نانو تکنولوژی، فناوری نوین
نانو تکنولوژی فناوری جدیدی است که تمام دنیا را فراگرفته است و به تعبیر دقیقتر "نانو تکنولوژی بخشی از آینده نیست بلکه همه آینده است ".در این مقاله بعد از تعریف نانو به بیان دلایل کاربرد ها و ضرورتهای توجه به این فناوری اشاره شده است .
تعریف نانو تکنولوژی
نانو تکنولوژی،توانمندی تولید مواد،ابزار ها و سیستمهای جدید با در دست گرفتن کنترل در سطح مولکولی و اتمی و استفاده از خواص آنها درمقیاس نانو می باشد.
علم نانو، عبارت است از مطالعه و پژوهش وسایل و ساختار هایی که در کوچکترین واحد دیمانسیون ( 200 )نانومتر یا کوچکتر وجود دارند . از تعاریف فوق بر می آید که نانو تکنولوژی یک رشته نیست بلکه رویکرد جدیدی در تمام رشته هاست .برای نانو تکنولوژی کاربرد هایی را در حوزه های مختلف از غذا، دارو تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژی تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل ونقل، انرژی، محیط زیست، مواد هوا و فضا و امنیت ملی بر شمرده اند : کاربرد های وسیع این عرصه و پیامد های اجتماعی سیاسی و حقوقی آن،این فناوری را به عنوان زمینه فرا رشته ای و فرا بخش مطرح نموده است .
هر چند آزمایش ها و تحقیقات پیرامون نانوتکنولوژی از ابتدای دهه قرن بیستم به طور جدی پیگیری شده اما اثرات تحول آفرین،معجزه آور و باور نکردنی نانو تکنولوژی در روند تحقیق و توسعه باعث گردید که نظر تمامی کشور های بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهمترین اولویتهای تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب نمایند .به طوریکه ژاپن درسال 2001، 400 میلیون دلار و در سال2004، 960 میلیون دلار هزینه کرده است و آمریکا برای این امر در سالهای 2005-2008 حدود 7/3 بیلیون دلار اختصاص داده است .
استفاده از این فناوری در کلیه علوم باعث شده است که تحقیقات در زمینه نانو به عنوان چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد . لذا محققین، اساتید و صنعت گران ایرانی نیز باید در یک بسیج همگانی، جایگاه و موقعیت خویش را در خصوص این موضوع مشخص نمایند و حضوری فعال و حتی رقابتی در این جایگاه ایجاد نمایند . برای چنین کاری طراحی یک برنامه منسجم فراگیر و همه جانبه اجتناب ناپذیر است .
نانو تکنولوژی دارای سه شاخه نانو فناوری خشک، مرطوب،و محاسبه ای است که از نظر کاربردی در علوم مختلف به خصوص در ساخت و تولید مواد الکترونیکی-پزشکی و صنایع غذایی کاربرد دارد.
تاریخچه نانو در جهان
چهل سال پیش ریچارد فیمن متخصص کوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل در سخنرانی معروف خود در سال 1959 با عنوان آن پایین فضای بسیاری هست به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت وی در آن زمان اظهار داشت اصول فیزیک، تا آنجایی که من توانایی فهمش را دارم، بر خلاف امکان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمی زند او فرض را بر این قرار داد که اگر دانشمندان فرا گرفته اند که چگونه ترانزیستورها و دیگر سازه ها را با مقیاس های کوچک بسازند، پس خواهیم توانست که آنها را کوچک و کوچکتر نماییم . در واقع آنها به مرزهای حقیقی شان در لبه های نا معلوم کوانتوم نزدیک خواهند بود به طوری که یک اتم را در مقابل دیگری به گونه ای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول مصنوعی و ساختگی ممکن را ایجاد نماییم و جای این سوال باقی می ماند که با استفاده از این فرمهای بسیار کوچک چه وسایلی می توانیم ایجاد کنیم ؟
فیمن در ذهن خود یک دکتر مولکولی را تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصر به فرد کوچکتر خواهد بود و می تواند به بدن تزریق شود و درون بدن برای انجام کاری یا مطالعه و تایید سلامتی سلولها، انجام ترمیمی و به طور کلی برای نگهداری بدن در سلامت کامل به سیر بپردازد .واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتا ینگوچی استاد علوم دانشگاه توکیو مطرح شد .او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل)دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می باشد،به کاربرد . مینسکی توانست به تفکرات فیمن قوت ببخشد مینسکی پدر هوش مصنوعی و شاگردش درکسلرگروهی از دانشجویان کامپیوتر را به صورت انجمنی دور هم جمع کردند . او افکار جوانترها را با یکسری ایده ها که خودش نانو تکنولوژی نامگذاری کرده بود مشغول می داشت .
