیفی برای کنترل اتوماتیک کارها و ثبت داده ها فراهم آورند. نانوتکنولوژی همچنین ما را قادر می کند تا از نانوسنسورهای ارزان قیمت به منظور نشان دادن کیفیت غذا طی مراحل مختلف فرآیند حمل و نقل در بسته بندی غذا استفاده کنیم تا کیفیت بالای محصول را تا رسیدن به مشتری تضمین کنیم.

محققان در مرکز CWB در دانشگاه مانیتوبا در کانادا در تحقیقات روی ذخیره گندم در حال ترقی دادن نانوسنسورها برای نشان دادن کیفیت طی حمل و نقل هستند، که در این کار، نانوسنسورها از عملکرد نانوذرات پلیمری استفاده می کنند که به مواد تجزیه شونده و فرار در محیط ذخیره غذا پاسخ می دهند و بدین وسیله منبع و نوع فساد را تشخیص می دهند. مزیت این سیستم حسگر این است که می توان هزاران نانوذره را روی یک سنسور تکی قرار داد تا حضور حشرات یا قارچ های داخل توده گندم در انبار را به دقت تشخیص دهند. به علت مینیاتوره کردن و نیاز کم به قدرت(برق)، نانوحسگرها می توانند به شکل کوچک و سبک تولید شده و به صورت گسترده ای در درزهای توده های گندم، جایی که آفات محصولات دخیره شده، اغلب در آنجا پنهان می شوند، قرار داده شوند.

Ruengruglikit et al. یک زبان الکترونیک برای تعبیه در بسته بندی غذا ایجاد کرده اند که شامل یک آرایش از نانوحسگرهاست که شدیدا به گازهای آزاد شده از غذا که به علت فساد آن تولید می شوند حساس اند، که باعث می شود نوار(باریکه روبانی)حسگر تغییر رنگ دهد، که نشانه واضح و قابل مشاهده ای است از اینکه آیا غذا تازه است یا خیر.

شناسایی باکتری ها

Horner et al. یک فناوری تحلیلی به نام اندازه گیری انعکاس(اندازه گیری طول موج ها با استفاده از تداخل امواج نور) ایجاد کرده اند، که با استفاده از نانوتکنولوژی، تشخیص خاص، سریع و بدون برچسب(نشانه) بیومولکول ها را در مخلوط های پیچیده  به صورت بصری(چشمی) میسر می کند. این تکنولوژی پایه ای جدید با شناسایی باکتری اشریشیاکلی (E.coli) در نمونه ماده غذایی با اندازه گیری و شناسایی پراکندگی نوری توسط میتوکندری سلول تضمین کیفی غذا را فراهم کرده است. این حسگر روی این اصل کارمی کند که یک پروتئین قرار داده(ثابت) شده روی یک ورقه سیلیکونی از یک باکتری شناسایی و بررسی شده می تواند با هرکدام از باکتری های E.coli موجود در نمونه غذا پیوند برقرار کند. این پیوند باعث ساطع شدن نوری در مقیاس نانو خواهد شد که با آنالیز عکس های دیجیتال قابل تشخیص خواهد بود.

یک بیوحسگر ساخته شده توسط Fu et al. از ذرات رنگ فلوئورسانت متصل شده به آنتی بادی های ضد باکتری سالمونلا که روی یک نانومیله سیلیکون/طلا آرایش یافته اند بهره می گیرد. وقتی باکتری های سالمونلای موجود در غذا تست می شوند، نانوذرات رنگ روی حسگر قابل رؤیت می شوند. برخلاف تست های آزمایشگاهی مرسوم که وقت گیر و وابسته به محیط کشت های باکتریایی اند، این بیوحسگر قادر به شناسایی سریع سالمونلا در غذاست.

Campylobacter jejuni ها باکتری هایی هستند که در انسان دردهای شکمی و اسهال ایجاد می کنند. عفونت های Campylobacter می تواند مربوط به فرآورده های گوشتی ماکیان که ، با محتویات روده ای طی هضم آلوده شده اند باشد. برای حل این مشکل ایمنی غذایی، Stutzenberger et al. استراتژی جدیدی ابداع کرده است، به این صورت که نانوذرات فعال زیستی در تغذیه مرغ به کار می گیرد که اختصاصا برای اتصال با ساختارهای بیومولکولی روی سطح Campylobacter ها طراحی شده اند.غذای غنی شده با ذرات نانوکربوهیدرات (دارای نقش)آنتی بیوتیک، با سطح باکتری پیوند برقرار می کند تا آن را از طریق مدفوع پرنده(مرغ) حذف(دفع) کند.

Agromicron Ltd, Hong Kong یک اسپری ارزان قیمت با خاصیت بیولومینسنس(تولید نور) ابداع کرده است، که می تواند با سویه های پاتوژن روی غذا واکنش دهد و یک درخشش قابل رؤیت برای تشخیص آسان تولید کند. این اسپری از نانوذرات ساخته شده است و بر اساس واکنش آن با باکتری کار می کند. پس هرچه تعداد ارتباط ها بین باکتری و مولکول ها بیشتر، درخشش تولید شده توسط ذرات هم بیشتر. این اسپری می تواند طیف وسیعی از پاتوژن های غذایی مثل سالمونلا و E.coli را در غذا تشخیص دهد. اساس این تشخیص سریع E.coli در غذا استفاده از نانوذرات مغناطیسی(حدود 20 نانومتر) است که در ترکیب با آدنوزین تری فسفات بیولومینسنس، عملکرد زیستی دارند. Zhao et al. یک نوع ایمنی سنج فوق حساس ابداع کرده که برای شمارش پاتوژن ها در محل طبیعی خود در نمونه های گوشت گاو spiked ground با استفاده از نانوذرات فلوئورسنت سیلیکای دارای آنتی بادی به کار می رود.

