زهرا ميرخاور: عضو کميته پژوهشي انستيتو تحقيقات تغذيه و صنايع غذايي
كيانوش خسروي داراني:دانشيار گروه تحقيقات علوم و صنايع غذايي
حميد حقاني:کارشناس آزمايشگاه غذا و داروي دانشگاه علوم پزشکي شهيد بهشتي
مهسا یگانه:عضو کميته پژوهشي انستيتو تحقيقات تغذيه و صنايع غذايي
چکيده
بسته‌بندي يکي از کاربردهاي موفق و عملي فناوري نانو در بخش مواد غذايي است. بسته‌بندي نانو در بخش مواد غذايي باعث افزايش عمر نگهداري مواد غذايي، بهبود ايمني، هشدار به مصرف کنندگان در مورد آلودگي و فساد مواد غذايي، و حتي آزادسازي نگهدارنده‌ها براي افزايش عمر نگهداري می شود. در در اين مقاله، كاربردهاي نانومواد در بسته‌بندي مواد غذايي شامل تولید نانوکامپوزيت با خاصيت ممانعت در برابر نفوذ و نانوحسگرها بررسي شده است.
فناوري نانو داراي پتانسيل توليد بسته‌بندي‌هاي جديد مواد غذايي است. نانوکامپوزيت‌ها مي‌توانند استحکام مکانيکي و ممانعت در برابر اکسيژن، رطوبت، اشعه ماوراء بنفش و مواد فرار از بسته‌بندي را بهبود بخشند. بسته‌بندي مواد غذايي هوشمند، نانوحسگرها، مي‌توانند مصرف کنندگان را از وضعيت داخل بسته آگاه كنند.
واژگان كليدي: بسته‌بندي مواد غذايي، نانوكامپوزيت‌ها، بسته‌بندي نانو
مقدمه
به طور كلي هدف بسته‌بندي محافظت از مواد غذايي در برابر گرما، نور، ميکروب‌ها، حشرات و ساير آلودگي‌ها است. امروزه دو مساله عمده در صنعت بسته‌بندي مطرح است، نياز به تازه ماندن غذا به مدت طولاني و آلودگي هاي زيست‌محيطي ناشي از زباله‌هاي غيرقابل تخريب ضايعات بسته بندي. اين نيازها محرک توسعه بسته‌بندي‌هاي جديد از نظر بهبود خواص بسته‌بندي (انعطاف‌پذيري و خواص انتقالي) شده و منجر به تولید بسته‌بندي‌هاي فعال (کنترل محيط داخل بسته‌بندي)و هوشمند (توانايي رديابي نشانه‌هاي سلامت غذا) و زيست‌تخريب‌پذير مي‌شود. بسته‌بندي نانو نوعي بسته‌بندي است که در آن با کاهش اندازه ذرات به حدود 100-1 نانومتر مي‌توان به خصوصياتي جديد و متفاوت از ويژيگي‌هاي عادي رسيد.مواد نانوکامپوزيتي سبب بهبود خواص مقاومت، قابليت انعطاف، شفافيت و… مي‌شوند. بيشتر مواد کامپوزيتي پليمري از مشتقات سوخت فسيلي تهيه مي‌شوند و جايگزين‌هاي زيست‌تخريب‌پذير آن‌ها، زيست‌پليمرها هستند که از منابع چوب و ضايعات حاصل مي‌شوند. مشکلات ذاتي زيست‌پليمرهاي خالص (مقاومت کم) را مي‌توان با افزودن نانوذرات (غالبا نانورس) نانولوله‌ها و نانوفيبرهاي فلزي، اکسيدهاي فلزي و مواد کربني ديگر به نانوکامپوزيت‌هايي تبديل کرد(4-1).
