کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت مواد غذایی
●مقدمه
برگزاری همایش‌‌هایی با موضوع فناوری‌نانو، راه‌اندازی کنسرسیوم‌هایی برای مواد غذایی بهتر و سالم‌تر، همچنین بالا بردن آگاهی مردم از طریق رسانه‌ها، مؤید تأثیرگذاری فناوری‌نانو بر صنایع غذایی است. انواع کاربردهای نانو در این زمینه شامل بسته‌بندی‌های هوشمند، مواد نگهدارنده و مواد خوراکی تعاملی ( interactive ) است، که به مصرف‌کنندگان اجازه می‌دهد موادغذایی را با توجه به ذائقه و نیازغذایی مورد نظرشان تغییر دهند.
بیشترغول‌های تولید کننده موادغذایی مانند Nestle,Kraft,Heinz و Unilever برنامه‌های تحقیقاتی مشخصی در این زمینه دارند تا بتوانند سهم بازار خود را در دهه‌های آینده حفظ کنند. این بدان معنا نیست که مواد غذایی به‌طور اتمی تغییر پیدا کنند و یا با نانوماشین‌ها تولید شوند، زیرا آرزوی تولید غذاهای مولکولی با کمک نانو ماشین‌ها فعلاً عملی نیست.
با علم به قابلیت‌های فناوری‌نانو امید است، بتوان سیستم‌های فعلی فراوری مواد غذایی را تغییر داده، محصولاتی مطابق با فرهنگ تغذیه سالم به بازار عرضه كرد. محققان همچنین امیدوارند بتوانند با استفاده از مواد افزودنی، کیفیت مواد غذایی و هضم و جذب غذا را در بدن افزایش دهند. اگر چه بعضی از این اهداف دور از انتظار به نظر می‌رسد، اما امروزه صنایع بسته بندی از فناوری‌نانو در محصولات خود کمک می‌گیرند.
۱. بسته‌بندی و سلامت مواد غذایی
پیشرفت در بسته بندی هوشمند برای افزایش عمر مفید محصولات غذایی، هدف بسیاری از شرکت‌هاست. این سیستم‌های بسته‌بندی قادر خواهند بود پارگی‌ها و سوراخ‌های کوچک را با توجه به شرایط محیطی (مانند تغییرات دما و رطوبت) ترمیم و مصرف کننده را از فساد ماده غذایی آگاه سازند. فناوری‌نانو می‌تواند در مواردی مانند افزایش مقاومت به نفوذ در پوشش‌ها، افزایش ویژگی‌های دیواره (مکانیکی، حرارتی، شیمیایی ومیکروبی)، افزایش مقاومت در برابر گرما، گسترش ضد میکروب‌های فعال و سطوح ضد قارچ کارساز باشد.
چشم اندازهای مالی فناوری‌نانو، صنایع بسته‌بندی را پررونق نشان می‌دهد. سهم بازار این صنعت در حال حاضر حدود ۱.۱ میلیارد دلار است و پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۱۰ به ۷.۳ میلیارد دلار آمریکا برسد. با این وجود، صنعت بسته‌بندی هوشمند از آنچه پیش‌بینی شده بود جلوتر رفته و نشانه‌های تکامل آن به خوبی پیداست. تحقیقات سازمان مالی Frost and Sullivan نشان داد که علاقه مشتریان به مواد غذایی سالم و تازه در بسته‌بندی‌های مناسب، موجب پیشرفت این صنعت شده است. سازمان های زیادی وجود دارند که در زمینه سیستم‌های بسته‌بندی هوشمند فعالیت می‌کنند، ازجمله شرکت تولیدکننده مواد غذایی Kraft كه با همکاری دانشگاه راتگرز در حال فعالیت روی پروژه زبان الکترونیکی ( electronic tongue ) است تا آن را به بسته‌بندی‌ها اضافه کند. این نوع بسته‌بندی شامل رشتهای از نانوحسگرهاست که نسبت به گازهایی که از مواد غذایی آزاد و موجب فساد آنها می‌شوند، به شدت حساس بوده و تغییر رنگ می‌دهند که این تغییر رنگ، علامت واضحی از سلامت یا فساد ماده غذایی است.
