اخبار صنایع کشاورزی، صنایع غذایی و بسته‌بندی

سه‌شنبه 22 خرداد 1403

کاربردهای فناوری نانو در مواد غذایی و چشم‌انداز آینده آن

یکی از مهم‌ترین بخش‌های صنعت تمام کشورها که با امنیت غذایی در ارتباط است؛ صنایع غذایی است. با کمبود منابع غذایی و افزایش جمعیت، توسعه این بخش از صنعت ضروری به نظر می‌رسد. استفاده از فناوری‌های نوین در این بخش رویکرد جدیدی است که بسیار مورد توجه قرار می‌گیرد. کشور ما یکی از بزرگ‌ترین واردکننده‌های محصولات غذایی است؛ لذا در صورت بی‌توجهی به تولید و فرآوری غذا، هر روز بر میزان واردات محصولات غذایی افزوده خواهد شد. فناوری نانو چندین روش جدید برای بهبود کیفیت، ماندگاری، ایمنی و سلامت مواد غذایی به صنایع غذایی ارائه می‌دهد. با این وجود، نگرانی مصرف‌کنندگان، سازمان‌های نظارتی و صنایع غذایی در مورد اثرات نامطلوب بالقوه احتمالی (سمیت) مرتبط با کاربرد فناوری نانو در غذاها وجود دارد. به طور خاص، یک نگرانی اصلی در مورد ترکیب مستقیم نانوذرات مهندسی شده در مواد غذایی است، مانند آن‌هایی که به عنوان طعم‌دهنده‌ها، مواد نگهدارنده، مواد مغذی، یا آن‌هایی که برای اصلاح خواص نوری، رئولوژیکی[1] یا جریان‌پذیری مواد غذایی و یا در بسته‌بندی مواد غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این گزارش خلاصه‌ای از کاربرد نانوذرات معدنی (نقره، اکسید آهن، دی‌اکسید تیتانیوم، دی‌اکسید سیلیکون و اکسید روی) و آلی (لیپید[2]، پروتئین و کربوهیدرات) در صنایع غذایی را نشان می‌دهد، مهم‌ترین ویژگی‌های نانوذره را که بر رفتار آن‌ها تأثیر می‌گذارد برجسته می‌کند، در مورد اهمیت ماتریس غذا و اثرات دستگاه گوارش بر خواص نانوذرات بحث می‌کند. در انتها چالش‌های پیشرو برای تجاری‌سازی و همچنین محدودیت‌های استفاده از مواد نانو مورد بررسی قرار می‌گیرد.

مقدمه‌ای بر فناوری نانو

فناوری نانو انقلابی نوظهور است که در تمامی بخش‌ها از مکانیک تا پزشکی از جمله صنایع غذایی پتانسیل زیادی دارد. فناوری نانو در واقع مطالعه دستکاری و کنترل ماده در مقیاس اتمی و مولکولی است که حداقل یک بعد مشخصه در نانومتر دارد و عموماً در محدودة 1 تا 100 نانومتر است [1]. به نظر می‌رسد نانوذرات به دلیل افزایش سطح (نسبت به حجم) و نرخ انتقال جرم دارای فعالیت شیمیایی و زیستی، واکنش آنزیمی، نفوذپذیری، رفتار کاتالیزوری و خواص کوانتومی بهتری در مقایسه با ذرات بزرگ دارند. مواد نانو بر اساس اندازه، ساختار و ویژگی‌های خود طبقه‌بندی می‌شوند. چنین مواد نانویی با نسبت سطح به حجم بالا می‌توانند از نظر حلالیت، نفوذپذیری، رنگ، اپتیک، استحکام، مغناطیس و ترمودینامیک دارای ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی بسیار خوبی باشند [2]. امروزه بازار غذا به چنین فناوری‌هایی نیاز دارد تا محصولات غذایی مناسب، معتبر و اشتهاآور تولید کند و بتواند در بخش بازاریابی و فرآوری مواد غذایی پیشرو باشد. فناوری نانو یکی از مواردی است که در پردازش مواد غذایی کاربرد گسترده‌ای دارد. نانوذرات اغلب به عنوان مواد افزودنی غذایی استفاده می‌شوند تا مواد غذایی را از آلودگی محافظت کنند و در نتیجه باعث افزایش طول عمر آن‌ها شوند. مواد نانو و مواد افزودنی غذایی در مقیاس نانو به اشکال مواد نگهدارنده، حسگرهای ضدمیکروبی، طعم‌دهنده، مواد بسته‌بندی و… برای تأثیر بر ترکیب مواد مغذی و بهبود ماندگاری محصول، بافت، عطر، طعم و… استفاده می‌شوند [3]. فناوری نانو همچنین به منظور مقابله با بیماری‌های مرتبط با غذا (به عنوان مثال دیابت و چاقی)، ایجاد رژیم‌های غذایی خاص برای گروه‌های مختلف هدف، افراد سالخورده و سبک زندگی، مورد استفاده قرار می‌گیرد [4]. فناوری نانو به عنوان یک تحول صنعتی هم در کشورهای پیشرفته و هم در کشورهای درحال‌توسعه مطرح است و روی آن سرمایه‌گذاری می‌شود. در این گزارش به انواع مختلف مواد نانو و کاربردهای آن‌ها در بخش‌های مختلف غذایی پرداخته می‌شود و در نهایت موارد مربوط به سلامت و جنبه‌های نظارتی مرتبط با فناوری نانو و همچنین چشم‌اندازهای آینده آن شرح داده می‌شود.