درکسلر تنها درجه دکتری نانو تکنولوژی را در سال 1991 ازدانشگاه MIT دریافت داشت او یک پیشرو در طرح نانو تکنولوژی است .
شکوفایی بسیار از فناوریهای مهم ازجمله فناوری اطلاعات و بیوتکنولوژی به عنوان دو دستاورد بسیار عظیم قرن بیستم بدون بهره گیری از نانو تکنولوژی دچار اختلال خواهند شد .
اصول پایه نانو تکنولوژی
نانو تکنولوژی، تکنولوژی سریع و نوینی است که امکان کار،دست کاری و تولید ابزار، مواد و ساختار هایی در سطح مولکولی و حتی اتمی توسط اتم در ساختارهای عملکردی در بعد نانومتر را می دهد .
ما با روشهای نانو می توانیم ابزار های چند کاره، خود تنظیم،خود کنترل و خود ترمیم بسازیم .
واژه نانو از یک کلمه یونانی به معنای" کوچک یا ریز" مشتق شده است نانو به اندازه بین 1تا 100 نانو متر می گویند .طول موج نور مرئی بین 400-700 نانومتر و سلول زنده اندازه ای معادل یک میکرون (1000 نانومتر ) دارد.
جدول (1)مقایسه اندازه ها از ماکرو تا مولکول را بیان می کند :
نمونه اندازه واژگان
باندهای تک شیمیایی 1/0-5/0 مولکولی/اتمی
مولکولهای کوچک زئولیت 5/0-0/1 مولکولی
نانو مواد غیر آلی،DNA،RNA 1-1000 نانو
(MEMs)کانالهای میکرو سیال، تراشه های سیکلون در سلول زنده 103-104 میکرو
مواد طبیعی بیش از 104 ماکرو
اساس ارتباط نانو تکنولوژی و علم و تکنولوژی غذا
معنای حقیقی نانو ساینس و نانو تکنولوژی چیست؟
Nano science: مطالعه پدیده ها و دست کاری مواد در مقیاس های اتمی، مولکولی، ماکرو مولکولی است جایی که خصیصه ها تفاوت چشمگیری با مقیاسهای بزرگ دارند.
Nano technology: تکنولوژی است که به وسیله آن ما در خواص مولکولهای تشکیل دهنده مواد تغییری ایجاد می نماییم تا بتوانیم از آنها در طراحی، تولید و استفاده از ساختارهای کاربردی، ابزار ها و... بهره جوییم (تا بهتر استفاده گردند).
معرفیIntroduction
امروزه رقابت بازارهای تکنولوژیکی برای حفظ قدرت در صنعت غذا و فراوری غذا امری ضروری است . مصرف کننده ها متقاضی محصولات معتبر (مجاز) خوش طعم و سهل و ساده هستند . آینده متعلق به محصولات، فرآوری و فرآورده های جدیدی است که اهداف زیر را دنبال می کند :
بهبود کارایی محصول و طولانی شدن عمر ماندگاری و،تازگی محصول، بهبود کیفیت و ایمنی غذا .
