نویسندگان: نسیم غلام شهبازی / مصطفی فتاحی
چکیده
نانوتکنولوژی یک فناوری نوظهور در زمینه مواد غذایی و کشاورزی است. هر مولکول و اتم منفرد را می توان با این فناوری، اصلاح یا کنترل کرد. هر چیزی که روی زمین وجود دارد از اتم ها و مولکول ها تشکیل شده است. مشکلات موجود در همه زمینه ها را می توان به راحتی با اصلاح یا تغییر در ابعاد نانو برطرف کرد. به طور مشابه، فناوری نانو می تواند بسیاری از مسائل را در کشاورزی و صنایع غذایی برطرف کند. نانومواد نقش مهمی در آفت کش ها، کودها و حسگرهای زیستی دارند. بهبود تغذیه، انتقال موثر اجزای زیست فعال و ریزمغذی‌ها و نگهداری مواد غذایی با کاربرد فناوری‌های نانو تسهیل گشته است. باید تلاش هایی برای ایجاد آگاهی در بین مردم در زمینه فناوری نانو انجام شود. در این مقاله به بررسی پیشرفت‌های اخیر در کشاورزی و صنایع غذایی از طریق فناوری نانو، کاربرد فناوری نانو در بخش‌های غذایی و کشاورزی پرداخته شده است.
کلمات کلیدی: فناوری نانو، صنایع غذایی، کشاورزی، زیست سازگاری
مقدمه
جمعیت جهان به سرعت در حال افزایش است. پیش بینی می شود تا پایان سال 2050 نزدیک به شش میلیارد نفر برسد. بهره وری محصولات زراعی به دلیل تنش های زیستی و غیرزیستی خاص، تغییرات آب و هوایی و در دسترس نبودن آب، در حال کاهش می باشد. این عوامل سد راه توسعه بخش کشاورزی هستند. برای غلبه بر تمامی این موانع، نیاز به فناوری نوآورانه ای به نام نانوتکنولوژی احساس می شود. نانوتکنولوژی می تواند سیستم غذایی و حوزه کشاورزی را متحول کند [1]. نانوتکنولوژی در زمینه کشاورزی با استفاده از نانو کودها، نانو آفت کش ها و نانوبیوسنسورها کاربرد دارد. استفاده از فناوری نانو در کشاورزی باعث افزایش بازده و نرخ تولید، استفاده بهینه از منابع و کاهش ضایعات می شود. فناوری‌های نانو که در بخش مواد غذایی به کار می‌روند با تعداد شگفت‌انگیزی از پتنت‌ها و مقالات در زمینه بسته‌بندی، کنترل کیفیت، تحویل مواد غذایی و پیشرفت‌های جدید در فناوری نانو در حال افزایش است. این مقاله عمدتاً بر روی کاربرد نانوتکنولوژی و نانومواد در کشاورزی و صنایع غذایی متمرکز شده است. این بررسی برای ارائه کاربردها، تحلیل‌های آینده‌نگر، چالش‌ها و الزامات در زمینه فناوری نانو برای ارتقای کشاورزی و صنایع غذایی تدوین شده و کاربردهای فعلی نانومواد را در بخش‌های بسته‌بندی مواد غذایی و بخش‌های کشاورزی ارائه می‌کند [2].
- کاربردهای نانومواد در کشاورزی
استفاده از نانومواد در کشاورزی با بهبود سلامت خاک، افزایش تولید محصولات زراعی، کاهش میزان آب مورد نیاز و… به کشاورز کمک می کند. نگرانی های اولیه برای تولید محصولات زراعی، آفت کش ها و کودها هستند. از این رو، به پیشرفت های نانو آفت کش ها و نانو کودها در این مقاله پرداخته شده است [3].
