مدت زمان زیادی میگذرد که از پلیمرهای سنتزی همچون پلیاتیلن، پلیپروپیلن، پلیاستایرن، پلیاتیلن ترفتالات و پلیوینیل کلراید به عنوان مواد بستهبندی استفاده میشود. در دسترس بودن مواد خام فراوان، هزینه کم، خواص مکانیکی خوب و خصوصیات سدی مناسب در برابر اکسیژن، دیاکسید کربن و ترکیبات آروماتیک، از جمله دلایل استفاده از آنها میباشد. مشکل اصلی کاربرد این گونه مواد، مدت زمان طولانی تجزیه آنها میباشد که باعث ایجاد آلودگیهای زیستمحیطی میشود. نمونهای از این آلودگیها در شکل 1 نشان داده شده است. علاوه بر این، آلوده شدن مواد غذایی به وسیله انتقال مونومرهای مواد پلاستیکی بستهبندی، مشکل دیگری میباشد که از سلامت غذا کاسته و طعم و بوی مواد غذایی را نیز تغییر میدهد. در نتیجه به منظور رعایت مسائل زیست محیطی و اقتصادی، کاهش انتشار زیست محیطی مواد سنتزی به وسیله کاهش اثرات شدید محیطی آنها در هر مرحلهای از دوره عمرشان مهم میباشد. کاربرد فناوریهای نوین از جمله فناوری نانو، کمک خواهد کرد که مشکلات ذکر شده تا حدودی رفع شوند. کاربرد مواد نشأت گرفته از منابع تجدیدپذیر (الیاف طبیعی/پلیمرهای طبیعی) در این زمینه حائز اهمیت میباشد. به طور کلی، کامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با الیاف طبیعی در مقایسه با دیگر مواد مشابه سنتزی متداول، فراوانتر، تجدیدپذیر، ارزان، به طور جزئی یا کلی بازیافتپذیر و زیستتخریبپذیر بوده و دارای چگالی کم در عین خواص مکانیکی رضایتبخش، میباشند. امروزه کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف خام طبیعی، موضوع پروژههای علمی، تحقیقاتی و برنامههای تجاری متعددی میباشند [1].
فناوري نانو، زيستشناسي و ژنتيك مولكولي، فناوري اطلاعات و علوم شناختي، چهار زيرساخت انقلاب سوم علمی- صنعتي کنونی را تشكيل داده و توسعه علم و فناوري را تا حداقل پنجاه سال آينده رهبري خواهند كرد. همپوشاني اين چهار حوزه در آيندهاي نه چندان دور، ساختاري واحد با محوريت نانوفناوري را به دنبال خواهد داشت. نانوفناوري امكان توليد دستگاهها، ادوات و مواد هوشمند نانومتری (يك تا صد نانومتر) را با ويژگيها و مكانيسمهاي بسيار پيشرفته موجود در دستگاههاي زيستي و هوشمند طبيعي، به وجود خواهد آورد. بررسي اوضاع جهاني در حوزه علوم و فناوري نانو به روشني نشان ميدهد كه ايجاد و اکتشاف در اين حوزه ميبايست در درجه اول اولويتهاي كشور قرار گيرد، زيرا عقب ماندن ايران از قافله بزرگ جهاني در حال حركت، ضربات جبرانناپذيري را بر امر توسعه علمي و فني كشور در كليه حوزههاي علوم وارد خواهد ساخت.
ورود فناوری نانو به حوزه بستهبندی مواد غذایی در سالهای اخیر، منجر به ارائه بستهبندیهایی جدید با ویژگیهای متفاوت شده است. در این نوع از بستهبندیها، کاربرد مواد نانومتری مانند نانوسلولز، نانورس، نانوذرات فلزی، نانوذرات اکسید فلزی و … در زمینه پلیمری، استحکام و نفوذپذیری بستهبندی را به شکل چشمگیری بهبود میدهد. به نظر میرسد که این نوع بستهبندی، یک گزینه امیدبخش با پتانسیل بالای تجاری جهت تضمین سلامت و کیفیت غذا در صنعت بستهبندی مواد غذایی باشد. فناوری نانو، نویددهنده دستیابی به بستهبندیهایی با ایجاد ویژگیهایی از قبیل زمان ماندگاری بیشتر، ایمنتر بودن، سالمتر بودن و قابلیت ردیابی بهتر برای مواد غذایی میباشد. همچنین فناوری نانو میتواند با اصلاح نفوذپذیری فیلمهای بستهبندی، ویژگیهای سدی آنها را افزایش و مقاومت حرارتی آنها را بهبود بخشد.