نانو تکنولوژی می تواند برای توسعه مواد در اندازه های کوچک بهسازی، کنترل و انتقال محموله، شناسایی آلودگی و ابداع نانو ابزار هایی برای زیست شناسی سلولی و مولکولی استفاده شود . نانو تکنولوژی شامل ابداع و استفاده از مواد آلی و غیر آلی در مقیاس نانو می باشد.
نانو تکنولوژی نوید مهیا کردن شیوه ای برای طراحی نانو مواد داده است و مواد ساخته شده سازگار با ویژگی های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژی اند و توسط ساختارهای مولکولی و دینامیکی مشخصی،کنترل می گردند . در این تکنیک های بیولوژیکی قبل از تشکیل فرآورده ژن ها دچار تغییر می شوند . نانو تکنولوژی می تواند پیشرفت های آینده را کامل تر و با روش های موثر تری و به انواع دیگری آماده کند .
دست کاری پلیمرهای غذا و مجموعه های پلیمری باعث بهبود کیفیت غذا و سلامتی می گردد . نانو تکنولوژی نه تنها مواد با ویژگی جدید ایجاد می کند بلکه مواد دیگری با ویژگی های خود جمع کن، خود التیام و نگهداری تولید می کند.
ارتباط نانو تکنولوژی با مهندسی کشاورزی و سیستم های غذایی
نانو تکنولوژی به عنوان تکنولوژی قدرتمند قادر است که سیستم غذایی و کشاورزی را متحول کند .امنیت سیستم غذایی و کشاورزی، درمان بیماری زایی با سیستم توزیع دارو و ابزارهای جدید بیولوژیکی مولکولی و اتمی (سلولی)،ابزارهای جدید برای شناسایی پاتوژن و حفاظت از محیط زیست مثالهای مهمی در رابطه با نانو می باشند.
برخی نمونه های اساسی نانو به عنوان تکنولوژی قدرتمند مدرن عبارتند از :
تولید،فرآیند و ارسال محصولات غذایی که با امنیت بیشتری تولید شده اند زیرا نانو سنسورها برای شناسایی پاتوژن و آلودگی پیشرفت کرده است.
توسعه نانو ابزارهایی، که امکان ثبت تاریخچه محیط،موقعیت و روشهای ارسال کالا را ثبت می کند .
سیستم هایی که ترکیبی از حسگرهای هوشمند اند و موقعیت، گزارش، کنترل از راه دور را با امنیت بیشتر و موثرتری انجام می دهند .
امنیت سیستم غذایی و کشاورزی بسیار حائز اهمیت است، غذاهای سنتی باید با کنترل و امنیت بیشتری تهیه گردند.
نانو تکنولوژی پتانسیل های واقعی این سیستم ها را حفظ می کند :
راندمان تولید محصولات وفرآیند های غذایی، امنیت غذا، و پیامد های زیست محیطی تولید، انبار، توزیع بهتر غذا خواهند شد . با این فناوری در کشاورزی اگر یک گیاه یا حیوان دچار بیماری شود . روزها، هفته ها و ماهها قبل از حضور بیماری توسط نشانه های ارگانیسم شناسایی شده و از شیوع آن جلوگیری می کنیم.
نانو در اندازه ای مشابه ویروس یا ذرات بیماری زا عفونت را شناسایی و ریشه کنی سریع آنرا ممکن میسازد . نانو امکان توزیع سریع دارو را قبل از ظهور علایم ماکرو فراهم می کند . برای مثال این مواد در بدن موجود زنده کاشته می شوند و قبل از بروز تب هشدار داده و می تواند حضور بیماری را شناسایی و اطلاع دهند و سیستم توزیع را فعال نمایند این فناوری هوشمند برای سیستم بیولوژیکی و بیو اکتیوBioactive مثل دارو،آفت کش، مواد مغذی،مواد زیست شناسی، بیو راکتورهای سلولی، nutraceutical ( هر ماده غذایی یا به کاررفته در اغذیه، که با خود مزایای پزشکی و سلامتی- مثل جلوگیری یا درمان بیمار‌‌ی‌ها - را به همراه داشته باشد. انواع مختلف این محصولات عبارتند از: غذاهای جداشده، مکمل‌های رژیمی و افزودنی‌های ویژه اغذیه مهندسی ژنتیکی‌شده، محصولات گیاهی، و غذاهای فرآوری‌شده همچون حبوبات، سوپ‌ها و نوشیدنی‌ها )پیش بینی شده اند .