شرکت Bayer Polymer کیسه‌ای پلاستیکی با نام Durethan KU ۲-۲۶۰۱ تولید کرده است که از محصولات موجود در بازار سبک تر و محکم تر است، همچنین مقاومت بیشتری در برابر گرما از خود نشان می‌دهد. هدف اولیه از تولید پلاستیک‌های بسته‌بندی مواد غذایی، جلوگیری از خشک شدن محتویات آنها و محافظت در مقابل رطوبت و اکسیژن است. پوشش جدید غنی از نانوذرات سیلیکات است. این نانوذرات تا حد زیادی از نفوذ اکسیژن، گازهای دیگر و رطوبت جلوگیری می‌کنند و فساد مواد غذایی را به تعویق می اندازند.
سازمان‌های دیگر به کمک فناوری‌نانو در حال یافتن راهی برای تشخیص فساد مواد غذایی هستند. به عنوان مثال شرکت AgroMicron ، افشانه تشخیص دهنده نانوبیولومینسانس را ساخته که شامل پروتئین لومینسانت است. در این طرح، افشانه سطح میکروب‌هایی مانند Salmonella و E.coli را پوشانده، و از خود نوری ساطع می‌کند و به این روش فساد مواد غذایی تشخیص داده می‌شود. این شرکت امیدوار است بتواند محصول مورد نظر را با نام BioMark وارد بازار کند. در حال حاضر این شرکت در حال ساخت افشانه‌‌هایی با روشهای جدید است تا بتواند از آنها در حمل و نقل دریایی استفاده کند.
در راهبرد مشابه، برای اطمینان از سلامت مواد غذایی، محققان اتحادیه اروپا در پروژه Good Food از نانوحسگرهای قابل حمل برای یافتن مواد شیمیایی مضر، پاتوژن‌ها و سم‌‌ها در مواد غذایی استفاده می‌کنند.
با این کار، دیگر نیازی به فرستادن نمونه‌های مواد غذایی به آزمایشگاه برای تشخیص سلامت و کیفیت محصولات در کشتزارها و کشتارگاه‌ها نیست. همچنین این پروژه، در حال توسعه به کارگیری زیست تراشه‌های DNA برای کشف پاتوژن‌هاست. این روش می‌تواند در تشخیص باکتری‌های مضر و متفاوت موجود در گوشت یا ماهی و یا قارچ‌های میوه مؤثر باشد. این پروژه در نظر دارد با گسترش میکروحسگرهای رشتهای، بتواند آفت‌کش‌های میوه و سبزیجات را به همان خوبی که شرایط محیطی کشتزارها را کنترل می‌کند تشخیص دهد. این نوآوری به نام حسگرهای Good Food نامیده می‌شود.
پروژه سرمایه‌گذاری شده اتحادیه اروپا به نام BioFinger که هدف آن، ساخت ابزارهای ارزان با توان تشخیص آسان در سلامت محیط زیست است، فعالیت دیگری در زمینه آنالیز مواد غذایی دارد. در ابزارهایی که از حامل ( cantilever ) استفاده می‌کنند، روش بدین صورت است که تیرک ( Tip ) با ماده شیمیایی پوشانده شده و در برخورد با مولکول‌های خاصی، سیگنال ایجاد می‌کنند. BioFinger با استفاده از این حامل‌ها که به یک میکروتراشه متصل است کوچکتر و قابل حمل می‌شود.
ارتش آمریکا در حال ساخت حسگرهای فوق‌العاده‌ای است که از آنها در مقابل حمله‌کننده‌ها به مواد غذایی استفاده می‌شود. در سیستم های کنونی چندین روز طول می‌کشد تا وجود پاتوژن‌ها در مواد غذایی تشخیص داده شود. تشخیص سریع پاتوژن‌ها به وسیله این حسگرها به زودی باعث فراگیر شدن این فناوری در صنعت مواد غذایی خواهد شد.