| شکل 1- نمونهای از آلودگیهای محیط زیست توسط پلیمرهای سنتزی | ||
1- نانوسلولز
یک نانومتر معادل يك ميلياردم متر، یا تقريباً يك هشتاد هزارم قطر مو و يا معادل اندازه ده اتم هيدروژن است كه در كنار يكديگر قرار گرفتهاند. مواد دارای ساختار نانومتری، ویژگیهای فیزیکوشیمیایی منحصر به فردی را از خود نشان میدهند. نانوسلولز یکی از این گونه نانومواد میباشد. از جمله منابع سرشار سلولز میتوان به درختان، گیاهان، جلبکها، باکتریها و جانوران نیامدار[1] اشاره نمود [2]. چهار گروه عمده نانومواد سلولز عبارتند از: 1) نانوفیبریلهای سلولز (NFC یا CNF)[2]، 2) نانوبلورهای سلولز (CNC)[3] یا سلولز نانوبلورین (NCC)[4] ، 3) نانوسلولز باکتریایی (BNC)[5] [3] و 4) نانوکامپوزیتهای مبتنی بر نانوسلولز. ویژگی مهم نانومواد سلولز، منابع تجدیدپذیر و بسیار فراوان آنها و همچنین زیستتجزیهپذیر بودن و قابلیت بازیافت محصولات حاوی آنها میباشد. به علت مشخصه سدی نانوسلولز در برابر ورود اکسیژن و رطوبت و داشتن کیفیتی بهتر و یا حداقل مشابه کیفیت سایر محصولات پلیمری با داشتن مزیت زیستتجزیهپذیر بودن، از آن در صنعت بستهبندی مواد غذایی استفاده میشود. علاوه بر این، نانوسلولز دارای خواص مکانیکی فوقالعادهای مانند سفتی بالا [4] و [5]، وزن کم، سطح ویژه بالا [6] و نسبت استحکام به وزن چشمگیر میباشد که بر دیگر مزایای نانوسلولز میافزایند.
روند روبه رشد فناوری نانو و به خصوص کاربرد نانوسلولز در جهان با توجه به رشد صعودی پتنتها و مقالات، فعالیتهای پایلوت و تجاریشده، مشخص میباشد. به دلیل داشتن خصوصیات ویژه، این نانومواد کاربردهای بسیاری در صنایع مختلف مانند صنعت بستهبندی مواد غذایی، صنعت کاغذ، پزشکی و داروسازی، پوشش و نانوکامپوزیتها و … یافتهاند. عواملی چون سازگاری نانوسلولز با محیط زیست در کنار نیاز صنایع داخلی و وجود زیرساختهای لازم در کشور، بر این کاربردها افزودهاند. از جمله این کاربردها میتوان به کاربرد نانوسلولز در ساخت فیلمهای خوراکی، زیست پلاستیکها، کاربرد در بستهبندیهای هوشمند (حسگرها) و فعال و …، اشاره نمود.
2- فیلمهای خوراکی مورد استفاده در بستهبندی مواد غذایی
بستهبندیهای زيستتجزيهپذیر که قابلیت خوردن و مصرف به همراه ماده غذایی را دارند، به دو دسته فیلمها و روکشهای خوراکی تقسیمبندی میشوند. فیلمهای خوراکی قبل از کاربرد در بستهبندی ماده غذایی به صورت لایههای نازک تولید میشوند و بعد همانند پلیمرهای سنتزی برای بستهبندی به کار میروند. فیلمها میتوانند به شکلهای مختلف از جمله لفاف، کپسول و یا کیسه تولید شده و یا با ضخامت زیاد قالبگیری شوند (شکل 2 و شکل 3). فیلمهای خوراکی، جایگزینی یا تقویت لایههای طبیعی را جهت جلوگیری از کم شدن رطوبت فراهم میکنند، در حالی که به طور گزینشی، تبادل گازهای مهمی مانند اکسیژن، دیاکسیدکربن و اتیلن را به صورت کنترل شده، ممکن میسازند. از وظایف فیلمهای خوراکی میتوان به ایجاد یک مانع انتخابی برای به تأخیر انداختن مهاجرت رطوبت، عبور گازهای اکسیژن و دیاکسید کربن، مهاجرت روغن و چربی، انتقال حلشدهها، بهبود خواص مکانیکی و حمل و نقل مواد غذایی، بهبود استحکام مکانیکی ماده غذایی، حفظ ترکیبات طعمدار فرار و حمل افزودنیهای خوراکی اشاره نمود. به طور کلی ضخامت فیلمهای خوراکی کمتر از 0.3 میلیمتر میباشد.
