نانو فناوری در صنعت غذایی

در فضای رقابتی کنونی، واحدهای تولیدکننده صنعت غذا همچون بسیاری از صنایع دیگر برای تولید و فروش محصولات خود با مشکلات عدیده ای روبهرو هستند، مصرف كنندگان متقاضی محصولات معتبر (مجاز)، خوش طعم، بهداشتی و باکیفیت هستند که همگی به طور مستقیم با فناوری تولید در ارتباط است. در واقع می توان گفت امروزه بیشترین رقابت صنعت غذا در ابعاد تكنولوژیكی است، بنابراین بهره گیری از آخرین فناوری های روز دنیا برای حفظ و گسترش بازار در صنعت غذا و فراوری غذا امری ضروری است. آینده متعلق به محصولات فرآوری شده و فرآورده های جدیدی است كه اهدافی همچون بهبود كارایی محصول، طولانی شدن عمر ماندگاری و تازگی محصول، بهبود كیفیت و ایمنی غذا را دنبال می كنند. تمامی اهداف مذکور از طریق بهره گیری از فناوری نانو قابل حصول هستند.

نانو تكنولوژی می تواند برای توسعه کاربردهای مواد در اندازه های كوچك، بهسازی، كنترل انتقال محموله، شناسایی آلودگی و تولید ابزار هایی بسیارکوچک برای زیست شناسی سلولی و مولكولی استفاده شود. در واقع نانو تكنولوژی شامل ابداع و استفاده از مواد آلی و غیر آلی در مقیاس بسیار کوچک است.

دست كاری پلیمرهای غذا و مجموعه های پلیمری باعث بهبود كیفیت غذا و سلامتی می شود. با استفاده از فناوری نانو می توان موادی با ویژگی جدید ایجاد کرد. ویژگی هایی همچون: خود جمع كن، خود التیام و خود نگهدار. این ویژگی ها همگی در صنایع غذا کاربرد های فراوان دارند.

نانو تکنولوژی دارای سه شاخه نانو فناوری خشک، مرطوب و محاسبه ای است که از نظر کاربردی در علوم مختلف به خصوص در ساخت و تولید مواد الکترونیکی، پزشکی و صنایع غذایی کاربرد دارد. مقاله حاضر تلخیصی است از سمیناری باعنوان (نقش فناوری نانو در صنایع غذایی ) که در دانشکده علوم دامی و صنایع غذایی برگزار شده، و طی دو شماره در بهكام ارائه خواهد شد. در این شماره به تعریف فناوری نانو و همچنین کاربردهای آن درصنعت غذا خواهیم پرداخت.

تعریف نانو تكنولوژی

نانو تكنولوژی توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید با در دست گرفتن كنترل در سطح مولكولی و اتمی و استفاده از خواص آنها در مقیاس نانو است.علم نانو، عبارت است از مطالعه و پژوهش وسایل و ساختار هایی كه در كوچك ترین واحد دیمانسیون (200 ) نانومتر یا كوچك تر وجود دارند. از تعاریف فوق بر می آید كه نانو تكنولوژی یك رشته نیست. بلكه رویكرد جدیدی در تمام رشته هاست. برای نانو تكنولوژی كاربرد هایی را در حوزه های مختلف از غذا، دارو تشخیص پزشكی و بیوتكنولوژی تا الكترونیك، كامپیوتر، ارتباطات، حمل ونقل، انرژی، محیط زیست، مواد هوا و فضا و امنیت ملی بر شمرده اند.

كاربردهای وسیع این عرصه و پیامد های اجتماعی سیاسی و حقوقی آن، این فناوری را به عنوان زمینه فرا رشته ای و فرا بخشی مطرح كرده است.هرچند آزمایش ها و تحقیقات پیرامون نانو تكنولوژی از ابتدای دهه قرن بیستم به طور جدی پیگیری شده اما اثرات تحول آفرین، معجزه آور و باور نكردنی نانو تكنولوژی در روند تحقیق و توسعه باعث شد كه نظر تمامی كشور های بزرگ به این موضوع جلب شود و فناوری نانو را به عنوان یكی از مهم ترین اولویت های تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یكم محسوب كنند. به طوری که ژاپن در سال 2001، رقمی بالغ 400 میلیون دلار و در سال2004، رقمی بالغ 960 میلیون دلار هزینه کرده است و آمریکا برای این امر در سال های 2005-2008 حدود 7/3 بیلیون دلار اختصاص داده است.