جدول 1- نمونه‌هایی از انواع مختلف مواد در مقیاس نانو که ممکن است در غذاها و منشأ آن‌ها وجود داشته باشد [5]

مواد در مقیاس نانو	منشأ	مشخصات	محصول
میسل کازئین[3] (آلی)	طبیعی	خوشه‌های پروتئینی – معدنی[4]	شیر – خامه
ارگانل‌های سلولی[5] (آلی)	طبیعی	لیزوزم[6]، واکوئل[7]، ریبوزوم[8] و…	گوشت قرمز، ماهی، میوه و سبزیجات
چربی‌های بدن[9] (آلی)	طبیعی	قطرات تری‌گلیسیرید پوشش داده شده با فسفولیپید/ پروتئین	گیاهان، دانه‌ها
اکسید آهن (معدنی)	مهندسی شده	نانوذرات FeO برای غنی‌سازی غذاها با آهن استفاده می‌شود.	مکمل‌های غذایی، پوسته سوسیس
اکسید تیتانیوم (معدنی)	مهندسی شده	نانوذرات TiO₂ به عنوان عوامل سفیدکننده استفاده می‌شوند	آب‌نبات، آدامس، محصولات نانوایی، پودر شیر
دی‌اکسید سیلیکون (معدنی)	مهندسی شده	نانوذرات SiO₂ که برای کنترل روان بودن پودر استفاده می‌شود	نمک، مایه قند، ادویه‌ها، شیر خشک و مخلوط‌های خشک
نقره (معدنی)	مهندسی شده	نانوذرات Ag به عنوان ضدمیکروب در غذاها، پوشش‌ها و بسته‌بندی استفاده می‌شود	گوشت، بسته‌های غذایی، ظروف، پوشش‌ها

فناوری نانو در مواد غذایی به بسیاری از جنبه‌های محصولات مشتریان از جمله بسته‌بندی مواد غذایی، مواد افزودنی و نگهداری مواد غذایی نفوذ کرده است. به رسمیت شناختن این فناوری جدید، پردازش، ذخیره‌سازی و تضمین ایمنی مواد غذایی را بهبود بخشیده است. بسیاری از مواد شیمیایی معمولی که به عنوان افزودنی‌های غذایی یا مواد بسته‌بندی اضافه شده‌اند؛ در مقیاس نانو نیز یافت می‌شوند. به عنوان مثال در حال حاضر نانوذرات (اکسید تیتانیوم) TiO₂ با درجه مواد غذایی تقریباً 40٪ در محدوده نانومتر یافت شده است. اگرچه مواد نانو مانند TiO₂ به‌طورکلی در شرایط محیطی با سمیت کم شناخته می‌شوند، قرار گرفتن در معرض طولانی‌مدت چنین موادی ممکن است صدمات نامطلوبی ایجاد کند. استفاده از فناوری‌های جدید نانو در مواد غذایی، به علت وجود مواد شیمیایی در مقیاس نانو، توجه عموم مردم را به دلیل خطرات احتمالی به خود جلب کرده است. سازمان غذا و داروی ایالات‌متحده (U.S. FDA[10]) و کمیسیون اروپا (EC[11]) منابع اصلی قانون‌گذاری و مقررات مربوط به فناوری نانومواد غذایی هستند [6].

اطلاعات کلی بازار کشاورزی و مواد غذایی:

بخش کشاورزی وظیفه تأمین نیاز غذایی با اتکا بر تولید ملی و استفاده بهینه و کارآمد از منابع تولید (آب‌وخاک، اقلیم و…( و حفاظت از منابع طبیعی تجدیدشونده و افزایش درآمد کشاورزان را بر عهده دارد. این بخش با برخورداری از حدود 6/6 درصد تولید ناخالص داخلی، 7/17 درصد اشتغال و 9/5 درصد صادرات غیرنفتی و تأمین‌کننده حدود 80 درصد مواد غذایی و نیز 90 – 80 درصد مواد اولیه صنایع مورد نیاز کشور، جایگاه مهمی در اقتصاد کلان کشور دارد (گزارش اقتصاد کشاورزی مرکز ملی مطالعات راهبردی کشاورزی و آب، 1399).
طبق بانک اطلاعات محصولات فناوری نانو[12] در بخش محصولات غذایی 357 محصول از 51 نوع مختلف توسط 142 شرکت از 26 کشور مختلف به ثبت رسیده است. 5 بخش اصلی محصولات غذایی نانویی شامل حسگرهای غذایی، غذا، بسته‌بندی، تغذیه‌های ورزشی و مکمل‌ها است.
برآورد تولید جهانی غلات در سال 2020 به‌شدت افزایش یافته است، درحالی‌که چشم‌انداز اولیه برای تولید غلات در سال 2021 مثبت است.
طبق اطلاعات سازمان خواربار و کشاورزی ملل متحد (فائو[13]) ایران جزو برترین تولیدکنندگان گندم با میانگین 3/14 میلیون تن به‌صورت میانگین در 5 سال اخیر است. این سازمان پیش‌بینی کرده است در سال 2021 این میزان حدود 14 میلیون تن خواهد بود.
گزارش معاونت بررسی‌های اقتصادی اتاق بازرگانی تهران در بهار سال 1398 نشان می‌دهد که برنج سفید، ذرت دامی، لوبیای سویا، کنجاله و کره بسته‌بندی، 5 قلم عمده صادراتی کشور بوده‌اند. همچنین بررسی آمار روزانه گمرک نشان می‌دهد که ۵ مبدأ عمده صادراتی ایران در فصل بهار 1398 کشورهای عراق، چین، امارات، افغانستان و ترکیه و ۵ مبدأ عمده وارداتی نیز چین، امارات، ترکیه، هند و آلمان بوده‌اند.
طبق اطلاعات FAO، در ایران نزدیک به 4 میلیون نفر در گرسنگی و عدم امنیت غذایی به سر می‌برند.

