کاربرد نانوتکنولوژی در صنایع غذایی

سابقه و هدف :
نانو فناوری یکی از جدید ترین علومی است که در سه شاخه مرطوب ، خشک و محاسبه ای اینده زندگی بشر را دگرگون خواهد ساخت . یکی از مهمترین زمینه های تاثیر گذاری نانو فناوری در زندگی انسان ، علم غذا است که به دلیل احتیاج روزمره و دائمی انسان به غذا هر گونه تغییر و تحو لی در ان نقش به سزایی در تغییر کیفیت زندگی انسان خواهد داشت . لذا به منظور تبیین جایگاه نانو فناوری و نانو علم در علوم غذا و صنایع این مقاله نوشته شده است .
مواد و روش :
پژوهش به صورت مروری و با استفاده از کلمات کلیدی نانوفناوری ، نانو علم ، علوم غذایی و صنایع غذا یی انجام شد . خلاصه و اصل مقالات در سایت های جستجو گر همچون ، Yahoo ، Google ، Med ، Pub ، Elsevir و نیز در کتب ، مجلات ، مقالات کنگر ه ها جستجو و پس از تکمیل با دیدی تحلیلی مورد بررسی قرار گرفتند .

یافته ها :
نانو فناوری و نانو علم از پتا نسیل قوی برای بهبود اقتصاد و استاندارد های زندگی بشر برخودار است و کاربرد ان در حوزه های مختلف از جمله ساخت مواد ، الکترونیک و رایانه ، پزشکی و بهداشت ، امنیت ملی و دفاعی ئ غیره روز به روز بیشتر می شود . مهمترین ابزار نانو فناوری ساخت نانو مواد است که در شاخه های مختلف علوم از جمله علوم ذا کاربرد دارند . از جمله کاربرد های نانو مواد در علوم غذا و صنایع غذایی ، می توان به بسته بندی ، تولید غذا های ملکو لی ، برچسب گذاری و پایش ، افزودنی های غذایی ، غذا های دارای انتشار مخصوص در بدن و روکش کردن انزیم ها اشاره نمود .
نتیجه گیری و توصیه ها :
بر اساس نظر غالب پژوهشگران نانو فناوری و نانو علم ، دستیابی به فناوری نانو یکی از پایه های تحیکم استقلال و امنیت ملی کشور ها است . جایگاه نانو فناوری در علوم غذا از دو جنبه سلامت غذا و تغذیه و نیز مبارزه با گرسنگی اشکار و پنهان قابل بررسی می باشد . با تو جه به ضرورت اشنایی دانشجویان و پژوهشگران رشته های و ابسته به علو م غذا ، تد ریس مبانی کاربردی نانو فناوری در دور ه های تحصیلات تکمیلی رشته های وابسته به

علو م غذا همچون علوم صنایع غذا یی ، دامپزشکی و تغذیه توصیه می گردد.
مقدمه :
نانو فناوری توانا یی کار در سطح ملکو لی یا اتمی ، برای ایجاد ساختار های بزرگ و کاملا نو با سازماندهی ملکو لی است . تاکنون تعاریف متعدد ی بای نا نو فناوری ارایه شده است . در حالی که برنامه های پیشگامی ملی نانو تکنو لو ژی امریکا برای اینکه موضوعی را درسطح نانو فناوری بشناسد سه شرط قایل است :
۱ _ هر گونه تحقیق یا توسعه فناوری که در سطح اتمی ، ملکو لی یا ماکرو ملکولی و در مقیاس طولی تقریبی یک تا ۱۰۰ نانو متر انجام شود .
۲ _ ایجاد ویا استفاده از ساختارها، ابزار ها ودستگاه ه ها یی که دارای ویژگی ها و عملکرد ها ی جدید به دلیل اندازه کوچک یا متوسط خود باشند .