| شکل 2- نمونهای از فیلمهای خوراکی | ||
در بستهبندی مدرن مواد غذایی، علاوه بر ویژگیهای اصلی مورد انتظار از بستهبندی مانند در برگرفتن، نگهداری و محافظت از مواد غذایی در برابر عوامل خارجی، ویژگیهای دیگری چون افزایش زمان ماندگاری، بهبود خواص تغذیهای، جلوگیری از فساد و افت مواد مغذی و فعال بودن را نیز باید در نظر داشت. به عنوان مثال در بستهبندی فعال، نگهدارندههایی از قبیل مواد ضدمیکروبی، طعمدهندهها، رنگدهندهها و مکملهای غذایی در طی زمان در غذا آزاد میشوند.
| شکل 3- نمونهای از فیلمهای خوراکی با ضخامت زیاد | ||
نانومواد در صنایع غذایی، پنجره جدیدی از فرصتها را برای خلق مواد جدید با کارایی بالا که اثراتی اساسی بر روی هر سه محور فرآوری، بستهبندی (ذخیرهسازی) و کنترل کیفی و ایمنی مواد غذایی دارند، میگشاید. دلیل اصلی استفاده از نانومواد طبیعی در بستهبندی مواد غذایی، فراهم نمودن نوعی از بستهبندی میباشد که مواد غذایی را از گرد و غبار، گازها، نور، پاتوژنها و رطوبت حفظ میکنند. اساساً این نانومواد ایمن و بیاثر بوده و تولید آنها ارزان و کار کردن با آنها ساده بوده و میتوان مجدداً از آنها استفاده نمود. کاربرد نانومواد پرکننده در تهیه فیلمهای زیستی در بسیاری از مطالعات بررسی شده است [1].
2-1- پیشینه فیلمهای خوراکی
سالیان درازی است که از فیلمهای خوراکی برای نگهداری بهتر محصولات غذایی و افزایش جذابیت ظاهری آنها استفاده میشود. در گذشته معمولاً برای ترکیباتی مانند سوسیس و کالباس از روده حیوانات استفاده میشد که آنها را از گوشت گاو پر میکردند، اما به تدریج موادی مثل کلاژن، سلولز و دیگر گونههای خوراکی جایگزین روده حیوانات شدند (شکل 4). اولین بار در سال 1985 توسط پارکر و موریس[6] از فیلم ژلاتین برای نگهداری گوشت استفاده شد. همچنین در کشور انگلستان، از ساختارهای لیپیدی برای افزایش زمان ماندگاری محصولات گوشتی و از کولاژن[7] یا مواد شبیه به کولاژن برای تولید سوسیس استفاده شد. ساخت فیلمها از سلولز و مشتقات سلولزی محلول در آب به منظور محافظت از مواد غذایی و ممانعت از کم شدن رطوبت آنها نیز برای مدت زمان زیادی است که شناخته شده است. بسیاری از پلیمرهای خوراکی مانند مشتقات ساده سلولز که یکی از اجزاء ساختار گیاه میباشد، غیرسمی هستند. کاربرد فیلمهای خوراکی سبب کاهش نفوذ گاز، کاهش حرکت روغنها و چربیها، کاهش حرکت حل شدهها، کاهش هدررفت طعمها و مزههای فرّار، بهبود خواص ساختاری، وارد نمودن رنگدانهها، چاشنیها و مواد افزودنی غذایی، بهبود ظاهر، جلوگیری از انتقال رطوبت و اکسیژن، کاهش جذب روغن سرخکردنی، کاهش چسبندگی به سطح ظروف آشپزی و کاهش رشد کپک[8] میشود.
| شکل 4- کاربرد کلاژن، سلولز و دیگر گونههای خوراکی در تولید سوسیس | ||
| تصاویر تزئینی هستند. | ||
2-2- اجزاء تشکیل دهنده فیلمهای خوراکی
پلیمرها اجزاء اصلی بسیاری از فیلمهای خوراکی میباشند. در سالهای اخیر محققان نشان دادهاند که میتوان از مواد پلیساکاریدی در مقیاس نانومتر مانند سلولز و کیتوسان، در تهیه فیلمهای خوراکی مورد استفاده در کاربردهای بستهبندی مواد غذایی استفاده نمود [7]. به طور کلی لایههای ساخته شده از فیلمهای پلیمری خوراکی به صورت انعطافپذیر و چقرمه طراحی میشوند.