- نانو کودها در کشاورزی
رشد تولید غلات بخش قابل توجهی در نیازهای تغذیه ای جهان را نشان می دهد. افزایش استفاده از کودهای شیمیایی به طور عمده باعث افزایش عملکرد محصولات می شود؛ اما به دلیل کارایی ضعیف کود شیمیایی، مصرف آن کاهش می یابد. هزینه تولید محصول به دلیل شستشو و تبخیر کودهای شیمیایی که آلوده هستند افزایش می یابد. فناوری نانو در چنین مواردی برای توسعه کودها با رهایش تدریجی، کاهش اتلاف مواد مغذی و بهبود دسترسی به مواد مغذی به کار می رود. نانوکودها دو نوع هستند: خود مواد مغذی هستند و یا به مواد مغذی دیگر اضافه می‌شوند [4].
- نانو آفت کش در کشاورزی
استفاده منظم از آفت کش تاثیر بهتری بر عملکرد گیاهان دارد. آفت کش های جدید و کارآمد به طور مداوم برای اهداف خاص در حال توسعه هستند. اما مقدار بسیار کمی (0.1%) از آفت کش به آفات مورد نظر می رسد. 99.9 درصد باقی مانده از آفت کش ها بلا استفاده باقی می ماند که باعث تهدید سلامت انسان و زنجیره غذایی می گردد. وجود دائمی آفت‌کش‌ها در سراسر محیط کشاورزی منجر به ایجاد مقاومت در برابر آفت‌کش‌ها در پاتوژن‌ها، علف‌های هرز و حشرات می‌شود. با استفاده از آفت کش های زیستی نسبت به آفت کش های مصنوعی می توان بر همه این اثرات مضر غلبه کرد. اما پیشرفت آنها کند است و کارایی آفت‌کش‌های زیستی در برابر آفت عمدتاً وابسته به محیط خواهد بود [5].
- نانوبیوسنسورها برای سیستم های خاکی-گیاهی
حسگرهای زیستی برای سنجش خواص فیزیکی و شیمیایی محیط مورد استفاده قرار می‌گیرند که سیستم هیبریدی مبدل-گیرنده را نشان می‌دهد. نانوبیوسنسورها با عناصر حساس شده برای مشاهده قطعه خاص از طریق یک مبدل فیزیکوشیمیایی در غلظت بسیار کم مرتبط خواهند شد. این حسگرها برای سنجش اولیه مفید هستند. بنابراین از طریق آنها تصمیمات سریعی برای افزایش عملکرد محصولات می‌توان گرفت. حساسیت بالا، سینتیک انتقال سریع الکترون، پایداری طولانی مدت و نسبت سطح به حجم بالا، ویژگی‌های غیرقابل جایگزین در نانوبیوسنسورها نسبت به حسگرهای زیستی نسل قبلی می باشد [6].
- نانومواد در خاک
مواد معدنی طبیعی و آلی موجود در خاک ممکن است با نانومواد تعامل داشته و منجر به تقسیم فازهای آبی و جامد سیستم خاک شود. رفتار نانومواد در سیستم آبی عمدتاً به دست آمده و در تحقیقات مختلف گنجانده شده است؛ در حالی که داده های محدودی در رابطه با رفتار نانومواد در سیستم های خاکی در دسترس می باشد. پایداری، واکنش پذیری، سمیت و تحرک نانومواد را می توان با فرآیندهای خاصی کنترل کرد. نانومواد بسته به برهمکنش با خاک و ماهیت آن، از نظر شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی عمل می‌کنند. هنگامی که نانومواد وارد محیط خاک می‌شود، تجمع ذرات خود به خود اتفاق می‌افتد. واکنش پذیری نانومواد تحت تأثیر کاهش سطح به دلیل تجمع قرار می گیرد [7].
- نانوتکنولوژی و کاربرد آن در صنایع غذایی
نانوتکنولوژی زیرشاخه ای از علم مواد است که تأثیر زیادی در زمینه صنایع غذایی دارد. نانوتکنولوژی دارای پتانسیل قابل توجهی در تأیید تغییرات ارزش غذایی، طعم و رنگ، نظارت بر یکپارچگی غذاها از طریق بارکدها و افزایش ماندگاری مواد غذایی دارد. نانوتکنولوژی یک فناوری نوظهور با پتانسیل بالایی برای تولید محصولات جدید و فرآیندهای خاص در بخش مواد غذایی می باشد. این فناوری را می توان در صنایع غذایی از طریق افزودنی های غذایی (داخل نانومواد) و بسته بندی مواد غذایی (خارج از نانومواد) به کار برد [8].