۳ _ توانا یی کنترل در سطح اتمی .
برای این که درک واقعی تری از نانو فناو ری پیدا کنیم ، ابتدا لازم است تعریفی از نانو متری داشته باشیم . نانو متر یک بیلینوم متر است . برای مقایسه می توان گفت که عرض (پهنای) موی سر انسان تقریبا ۸۰ هزار نانو متر می باشد . یک جسم در مقیاس نانو متری حتی از یاخته نیز کوچکتر است و فقط توسط ریزبین های اتمی خاص ، که امروزه در کشورهای پیشرفته تولید می شوند قابل مشاهده است .
به طور کلی مطالعات نانو فناوری را می توان به سه دسته تقسیم کرد . اگر چه روش های تحقیقاتی در انها با یکدیگر متفاوت است ، اما این سه شاخه کاملا با یکدیگر مرتبط است هستند و پیشرفت در یکی از شاخه ها ، مکن است بر شاخه های دیگر نیز موثر باشد . این شاخه ها عبارتند از :
۱ _ نانو فناوری مرطوب :
این شاخه به مطالعه ساختار های زند ه ای می پردازد ، که در محیط های ابی قرار دارند . در این شاخه از نانو فناوری ، ساختمان مواد ژنتیکی ، غشا ها و سایر ترکیبات یاخته ای در مقیاس نانوم تر مورد مطالعه قرار می گیرد . این شاخه در بر گیرنده علوم پزشکی ، دارو یی و به طور کلی علوم و روش های مرتبط با زیست فناوری است .
۲ _ نانو فناوری خشک:
این شاخه از نانو فناوری علوم پایه شیمی و فیزیک مشتق می شود و به مطالعه تشکیل ساختا رهای کربنی ، سیلیکونی ، مواد غیر الی و فلزی می پر دازد . در نانو فناوری خشک ، کاربردمواد نانو یی در الکترونیک ،مغناطیس و ابزا های نوری مورد مطالعه قرار می گیرد . برای مثال طراحی و ساخت ریزبین هایی که بتوان با استفاده از انها مواد را در ابعاد نانو متر دید در این شاخه قرار می گیرد .

۳ _ نانو فناوری محاسبه ای :
در بسیاری از مواقع ابزار های ازمایشگاهی موجود برای انجام برخی ازمایش ها و تحقیقات در مقیاس نانو مناسب نیستند و با این که انجام این گونه ازمایش ها بسیار گران تمام می شود . در این حالت از را یانه ها برای شبیه سازی فرایند ها و واکنش ها ی اتم ها و ملکو ل ها به دست می اید باعث افزایش سرعت پیشرفت نانو تکنو لو ژی خشک و نانو تکنو لو ژی مرطوب می شود .
اهمیت نان وفناوری در جهان امروز و اینده بشریت
نانو فناوری و نانو علم از پتانسیلی قوی ، برای بهبود اقتصاد و استاندارد های زندگی بشر بر خوارند . تغییراتی که نانو فناوری در زندگی بشرا یجاد خواهد کرد به پیشرف

ت های ایجاد شده توسط فناوری اطلاعات در دو دهه گذشته بی شباهت نمی باشد . تا۵ یا ۱۰ سال اینده محصولات تجاری بیشتری از نانو فناوری وارد بازار خواهند شد .
هر چند از هم اکنون نیز ورود این محصولات به با زار های جهانی اغا

ز شده است . در حال حاضر محصولاتی با بکار گیری ویژگی مواد در مقیاس نانو برای مصرف کنندگان و صاحبان صنایع فراهم هستند .برای مثال جستجو گر های مین های زمینی ، پانسمان مخصوص سوختگی و زخم ، فیلتر های مخصو ص اب ، کاتا لیزو رها ، سپر خودرو ها پوشش های ضد خیرگی برای عینک های افتابی و شیشه خودرو ها ، کرم های ضد افتاب و لوازم ارایش ، توپ های تنیس با دوام ، راکت های تنیس سبک و مقاوم ، پارچه ها ولباس های ضد لک و جوهر خودکار همگی محصولاتی جدید از نانو فناوری هستند .
در مجموع شاید بتوان حوزه ها ، کاربرد ها و منافع بالقوه نانو تکنو لوژی را در حیطه های زیر طبقه بندی نمود ، اما باید در نظر داشت که زمان لازم برای تبدیل علم به تکنو لو ژی تقریبا ۱۰ الی ۱۵ سال است و نمی توان از هم اکنون تمامی جنبه های کار بردی این علم را بیش بینی نمود
۱ _ حوزه ساخت وتو لید مواد :
نانو تکنولو ژِ ی در اینده شیو ه های تولید مواد و وسایل را از ریشه دگر گون می سازد . توانا یی تولید واحد های ساختمانی در مقیاس نانو ، کنترل بسیار دقیق ابعاد ، ترکیب و سپس سوار سازی انها در ساختا رها ی بزرگتر و با ویژگی ها و کارکرد های بی نظیر ، در صنعت مواد تحولاتی انقلا بی پدید خواهد اورد .
۲ _ حوزه الکترونیک و رایانه :
بهبود مستمر مینیاتور سازی ، افزایش سرعت و کاهش مصرف انرژی در وساسل پردازش اطلا عات ( حسگر ها ی گیرنده سیگنال ، مدار های منطقی برای پردازش ، وسایل ذخیره سازی برای حافظه و صحفات نمایش گر دستگاه های فرستنده مخابراتی ) از پیشرفت های قابل پیش بینی این حوزه هستند .
۸ _سایر حوز ه ها :
حوز هایی همچون بیو تکنولوژی ، اموزش علوم ، صنعت حمل ونقل و خودرو سازی ، صنعت چاپ ، و تجارت سایر حو زه های هستند که تشریح کاربرد نانو فناوری در انها ، از حوصله این مقاله خارج است . لازم به ذکر است که با توجه به اهمیت کاربر دهای نانو فناور