شکل 1- تعداد افراد دچار سو تغذیه (یک میلیون) (متوسط 3 ساله) در ایران

انواع نانوذرات در مواد غذایی

به‌طورکلی، نانوذرات موجود در غذاها را می‌توان به‌راحتی بر اساس ترکیب آن‌ها، به دو دسته آلی یا معدنی تقسیم‌بندی کرد؛ زیرا این عامل تأثیر زیادی در سرنوشت نانومواد در دستگاه گوارش و سمیت بالقوه آن‌ها دارد.

نانوذرات معدنی:

بسیاری از انواع نانوذرات مورد استفاده در غذاها عمدتاً از مواد معدنی مانند نقره، اکسید آهن، دی‌اکسید تیتانیوم، دی‌اکسید سیلیسیم یا اکسید روی تشکیل شده‌اند. این ذرات به‌صورت جامدات بلوری یا آمورف در دمای محیط وجود دارند که ممکن است کروی یا غیرکروی باشند، همچنین دارای مشخصات سطحی متفاوتی هستند و بسته به مواد اولیه و شرایط آماده‌سازی مورد استفاده در ساخت آن‌ها در اندازه‌های مختلف وجود دارند. نانوذرات معدنی همچنین از نظر تمایل به حل شدن تحت شرایط متفاوت محلول (مانند pH و استحکام یونی) و همچنین از نظر فعالیت‌های شیمیایی متفاوت هستند که تأثیر زیادی در سرنوشت آن‌ها در دستگاه گوارش (GIT[14]) و متعاقباً ایجاد سمیت دارد [7].

یکی از معروف‌ترین نانوذرات معدنی که در محصولات غذایی و بهداشتی مورد استفاده قرار می‌گیرد دی‌اکسید تیتانیوم است. دی‌اکسید تیتانیوم یک پودر سفید است که از مواد معدنی موجود در طبیعت استخراج می‌شود؛ گاهی اوقات به عنوان TiO₂، تیتانیوم سفید یا CI 77891 شناخته می‌شود، سال‌ها است که در انواع محصولات مختلف از جمله غذاها، داروها و مواد آرایشی مورد استفاده است. در غذاها، دی‌اکسید تیتانیوم معمولاً E171 نامیده می‌شود. در واقع دی‌اکسید تیتانیوم در دو درجه نانویی و رنگ‌دانه استفاده می‌شود. دی‌اکسید تیتانیوم در درجه رنگ‌دانه در اندازه ذرات بسیار بزرگ‌تر از درجه نانو تولید می‌شود و برای سفید کردن و درخشندگی فرمولاسیون محصول استفاده می‌شود. دی‌اکسید تیتانیوم با درجه نانو به‌صورت ذرات بسیار ریز (نانو) ساخته شده و شفاف و بی‌رنگ است. این ماده معمولاً در محصولات غذایی و ضدآفتاب‌ها برای محافظت مؤثر در برابر اشعه ماورابنفش مضر استفاده می‌شود [8].

دی‌اکسید تیتانیوم توسط متخصصان در سراسر جهان، از جمله کمیته علمی ایمنی مصرف‌کننده اروپا[15] (SCCS)، کمیته تخصصی مشترک مواد افزودنی غذایی[16] (JECFA) و سازمان غذا و داروی ایالات‌متحده (FDA) برای استفاده در محصولات آرایشی و بهداشتی و محصولات غذایی بی‌خطر تلقی می‌شود. دی‌اکسید تیتانیوم درجه نانو توسط SCCS ارزیابی شده است و برای استفاده به عنوان فیلتر UV توسط کمیسیون اروپا تأیید شده است.

نانوذرات آلی:

این نوع نانوذرات عمدتاً از مواد آلی مانند لیپیدها، پروتئین‌ها و یا کربوهیدرات‌ها تشکیل شده‌اند. این مواد در دمای محیط بسته به ترکیب و شرایط فرآوری، مایع، نیمه‌جامد (ژل) یا جامد (کریستالی یا آمورف) هستند. اکثر نانوذرات آلی که معمولاً در غذاها استفاده می‌شوند کروی هستند، اما ممکن است تحت برخی شرایط (مانند نانوالیاف) کروی نباشند. مواد آلی از نظر رفتار در مناطق مختلف دستگاه گوارش انسان بسیار متفاوت هستند؛ به عنوان مثال، بسته به ترکیب و ساختار ممکن است در دهان، معده، روده کوچک یا روده بزرگ هضم شوند. به‌طورکلی تصور می‌شود که نانوذرات آلی نسبت به نانوذرات معدنی کم‌تر سمیت دارند؛ زیرا غالباً به طور کامل در دستگاه گوارش انسان هضم شده و ماندگار نیستند. با این وجود، ممکن است شرایط خاصی وجود داشته باشد که منجر به سمیت نانوذرات آلی نیز شود.