نانوفیلتراسیون یکی از مرتبط ترین روش های مبتنی بر فناوری نانو است که پتانسیل قابل توجهی در فرآوری مواد غذایی دارد. غشاهای نانویی متخلخل به عنوان مثال برای تصفیه آب استفاده می شوند. از این رو، یون های دو ظرفیتی را می توان توسط نانوپرکننده ها حذف کرد. چندین کاربرد برای این فناوری در صنایع لبنی وجود دارد. فناوری‌های نانو در صنایع لبنی برای استاندارد کردن شیر، تکه تکه کردن پروتئین‌های موجود در شیر و افزایش کیفیت میکروبی استفاده می‌شوند. این روش مزایای مختلفی نسبت به فرآیند معمولی فیلتراسیون دارد. برخی از این مزایا عبارتند از مراحل پردازش کمتر، مصرف انرژی کمتر، بهبود کیفیت محصول نهایی و راندمان جداسازی بیشتر [9].
2-1. نانوتکنولوژی در بسته بندی مواد غذایی
در میان تحقیقات علوم مواد غذایی، نانوکامپوزیت ها یکی از فعال ترین حوزه ها در بخش بسته بندی مواد غذایی هستند. برای به حداقل رساندن اثرات پلاستیک های مبتنی بر نفت بر محیط زیست، پلاستیک زیست تخریب پذیر و منابع آن به عنوان یک استراتژی قدرتمند مورد توجه قرار گرفته است. با این حال، هیچ ماده زیستی نمی تواند به مانند مواد مبتنی بر نفت عمل کند. خواص فیزیکی مواد بسته بندی زیست سازگار مانند پایداری حرارتی، محافظت و خواص مکانیکی باید بهبود یابد. ثابت شده است که مواد تقویت شده زیست سازگار از طریق ترکیب نانو و میکروالیاف سلولز، نانورس و نانولوله‌های کربنی روشی مؤثر و کارآمد برای افزایش چنین خواصی است [10].
- محدودیت ها و چالش های فنی
موانع زیادی در زمینه فناوری نانو وجود دارد. اگرچه پتانسیل قابل توجهی برای ایجاد محصولات نوآورانه و فرآوری مواد غذایی دارد، اما ساخت یک سیستم تحویل خوراکی با فرمولاسیون مؤثر برای ایمنی و مصرف انسانی در یک فرآیند اقتصادی، یک چالش بزرگ می باشد. برای اطمینان از سالم بودن غذاها، شسته شدن و مهاجرت نانوذرات به محصولات غذایی از مواد بسته بندی، باید به شدت مورد توجه قرار گیرد [11].
- مسائل ایمنی، جنبه های نظارتی، و خطرات بهداشتی
غذاهای بسته بندی شده نانویی ممکن است به دلیل انتقال نانوذرات به داخل مواد غذایی، خطر سلامتی و مسیر قرار گرفتن در معرض آن را به همراه داشته باشند. این اثر به ماهیت ماتریس بسته بندی، سمیت، میزان مصرف غذای خاص و درجه مهاجرت نانومواد مورد استفاده بستگی دارد. از آنجایی که هر نانو ماده در هر محصول تحت شرایط خاص، رفتار منحصربه‌فردی خواهد داشت، بنابراین درک رفتار نانومواد اصلا کار ساده ای نخواهد بود [12].