ی و نانوعلم در تمامی شاخه ها و حوز ه های زندگی بشر ، میزان سرمایه گذاری بودجه دولتی امریکا در بخش تحقیق و توسعه نانو فناوری از ۴۶۴ میلیون دلار در سال ۲۰۰۱ به ۱۲۴۰ میلیون دلار در سال ۲۰۰۵ افزایش یافته است . سایر کشور های جهان نیز به این موضوع توجه خاصی مبذول نموده اند . به عنوا ن مثال در قاره اسیا کشور های ژاپن ، چین و کره پا به پای کشور های اروپا یی از پیشتازان نانو فناوری به شمار می روند .

عوامل موثر بر خواص مواد
برای این که بتوان به صورتی عمیق تر مباحث نانو تکنو لو ژی را دنبال نمود ، لازم است عوامل موثر بر خواص توده ای مواد به صورت اجمالی مرور شود .
عوامل موثر بر ساختار مواد عبارتند از :
۱ _ عناصر تشکیل دهنده مواد

۲ _ ساختار مواد
۳_ زیر ساختار
عناصر تشکیل دهنده مواد :
در نگاه اول شاید این گمان حاصل شود که تفاوت های موجود در مواد مختلف ، حاصل تفاوت عناصر تشکیل دهنده انها است . هر چند عناصر و ترکیب شیمیایی مواد تا حدی خواص انها را مشخص می کند اما با کمی دقت در ترکیب شیمیایی مواد پیرامون ، مشخص می شود که بسیاری از انها با وجود انکه دارای عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیا یی یکسان می باشند از نظر رفتار و خواص بسیار متفاوتند و برخی دیگر از مواد نیز با داشتن عناصر تشکیل دهنده و مواد شیمیا یی متفا وت با یکدیگر ، دارای خواص و رفتار مشابهی هستند . مثال معروف ان گرافیت و الماس است که هردو از اتم های کربن تشکیل شده اند اما (( ریخت های )) متفاوتی از عنصر کربن هستند .
۲ _ ساختار مواد :
ساختار مواد ، ارتباط بین این اتم ها ، یون ها و ملکو ل ها ی تشکیل دهنده مواد را مشخص می کند . برای شناخت سا ختار مواد ، ابتدا باید به نوع اتصا لات بین اتم ها و یون ها پی برد . در مثال الماس و گرافیت علیرغم انک عنصر سازنده هر دو یکی است اما الماس به عنوان سخت ترین ماده طبیعی معرفی می گردد در صورتی که گرافیت به دلیل نرمی ب

سیار به عنوان ماده (( روانساز )) به کار گرفته می شود . علت این امر در (( چگونگی اتصا لات و پیوند های شیمیا یی )) این دو شکل کربن است . در گرافیت ، اتم های کربن ، شش ضعلی پیوسته ای شبیه به یک لانه زنبورتشکیل می دهند که در یک