شکل 2- نمودار شماتیک مناطق مختلف دستگاه گوارش انسان که نانوذرات باید از آن عبور کنند [9]

مشخصات نانوذرات مورد استفاده در صنایع غذایی

نانوذرات موجود در محصولات غذایی و آشامیدنی از نظر خصوصیات فیزیکی شیمیایی و ساختاری بسیار متفاوت هستند که این خصوصیات سرنوشت آن‌ها را در دستگاه گوارش و تمایل آن‌ها به ایجاد سمیت را تعیین می‌کند. در نتیجه، برای توصیف خصوصیات نانوذرات ابزارهای تحلیلی مناسبی مورد نیاز است [10]. در ادامه متغیرهای مهمی که روی سرنوشت نانوذرات و ایجاد سمیت آن‌ها در بدن مؤثر هستند، بررسی خواهند شد.

ترکیب

نانوذرات موجود در غذاها ممکن است از مواد غیرآلی (به عنوان مثال نقره، دی‌اکسید تیتانیوم، دی‌اکسید سیلیسیم، اکسید آهن و اکسیدروی) و یا اجزای آلی (به عنوان مثال لیپیدها، پروتئین‌ها و کربوهیدرات‌ها) تشکیل شده باشند. ترکیب نانوذرات نقش اصلی را در تعیین سرنوشت آن‌ها در دستگاه گوارشی دارد. لیپیدها، پروتئین‌ها و نشاسته‌ها توسط پروتئازها[17]، لیپازها[18] و آمیلازها[19] در دهان، معده، روده کوچک یا روده بزرگ هضم می‌شوند. با این حال، برخی از مواد آلی مورد استفاده برای ساخت نانوذرات غذایی (مانند فیبرهای رژیم غذایی[20] و روغن‌های معدنی) ممکن است در دستگاه گوارش فوقانی هضم نشوند. نانوذرات معدنی نیز در دستگاه گوارش هضم نمی‌شوند؛ اما برخی از آن‌ها ممکن است در اثر تغییر در PH یا رقت به طور کامل یا جزئی حل شوند [11]. توانایی نانوذرات معدنی در تولید سمیت اغلب با واکنش شیمیایی آن‌ها در ارتباط است که به ترکیب آن‌ها بستگی دارد. به عنوان مثال برخی از نانوذرات معدنی یون‌هایی را حل کرده و آزاد می‌کنند که واکنش‌های شیمیایی یا بیوشیمیایی نامطلوبی ایجاد می‌کنند (به عنوان مثال نانوذرات نقره)، در حالی که برخی دیگر نسبتاً بی‌اثر هستند (به عنوان مثال نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم) [12].

شکل 3- نانوذرات غذا دارای تنوع در مشخصات ذره‌ای هستند [13]

—————————————–

[1] rheological

[2] lipid

[3] Casein micelles

[4] Protein–mineral clusters

[5] Cell organelles

[6] lysosome

[7] vacuoles

[8] Ribosomes

[9] Oil bodies

[10] United State Food and Drug Administration

[11] European Commission

[12] Nanotechnology Products Database

[13] FAO

[14] gastrointestinal tract

[15] Scientific Committee on Consumer Safety

[16] Joint Expert Committee on Food Additive

[17] proteases

[18] lipases

[19] amylases

[20] dietary fibers

ابعاد

ابعاد نانوذرات غذایی بسته به مواد و فرایندهای استفاده شده برای ایجاد آن‌ها به‌صورت قابل توجهی متفاوت است؛ از چند نانومتر (میسل سورفاکتانت[1]) تا چند صد نانومتر (لیپید، پروتئین یا نانوذرات کربوهیدرات). ابعاد نانوذرات بر سرنوشت آن‌ها در دستگاه گوارش و سمیت آن‌ها از طریق مکانیزم‌های مختلف تأثیرگذار است. اول اینکه نانوذرات کوچک‌تر معمولاً با سرعت بیشتری نسبت به ذرات بزرگ‌تر با ترکیبات مشابه در مایعات دستگاه گوارش حل یا هضم می‌شوند. دوم اینکه توانایی تعامل اجزای دستگاه گوارش (مانند آنزیم‌های گوارشی[2]، فسفولیپیدها[3]، نمک‌های صفراوی[4] یا یون‌های معدنی) با ذرات نانو احتمالاً با کاهش اندازه آن‌ها به دلیل افزایش سطح ویژه افزایش می‌یابد. مورد سوم اینکه نفوذ نانوذرات از طریق لایه مخاطی که سلول‌های اپیتلیوم را پوشش می‌دهند، معمولاً با کاهش اندازه آن‌ها نسبت به اندازه منافذ شبکه بیوپلیمر افزایش می‌یابد. چهارمین مورد اینکه جذب نانوذرات توسط سلول‌های اپیتلیوم روده از طریق اتصالات تنگ[5]، انتقال فعال[6] یا مکانیسم‌های انتقال غیرفعال[7] به اندازه ذرات بستگی دارد [14], [15].