ابزارهای جدید بیولوژیکی - مولکولی، سلولی نیازمند طراحی های ویژه برای جداسازی،شناسایی،سنجش خواص مولکولهاست و این امکان پذیر است که با نانو پیشرفت وسیعی در تحقیقات کشاورزی، علوم وتکنولوژی تولید مثل، تبدیل تفاله های غذا و کشاورزی به انرژی و دیگر محصولات By product از طریق نانوبیو پروسسهای آنزیماتیکی، ممانعت و درمان بیماری در گیاه و حیوان، نانو موادهایی با مشخصه های جدید به عنوان کشف مهمی در شناسایی پاتوژن و آلودگی، مواد خود ترمیم و کاربردهای متعدد آنها در کشاورزی امکان پذیر است .
بسته بندی غذا در ظروف خود ترمیم می تواند غذا را از آلودگی میکروبی حفظ کند و نگهداری، انبار،توزیع غذا را راحتر نماید . حفاظت های زیست محیطی از طریق کاهش و تبدیل مواد کشاورزی به محصولات ارزشمند از طریق نانو راحتر است .طراحی و توسعه نانو کاتالیست که روغن های نباتی را به سوختهای با منشا زیستی Bio-based و حلالهای صنعتی Biodegradable (توسط میکروبها متلاشی می شوند) تبدیل می کنند بهبود یافته است . چنین روشهایی نانو را قدرتمند تر می کند . حفاظت های زیست محیط از طریق مدیریت مکان و محیط خارجی زمینه ایست که نانو می تواند مفید باشد . قبل از مصرف کاهو برای سالاد، سیب زمینی برای سرخ کردن،بروکلی و نان گندم داغ، بر محیط تاثیر داشته و از محیط تاثیر می پذیرند . این تاثیرات بر روی زمان مطلوب رشد محصولات،آبیاری، حاصل خیزی و برداشت موثر خواهند بود .
محصولات کشاورزی باید در برابر هجوم حیوانات وحشی، علف هرز، حشرات، آفات، پاتوژن ها و آب و هوای غیر قابل پیش بینی محافظت شوند . برسیهای دقیق روزانه یا شناسایی مسائلی که سلامت محصول را به خطر می اندازد و میزان نیاز به آفت کش را کاهش می دهد باید انجام شوند . مدیریت آفت تلفیقی،زمان نیاز به آفت کش را شناسایی و بدین روش میزان نیاز به آن را کاهش می دهد این روش معروف به"Scouting" بهترین زمان برداشت حصول را شناسایی کرده و سلامتی محصول را ازنظر آلودگی شیمیایی،میکروبی حفظ می کند . در میان کاربردهای نانو تکنولوژی می توان به بیوسنتز و بیو پروسس مواد شیمیایی جدید محصولات دارویی،شکستن بلوک های ساختمان زیست شناسی و مواد سنتزی،سیستم های بیولوژیکی مصنوعی واکنش های Biodegradable برای گیاهان مغذی و حفاظت در برابر حشرات،بهسازی (بهنژادی) ژنتیک،توزیع دارو و ژن در حیوانات،مجموعه هایی برای سنجش DNA اشاره کرد.(مطالب فوق مفهوم کلی کاربرد نانو بر سیستم غذا و کشاورزی است).