فیلمهای مرکب یا کامپوزیت از یک لایه چربی همراه با یک لایه پلیساکاریدی و یا یک لایه پروتئینی تشکیل میشوند. به عبارتی مواد چرب در ماتریس پلیساکاریدی و یا ماتریس پروتئینی پخش میشود. اکثر فیلمهای مرکب از یک لایه چربی برای ایجاد سدکنندگی در برابر رطوبت و یک پلیمر بسیار قطبی نظیر پلیساکارید یا پروتئین به عنوان ماتریس ساختار، تشکیل شدهاند. با اضافه کردن افزودنیها به فیلم خوراکی میتوان پایداری، انعطافپذیری و سایر خصوصیات مکانیکی فیلم را بهبود داد و تغییرات قابل توجهی در خصوصیات سدّی آن ایجاد نمود. امولسیفایرها (جهت نگهداری اجزاء در محلول)، سورفکتنتها (کاهش کشش سطحی فرمولبندی فیلم برای دستیابی به پوشش یکنواخت، پایدار کردن فاز پاشیده در محلول پلیمری قبل از کاربرد آن در سطح مواد غذایی) و نرمکنندهها[9] (بهبود خصوصیات مکانیکی فیلمها) نمونهای از افزودنیهای فیلمی میباشند. از جمله دیگر افزودنیها میتوان به ترکیبات ضدمیکروبی، آنتیاکسیدانها، طعمدهندهها، عطردهندهها، رنگدانهها، نگهدارندهها و ویتامینها اشاره نمود. این فیلمها به عنوان سیستمهای بستهبندی جدید عمل کرده و رهایش این اجزاء فعال را کنترل میکنند. آمیختن ترکیبات ضدمیکروبی در فیلمهای خوراکی، راهی جدید را برای بهبود سلامت مواد غذایی و زمان ماندگاری مواد غذایی آماده، فراهم میکند. ممکن است از عوامل ضدمیکروبی متداول مورد استفاده در سیستمهای غذایی، مانند اسید بنزوئیک، بنزوات سدیم، اسید سوربیک و … در فیلمهای خوراکی نیز استفاده شود. به عنوان مثال از فیلم مبتنی بر نشاسته حاوی سوربات پتاسیم[10] بر روی سطح توتفرنگیهای تازه به منظور کاهش رشد میکروبی و افزایش زمان نگهداری آنها استفاده میشود. با افزودن آنتیاکسیدانها به ساختار فیلم میتوان از ترشیدگی، تجزیه و تغییر رنگ اکسایشی مواد غذایی جلوگیری نمود.
| تصاویر تزئینی هستند. | ||
2-3- کاربرد نانوسلولز در فیلمهای خوراکی
سلولز فراوانترین زیستتوده[11] بر روی کره زمین بوده و استفاده از آن در تهیه نانومواد با پایه زیستی در طی سالهای اخیر جذابیت رو به رشدی را به وجود آورده است. چگونگی افزایش بسیار سریع مقالات و انتشارات علمی در زمینه نانومواد سلولزی، این جذابیت را به خوبی نشان میدهد. از جمله موضوعات تحقیقاتی منتشر شده در این زمینه میتوان به استخراج نانوالیاف و نانوبلورهای سلولز از منابع مختلف مواد خام، اصلاح شیمیایی آنها، توصیف خصوصیات آنها، کاربرد آنها به عنوان یک افزودنی یا یک تقویتکننده در پلیمرهای مختلف، تهیه کامپوزیت و نیز توانایی آنها در خودآرایی[12] اشاره نمود. هم الیاف و هم بلورهای نانوسلولز، نشان دادهاند که دارای خصوصیات جالب و امیدبخشی میباشند. فراوانی پسماندهایی که قابلیت استخراج سلولز از آنها وجود دارد، سبب بهرهبرداری از آنها به عنوان یک منبع اصلی مواد خام گردیده است. نانوفیبریلهای سلولز دارای مزیتهای بسیاری از قبیل قطر ریز، نسبت منظر[13] بزرگ، زیستسازگاری[14]، استحکام و مدول بالا و همچنین سایر خصوصیات فیزیکی مطلوب مرتبط با شکل زنجیرهای کشیده شده بسیار بلورین، میباشند. علاوه بر این، نانوذرات سلولز دارای نرخهای زیستتخریبپذیری[15] بالا بوده و نسبت به دیگر نانوپرکنندهها ارزانتر میباشند [7].