[1] surfactant micelles

[2] digestive enzymes

[3] phospholipids

[4] bile salts

[5] tight junctions

[6] active transport

[7] passive transport

خواص فصل مشترک

سرنوشت نانوذرات در دستگاه گوارش با کیفیت مواد غذایی و بنابراین پتانسیل آن‌ها برای داشتن اثرات سو بر سلامت، اغلب تحت تأثیر ویژگی‌های فصل مشترک آن‌ها قرار دارد. نانوذرات در غذاها و درون دستگاه گوارش به طور معمول توسط مواد جاذب پوششی احاطه می‌شوند (گاهی به آن تاج یا کرونا[8] نیز گفته می‌شود) که بار الکتریکی، آب‌گریزی، ضخامت، قابلیت هضم و واکنش شیمیایی فصل مشترک را تعیین می‌کنند. این خصوصیات سطحی مانند توانایی آن‌ها در نفوذ به موانع زیستی (مانند لایه مخاط یا سلول‌های اپیتلیوم روده)، تعامل آن‌ها با سایر اجزای موجود در دستگاه گوارش (مانند موسین[9]، آنزیم‌های گوارشی، نمک‌های صفراوی، یون‌های معدنی یا پروتئین‌ها) و حالت‌های تجمع آن‌ها (مانند ذرات منفرد یا خوشه‌ها) رفتار نانوذرات را در دستگاه گوارش تعیین می‌کند.[16] [17].

نحوه تجمع

نانوذرات با درجه غذایی ممکن است به‌صورت ذرات تک و جداگانه وجود داشته باشند، یا ممکن است خوشه‌هایی را تشکیل دهند که در اندازه، شکل و استحکام متفاوت هستند. به طور معمول، نانوذرات موجود در خوشه‌ها توسط نیروهای فیزیکی مانند واندروالس[10]، الکترواستاتیک[11]، پیوند هیدروژنی و نیروهای آب‌گریز در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند؛ بنابراین وضعیت تجمع نانوذرات اغلب وابسته به شرایط محیطی مانند PH، استحکام یونی، فعل‌وانفعالات مواد تشکیل‌دهنده و نیروهای مکانیکی است. ابعاد خوشه‌های نانوذرات ممکن است بسیار بیشتر از ابعاد نانوذرات تک و منفرد باشد که تأثیر زیادی در سرنوشت آن‌ها در دستگاه گوارش، مانند توانایی حرکت آن‌ها در مایعات دستگاه گوارش، لایه مخاطی یا سلول‌های اپیتلیوم دارد. در نتیجه، تعیین ابعاد واقعی نانوذرات در موضع مورد نظر، نسبت به ابعاد نانوذرات اصلی موجود در غذاها مهم‌تر است [5].

محصولات تجاری حاوی نانوذرات

هم‌اینک شاهد یک گسترة محدود از محصولات غذایی بر پایة فناوری نانو در بازار هستیم که در مقایسه با محصولات دیگری که با استفاده از فناوری نانو، فرآوری شده‌اند ناچیز هستند؛ اما با توجه به کارایی و تأثیرات فناوری نانو در آینده شاهد حضور گسترده و متنوع از این محصولات در بازار خواهیم بود. در ادامه بازارهای جهانی و شرکت‌هایی که در حال حاضر از فناوری نانو در تولید محصولات خود استفاده می‌کنند؛ بررسی خواهند شد.

Unilever :

یونیلیور یک شرکت چند ملیتی بریتانیایی – هلندی است که مالک شمار زیادی از نام‌های تجاری بین‌المللی بوده و بیش از 100 سال قدمت دارد [18]. این شرکت یکی از بزرگ‌ترین شرکت‌های کالاهای مصرفی در جهان است که به خاطر برندهای بزرگ خود، در بازارهای جهانی نامی آشنا است. به طور مثال برند مگنوم[12] از زیرمجموعه‌های این شرکت است. این شرکت در سه بخش زیبایی و مراقبت شخصی، مواد غذایی و نوشیدنی و مراقبت خانگی فعالیت دارد که گردش مالی بخش غذایی این شرکت 1/19 میلیارد دلار در سال 2020 بوده است. از مهم‌ترین نانوذراتی که این شرکت در محصولات خود استفاده می‌کند دی‌اکسید تیتانیوم است. این شرکت از دی‌اکسید تیتانیوم به عنوان ماده رنگی در برخی از محصولات مراقبت در منزل، از جمله در مواد شوینده لباس، قرص ماشین ظرفشویی و قرص‌های تمیزکننده توالت استفاده می‌کند. همچنین از این نانوذره به عنوان رنگ‌دهنده در تعداد محدودی از محصولات غذایی به عنوان مثال در برخی از چاشنی‌ها و بستنی‌های خود استفاده می‌کند.

Hershey:

هرشی شرکت صنایع غذایی آمریکایی است که تمرکز اصلی آن بر تولید و توزیع انواع شکلات، فرآورده‌های قندی، کارامل، بادام‌زمینی، پرتزل و چیپس سیب‌زمینی معطوف است. این شرکت در حال حاضر بزرگ‌ترین تولیدکننده انواع شکلات در آمریکای شمالی است؛ همچنین در رتبه ششم از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان شکلات در جهان قرار دارد و محصولاتش را در ۶۰ کشور جهان عرضه می‌کند [19]. در بعضی از محصولات این شرکت مانند شکلات تلخ تخته‌ای و شربت شکلات از دی‌اکسید تیتانیوم استفاده شده است.

MARS:

به عنوان تولیدکننده برخی از محبوب‌ترین برندهای شکلات، شیرینی سازی، آدامس و مواد غذایی در جهان مانند: M&M’s (شکل 5) شناخته می‌شود. محصول M&M’s دارای کد E171 است و همانطور که ذکر شد نشان‌دهنده حضور TiO₂ است. در این محصول ذرات در مقیاس نانو توسط TEM[13] مشاهده شده و تجزیه‌وتحلیل نقطه‌ای با استفاده از[14]EDX نیز حضور اکسیژن و تیتانیوم را تأیید کرده است.