بسته بندی مواد غذایی

هدف از بسته بندی مواد غذایی افزایش مدت نگه داری ماده غذایی به وسیله جلوگیری از فساد، باکتری ها یا از دست دادن مواد مغذی است. نانوتکنولوژی امیدهای بیشتری برای دست یابی به بسته بندی مواد غذایی با تضمین مدت بیشتر نگهداری، بسته بندی ایمن تر، قابلیت بیشتر ردیابی محصولات غذایی و غذای سالم تر  می دهد. کلید دستیابی به پیشرفت های آینده در بسته بندی قابل انعطاف، هوشمند و عامل(فعال)، فنآوری نانوکومپوزیت های پلیمری است. سیستم های بسته بندی هوشمند، قوی و فعال تولیدشده با نانوتکنولوژی قادر خواهند بود که پارگی ها ونشتی(چکه) هارا برطرف کنند(خاصیت خودتعمیری) و به شرایط محیطی(مثل تغییر در دما و رطوبت) پاسخ دهند. بسته بندی هوشمند ماده غذایی می تواند تشخیص دهد(حس کند) که محتویاتش در حال فاسد شدن است و به مشتری اعلام هشدار کند، ضمن اینکه با شروع روند فساد ماده غذایی، این بسته بندی فعال، ماده نگهدارنده ای مانند ضد میکروب ها، چاشنی ها، رنگ ها یا مکمل های غذایی به درون ماده غذایی آزاد خواهد کرد. نانوتکنولوژی می تواند با تغییر رفتار نفوذی(permeation، ترشحی) ورقات  فلزی، محلول هایی برای بسته بندی مواد غذایی فراهم کند، که با افزایش(تشدید) خواص(مکانیکی، شیمیایی و میکروبی) نفوذناپذیری(پوشش)، و با افزایش مقاومت آنها به حرارت، خواص ضد میکروبی داشته باشند.

بسته بندی ضد میکروبی

سیستم های بسته بندی ضد میکروبی برای صنایع غذایی و نیز مصرف کننده ها مهم هستند چون این سیستم ها قادرند ماندگاری محصولات را افزایش داده و با کاهش سرعت رشد میکروارگانیسم ها، ایمنی ماده غذایی را حفظ کنند. نانوذرات پوششی ضد میکروبی در ترکیب ماده بسته بندی می توانند گسترش(رشد) باکتری ها را در رو و یا در نزدیکی محصول غذایی، با ممانعت از رشد میکروبی روی مواد غذایی استریل نشده کاهش دهند و سترونی(استرلیزه بودن) مواد غذایی پاستوریزه را با جلوگیری از آلودگی(های متعاقب) حفظ کند. سیستم های بسته بندی ضد میکروبی شامل افزودن یک نانوذره بالشتک (بسته کوچک)ضد میکروبی به داخل بسته و پراکندن (مواد)عامل های فعال بیولوژیکی در بسته بندی است؛ که این لایه(پوشش) عامل های فعال زیستی، روی سطح ماده بسته بندی را در بر می گیرند، یا از ماکرومولکول های ضد میکروبی که خاصیت تشکیل فیلم دارند یا مواد خوراکی استفاده می کنند. تصویر یک نمونه فیلم پوششی نانوبسته بندی ضد میکروبی (با ضخامت 120 میکرون) بر اساس تحقیقات Buonocore et al. در شکل 2 نشان داده شده است.

غذاهایی مانند پنیر، گوشت قطعه قطعه شده و نان ها که مستعد فساد سطحی اند می توانند با بسته بندی دارای تماس(با ماده غذایی) آغشته به نانوذرات ضد میکروبی محفاظت شوند. بسته بندی فعال کاغذی ضد قارچ توسط Rodriguez et al. ابداع شد. آمیزه ای از روغن دارچین با پارافین جامد با استفاده از نانوتکنولوژی به عنوان یک پوشش فعال نشان داده شد(اثبات شد) تا به عنوان یک ماده موثر بسته بندی برای (انواع) محصولات نان استفاده شود. Rojas-Grau et al. که با روغن پونه کوهی و پوره سیب کار کرده است، فیلم های خوراکی ای ساخته است که قادرند باکتری E.coli را بکشند.

نانوذرات ضد میکروبی که ساخته و تست شده اند برای استفاده در بسته بندی های ضد میکروبی و پاکت ها(بسته های) ذخیره غذا شامل نانوذرات اکسید نقره، اکسید روی و نانوذرات منیزیم و ذرات nisin حاصل از تخمیر یک باکتری است(Gadang et al.).

شرکت آلمانی نانوتکنولوژی  GmbH در شهر Merzig آلمان برای ساخت سطوح خود تمیزشونده ای جهت استفاده در بسته های مواد غدایی و دستگاه های فرآوری گوشت یک پوشش نانویی دافع کثافت تولید کرده(CTC Nanotechnology) و می فروشد. کارکرد این تکنولوژی بر اساس فرآیند sol-gel عمل می کند جایی که نانوذرات معلق می شوند در یک محیط مایع و توسط عمل نانوهیدروفوبیزاسیون؛ جذب پذیری سطوح رفع شوند به طوری که به فاکتورهای محیطی مقاوم بمانند پس از تمیز کردن. مزیت های افزوده شده به این محصول اینها هستند که آنها به لحاظ زیستی قابل تغییر بوده و برای استفاده با مواد غذایی آزمایش و ارزیابی می شوند.

+ نوشته شده در  یکشنبه 1390/03/29ساعت 4:26 PM  توسط علی جلیلیان  |