محققان دانشگاه بُن در حال ساخت پوشش‌های دفع کننده آلودگی برای بسته‌بندی‌ها با استفاده از اثر لوتوس (نیلوفر آبی) (قطره آب از سطح برگ‌های نیلوفر آبی می‌لغزد و در نتیجه هرم‌های موم مانند نانومقیاس، سطح برگ را می‌پوشاند) هستند. کشتارگاه‌ها و محل‌های فرآوری گوشت نیز می‌توانند از این فناوری استفاده کنند. گروه تحقیقاتی دانشگاه انگلیسی لیدز دریافتند که نانوذرات اکسید منیزیم و اکسید روی باعث از بین بردن میکروارگانیزم‌ها می‌شوند. استفاده از این مواد بسیار ارزان‌تر از نانوذرات نقره است و می‌توانند کاربرد زیادی در بسته‌بندی مواد غذایی داشته باشند. فناوری شناخت فرکانس‌های رادیویی ( RFID ) در بیش از ۵۰ سال پیش توسعه یافت، ولی امروزه این فناوری راه خود را برای کنترل مواد غذایی در مغازه‌ها پیدا کرده است.
در این فناوری با استفاده از میکروپردازشگر‌ها می‌توان داده‌ها را به گیرنده‌های بی‌سیم ارسال کرد. امروزه می‌توان از این روش برای کنترل اقلام غذایی از انبار تا دست مصرف‌کننده بهره گرفت. برخلاف بارکدها که نیاز به اسکن دستی و خواندن یک به یک دارند، برچسب‌های RFID نیازی به خوانده شدن خطی نداشته و امکان خواندن تعداد زیادی از آنها در یک ثانیه وجود دارد. فروشگاه‌های زنجیره‌ای مانند Wal Mart ، Home Depot گروه Metro و Tsco در حال آزمایش این فناوری هستند. ضعف اصلی این روش، افزایش هزینه تولید است که نتیجه ساخت سیلیکونی آن میباشد. با ترکیب فناوری‌نانو و الکترونیک (نانوترونیک) این برچسب‌ها ارزان‌تر و کاراتر شده، همچنین پیاده‌سازی آنها آسانتر می‌شود.
گروهی از دانشمندان شمال اروپا، کنسرسیوم نانوغذایی را با هدف توسعه کاربردهای فناوری‌نانو دراین صنعت و با تأکید بر مواد غذایی سالم و مطمئن تشکیل داده‌اند. این مجمع، متشکل از شرکت‌های Arla Foods, Danisco A/S, Ar hus United A/S, Danish Crown amba و مرکز میان رشتهای نانوعلوم است.
با تأکید بر فراهم آوردن مواد غذایی سالم برای مشتریان، اولویت‌های این کنسرسیوم عبارت از توسعه حسگرهایی که قادر به تشخیص سریع سم در ترکیبات و یا باکتری‌های مضر در نمونه‌های غذایی باشند، گسترش سطوح ضد باکتری برای ماشین‌هایی که در تولید مواد غذایی به‌کار می‌روند، گسترش ساخت پوشش‌های محکم‌تر و ارزان‌تر، تولید مواد غذایی با ترکیبات خوراکی سالم‌تر میباشد.
تحقیقات مرکز دانمارک در بخش پژوهش‌های پیشرفته غذایی ( LMC ) که از همبستگی مؤسسات دانمارکی فعال در زمینه علوم غذایی تشکیل شده‌اند، برنامه‌های خود را در چارچوب هفتمین برنامه خود به صورت زیر اعلام می‌دارد:
درک پایه‌ای از مواد غذایی و تغذیه حیوانات برای نوآوری هوشمند؛
سیستم‌های زیست‌شناسی در تحقیقات غذایی؛
بازنگری زیستی در بخش محصولات غذایی؛
پیشرفت‌های فناوری؛
علم مواد خوراکی؛
نوآوری‌هایی بر اساس نیاز مشتری و ارتباطات غذایی.
آنها معتقدند تمرکز روی این برنامه‌ها می‌تواند موجب دستیابی کامل و چند جانبه در تحقیقات و توسعه مواد غذایی در اروپا شود. همچنین امیدوارند از نانوموادی با ویژگی‌های کاربردی به منظور استفاده در نانوحسگرها و فناوری نانوسیالات در صنایع غذایی استفاده کنند. پیشرفت در مواد بسته‌بندی هوشمند، امکان کنترل شرایط محصولات در طول حمل و نقل و استفاده از روشهای بسته‌بندی مبتنی بر زیست‌شناسی را برای ما مهیا می‌سازد.