در زیر به دیگر محصولات غذایی فعال در این حوزه که با جدیت زیاد به دنبال کشف قابلیت فناوری نانو برای مواد مغذی بهتر و ایمنی غذا هستند، اشاره شده است [21]:

مکمل‌های ویتامین ®Spray for Life، تولید شده توسط Health Plus International که نوشیدنی‌های غنی شده با ویتامین را به‌صورت نانوانکپسوله تولید می‌کنند.
تقویت‌کننده‌های روزانه^[15] تولید شده توسط شرکت Jamba Juice Hawaii که ویتامین یا اجزای زیست فعال نوشیدنی‌های غنی شده را به‌صورت نانوکپسول شده تولید می‌کند.
رنگ‌های امولسیونی[16]، تولید شده توسط شرکت Wild Flavors که نانوامولسیون‌های بتا کاروتنال[17]، آپوکاروتنال[18] یا پاپریکا را تولید می‌کند.
شیک‌های شکلات، تولید شده توسط RBC Life Science Inc که از نانوکپسول کردن خوشه‌های نانویی برای افزایش عطر و طعم این نوشیدنی بدون اضافه کردن قند استفاده می‌کند.
Nanotea تولید شده توسط Qinhuangdao Taiji Ring Nano-Products Co. Ltd از چین است که نانو چایی‌ها را به‌صورت انکپسوله تولید می‌کند.

در حقیقت انکپسوله کردن مواد غذایی، اسانس‌های غذایی و ویتامین‌ها، به‌منظور افزایش فعالیت ضدمیکروبی در برابر عوامل بیماری‌زا ناشی از غذا، بهبود مدت‌زمان نگهداری غذا، بهبود حلالیت، پایداری فیزیکی، کاهش تعاملات با مواد غذایی و افزایش/کاهش طعم و عطر مواد استفاده می‌شود.

چالش‌ها و محدودیت‌های فنی

اگرچه فناوری نانو پتانسیل زیادی برای ساخت محصولات و فرایندهای نوآورانه در بخش مواد غذایی دارد، اما موانع زیادی وجود دارد. چالش اصلی تولید سیستم‌های خوراکی، استفاده از فرایندهای تولید مقرون‌به‌صرفه با فرمولاسیون مؤثر برای مصرف و ایمنی انسان است [22]. رفتار مواد در مقیاس نانو کاملاً متفاوت است و دانش فنی محدودی در مورد تجزیه‌وتحلیل آن وجود دارد. درک کامل از ویژگی‌ها و سمیت‌های مواد نانو، کاربرد عملی و مقررات ایمنی آن را بیشتر می‌کند. پیامدهای نامطلوب نانوذرات، ریسک‌های بالقوه و مسمومیت‌های مرتبط با نانوذرات باید برطرف شود تا بتواند به گزینه مناسبی در صنایع غذایی تبدیل شود. به طور مثال گزارش شده است که نانوذرات از سد زیستی عبور کرده و وارد سلول‌ها و ارگان‌ها شده‌اند که این مورد می‌تواند یکی از اثرات نامطلوب نانوذرات در بدن و در نتیجه ایجاد سمیت بالقوه باشد [23]. همچنین گزارش شده است سنتز نانوذرات با استفاده از روش‌های مختلف شیمیایی نیز اثرات سوئی دارد و محصولات جانبی خطرناکی را برای محیط‌زیست ایجاد کرده که باعث آلودگی شدید محیط می‌شود [24]؛ بنابراین جدا از محبوبیت و تقاضای عمومی، یک برنامه ارزیابی ریسک فراگیر، سیاست نظارتی، ایمنی زیستی و نگرانی‌های عمومی باید در هنگام پردازش، بسته‌بندی و مصرف انسانی محصولات غذایی مبتنی بر نانو در نظر گرفته شود. علاوه بر این مطالعات درون‌تن[19] و برون تن[20] شامل تعاملات نانوذرات با موجودات زنده قبل از کاربرد تجاری و تولید نانوذرات مورد نیاز است [25].

پتانسیل تجاری‌سازی و چشم‌اندازهای آینده

در علوم و تحقیقات غذایی پیشرفت‌های چشمگیری در کاربردهای فناوری نانو حاصل شده است. فناوری نانو به شناسایی مواد سمی، عوامل بیماری‌زا و سموم دفع آفات کمک می‌کند که می‌تواند کیفیت غذا را حفظ کند. در دسترس بودن نیروی انسانی آموزش‌دیده، هزینه تجزیه‌وتحلیل و تهیه تجهیزات پیشرفته فنی، مانعی در راه پیشرفت فناوری نانو نیست. با این حال، برخی از سیستم‌های نانو هنوز در مرحله نخستین خود هستند و یا در حال توسعه هستند.

غذاهای تولید شده از طریق فناوری نانو احتمالاً دامنه فرمولاسیون و تولید غذاهای کاربردی را در سال‌های آینده گسترش می‌دهند. اگر قوانین و مقررات خاص فناوری نانو برای غلبه بر چالش‌های مختلف ایمنی مرتبط با این فناوری وضع شود، این مهم می‌تواند بر کل حوزه پردازش مواد غذایی حاکم شود. طبق ارزیابی‌های جدید، پیش‌بینی می‌شود که فناوری نانو تا سال 2050 به فناوری پیشرفته با سرعت رشد بی‌نهایت تبدیل شود تا اکثر مشکلات صنعتی و اجتماعی را به دلیل توانایی یافتن راه‌حل‌های دوستانه در سطح خرد و کلان، از بین ببرد.