استفاده از این فناوری در كلیه علوم باعث شده است كه تحقیقات در زمینه نانو به عنوان چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد. نانو تکنولوژی دارای سه شاخه نانو فناوری خشک، مرطوب و محاسبه ای است که از نظر کاربردی در علوم مختلف به خصوص در ساخت و تولید مواد الکترونیکی- پزشکی و صنایع غذایی کاربرد دارد.

تاریخچه نانو در جهان

حدود چهل سال پیش (ریچارد فیمن) متخصص كوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل در سخنرانی معروف خود در سال 1959 با عنوان ( آن پایین فضای بسیاری هست ) به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت. وی در آن زمان اظهار داشت: تا آن جا كه من توانایی فهمش را دارم، اصول علم فیزیك بر خلاف امكان ساختن اتم به اتم اشیا، حرفی نمی زند. او فرض را بر این قرار داد كه اگر دانشمندان فرا گرفته اند كه چگونه ترانزیستورها و دیگر سازه ها را با مقیاس های كوچك بسازند، پس خواهیم توانست آنها را كوچك و كوچك تر كنیم. در واقع با این کار، سازه ها به مرزهای حقیقی شان در لبه های نا معلوم كوانتوم نزدیك خواهند بود با انجام این کار توانسته ایم یك اتم را در مقابل دیگری به گونه ای قرار دهیم كه بتوانیم كوچك ترین محصول مصنوعی و ساختگی ممكن را ایجاد كنیم. حالا جای این سوال باقی می ماند که با استفاده از این فرم های بسیار كوچك چه وسایلی می توانیم ایجاد كنیم ؟

فیمن در ذهن خود یك دكتر مولكولی را تصور كرد كه صدها بار از یك سلول منحصر به فرد كوچك تر خواهد بود و می تواند به بدن تزریق شود و درون بدن برای انجام كاری یا مطالعه و تایید سلامتی سلول ها، اعمال ترمیمی و به طور كلی برای نگهداری بدن در سلامت كامل به حرکت بپردازد. واژه فناوری نانو اولین بار توسط (نوریوتا ینگوچی) استاد علوم دانشگاه توکیو مطرح شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر است به کاربرد. (مینسكی) پدر هوش مصنوعی، توانست به تفكرات فیمن قوت ببخشد. او و شاگردش (درکسلر) گروهی از دانشجویان كامپیوتر را به صورت انجمنی دور هم جمع كردند. او افكار جوانترها را با یكسری ایده ها كه خودش نانو تكنولوژی نامگذاری كرده بود مشغول می داشت.«در کسلر» تنها درجه دكتری نانو تكنولوژی را در سال 1991 ازدانشگاه MIT دریافت داشت او یك پیشرو در طرح نانو تكنولوژی است.

اصول پایه نانو تكنولوژی

نانو تكنولوژی، تكنولوژی سریع و نوینی است كه امكان كار، دست كاری و تولید ابزار، مواد و ساختار هایی در سطح مولكولی و حتی اتمی توسط اتم در ساختارهای عملكردی در بعد نانومتر را می دهد. ما با روش های نانو می توانیم ابزار های چند كاره، خود تنظیم، خود كنترل و خود ترمیم بسازیم.

واژه نانو از یك كلمه یونانی به معنای «كوچك یا ریز» مشتق شده است. نانو به اندازای بین 1 تا 100 نانومتر می گویند. طول موج نور مرئی، اندازه ای بین 400-700 نانومتر و سلول زنده اندازه ای معادل یك میكرون (1000 نانومتر) دارد.