در دسته‌بندی مسایل نانویی همچنان مسائل حل نشده بسیاری وجود دارد. اما شاخه های زیر اساس نانوتکنولوژی را تشکیل می‌دهند:
• نانو مواد، بیو مواد
• نانو لوله ها
• نانو کامپوزیت،نانوکپسول
• نانو سنسورها و بیوسنسورها
• نانو فیلتر، نانو ماشین
عناصر پایه در فناوری نانو
تفاوت اصلی فناوری نانو با سایر فناوری ها در مقیاس مواد و ساختارهایی که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند ، می باشد.
البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می گیرند، خصوصیات ذاتی آنها از قبیل رنگ، استحکام، مقاومت و خوردگی و... تغییر می کند در حقیقت تفاوت این فناوری با سایر فناوریها به عناصر پایه آن بر می گردد این عناصر همان عناصر نانو مقیاسی هستند که دارای خواصی متفاوت با مقیاس ماکروشان می باشند.اولین و مهمترین عنصر پایه، نانو ذرات هستند.منظور از نانو ذرات، ذراتی در ابعاد نانومتری در هر سه بعد می باشند . نانو ذرات می توانند از مواد مختلفی تشکیل شده باشند مانند نانو ذرات فلزی، سرامیکی...
عنصر پایه بعدی نانو لوله کربنی است این عنصر در سال 1991 کشف شد و در حقیقت لوله هایی از گرافیت می باشند . اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شکل لوله در آوریم به نانو لوله های کربنی می رسیم .این لوله ها در اندازه های متفاوت هستند و می توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند این لوله ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجاد کاربرد های قابل توجهی از آنها می شود .
سومین عنصر پایه نانو کپسول است .همان طوری که از اسم آن مشخص است کپسولهایی هستند که قطر نانو متری دارند و میتوان مواد مورد نظر را در درون آن کپسوله کرد سالهاست که نانو کپسول ها در طبیعت تولید میشوند مولکول هایی موسوم به فسفولیپیدها که یک سر آنها آبگریز و سر دیگر آنها آب دوست است که وقتی در محیط آبی قرار میگیرند خود به خود کپسول هایی را تشکیل می دهند، که قسمت های آبگریز مولکول در درون آنها واقع می شود و از تماس با آب ممانعت میشود، حالت برعکس این مورد قابل توجه است البته عناصر پایه گوناگون و متنوع دیگری نیز وجود دارد.
نانو بیو مواد، نانو مواد و کاربردهای آنها
نانو مواد به مواد ساخته شده از طریق نانو تکنولوژی یا به صورت طبیعی (مثل خاک) اطلاق می گردد.
این مواد قادرند، که فعل و انفعالات شیمیایی کاتالیزوها را کنترل کنند این مواد ترکیبی از اندازه های مختلف هستند. نانو مواد باعث آلودگی آب و هوا می شوند اما نیاز به تحقیقات بیشتری دارد.
نانو بیو مواد، مواد جدیدی هستند که می توانند موانع فرآیند های قبلی را بشکند و نهایتا کاربردهایی با منافع بالقوه جهانی را تولید کنند . مواد در مقیاس نانو یعنی موادی که ویژگی هایشان در سطح کمتر از میکرو و یا نانو قابل کنترل است .
نانو بیو مواد به خاطر اندازه کوچکشان مورد توجه اند از جمله کاربردهای آنان می توان به موارد زیر اشاره کرد :
این مواد به داخل سلول نفوذ می کنند و باعث اثر بخشی بیشتر دارو می شوند .
در پاکسازی محیط زیست استفاده می شوند.
برای افزودن رنگ و طعم دلخواه به غذا
برای افزودن میکرو نوترینت های حساس به حرارت و PHمثل بتاکاروتن اسید چرب امگا 3
کالکیت ها Cochleat، رسوبات 2 ظرفیتی فسفولیپیدی پایدار از مواد طبیعی هستند و در برابر عوامل محیطی مقاوم اند و می توانند برای کپسوله کردن و انتقال بسیاری از مواد فعال زیستی مثل ترکیباتی که به سختی در آب حل می شوند، داروهای پروتئنی، پپتیدی، مواد مغذی حساس به حرارت و PH و شرایط نا مساعد محیطی استفاده شوند.