دهند و همکارانش[16] نانوکامپوزیتی از کیتوسان (پودر شکلیافته با وزن مولکولی kDa800-600)، نانوسلولز (قطر 50-20 نانومتر) و گلیسرین خالص تهیه کردند. عملکرد فیلمهای نانوکامپوزیتی در بهبود زمان ماندگاری گوشت چرخکرده مطالعه شده است. نتایج نشان داد که افزایش مقدار نانوسلولز از 0 تا 2 درصد وزنی نسبت به کیتوسان، دمای نقطه ذوب و انتقال شیشهای نانوسلولز را کاهش میدهد. نانوکامپوزیتهای کیتوسان-نانوسلولز، اثرات ضدمیکروبی خوبی را در برابر باکتریهای گرم-مثبت و گرم-منفی[17] ، در کل سطح تماس فراهم میآورند. کاربرد نانوکامپوزیتهای کیتوسان-نانوسلولز برای گوشت چرخکرده، تجمع باکتریهای اسید لاکتیک محصول را تا حدود سه دوره لگاریتمی کنترل نمونه، کاهش میدهد. آنها پیشنهاد کردند که نانوکامپوزیتهای کیتوسان-نانوسلولز با داشتن پایداری حرارتی بالا و خصوصیات ضدمیکروبی، به عنوان یک ماده بستهبندی برای محصولاتی مانند محصولات گوشتی که متحمل نرخهای بالای فساد (خرابشدگی) شده و مدت نگهداری کوتاهی دارند، مناسب میباشند [7].
فیلمهای خوراکی نانوکامپوزیتی با واردکردن نانوالیاف میکروبلورین سلولز ( [8]، [9]، [10])، نانوذرات کیتوسان ( [11]( و نانوامولسیونها به داخل فیلمهای خوراکی توسعه یافتهاند. نانوالیاف میکروبلورین سلولز و نانوذرات کیتوسان به طور قابل توجهی استحکام کششی فیلمهای کامپوزیتی تشکیل شده از هیدروکسیپروپیل متیلسلولز و یا HPMC[18] ، کیتوسان و فیلمهای خوراکی با پایه میوهای را بهبود دادند. واردکردن نانوالیاف میکروبلورین سلولز در کیتوسان، هیدروکسیپروپیل متیلسلولز یا فیلمهای خوراکی با پایه میوه، خواص سدی در برابر آب نشان داد که با افزایش غلظت نانوالیاف بهبود یافت. روکش لیپیدی[19] نانوالیاف میکروبلورین سلولز منجر به بهبود بیشتر خواص سدی در برابر آب، در فیلمهای هیدروکسیپروپیل متیلسلولز شد. همچنین زمانی که نانوذرات کیتوسان در ساختار فیلم وارد شدند، مقادیر نفوذپذیری بخارآب فیلمهای هیدروکسیپروپیل متیلسلولز به طور قابل توجهی کاهش یافت. علاوه بر این، خواص سدی فیلمهای آبدوست در برابر آب با افزودن نانوامولسیونهای آبگریز به داخل ساختار فیلم، قابل بهبود میباشد [12]. انتخاب یک روش مناسب جهت کاربرد موفقیتآمیز فیلمهای خوراکی بستگی به خصوصیات مواد غذایی، نوع فیلم و پارامتر هزینه دارد.
ساختار خوراکی مورد استفاده برای کپسولهکردن مولکولهای مواد افزودنی پزشکی یا ضدمیکروبی، دارای اهمیت برجستهای میباشد، زیرا باید بتواند نگهداری خوب و رهایش کنترلشده ترکیبات فعال اضافه شده را به خوبی ممکن سازد. هیدروکسیپروپیل متیل سلولز یکی از این مواد خوراکی میباشد. در این حوزه از مواد مبتنی بر سلولز به طور گستردهای استفاده میشود. این مواد مزایایی چون خوراکی بودن[20]، زیستسازگاری، خصوصیات سدی و ظاهری زیبا را با وجود غیر سمی بودن، آلوده نکردن مواد غذایی و هزینهای کم، دارا میباشند. فیلمهای خوراکی HPMC در کاربردهای صنایع غذایی بسیار جذاب میباشند، زیرا HPMC یک ماده اشتقاقی گیاهی غیریونی خوراکی بوده که به راحتی در دسترس قرار دارد. این ماده نشان داده است که میتواند فیلمهایی شفاف، بیبو، بیمزه، مقاوم در برابر روغن و محلول در آب را با موانع بسیار موثری در برابر اکسیژن، دیاکسید کربن، بو و چربی تشکیل دهد، اما مقاومت متوسطی را در برابر انتقال بخار آب از خود نشان میدهد. استحکام کششی فیلمهای HPMC بالا میباشد. انعطافپذیری این فیلمها خیلی بالا نبوده و خیلی شکننده هم نیستند [13].