——————————————

نتیجه‌گیری

تحقیقات و کاربردهای تجاری در زمینه فناوری نانو به تدریج دامنه خود را از یک طیف به طیف دیگر افزایش می‌دهند. فناوری نانو پتانسیل فوق‌العاده‌ای برای پیشرفت علوم غذایی در سراسر جهان دارد. از سرعت بخشیدن به ماندگاری محصول گرفته تا ذخیره بهتر مواد غذایی، ردیابی آلاینده‌ها و ورود مکمل‌های غذایی یا بهداشتی به بدن از طریق مواد غذایی. فناوری نانو نقش امیدوارکننده‌ای در حوزه فناوری غذایی دارد. جایگزینی روش‌های معمول جداسازی میکروبی با کاربردهای مبتنی بر فناوری نانو می‌تواند خطرات بیماری‌های منتقل شده از طریق غذا را از بین ببرد که حتی در آلودگی‌های کوچک نیز کشنده است. پیشرفت‌های اخیر در زمینه کاربردهای مبتنی بر علوم نانو، منعکس‌کننده فرصت‌هایی برای طراحی مجدد پردازش، بازسازی چرخه تولید، تأیید حفاظت از منابع طبیعی و حتی تعریف مجدد عادات غذایی مصرف‌کنندگان است. چنین فناوری‌هایی منجر به توسعه سیستم‌های زراعی می‌شوند و مسیر توسعه پایدار کشاورزی را هموار می‌کنند. فناوری نانو به عنوان ابزاری ضروری برای غلبه بر چالش‌های موجود زیست‌محیطی به خاطر بسته‌بندی محصولات غذایی عمل می‌کند. توسط فناوری نانو (در صورتی که سازگار با محیط‌زیست و از نظر اقتصادی مناسب باشد) می‌توان به یک راه‌حل قابل‌اطمینان حتی در بسته‌بندی مواد غذایی دست یافت. چنین پیشرفتی در نهایت تأثیر مهمی بر کیفیت، ذخیره‌سازی، ایمنی و امنیت مواد غذایی خواهد داشت که این امر به سود تولیدکنندگان و همچنین مصرف‌کنندگان خواهد بود. با این حال به خاطر رفتارهای مهاجرتی نانوذرات در زمینه مواد غذایی، سمیت سلولی نانوذرات در انسان و تأثیرات احتمالی آن‌ها بر سلامتی و محیط‌زیست مصرف‌کنندگان، تحقیقات بیشتری لازم است.

——————————————

منابع

[1] C. Chellaram et al., “Significance of Nanotechnology in Food Industry,” APCBEE Procedia, vol. 8, pp. 109–113, Jan. 2014, doi: 10.1016/j.apcbee.2014.03.010.

[2] A. Abaee, M. Mohammadian, and S. M. Jafari, “Whey and soy protein-based hydrogels and nano-hydrogels as bioactive delivery systems,” Trends in Food Science and Technology, vol. 70. Elsevier Ltd, pp. 69–81, Dec. 01, 2017, doi: 10.1016/j.tifs.2017.10.011.

[3] N. Aher et al., “Poly(ethylene glycol) versus dendrimer prodrug conjugates: Influence of prodrug architecture in cellular uptake and transferrin mediated targeting,” J. Biomed. Nanotechnol., vol. 9, no. 5, pp. 776–789, May 2013, doi: 10.1166/jbn.2013.1582.

[4] M. Sahoo, S. Vishwakarma, C. Panigrahi, and J. Kumar, “Nanotechnology: Current applications and future scope in food,” vol. 2, no. 1, pp. 3–22, Mar., doi: 10.1002/fft2.58.

[5] D. McClements, H. X. S. of Food, and undefined 2017, “Is nano safe in foods? Establishing the factors impacting the gastrointestinal fate and toxicity of organic and inorganic food-grade nanoparticles,” nature.com, Accessed: Jun. 01, 2021. [Online]. Available: https://www.nature.com/articles/s41538-017-0005-1.

[6] X. He, H. Deng, and H. min Hwang, “The current application of nanotechnology in food and agriculture,” Journal of Food and Drug Analysis, vol. 27, no. 1. Elsevier Taiwan LLC, pp. 1–21, Jan. 01, 2019, doi: 10.1016/j.jfda.2018.12.002.

[7] A. Pietroiusti, A. Magrini, and L. Campagnolo, “New frontiers in nanotoxicology: Gut microbiota/microbiome-mediated effects of engineered nanomaterials,” Toxicol. Appl. Pharmacol., vol. 299, pp. 90–95, May 2016, doi: 10.1016/j.taap.2015.12.017.

[8] “Titanium dioxide | All brands | Unilever global company website.” https://www.unilever.com/brands/Our-products-and-ingredients/Your-ingredient-questions-answered/titanium-dioxide.html (accessed Jun. 06, 2021).

[9] “Gastrointestinal tract – Wikipedia.” https://en.wikipedia.org/wiki/Gastrointestinal_tract (accessed Jun. 01, 2021).