حفظ سلامت غذا (نانو ذرات با چسبندگی خاص خود قادرند به صورت برگشت پذیر به برخی از انواع باکتریها متصل شوند و مانع آلوده کردن میزبان توسط آنها شوند.)
برای اینکه سیستم انتقال غذا موثر باشد ترکیبات فعال کپسوله کننده باید به مکان مشخصی برسند، و غلظتشان در سطح مناسب باشد و برای مدت زمان طولانی ثابت باشند و از تجزیه نا بهنگام آنها جلوگیری کنند .نانو ذرات توانایی بیشتری در کپسوله کردن و آزاد سازی مواد نسبت به سیستم های قدیمی تر دارند و به خصوص به خاطر اندازه کوچشان می توانند به طور مستقیم وارد سیستم گردش خون شوند.
نانولوله ها
قویترین فیبرهای شناخته شده اند صدها برابر قویتر از استیل هستند و جایگزین مناسب سرامیک معمولی، آلومینیوم، حتی فلزات در دستگاه های صنعتی تولید غذا هستند . ساخت غشا با استفاده از نانو لوله ها، پتانسیل استفاده در سیستم غذایی را دارد . از این غشا ها برای جداسازی مولکولهای زیستی مثل پروتئین می توان استفاده کرد .
همچنین غشاهای بسیار باریک برای اهداف آنالیزی به عنوان بخشی از یک سنسور، برای تشخیص مولکولی آنزیم ها و آنتی بادی ها و پروتئین های مختلف هستند . در حال حاضر با تحقیقات انجام شده هنوز انتخاب پذیری و بازده غشا در صنایع غذایی مطلوب نیست و بسیار گران است . اما در آینده برای جداسازی مولکولهای زیستی ارزشمند مثل پروتئین ها، پپتیدها، ویتامین و مواد معدنی استفاده می شوند . این مواد در تهیه غذاهای تقویتی و یا مکمل های دارویی و رژیمی کاربرد دارند . با استفاده از اتصال موادی مثل پروتئین ها،لیپید ها و یا آنزیم به دیواره خارجی نانو لوله پپتیدی،بیوسنسور می سازند.
نانو کامپوزیت ها
جایگزین خوبی برای بطریهای نوشیدنی هستند . استفاده از پلاستیک برای ساخت بطری سبب فساد و تغییر طعم نوشیدنی می شود . برای مثال نانو کامپوزیت ها، می توان نانو کامپوزیت تشکیل شده از نشاسته سیب زمینی و کلسیم کربنات را بیان کرد .این فوم، مقاومت خوبی به حرارت دارد سبک و زیست تخریب است و برای بسته بندی مواد غذایی استفاده می شود . خاک های کریستالی طبیعی مثل مواد آتشفشانی به عنوان یک ماده افزودنی در تولید کامپوزیت ها هستند و به میزان 3-5% در تهیه نانو کامپوزیت ها از این ماده اضافه می شود .از این ماده موادی سبکتر، قویتر و مقاومتر به حرارت نسبت به پلاستیک تولید می کنند و خواص ممانعت کنندگی بهتر در برابر اکسیژن، دی اکسید کربن، رطوبت و مواد فرار دارد . این خواص برای بسته بندی مواد غذایی بسیار مفید است و زمان ماندگاری مواد غذایی مثل گوشت های فرآیندی، پنیر،آرد قنادی، غلات و غذاهای کنسرو شده را افزایش می دهد .