از جمله مزایای فیلمهای خوراکی نانوسلولزی نسبت به مواد بستهبندی حاصل از پلیمرهای سنتزی، میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
- این فیلمها را میتوان با مواد غذایی بستهبندی شده مصرف کرد به طوری که باقیماندهای برای دور ریختن وجود نداشته باشد (در شکل 5 یک نمونه فیلم خوراکی نانوسلولزی نشان داده شده است). حتی اگر این مواد خورده هم نشوند، باز هم آلودگی محیط زیست را کاهش میدهند، زیرا از منابع خوراکی و تجدیدپذیر تهیه شده و سریعتر و آسانتر از مواد پلیمری سنتزی تجزیه میشوند.
- این فیلمها میتوانند خواص ارگانولپتیک[21] مواد غذایی را افزایش دهند، به شرط این که ترکیبات طعمدهنده (شیرینکننده) و مواد رنگی به آنها افزوده شود.
- این فیلمها میتوانند ارزش تغذیهای مواد غذایی را افزایش دهند.
- این فیلمها را میتوان برای بستهبندی بخشهای کوچک مواد غذایی نظیر نخود، لوبیا، آجیلها و توتفرنگی، به طور مجزا استفاده کرد.
- این فیلمها میتوانند به عنوان حملکننده ترکیبات ضد میکروبی و آنتیاکسیدانها عمل کنند. همچنین میتوانند روی سطح مواد غذایی به کار رفته تا میزان نفوذ مواد محافظتکننده را از سطح به درون ماده غذایی کنترل نمایند.
- این فیلمها میتوانند برای کپسولهکردن میکرومتری[22] مواد طعمدهنده و چاشنیها به کار روند تا رهایی آنها بدون ماده غذایی کنترل شود.
- این فیلمها میتوانند در مواد بستهبندی چند لایه به همراه فیلمهای غیرخوراکی استفاده شوند. در این حالت، فیلم خوراکی لایه داخلی در تماس مستقیم با ماده غذایی را تشکیل میدهد.
- این فیلمها میتوانند از مهاجرت مواد حلشده و رطوبت بین ترکیبات غذایی جلوگیری کنند. به عبارتی این فیلمها را میتوان داخل مواد غذایی ناهمگن (مانند پیتزا، آبنباتها و …) در فصل مشترک بین اجزای مختلف ماده غذایی به کار برد.
| شکل 5- فیلمهای خوراکی نانوسلولزی در بستهبندی مواد غذایی | |
در فناوری نانو با استفاده از نانوموادی از قبیل نانورس، سلولز و … ، قدرت کشسانی بستهبندی غذایی به میزان قابل توجهی افزایش مییابد. این مواد به دلیل خواص مناسب مکانیکی، دسترسی آسان، هزینه کم، فرآیندپذیری آسان و عملکرد مناسب منجر به تولید نانوکامپوزیتهای ارزان قیمت، سبک وزن و با قدرت کششی بالا میشوند. نانوکامپوزیتها جهت توسعه کاربرد فیلمهای خوراکی امیدبخش میباشند. به دلیل این که افزودن نانوذرات سبب بهبود عملکرد کلی فیلمها میشود. با این وجود، نگرانیهای مهمی در مورد سلامت و ایمنی کاربردهای فناوری نانو در سیستمهای غذایی وجود دارد. از یک سو، خصوصیات و سلامت اکثر مواد اولیه فیلمهای خوراکی در شکل تودهایشان به خوبی درک شده است. از سوی دیگر، اجزاء با اندازه نانومتری آنها خیلی اوقات خصوصیات متفاوتی نسبت به حالت بزرگ مقیاس نشان دادهاند. زیرا اندازههای بسیار کوچک تشکیلدهنده، اجازه میدهد تا آنها در طول جسم بسیار آزاد نسبت به ذرات بزرگتر حرکت کنند، در حالی که مساحت سطح بالای آنها، واکنشپذیری آنها را افزایش میدهد. مطالعات کمی برای ارزیابی خطرات مرتبط با حضور این چنین ذرات فوقالعاده ریز که برخی از آنها در بدن انسان یا به صورت پخش شده در محیط زیست از لحاظ بیولوژیکی فعال میباشند، انجام شده است. بنابراین، هنوز تحقیقات عمدهای برای ارزیابی امکان سمیت محصولات فناوری نانو و همچنین سلامت زیستی کاربرد آنها مورد نیاز میباشد [12].