سطح گسترده شده است و لایه های شش ضعلی ساخته شده با قرار گرفتن روی هم ، حجمی را تشکیل می دهند که به ان گرافیت می گوییم . بنابراین در ساختار گرافیت دو نوع اتصال وجود ارد . یک نوع اتصال ، اتصال داخلی بین اتم های کربن لانه های زنبو ری است ( پیوند کوالا نسی ) و نوع دوم اتصالی است که لایه های لانه زنبوری را به یکدیگر وصل می کند و ضعیفتر از پیوند کوالانسی می باشد . یعنی گرافیت در جهت صحفات لانه زنبوری به لیل داشتن پیوند قوی استحکام بالا یی دارد . اما در جهت عمد بر صحفات لانه زنبوری و به دلیل پیوند ضعیف ثانویه ، استحکام ان به مراتب کمتر است . بنابراین با اعمال نیرویی بیشتر می توان لایه های لانه زنبوری را بر روی یکدیگر لغزاند .

در مقابل الماس ، دارای یک ساختار شبکه ای است . یعنی در گرافیت پیوند ههای اولیه ( پیوند های اتمی ) تنها در یک سطح ( در یک وجه ) برقرار می شوند در حالی که در ساختار الماس ، این پیوند ها به صورت شبکه ای سه بعدی ، فضا را پر می کنند . در ساختار گرافی

ت هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر پیوند اتمی از جنس کوالا نسی ایجاد می کند در حالی که در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند اتمی از جنس کوالانسی برقرار می نماید .
در مجموع می توان گفت که ساختار عبارت است از: نوع پیوند ها ، تعداد انها و چگونگی پیوند های تشکیل دهنده مواد تاثیر به سزایی در خواص مواد دارد . بنابراین با مطالعه در ه بخی از خواص مواد می توان ساختار متناسب را برای انها طراحی کرد .
۳ – زیر ساختار مواد :
ممکن است این تصور پیش اید که مواد توده ای شکل ، گسترش یافته ساختار اولیه هستند و بنابراین تمامی خواص و رفتار ساختار اولیه را دارا خواهند بو د. اما این تصور با مشاهدات ویژگی های رفتاری مواد متفاوت است . به عنوان مثال در ساختار گرافیت انتظار می رود که استحکام ان در راستا های مختلف ، متفاوت می باشد زیرا ساختار اولیه در جهت صحفات لانه زنبوری دارای استحکام بالا و در جهت عمود بر صحفات ، دارای استحکام کم است . بنابراین مداد تنها در یک جهت خاص باید قابلیت نوشتن داشته باشد اما مداد در هر زاویه و جهتی نسبت به کاغذ حرکت می کند می نویسد . دلیل این تناقض را با بررسی ریزبینی گرافیت در می یابیم . بابررسی ریز بینی گرافیت مشخص می شود که توده گرافیت یکپارچه نیست بلکه این توده متشکل از دانه های بسیاری است که هریک به صورت مستقل و جدا از یکدیگر در درون خود دارای ساختار گرافیت هستند . به عبارت دیگر توده گرافیت ، اجتماع بی نظمی از بخش هایی است که هریک دارای ساختار گرافیت هستند .
اشنایی با اصطلا حات نانو مواد :
۱ _ نانو بیو مواد
۲ _ نانو لوله ها و نانو کامپوزیت
۳ _ نانو فیلتر ها ، نانو سنسورها و مواد هوشمند
۴ _ ماشین های نانو فناوری
مواد در مقیاس نانو یعنی موادی که ویژگی هایشان در سطح کمتراز میکرو قابل کنترل است . خواص مواد در چنین ابعاد و انداز های با مواد متعارف اساسا متفاوت است و به همین دلیل تحقیقات در حوزه نانو مواد روز به روز فعالتر می شود
نانو بیو مواد :
نانوبیومواد شامل موارد ذیل است :
الف : _ نانو بیوذرات :
ذرات کلوئیدی و جامدی هستند که شامل اجزای ماکروملکولی باشیمی سطح پیچیده می باشند .بسته به روش تولید ، نانو ذرات به شکل نانوکپسول یا نانو کرهای هستند . نانو کره ها سیستم های ماتریسی می باشند در حالی که نانو کپسول ها سیستم های وزیکولارند .
ب: _ نانو کپسول ها :
نانو ذراتی هستند دارای یک پوسته که فضای داخلی انها جهت قرار گرفتن و حمل واد مورد نظر تعبیه شده است . از فسفولیپید ها ، لیپید و پروتئین می توان برای ساخت نانو کپ