نانو کپسول
نانو ذراتی هستند که دارای یک پوسته و فضای خالی داخل آن جهت قرار گرفتن و حمل مواد مورد نظر می باشند .فسفولیپید ها با یک سر آب دوست و یک سر آب گریز تشکیل کپسول می دهند که سر آب دوست آن بیرون و سر آب گریز مولکول در درون آن قرار می گیرند . از پلیمرهایی مثل لیپید و پروتئین می توان برای ساخت نانو کپسول استفاده کرد .
نانو تکنولوژی برای توزیع تحت کنترل و سیستم کپسولی
توانایی طراحی مواد در سطح مولکولی، اتمی برای تاثیردر صنعت غذا از طریق توسعه روکش ها، پوشش ها و آزاد سازی ابزار بسته بندی جدید می باشد. روکش های جدید با پلیمر های ترکیبی با محیط سازگار هستند.
سطوح Bio-compatible پیشرفته برای پزشکی یا دارو سازی منجر به ظهور سطوح یا روکش های مقاوم شده است و از تشکیل بیو فیلم و چسبیدن باکتری جلوگیری می کند. نانو تکنولوژی امکان تهیه ابزارهایی برای تاثیر گذاری بیشتر و موثر تر مواد غذایی برای رسیدن به نقاط خاصی در بدن را تشدید می کند همچنین دانشمندان برای قرار گرفتن مواد مغذی، طعم، رنگ در کپسول در حال تحقیق اند .
سیستم توزیع چند ترکیبی (حلاله) توسعه پیدا کرده است . این سیستم توزیع ترکیبات فعال را انجام داده و عموما مواد را به صورت یکباره مثل ترکیبات محلول در آب و چربی حل نکرده بلکه به صورت متناوب این عمل را انجام می دهد . بهبود ثبات و در دسترس بودن طیف وسیعی از مواد مغذی و دیگر ترکیبات، کنترل ویژگی آزاد شده و طولانی تر شدن زمان ماندگاری در حفره دهانی(احساس طعم دهانی ) از ویژگی این سیستم می باشد.
این سیستم شامل ترکیبات نانو کره ای جامد آب گریز و با قطری حدود 01/0تا 5/0 میکرون است زمانی که کره ها با آب دهان (بزاق) تماس پیدا می کنند حل می شوند و سایر صمغ های طبیعی و غیره پوشیده می گردند . اینها می توانند با چسبیدن به غشای بیولوژیکی مثل غشای موکوسی حفره دهانی برای مدت طولانی تری حفظ شوند نانو کره ها می توانند ترکیبات معینی را در ساختار خود و در نقاط خاص و مشخصی نگه داشته تا امکان دسترسی مواد را بیشتر نمایند .همچنین این سیستم با تشدید آب گریزی موادی که حلالیت بالایی در آب دارند مثل ویتامین C امکان دسترسی این مواد را بیشتر می کنند.
مزایای متعدد سیستم کپسولی
راحتی کنترل، این روش مایعات فرار را به پودر تبدیل کرده که بتوان راحتر کنترل شوند.
بهسازی ثبات، این روش برای ترکیبات خاص فعال مثل طعم ها که با سایر ترکیبات مواد غذایی واکنش می دهند استفاده می شود و به این مواد عمر ماندگاری بالاتری می دهند .
حفاظت در برابر اکسیداسیون، میکرو کره ها سطح روغنی کمتر از 5/0% داشته و در حجم بالایی نسبت به صمغ عربی و نشاسته به وسیله Spray Drier خشک شده اند.
نگهداری ترکیبات فرار شبکه حساس به رطوبت، مواد با فراریت بالا را در خود حفظ کرده و با گذشت زمان کاهش طعم در محصول کمتر است.
پوششهای طعم، طعم های ناخواسته می توانند توسط مولکولهای فعال و سطح موکوس دهانی پوشیده شوند.
آزاد شدن کنترل شده رطوبت، میکرو کره ها در آب دهان حل شده و ترکیبات فرار طعم را آزاد می کنند بنابراین اثر بسیار زیاد طعم را ایجاد می کنند.