۲. فراوری مواد غذایی
فناوری‌نانو علاوه بر بسته‌بندی، تأثیر زیادی روی گسترش مواد غذایی کاربردی و تعاملی دارد؛ موادی که به نیازهای بدن پاسخ داده، می‌توانند در رسانش مواد غذایی مؤثر باشند. گروه‌های تحقیقاتی مختلفی در حال کار روی ساخت مواد غذایی جدید بر اساس تقاضا هستند. این مواد به صورت غیر فعال در بدن باقی می‌مانند و مواد غذایی را در صورت نیاز به سلول‌ها می‌رسانند. عنصر کلیدی این بخش، توسعه نانوکپسول‌هایی است که با استفاده از آنها در مواد غذایی می‌توان کار رسانش را به خوبی انجام داد. از پیشرفت‌های دیگر در فرآوری مواد غذایی، افزودن نانوذرات به مواد خوراکی برای افزایش جذب آنها در بدن است.
یکی از بهترین نانوایی‌ها در غرب استرالیا در استفاده از نانوکپسول‌هایی که شامل روغن ماهی تن (منبع غنی از اسیدهای چرب امگا ۳) بوده‌اند؛ موفق بوده است. این مرکز از نانوکپسول‌ها در پرفروش‌ترین نوع نان خود به نام tip-top استفاده می‌کند و این ذرات فقط هنگامی باز و شکسته می‌شوند که وارد معده شوند، به این ترتیب از مزه ناخوشایند روغن ماهی جلوگیری می‌شود.
شرکت Nutralease در رژیم اشغالگر قدس، از فناوری ساختارهای مایع خودآرای نانومقیاس ( NSSL ) برای رسانش مواد غذایی استفاده می‌کند. این ذرات به شکل مایسل (کره‌های توخالی که از چربی ساخته شده و درون آن آب است) با قطر حدود ۳۰ نانومتر هستند. مواد خوراکی یا nutraceuticals دارای آب درونی هستند و می‌توانند برای حمل موادی مانند لیکوپن، بتا-کاروتن، لوتین، فیتوسترول ها، CoQ ۱۰ و DHA/EPA مورد استفاده قرار بگیرند. این ذرات به ترکیبات اجازه می‌دهند که به راحتی از طریق معده وارد رگ‌های خونی شوند. بنابراین دسترسی زیستی آنها افزایش می‌یابد. این فناوری را در حال حاضر کارخانجات Shemen برای رسانش روغن فعال Canola وارد بازار كرده‌اند. این شرکت ادعا می‌کند می‌تواند جذب کلسترول را در کیسه صفرا تا ۱۴ درصد کاهش دهد.
تعدادی از شرکت‌های شیمیایی در حال تحقیق روی افزودنی‌هایی هستند که بدن به راحتی قادر به جذب آنهاست و می‌توانند عمر مفید محصولات را افزایش دهند. سازمان بین‌المللی علوم رسانش زیستی در حال توسعه نانوحلزون‌هایی با ذرات پیچشی ۵۰ نانومتری است که می‌تواند در رسانش موادی مانند ویتامین‌ها، لیکوپن و اسیدهای چرب امگا۳ به سلول‌ها به کار گرفته شود، بدون اینکه در مزه و رنگ مواد غذایی تأثیر داشته باشد.
صنایع غذایی Kraft ، گروهی محقق از ۱۵ دانشگاه مختلف را تشکیل داده است تا با کمک فناوری‌نانو در مورد غذاها تحقیق کند. این مورد به مصرف‌کنندگان اجازه می‌دهد تا بین رنگ‌ها و طعم‌های مختلف انتخاب کنند. این مجمع همچنین روی توسعه مواد غذایی هوشمند با کمک نانوحسگرها، که باعث آزاد سازی تدریجی موادغذایی می‌شود فعالیت می‌کند. این نانوکپسول‌ها با مواد غذایی ترکیب می‌شوند ولی تا زمان مناسب، غیر فعال باقی می‌مانند. تمامی پیشرفت‌های جدید موجب می‌شود مفهوم موادغذایی کامل به واقعیت نزدیک شود و انتظار می‌رود تا فواید دیگری در زمینه انرژی، عملکردهای تشخیصی، کاربردهای ایمنی بهتر و توسعه محصولات ضد پیری برای مصرف‌کنندگان وجود داشته باشد.