ارتباط نانو تكنولوژی و صنعت غذا

نانوساینس(Nano science): مطالعه پدیده ها و دست كاری مواد در مقیاس های اتمی، مولكولی، ماكرو مولكولی است جایی كه خصیصه ها تفاوت چشمگیری با مقیاسهای بزرگ دارند.

نانوتكنولوژی (Nano technology): تكنولوژی است كه به وسیله آن ما در خواص مولكول های تشكیل دهنده مواد تغییری ایجاد می كنیم تا بتوانیم از آنها در طراحی، تولید و استفاده از ساختارهای كاربردی، ابزار ها و… بهره جوییم.نانو تكنولوژی به عنوان یك تكنولوژی قدرتمند قادر است كه سیستم غذایی را متحول كند. امنیت سیستم غذایی و كشاورزی بسیار حائز اهمیت است. غذاهای سنتی باید با كنترل و امنیت بیشتری تهیه شوند. امنیت سیستم غذایی و كشاورزی، درمان بیماری زایی با سیستم توزیع دارو و ابزارهای جدید بیولوژیکی مولكولی و اتمی (سلولی)، ابزارهای جدید برای شناسایی پاتوژن و حفاظت از محیط زیست مثال های مهمی در رابطه با نانو هستند.

برخی از نمونه های اساسی نانو به عنوان تكنولوژی قدرتمند مدرن عبارتند از:

ـ تولید، فرآیند و ارسال محصولات غذایی كه با امنیت بیشتری تولید شده اند. زیرا نانو سنسورها برای شناسایی پاتوژن و آلودگی ها پیشرفت های فوق العاده ای را ایجاد كرده اند.
– توسعه نانو ابزارهایی كه امكان ثبت تاریخچه محیط، موقعیت و روش های ارسال كالا را ثبت می كند.
– سیستم هایی كه تركیبی از حس گرهای هوشمند هستند و موقعیت شناسی، گزارش دهی و كنترل از راه دور را با امنیت بیشتر و موثرتری انجام می دهند.

درواقع نانو تكنولوژی پتانسیل های واقعی سیستم ها ی راندمان تولید محصولات و فرآیند های غذایی، امنیت غذا و پیامد های زیست محیطی تولید، انبار و توزیع بهتر غذا را حفظ می كند. با این فناوری می توانیم بیماری یك ماده اولیه تولید در صنعت غذا مانند گیاه یا حیوان را ماه ها قبل از شناسایی شدن بیماری توسط نشانه های ارگانیسم آن، شناسایی کرده و از استفاده آن برای تولید موادغذایی خودداری كنیم.نانو در اندازه ای بسیار کوچک امکان شناسایی ویروس یا ذرات بیماری زا را میسر کرده و ریشه كنی سریع آن را ممكن می سازد. نانو امكان توزیع سریع دارو را قبل از ظهور علایم درسطح وسیع را فراهم می كند. برای مثال این مواد در بدن موجود زنده كاشته می شوند و قبل از بروز تب هشدار داده و می تواند حضور بیماری را شناسایی کرده و اطلاع دهند. پزشک نیز از این طریق قبل از بروز علائم بیماری امکان شروع درمان و پیشگیری را خواهد داشت.

این فناوری هوشمند، برای سیستم بیولوژیكی و بیواكتیو (Bioactive) مثل دارو، آفت كش، مواد مغذی، مواد زیست شناسی، بیوراكتورهای سلولی، و یا هر ماده غذایی یا به کار رفته در غذا که با خود مزایای پزشکی و سلامتی- مثل جلوگیری یا درمان بیمار ی ها – را به همراه دارد، قابل استفاده است. برخی از انواع محصولات و فراورده های مرتبط با صنعت غذا که قابلیت بهره گیری از تکنولوژی نانو را دارند عبارتند از غذاهای جداشده، مکمل های رژیمی و افزودنی های ویژه اغذیه مهندسی ژنتیکی شده، محصولات گیاهی و غذاهای فرآوری شده همچون حبوبات، سوپ ها و نوشیدنی ها و..