با توجه به جذابیت اخیر به وجود آمده در مورد خصوصیات نوری و سدی فیلمها، مسأله چگالی فیلمها احتمالاً در مطالعات آینده بسیار مورد تمرکز قرار خواهد گرفت. به عنوان نتیجهای از درجه بالای بلورینگی، چگالی انرژی همچسبی بالا و خصوصیات شکلدهی عالی فیلم نانوسلولز، در جایی که خصوصیات سد گازی بالایی مورد نیاز باشد، این ماده دارای پتانسیلهای کاربردی بسیاری در صنعت بستهبندی مواد غذایی میباشد. تحقیقات در زمینه مواد مشتق شده از نانوسلولز که دارای خصوصیات سد اکسیژنی هستند، در حال پیشرفت بوده و به نظر میرسد که برای کاربردهای آینده بسیار امیدبخش باشند [13]. چالش در حال پیشرفت برای فیلمهای کامپوزیتی خوراکی، نفوذپذیری بخارآب نسبتاً بالا و رفتار مکانیکی ضعیف اجزاء هیدروکلوییدی میباشد. با کاربرد علم نانو، شکلهای جدیدی از نانو کامپوزیتها که نانوذرات، نانوالیاف یا نانوامولسیونها در آن پراکنده شدهاند، به منظور حداقل کردن انتقال آب از فیلمهای هیدروکلوییدی و همچنین بهبود خواص مکانیکی، قابل توسعه میباشند [12].
3- بازار فیلمهای بستهبندی خوراکی مبتنی بر نانوسلولز
سالهاست که پلیمرهای پلاستیکی به عنوان کاربردیترین و اقتصادیترین گزینه در مصارف بستهبندی مورد استفاده قرار میگیرند. این مواد به علت در دسترس بودن، هزینه و چگالی کمتر و مقاومت به خوردگی بهتر، جایگزین مواد سنتی بستهبندی مانند کاغذ، شیشه و فلزات شدهاند. علاوه بر این، خواص نوری و مکانیکی، مقاومت در برابر نفوذ گازها، آب و روغن و هدایت حرارتی فوق العاده کم سبب گردیده که % 40 از کل مصرف پلاستیکها به صنعت بستهبندی اختصاص یابد. صنعت بستهبندی یکی از مهمترین صنعتها در دنیای امروز است، به طوریکه % 2 از تولید ناخالص ملی کشورهای توسعه یافته را به خود اختصاص میدهد. در این میان بستهبندی صنایع غذایی بیش از % 50 این بازار را به خود اختصاص داده است. با توجه به برآوردهای انجام شده این رقم به طور دائم از نظر اهمیت و حجم بازار در حال افزایش است.
ارزیابی سهم کاربردهای مختلف فناوری نانو از کل بازار در صنایع غذایی، در شکل 6 نشان داده شده است. انتظار میرود که بیش از % 30 از کاربردهای صنایع غذایی و نوشیدنی (از فرآوری تا محصول نهایی)، در سال ۲۰۱6 از فناوریهای نانو بهرهمند شوند. با کاهش هزینه مواد مورد نیاز برای بستهبندی، کاربردهای مبتنی بر فناوری نانو تأثیر خود را بر این بازار خواهند گذاشت. در واقع، امروزه بازار قابل توجهی برای مواد سدی خوراکی با پایه زیستی که بر روی کاغذ/مقوا اعمال میشوند، وجود ندارد، اما تلاشهای قابل ملاحظهای در حال انجام میباشد. برخی از نانومواد میتوانند به صورت تجاری در دسترس باشند که بتوانند به طور کلی با مواد متداول بستهبندی رقابت کنند. با توجه به خواص مناسب و امکان تولید تجاری و با قیمت اقتصادی، ممکن است این نانومواد جذابیت بیشتری در نزد مشتریان داشته باشند [13].
| شکل 6- سهم تخمینی کاربردهای مختلف فناوری نانو از کل بازار پیش بینی شده در صنایع غذایی |
4- نتیجهگیری
بر اساس آنچه در این گزارش مشاهده شد، نانومواد سلولز به عنوان موادی نوین و با ویژگیهای منحصر به فرد، قابلیت بهبود خواص فیلمهای خوراکی مورد استفاده برای بستهبندیهای مواد غذایی را دارند. این نانومواد مشتق شده از طبیعت دارای مزیتهای بسیاری از قبیل قطر ریز، نسبت منظر بزرگ، زیستسازگاری، استحکام و مدول بالا و سایر خصوصیات فیزیکی مطلوب میباشند. علاوه بر این، نانوذرات سلولز دارای نرخهای زیستتخریبپذیری بالایی بوده و نسبت به دیگر نانوپرکنندهها ارزانتر میباشند. بنابراین استفاده از آنها از نظر فنی و اقتصادی داری توجیه است. سرمایهگذاری بر تولید این نانومواد در دنیا رو به افزایش است و در ایران نیز شرکتهایی به فعالیت در این زمینه پرداختهاند. بنابراین به زودی شاهد ورود گسترده این مواد نوین به بازار عرضه خواهیم بود.