امروزه از فناوری‌نانو در صنایع آرایشی مانند ساخت کرم‌های شفاف استفاده می‌شود. شرکت Royal BodyCare ، که از فناوری‌نانو علوم غذایی استفاده می‌کند محصول جدیدی با نام NanoCeuticals را وارد بازار کرده، که امولسیونی از ذرات با قطر کمتر از ۵ نانومتر است. این شرکت ادعا می‌کند این محصول، رادیکال‌های آزاد را جمع آوری کرده، آب رسانی را بالا برده و pH بدن را تنظیم می‌کند. این شرکت همچنین در حال توسعه نانوخوشه‌‌ها و پودرهای نانومقیاسی است که با مکمل‌های غذایی ترکیب می‌شوند و هنگام مصرف، قدرت جذب مواد غذایی را در بدن افزایش می‌دهند.
شرکت‌های مواد غذایی و آرایشی در همکاری با یکدیگر به دنبال سازوكاری جدید برای رسانش ویتامین‌ها و جذب مستقیم آنها از پوست هستند. به عنوان مثال شرکت Nestle که ۴۹ درصد از سهام شرکت LOreal را داراست در حال ساخت کرم ضدآفتاب شفافی است که ویتامین E را مستقیم به پوست می‌رساند. هدف، ساخت کرمی است که به وسیله پوست جذب شده و ویتامین E را به آرامی آزاد کند، به‌علاوه دارای ماده محافظ UV نیز باشد. در حال حاضرکرم‌های شفاف ضد UV در بازار موجود است و LOreal انتظار دارد این کرم با کاربردهای بیشتری بازار را در برگیرد.
رقیبان دیگر مانند Estee Lauder در حال ساخت فرمول‌های ضد پیری هستند که از نانوذرات تشکیل شده‌است. شرکت آمریکایی Oilfresh محصول نانوسرامیکی جدیدی وارد بازار کرده که مصرف روغن را در رستوران‌ها و غذاهای آماده به نصف کاهش می‌دهد. در نتیجه این تغییر بزرگ، از اکسید شدن محصولات به دلیل چربی‌های درون روغن جلوگیری می‌شود. مورد دیگر این است که روغن سریع‌تر داغ شده و انرژی مورد نیاز برای پخت کاهش می‌یابد.
اخیراً دانشگاه واخنینگن در هلند مرکز تحقیقاتی را تأسیس کرده که در حال کار روی کاربرد فناوری‌نانو در صنایع غذایی است. مرکز بیوفناوری واخنینگن روی موضوعات مختلفی ازجمله تشخیص کیفیت و سلامت غذا، پوشش‌دار کردن و رسانش مواد غذایی، میکرو و نانو ابزارهایی برای پردازش‌های شیمیایی و فیزیکی، زیست شناسی شیمیایی، نانو سم شناسی؛ بررسی فناوری و علم مشتری متمرکز شده است.
شرکت آلمانی Aquanova در حال توسعه فناوری جدیدی است که در آن دو ماده فعال را با هم ترکیب کرده و در کاهش چربی از طریق نانوحامل‌ها (کره‌های تو خالی با قطر ۳۰ نانومتر) استفاده می‌کند. این نوآوری می‌تواند دستیابی جدیدی در کنترل وزن باشد. شرکت NovaSOL Sustain از CoQ ۱۰ برای کاهش چربی اسیدهای alpha-lipoic برای رفع گرسنگی استفاده می‌کند. همچنین این فناوری برای تولید ویتامین‌هایی مانند SoluE که از دسته ویتامین‌های E است و همچنین SoluC که از دسته ویتامین‌های C است استفاده می‌شود.
در یک راهبرد متفاوت، شرکت Unilever در حال تولید بستنی‌های کم چرب با کاهش ذرات امولسیون است. با این عمل امید است که استفاده از این ذرات، میزان چربی را تا ۱۶ درصد کاهش دهد. مرکز بین‌المللی Woodrow Wilson ، مؤسسه بورس تحصیلی در آمریکا، پایگاه داده‌ای از مشتریان بازار فناوری‌نانو تشکیل داده و به‌زودی ۱۵ مورد را که ارتباط مستقیم با صنایع غذایی دارند اعلام می‌کند. این فهرست شامل nanocetical های تولیدی شرکت RBC ، Life Science و روغن فعال Canola ی صنایع Shemen و نانوذرات نقره استفاده شده در یخچال‌های شرکت LG می باشد.