نانوکامپوزيت‌ها
نانوکامپوزيت‌ها مخلوطي از پرکننده نانومواد با پليمرها و پلاستيزايرها هستند. نانومواد مي‌توانند مثل ذرات رس به فرم دانه‌اي باشند. رس از نظر ساختماني به صورت دانه‌هاي متراکم و انباشته شده هستند که به صورت لايه‌هاي بسيار ريز در آمده‌اند. به مجموع اين لايه‌ها تاکتوئيد و به هر لايه (ضخامت يک نانومتر) يک پلاکت گفته مي‌شود. هرچه درجه جداسازي بيشتر صورت گيرد خواص مکانيکي و ممانعت بيشتري را ايجاد مي‌کند (5).
بسته‌بندي‌هاي زيست‌تخريب‌پذير بر پايه‌زيستي
بسته‌بندي‌هاي پليمري معمول علاوه بر اينكه از منابع فسيلي توليد مي‌شوند زيست‌تخريب نا‌پذير مي‌باشند و يک راه براي جلوگيري از مشکل تجمع پلاستيک‌ها در طبيعت استفاده از پليمرهاي زيست‌تخريب‌پذير از منابع تجديد‌‌پذير مي‌باشد.اما اين مواد معمولا داراي خواص ممانعت كنندگي و مكانيكي ضعيفي مي‌باشند كه در صورت جايگزين كردن بايد بهبود يابند. پليمرهاي قابل تجزيه را مي‌توان بر اساس منابع توليدي به صورت زير طبقه‌بندي نمود:
1) پليمرهايي که به طور مستقيم از سلول زنده استخراج شده است. (پلي‌ساکاريدها، پروتيين، پلي‌نوکلوتيدها)
2) پليمرهاي توليد شده با مونومرهاي قابل تجديد يا مخلوطي از منابع سلولي زنده و نفت خام (زيست پلي‌استرها، پلي‌لاكتيك‌اسيد(PLA)
3) پليمرهاي توليد شده با ريزسازواره‌ها مانند سلولز باکتريايي، زانتان، پولان و پلي‌هيدروكسي بوتيرات (PHB) (6 و 7).
مخلوط شدن زيست‌پليمرها (نظير سلولز با ذرات نانوکلي) نانوکامپوزيت‌هایي توليد مي‌کنند که خواص ممانعتي بهتري نسبت به پليمر خالص دارند. همچنين بعد از عمر مفيد مي‌توانند کمپوست شوند و به چرخه مواد برگردند.
خاصيت ممانعت كنندگي نسبت به عبور گازها
پلاکت‌هاي نانورس (لايه‌ها) به عنوان يک مانع فيزيکي براي عبور گاز عمل مي‌کنند. به طور مثال با جاگذاري ذرات خاک رس در بسته‌بندي، سدي در برابر مهاجرت مولکول هايي مانند O2 و H2O شده و يک لايه از آن مقاومتي مشابه پلاستيک‌هاي چند لايه عادي ايجاد مي‌کند. اگر يک مولکول بخواهد از سطح محصول و از طريق بسته‌بندي عادي خارج شود بايستي مسير کوتاهي را طي کندولي با به کارگيري بسته‌بندي نانو مسير نفوذ طولاني‌تر شده و اين امر منجر به افزايش زمان انتقال و در نهايت افزايش زمان ماندگاري محصول مي‌گردد.مواد پليمري مانند پلي‌پروپيلن به مقدار قابل توجهي در بسته‌بندي مواد غذايي استفاده مي‌شود، در حالی که نفوذپذيري بالاي آن در برابر عبور گازها و برخي مواد از محدوديتهاي جدي آن است. در اين راستا نانوكامپوزيت‌هاي پلي‌پروپيلن-خاك رس (مونت موريلونت اصلاح شده) با نفوذپذيري پايين به عنوان جايگزيني مناسب براي پلي‌پروپيلن در بسته‌بندي مواد غذايي معرفي شده است. لايه‌هاي سيليكاتي خاك رس در نانوكامپوزيت موجب كاهش چشمگير نفوذپذيري گازها از ماتريس پليمر در مقايسه با پلي‌پروپيلن خالص شده و افزايش ميزان خاك رس در نانوكامپوزيت موجب كاهش در ميزان نفوذپذيري مي‌شود (2-5).