5- منابع
| [1] | Thakur, Vijay Kumar, Thakur, Manju Kumari,”Eco-friendly Polymer Nanocomposites:Natural Nano-based Polymers for Packaging Applications”,p239,Springer India 2015. |
| [2] | Erickson, Britt E., “Transforming Nanocellulose.” Chemical & Engineering News, June 9, 2014, Vol. 92, 23, pp. 26–27. |
| [3] | Klemm, Dieter, et al. Nanocellulose: Anew family of Nature-based materials. Angewandte Chemie International Edition.June 6, 2011, Vol. 50, 24, pp. 5438–5466. |
| [4] | Iwamoto S, Kai W, Isogai A, Iwata T. 2009. Elastic modulus of single cellulose microfibrils from tunicate measured by atomic force microscopy. Biomacromolecules. 10:2571–2576. |
| [5] | Tanpichai S, Quero F, Nogi M, Yano H, Young RJ, Lindström T, Sampson WW, Eichhorn SJ.” Effective young’s modulus of bacterial and microfibrillated cellulose fibrils in fibrous networks”, Biomacromolecules. 13:1340–1349, 2012. |
| [6] | Sehaqui H, Zhou Q, Ikkala O, Berglund LA. 2011. Strong and tough cellulose nanopaper with high specific surface area and porosity. Biomacromolecules. 12:3638–3644. |
| [7] | Thakur, Vijay Kumar, Thakur, Manju Kumari,”Eco-friendly Polymer Nanocomposites”,p253,Springer India 2015. |
| [8] | N. Dogan andT.H. McHugh,”Effects of Microcrystalline Cellulose on Functional Properties of Hydroxy Propyl Methyl Cellulose Microcomposite Films”,Journal of Food Science, Vol 72 ,Issue 1,page E016-E022,24 JAN 2007. |
| [9] | Henriette M.C. Azeredo, Luiz Henrique C. Mattoso, Delilah Wood, Tina G. Williams, Roberto J. Avena-Bustillos andTara H. McHugh,”Nanocomposite Edible Films from Mango Puree Reinforced with Cellulose Nanofibers”,Journal of Food Science, Vol 74 ,Issue 5, N31-N35,18 may 2009. |
| [10] | de moura, M.R., Aouada,F.A., Avena-bustillos , R.J.,McHugh, T.H., Krochta, J.M., and Mattoso, L.H.C,”Improved barrier, mechanical properties of novel hyroxypropyl methylcellulose edible films with chitosan/tripolyphosphate nanoparticles”, , 2009: Journal of food engineering 92:448-553. |
| [11] | de moura, M.R., Avena-bustillos , R.J.,McHugh, T.H., Krochta, J.M., and Mattoso, L.H.C,”properties of novel hyroxypropyl methylcellulose films containing chitosan nanoparticles”,Journal of food science 73(7):N31-N37, 2008. |
| [12] | Elizabeth A. Baldwin, Robert Hagenmaier, Jinhe Bai,”Edible Coatings and Films to Improve Food Quality”, Second Edition,CRC Press, 24 August 2011. |
| [13] | David Plackett,”Biopolymers: New Materials for Sustainable Films and Coatings”,John Wiley & Sons, Inc.,p 105, April 2011. |
[1]Tunicates
[2] Nanofibrillated cellulose or Cellulose Nanofiber
[3] Cellulose nanocrystals (CNC)
[4] Nanocrystalline cellulose (NCC)
[5] Bacterial nanocellulose (BNC)
[6] Parker & Maris
[7] Collagen
[8] Mold growth
[9] Plasticizer
[10] Potassium sorbate
[11]Biomass
[12] Self-assembly
[13] نسبت عرض به ارتفاع يا طول به قطر ذره را گويند. نسبت منظر گوياي ميزان کشيدگي ذره است. هرچه ميزان اين نسبت از يک بزرگتر باشد، نشاندهنده غير کرويتر بودن ذره است.
[14]Biocompatibility
[15]Biodegradability
[16] Dehnad et al.
[17] gram-positive & negative bacteria
[18] HPMC (hydroxypropyl methylcellulose)
[19] Lipid coating
[20]Edibility
[21] Organoleptic
[22] Micro encapsulation
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
- محمد حسین عقابی سجادی، امیر دارستانی فراهانی
- گروه ترویج صنعتی فناوری نانو در حوزه کامپوزیت و پلیمر (مبنا پژوهان فناوریهای نوین آتیه)
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