۳. جمع بندی
امروزه بسیاری از کشورهای جهان به توانایی فناوری‌نانو در صنایع غذایی پی برده‌اند‌‌و در حال سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی در این راه هستند. مؤسسه استاندارد موادغذایی انگلستان ( FSA ) تحقیقاتی برای دستیابی به توانایی استفاده از فناوری‌نانو در غذا و مشخصاً بسته‌بندی موادغذایی ترتیب داده‌است. همزمان دولت این کشور نیز بودجه بیشتری برای تحقیق و توسعه در زمینه غذاهای کاربردی، سیستم‌های رسانش موادغذایی و شیوه‌های بهینه‌سازی ظاهر غذا مانند رنگ، مزه و غلظت در نظرگرفته است.
با افزایش تأثیرات فناوری‌نانو بر صنایع‌غذایی و ورود این محصولات به بازار مصرف، اهمیت سلامت این دسته از موادغذایی بیشتر مطرح می‌شود. این نیاز، پذیرش فناوری‌نانو را در کاربردهای حسی، قوی‌تر خواهد کرد، و از همین راه می‌توان به سلامت موادغذایی پی برد. مانند نوعی فناوری که نزدیک بودن تاریخ انقضای موادغذایی را به خریداران و فروشندگان هشدار می‌دهد. پوشش‌های ضد‌میکروبی جدید و کیف‌های پلاستیکی دفع‌کننده آلودگی، پیشرفت چشمگیری در اطمینان از سلامت و امنیت غذاهای بسته‌بندی داشته‌اند. اگرچه توجه زیادی به کاربرد فناوری‌نانو در صنایع‌غذایی و محصولات موجود در بازار شده‌است، اما هنوز هم توانایی‌های استخراج نشده بسیاری مانند آنچه قبلاً در بحث دستکاری ژنتیکی عنوان شد وجود دارد.
مؤسسه علوم و فناوری غذایی انگلستان، در گزارشی نشان داده است كه داده‌های مطمئن بیشتری مورد نیاز است تا بتوان نانوذرات را به مواد غذایی اضافه کرد. این گزارش اشاره می‌کند که قوانین جاری، شرکت‌ها را برای برچسب‌زدن روی اقلامی که شامل نانوذرات است مجبور نمی‌کند، بنابراین بعید است مشتریان بتوانند از وجود این مواد در اقلام غذایی مطلع شوند. گفته می‌شود برای ارزیابی سلامت این دسته از مواد غذایی باید به تأثیرات اندازه ذرات در کنار نوع ترکیبات توجه شود.
گروه ETC همچنین برخی شركت‌های مهم و دانشگاه‌های فعال را به تلاش برای به انحصار درآوردن غذاهای جدید (از طریق ثبت اختراع) متهم كرده است؛ زیرا این كار می‌تواند برای بسیاری از شركت‌های مبتكر در كشورهای در حال توسعه، مانع ایجاد كند.
سرانجام روزی خواهد رسید که موادغذایی را از ترکیبات اتمی و مولکولی بسازیم که در اصطلاح به آن تولید مواد غذایی مولکولی گفته می‌شود. امروزه برخی گروه‌های تحقیقاتی در حال بررسی این زمینه هستند، ولی هنوز با روش بالا به پایین، استفاده از سلول‌ها بیش از مولکول‌هاست. اگرچه استفاده کاربردی از این فناوری در آینده دور امکان‌پذیر است، اما انتظار می‌رود این پیشرفت بتواند راه را برای گسترش پردازش محصولات غذایی مؤثرتر و ماندگارتر باز کند که در این صورت مواد خام کمتری مصرف شده و غذاهایی با کیفیت بالاتر به دست می‌آید.
جواب بصورت نقل قول
. 
. 
. 
دندان‌هاي سياه‌رنگ كيتون(Chito N ، براي تراشيدن جلبك‌هاي رشديافته بر روي صخره‌ها: اين دندان‌ها با مواد زيست‌معدني كه شامل نانوكامپوزيت الياف كيتيني و مگنتيت مي‌باشد، پوشش داده شده‌است. 