خواص مکانيکي
تعامل بين پلاکت‌ها و پليمر منجر به افزايش الاستيسيته و استحکام کشش مي‌شود. علاوه برآن خواص انتقال حرارت را نيز تحت تاثير قرار مي‌دهد. به اين صورت که مقاومت به حرارت را افزايش مي‌دهد. اين خواص نه تنها به درجه لايه برداري و غلظت نانوکلي بستگي دارد بلکه به اجزاي شيميايي پليمر نيز بستگي دارد. اين نانوکامپوزيت‌ها مي‌توانند به عنوان پوشش‌هاي سوپرهيدروفوبيکي قرار بگيرند که مي‌توانند ميزان چسبندگي ماده‌غذايي به بسته‌بندي را به حداقل ممکن برسانند. نشاسته مي‌تواند در بسته‌بندي ميوه‌ها، سبزيجات، اسنک و يا محصولات خشک به کار رود. در طي اين فرايند نشاسته ترموپلاستيک (TPS) توليد مي‌شود، اما هنوز خواص مکانيکي و انتقال اکسيژن و رطوبت مناسبي ندارد. بنابراين از پرکننده‌هاي مناسبي مانند خاک رس استفاده مي‌شود. تحقيقات نشان مي‌دهد که افزودن درصد کمي از آن باعث بهبود خواص مکانيکي و قدرت کششي TPS مي‌شود (4).
نتيجه گيري:
به طور كلي با توجه به مفهوم نانو و کاربرد آن در صنايع غذايي و در صنعت بسته‌بندي مي‌توان اين نوع بسته‌بندي را با بهبود خواص ممانعت كنندگي نسبت به رطوبت، گازها و مواد فرار و همچنين بهبودخواص مکانيکي جايگزين مناسبي براي بسته‌بندي‌هاي امروزي دانست و با استفاده از آن بسياري از نيازهاي نگهداري ميوه، سبزي و نوشيدني و ديگر غذاها را برطرف خواهد شد. البته تاکنون اين نوع بسته‌بندي بيشتر در نوشيدني‌ها استفاده شده است و عليرغم مزاياي بسيار آن هنوز هيچ کشوري توليد عمده آن را به دليل هزينه بالا و نگراني‌هاي زيست‌محيطي تصويب نکرده است. استفاده از مواد بسته‌بندي نانوکامپوزيت‌هاي حاوي نانوذراتي مانند نقره و اکسيد روي يک رويکرد جديد براي حفظ و گسترش عمر مفيد مواد غذايي مي‌باشد. فناوري نانو فرصت‌هاي جديد براي نوآوري در بسته‌بندي مواد غذايي را معرفي مي‌كند، اما عدم اطمينان ونگراني‌ها از نظر بهداشت نيز در حال ظهور است.
1.Robertson G. L. Food Packaging: Principles and Practice 2006; Second Edition.
2.Marsh K, Bugusu B. Food packaging roles, materials, and environmental issues. J. Food Sci. 2007; 72: 39-55.
3.Samadi S.Z. Khosravi-Darani K. Nano application in Food packaging. Nanoworld 2011; 6: 40-44.
4.Zhao R. X, Torley P, Halley P. J. Emerging biodegradable materials: starch- and protein-based bionanocomposites. J. Mater. Sci. 2008; 43: 3058-3071.
5.Duncan T.V. Applications of nanotechnology in food packaging and food safety: Barrier materials, antimicrobials and sensors. J. Coll. Interf. Sci. 2011; 363: 1–24.
- Khosravi-Darani K.,Farhadi Gh., Mohammadifar M., Hadian Z., Seyed Ahmadian F., Komeili R., Comparison of bench scale production of xanthan by Xanthomonas campestris in solid state and submerged fermentation. Iran. J. Nutr. Sci. Food Technol. 2009; 1: 49-56.
7. Farhadi GH , Khosravi-Darani K, Nasernejad B. Enhancement of Xanthan Production on Date Extract Using Response Surface Methodology. Asian J. Chem. 2012; 24