نانوتكنولوژی به عنوان یك فناوری قدرتمند ، توانایی ایجاد تحول در سیستم كشاورزی و صنایع غذایی آمریكا و سر تاسر دنیا را دارد . نمونه هایی از كاربردها و پتانسیلهای بالقوه نانوتكنولوژی در كشاورزی و صنایع غذایی ، شامل سیستم های جدید آزاد كننده دارو برای درمان بیماریها ، ابزارهای جدید بیولوژی سلولی و مولكولی ، امنیت زیستی و تضمین سلامتی محصولات كشاورزی و غذایی و تولید مواد جدید مورد استفاده برای شناسایی عوامل بیماریزا و حمایت از محیط زیست می باشد.

تحقیقات اخیر ، امكان استفاده از نانوشلها و نانوتیوپها را در سیستمهای جانوری برای تخریب سلولهای هدف ، به روشنی ثابت نموده است . امروزه از نانوپارتیكل ها كه اجرام بسیار كوچكتر از حد میكرون هستند ، برای رها سازی داروها و یا ژنها به داخل سلولها استفاده می كنند و مورد انتظار است كه این تكنولوژیها در ۱۰ الی ۱۵ سال آتی مورد بهره برداری كامل قرار گیرد. با روند رو به رشد تحقیقات اخیر ، این پیش بینی منطقی است كه در دهه آینده ، صنعت نانوتكنولوژی با توسعه بی نظیر خود ، منجر به ایجاد انقلاب عظیم در بخش پزشكی و بهداشت و همچنین تولیدات دارویی دام و آبزیان گردد ….

• مقدمه :

نانوتكنولوژی به عنوان یك فناوری قدرتمند نوین ، توانایی ایجاد انقلاب و تحولات عظیم را در سیستم تامین مواد غذایی و كشاورزی ایالت متحده آمریكا و در گستره جهانی دارد . نانوتكنولوژی قادر است كه ابزارهای جدیدی را برای استفاده در بیولوژی مولكولی و سلولی و همچنین تولید مواد جدیدی ، برای شناسایی اجرام بیماری زا معرفی نماید و بنابراین چندین دیدگاه مختلف در نانوتكنولوژی وجود دارد كه می تواند در علوم كشاورزی و صنایع غذایی، كاربرد داشته باشد .

به عنوان مثال امنیت زیستی تولیدات كشاورزی و مواد غذایی ، سیستمهای آزاد كننده دارو بر علیه بیماریهای شایع ، حفظ سلامتی و حمایت از محیط زیست از جمله كاربردهای این علم می باشد .

• علم نانوتكنولوژی چیست؟

انجمن ملی نوبنیاد نانوتكنولوژی كه یك نهاد دولتی در كشور امریكا می باشد ، واژه نانوتكنولوژی را چنین توصیف می كند :  تحقیق و توسعه هدفمند ، برای درك و دستكاری و اندازه گیریها مورد نیاز در سطح موادی با ابعاد در حد اتم ، مولكول و سوپرمولكولها را نانوتكنولوژی می گویند. این مفهوم با واحدهایی از یك تا صد نانومتر ، همبستگی دارد . دراین مقیاس خصوصیات فیزیكی، بیولوژیكی و شیمیایی مواد تفاوت اساسی با یكدیگر دارند و غالبا اعمال غیر قابل انتظار از آنها مشاهده می شود . در سیستم كشاورزی امروزی ، اگردامی مبتلا به یك بیماری خاص شود ، می توان چند روز و حتی چند هفته یا چند ماه قبل علائم نامحسوس بیماری را شناسایی كنند و قبل از انتشار و مرگ و میر كل گله ، دامدار را برای اخذ تصمیمات مدیریتی و پیشگیری كننده آگاه كند و بنابراین می توان نسبت به مقابله با آن بیماری اقدام نماید .

نانوتكنولوژی به موضوعاتی در مقیاس هم اندازه با ویروسها و سایر عوامل بیماری زا می پردازد و بنابراین پتانسیل بالایی را برای شناسایی و ریشه كنی عوامل بیماری زا دارد . نانوتكنولوژی امكان استفاده از سیستمهای آزاد كننده داروئی را كه بتواند به طور طولانی مدت فعال باقی بماند ، فراهم می كند .