[10] G. Singh, C. Stephan, P. Westerhoff, D. Carlander, and T. V. Duncan, “Measurement methods to detect, characterize, and quantify engineered nanomaterials in foods,” Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, vol. 13, no. 4. Blackwell Publishing Inc., pp. 693–704, Jul. 01, 2014, doi: 10.1111/1541-4337.12078.

[11] E. E. Fröhlich and E. Fröhlich, “Cytotoxicity of nanoparticles contained in food on intestinal cells and the gut microbiota,” International Journal of Molecular Sciences, vol. 17, no. 4. MDPI AG, p. 509, Apr. 06, 2016, doi: 10.3390/ijms17040509.

[12] T. Pradeep and Anshup, “Noble metal nanoparticles for water purification: A critical review,” Thin Solid Films, vol. 517, no. 24. Elsevier, pp. 6441–6478, Oct. 30, 2009, doi: 10.1016/j.tsf.2009.03.195.

[13] D. J. Mcclements and H. Xiao, “Is nano safe in foods? Establishing the factors impacting the gastrointestinal fate and toxicity of organic and inorganic food-grade nanoparticles,” vol. 1, p. 6, 2017, doi: 10.1038/s41538-017-0005-1.

[14] S. Bellmann et al., “Mammalian gastrointestinal tract parameters modulating the integrity, surface properties, and absorption of food-relevant nanomaterials,” Wiley Interdiscip. Rev. Nanomedicine Nanobiotechnology, vol. 7, no. 5, pp. 609–622, Sep. 2015, doi: 10.1002/wnan.1333.

[15] L. M. Ensign, R. Cone, and J. Hanes, “Oral drug delivery with polymeric nanoparticles: The gastrointestinal mucus barriers,” Advanced Drug Delivery Reviews, vol. 64, no. 6. Elsevier, pp. 557–570, May 01, 2012, doi: 10.1016/j.addr.2011.12.009.

[16] J. J. Powell, N. Faria, E. Thomas-McKay, and L. C. Pele, “Origin and fate of dietary nanoparticles and microparticles in the gastrointestinal tract,” J. Autoimmun., vol. 34, no. 3, pp. J226–J233, May 2010, doi: 10.1016/j.jaut.2009.11.006.

[17] B. A. Magnuson, T. S. Jonaitis, and J. W. Card, “A brief review of the occurrence, use, and safety of food-related nanomaterials,” Journal of Food Science, vol. 76, no. 6. John Wiley & Sons, Ltd, pp. R126–R133, Aug. 01, 2011, doi: 10.1111/j.1750-3841.2011.02170.x.

[18] “Unilever – Wikipedia.” https://en.wikipedia.org/wiki/Unilever (accessed Jun. 06, 2021).

[19] “The Hershey Company – Wikipedia.” https://en.wikipedia.org/wiki/The_Hershey_Company (accessed Jun. 06, 2021).

[20] “Center for Food Safety | Nanotechnology in Food | | Nanotechnology in Food Interactive Tool.” https://www.centerforfoodsafety.org/nanotechnology-in-food (accessed Jun. 01, 2021).

[21] N. Pradhan et al., “Facets of nanotechnology as seen in food processing, packaging, and preservation industry,” Biomed Res. Int., vol. 2015, 2015, doi: 10.1155/2015/365672.

[22] “Nanoscience: Nanotechnologies and Nanophysics – Google Books.” https://books.google.com/books?hl=en&lr=&id=Vm3sQuFcLD0C&oi=fnd&pg=PA2&dq=Dupas,+C.,+%26+Lahmani,+M.+(Eds.).+(2007).+Nanoscience:+Nanotechnologies+and+nanophysics.+Berlin,+Germany:+Springer+Science+%26+Business+Media.&ots=SFWajhmtqs&sig=_W9eiTcQY3gJk7qfvN7PcP-SJ7k#v=onepage&q=Dupas%2C C.%2C%26 Lahmani%2C M. (Eds.). (2007). Nanoscience%3A Nanotechnologies and nanophysics. Berlin%2C Germany%3A Springer Science%26 Business Media.&f=false (accessed Jun. 01, 2021).

[23] X. Su, Y. L.-A. chemistry, and undefined 2004, “Quantum Dot Biolabeling Coupled with Immunomagnetic Separation for Detection of Escherichia coli O157:H7,” ACS Publ., Accessed: Jun. 01, 2021. [Online]. Available: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac049442+.

[24] D. S. Cha and M. S. Chinnan, “Biopolymer-based antimicrobial packaging: A review,” Crit. Rev. Food Sci. Nutr., vol. 44, no. 4, pp. 223–237, 2004, doi: 10.1080/10408690490464276.

[25] S. Shi, W. Wang, L. Liu, S. Wu, Y. Wei, and W. Li, “Effect of chitosan/nano-silica coating on the physicochemical characteristics of longan fruit under ambient temperature,” J. Food Eng., vol. 118, no. 1, pp. 125–131, Sep. 2013, doi: 10.1016/j.jfoodeng.2013.03.029.

—————————————————————————-

[1] surfactant micelles

[2] digestive enzymes

[3] phospholipids

[4] bile salts

[5] tight junctions

[6] active transport

[7] passive transport

[8] corona

[9] mucin

[10] Van der Waals

[11] electrostatic

[12] magnum

[13] Transmission electron microscopy

[14] Energy-dispersive X-ray spectroscopy

[15] Daily Boost

[16] Color Emulsion

[17] Beta-carotenal

[18] apocarotenal

[19] in vivo

[20] in vitro

ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

=====================================================================================================================

برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.

=====================================================================================================================