- حوزه‌های آینده‌نگر کشاورزی و صنایع غذایی در فناوری نانو
کاربردها و مزایای فناوری نانو هنوز به طور گسترده توسط جامعه جهانی شناخته و پذیرفته نشده است. بنابراین، باید تلاش های گسترده ای برای بهبود و پیشبرد تحقیقات آینده نگر صورت گیرد. تحقیقات آینده نگر باید برای یافتن راه هایی برای جلوگیری از عوامل خطرزای مرتبط با استفاده از نانوذرات بهبود یابد. علاوه بر این پیشرفت های قابل توجهی در کاربرد علوم غذایی و تحقیقات از طریق فناوری نانو حاصل شده است. با شناسایی پاتوژن‌ها، آفت‌کش‌ها و سموم و پایش آنها، می‌توان از حفظ کیفیت غذا توسط فناوری نانو اطمینان حاصل کرد. بسته بندی نوآورانه ای که ترکیبی از نانوذرات و نشانگرهای زیستی اختصاصی آنتی ژن را برای تهیه فیلم های پلیمری نانوکامپوزیتی ایجاد می کند، ایده جدیدی است که در حال تحقق می باشد.
شرکت نانوتارپاک یکی از شرکت های پیشرو در صنعت نانو، در حال انجام تحقیقاتی در زمینه بهبود بسته بندی مواد غذایی با استفاده از نانوالیاف می باشد. استفاده از تکنولوژی نانوالیاف در بسته بندی، باعث افزایش ماندگاری مواد غذایی می گردد.
نتیجه گیری فناوری نانو کاربردهای زیادی در کشاورزی و صنایع غذایی مانند نانو آفت‌کش‌ها، نانوبیوسنسورها، نانوکودها و بسته‌بندی مواد غذایی پیدا کرده است. تولید محصولات زراعی در طول استفاده بهینه از نانوکودها افزایش خواهد یافت. بنابراین، کاربردهای نانومواد و تأثیر آنها بر محیط زیست باید به وضوح درک شود. پیش‌بینی می‌شود که فناوری نانو تا سال 2050 یک فناوری پیشرفته با نرخ رشد فوق‌العاده برای حل اکثر مشکلات اجتماعی و صنعتی به دلیل توانایی آن در یافتن راه‌حل‌های بهتر در سطوح خرد و کلان خواهد بود.
مناب
1. Baig, N., I. Kammakakam, and W. Falath, Nanomaterials: A review of synthesis methods, properties, recent progress, and challenges. Materials Advances, 2021. 2(6): p. 1821-1871.
2. Gupta, R., et al., Chemical and physical properties of nanoparticles and hybrid materials, in Sustainable Nanotechnology for Environmental Remediation. 2022, Elsevier. p. 199-220.
3. Husen, A. and M. Jawaid, Nanomaterials for agriculture and forestry applications. 2020: Elsevier.
4. El-Saadony, M.T., et al., Vital roles of sustainable nano-fertilizers in improving plant quality and quantity-an updated review. Saudi journal of biological sciences, 2021. 28(12): p. 7349-7359.
5. Natrayan, L., et al. Effect of graphene reinforcement on mechanical and microstructure behavior of AA8030/graphene composites fabricated by stir casting technique. in AIP conference proceedings. 2019. AIP Publishing LLC.
6. Ullah, N., et al., Nanomaterial-based optical chemical sensors for the detection of heavy metals in water: Recent advances and challenges. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2018. 100: p. 155-166.
7. Khan, S.T., et al., Engineered nanomaterials in soil: Their impact on soil microbiome and plant health. Plants, 2022. 11(1): p. 109.
8. Das, S., et al., Facets of nanotechnology in Food processing, packaging and safety: an emerald insight, in Bio-Nano Interface: Applications in Food, Healthcare and Sustainability. 2021, Springer. p. 75-92.
9. Jagtap, P., et al., Mycogenic fabrication of nanoparticles and their applications in modern agricultural practices & food industries. Fungi Bio-Prospects in Sustainable Agriculture, Environment and Nano-Technology, 2021: p. 475-488.
10. Mei, L. and Q. Wang, Advances in using nanotechnology structuring approaches for improving food packaging. Annual review of food science and technology, 2020. 11: p. 339-364.
11. Adeyeye, S.A.O., Food packaging and nanotechnology: safeguarding consumer health and safety. Nutrition & Food Science, 2019. 49(6): p. 1164-1179.
12. Kannan, K., et al., Facile microwave-assisted synthesis of metal oxide CdO-CuO nanocomposite: Photocatalytic and antimicrobial enhancing properties. Optik, 2020. 218: p. 165112.