به عنوان مثال استفاده از سیستمهای آزاد كننده دارو ، می توان به ایمپلنتهای ابداع شده مینیاتوری در حیوان اشاره كرد كه نمونه های بزاقی را به طور مستمر كنترل می كنند و قبل از بروز علائم بالینی و تب ، از طریق سیستمهای هشدار دهنده و سنسورهای ویژه  ، می تواند احتمال وقوع بیماری را مشخص و سیستم خاص ازاد كننده دارو معینی را برای درمان موثر توصیه كنند. طراحی سیستمهای آزاد كننده مواد دارویی ، یك آرزوی و رویای همیشگی محققان برای سیستمهای رها كننده داروها ، مواد مغذی و پروبیوتیكها بوده و می باشد .

نانوتكنولوژی به عنوان یك فناوری قدرتمند به ما اجازه می دهد كه نگرشی در سطح مولكولی و اتمی داشته و قادر باشیم كه ساختارهایی در ابعاد نانومتر را بیافرینیم .

برای تعیین و شناسایی بسیار جزئی آلودگیهای شیمیایی ، ویروسی یا باكتریایی در كشاورزی و صنایع غذایی معمولا از روشهای بیولوژیكی ، فیزیكی و شیمیایی استفاده می گیرد . در روشهای اخیر نانوتكنولوژی برای استفاده توام این روشها ، یك سنسور در مقیاس نانو طراحی كرده اند در این سیستم جدید، مواد حاصل از متابولیسم و رشد باكتریها با این سنسورها تعیین می گردد . سطوح انتخابی بیولوژیكی ، محیطی هایی هستند كه عمده واكنشهای و فعل و انفعالات بیولوژیكی و شیمیایی در آن محیط انجام می شود .

چنین سطوحی همچنین توانایی افزایش یا كاهش قدرت اتصال ارگانیزمها و ملكولهای ویژه را دارد . از جنبه های كاریردی استفاده از این سطوح، طراحی سنسورها ، كاتالیستها ، و توانایی جداسازی یا خالص سازی مخلوطهای بیومولكولها می باشد . نانومولكول ها موادی هستند كه اخیراً از طریق نانوتكنولوژی به دست آمده اند و یا در طبیعت موجودند و بوسیله این ساختارها ، امكان دستكاریهای درسطح نانو و تنظیم و كاتالیز واكنشهای شیمیایی وجود دارد . نانو مواد از اجزای با سایز بسیار ریز تشكیل شده اند و اجزا تشكیل دهنده چنین ساختارهایی بر خواص مواد حاصل در سطح ماكرو تاثیر می گذارد .

ساختارهای كروی توخالی (buckey balls ) كه با نام دیگر فلورن هم شناخته شده اند ، مجموعه از اتمهای كربن متحدالشكل به صورت كروی هستند كه در چنین ساختاری هر اتم كربن به سه اتم كربن مجاورش متصل شده . دانشمندان اكنون به خوبی می دانند كه چگونه یك چنین ساختاری را به وجود آورند و كاربردهای بیولوژیكی آن امروزه كاملا ًشناخته شده است . از جمله كاربردهای چنین ساختارهایی برای رها سازی دارو یا مواد رادیواكتیو در محلهای مبتلا به عوامل بیماریزا می باشد .

ایده استفاده از۶۰ اتم كربن به جای ۸۰ اتم ، ساختارهای تو خالی را برای آزاد سازی دارو فراهم می كند . هدف از این كار در نهایت رسیدن به گروهای قابل انحلال پپتیدها در آب می باشد كه نتیجتاً این مولكولها به جریان خون راه پیدا می كنند . نانوتیوپ ها ساختارهای توخالی دیگری هستند كه از دو طرف باز شده اند و گروه های اتمی دیگری به آنها اضافه شده اند و یك ساختار شش گوشه را تشكیل می دهند . نانوتیوپها می توانند به عنوان یك ورقه گرافیت در نظر گرفته شوند كه به دور یك لوله پیچیده شده اند

بازدیدها: 2