سول ها استفاده کرد .
پ: _ درخت سان ها :
ماکروملکولهای با ساختار منظم و پر شاخه سه بعدی هستند که به خاطر چگالی بالای گروه های فعال ، کاربرد های زیادی دارند .
رسوبات دو ظرفیتی فسفولیپید ی پایدار از مواد طبیعی هستند . این مواد ساختار های چند لایه ای می باشند که از ورقه های دو لایه ای بزرگ و پیوسته چربی که به شکل مارپیچ در امده اند ، تشکیل شده اند . چنین موادی محتویاتشان را از طریق لایه سیال خارجی به غشای یاخته ها ی هدف منتقل می دهند . کاکلیت ها در برابر عوامل محیطی مقاوم هستند و ساختار لایه ای محکمشان انها را در برابر تجزیه توسط ملکو لهای شکننده کاکلیت ها محافظت می کند ، حتی اگر در شرایط سخت محیطی یا دی برابر انزیم قرار گیرند.
ه : _ ذرات ویروس مانند :
از بیان نوترکیب ساختمان اصلی پروتئین ها ی بسیاری از ویروس ها تولید می شوند .چنین ذراتی ریخت شناسی شبیه به کپسید های خالی از ویروس که از ان منشا ء گرفته اند دارند . بنا براین ساختارشان شبیه به ویروس اصلی است اما در عین حال غیر فعال هستند .
و : _ پروتئین نانو ذرات :
به طور طبیعی اندازه پروتیئن ها کمتر از مقیاس نانو است . با استفاده از روش های سنتز در نانو فناوری ، می توان پروتیئن های تولید کرد که در مقیاس نانو باشند .
در صنایع غذایی از نانو بیو مواد ،بر ای افزودن طعم ورنگ دلخواه به غذا و افزودن ریزمغذی ها ی حساس به حرارت و PH مثل بتاکاروتن و اسید چرب امگا ۳ استفاده می شود . کاکلیت ها نیز در صنعت غذا برای انتقال بسیاری از مواد زیستی که به سختی در اب حل می شوند ، مودم غذی حساس به حرارت ، PH و شرایط نامساعد محیطی به کار می روند . همچنین نانو ذرات با چسبندگی خاصی که دارند قادرند به صورت برگشت نا پذیری به بعضی از باکتری ها متصل شده مانع الوده کردن میزبان توسط انها می شوند .
کاربرد های نانو فناوری در صنایع غذایی :
صنعت غذا نیز همانند سایر علوم و صنایع تحت تاثیر دگرگونی های حاصل از پیشرفت نانو فناوری قرار می گیرد و در اینده بسیار نزدیک نحوه تولید ، فراوری و توزیع مواد غذایی تغییرات شگرفی خواهد نمود . در قسمت زیر به برخی از رایج ترین این کاربرد ها اشاره

میشود :
۱ _بسته بندی :
امروزه بسته بندی و پالایش مواد غذایی یکی از عمده ترین زمینه های تمرکبه صورت ((هوشمند )) در امده اند واین بدان معنا است که این بسته ها به شرایط محیطی واکنش نشان می دهند ، یا در صورت خراب و سوراخ شدن خود را تعمیر و ترمیم می کنند و یا حتی مصرف کننده را نسبت به وجود الودگی و یا حضور عوامل بیماریزا در بسته ، اگاه می سازند . در حال حاضر پژوهشگران هلندی در زمینه بسته بندی های هوشمند یک گام به جلو برداشته اند . انها بسته بندی هایی را طراحی کرده اند که به محض شروع فساد در ماده غذایی داخل بسته ، از خود ماده نگهدارنده ازاد می کند . این نوع بسته بندی که (( ازاد شدن به دستور )) نام دارد توسط یک سوییچ زیستی ، که به روش نانو فناوری ساخته شده فعال می شود .
از دیدگاه ارتش امریکا تولید سنسور های کوچک برای جستجوی عوامل بیماری زا ی غذا جزء اولویت امنیت ملی محسوب می شود . با فناوری های فعلی ، ازمایش الودگی میکروبی موادغذایی ، بین دو تا هفت روز طول می کشد . همچنینی حسگرهایی که امروزه در حال تحقیق در زمینه تکامل حسگرهای زیستی ای هستند که عوامل بیماریزا را سریع واسان جستجو می کند.