گرمای آزاد شده، نانو کره های آب گریز به دما حساسند و ترکیبات فعال و طعم ها را در دمای معین آزاد می کنند .
انتشار متناوب ترکیبات چند فعاله، تغییر ویژگی طعم، احساس ارگانولپتیکی طولانی و پایدار از جمله مزایای این سیستم است .
کاربرد بیشتر نانو کره ها در محصولات نانوایی، خمیر های منجمد ، گوشت فرآوری، غذاهای مغذی و... بسیاری از محصولات غذایی است.
نانوسنسورها
نانو سنسورها برای شناسایی آلودگی و پاتوژن و نانو ابزارهای مرتبط
امروزه سنسورها اطلاعات زیادی راجع به حرارت، دما، آب و هوا، موقعیت آب و هوایی، زمین، حمل و نقل دریایی و آلوده کننده های شیمیایی فراهم می‌کنند.
ارگانیسم های بیولوژیکی قادر به شناسایی محیط زیست هستند. در زندگی ارگانیسم ها سنسورها از ابعاد ماکرو تا میکرو و نانو فعالیت دارند.
در نانو تکنولوژی سنسورها حساسیت شان زیاد شده و زمان عکس العمل کاهش پیدا کرده است. تصور کنید یک نانو سنسور بیو آنالیتیکال می‌تواند یک ذره کوچک ویروس را قبل از تکثیر ویروس و قبل از بروز علایم، در گیاه و حیوان شناسایی کند.
(bioanalytical biosensor) : شناسایی پاتوژن، آلودگی، ویژگی محیطی (روشنی، تاریکی، گرمی، سردی، خشکی و تری) فلزات سنگین و مواد آلرژی‌زا میباشد.
ازویژگی نانوسنسورها می توان به موارد زیر اشاره کرد که به سرعت می‌تواند مواد خارجی و ویروس را شناسایی کنند، کوچک، قابل حمل، دارای عکس العمل سریع در مقدار کم، قابل اطمینان، دقیق، مقاوم و مستحکم هستند.
برنامه تحقیقاتی در زمینه نانوسنسورها بر دو مبنا استوار است:
1)سیستم تشخیص گسترش پاتوژن، مواد مغذی، آلوده کننده
2)بهبود مکانیسم سنسورها در مقیاس نانو
سیستم شناسایی (پاتوژن، کمبود مواد مغذی و آلوده کننده)
بازیافت (بازیابی) نمونه، بهبود بازیابی نانوسیستمها از ترکیبات خاص برای مثال (آب، خاک، گیاه، حیوان و ...) است.
شناسایی پاتوژن: بهبود روشهای واقعی شناسایی پاتوژن، گزارش موقعیت، تلفیق نانوتکنولوژی و سیستم های میکرو الکترو مکانیکی (MEMs) ارتباطهای wireless، طراحی تراشه‌های بیولوژیکی- مولکولی برای امنیت سنسورها در مقیاس نانو می باشد.
بهبود مکانیسم سنسورها در مقیاس نانو
تحقیقات در زمینه نانو سنسورهایی که پاتوژن و مواد شیمیایی را گرفتار نمایند در حال انجام می باشد .چنین روشهای مدرن تثبیت، بر اساس متدهای گرفتارکردن (گیرانداختن) شیمیایی، بیولوژیکی و الکتریکی است تا روشهای نوینی برای تشخیص پاتوژن شناسایی شود وتحقیقاتی در زمینه نانو بیو مواد، نانو لوله‌های کربنی، پلیمری مولکولی انجام گردد.
نانو تکنولوژی با ساخت نانوسنسورها ما را قادر خواهد ساخت که بتوانیم بسیاری از پارامتر ها را با دقت بیشتری ارزیابی کنیم. نانو سنسورها کاربردهای بسیاری در سه حوزه نانوتکنولوژی (پزشکی، کشاورزی و صنایع غذایی) دارند که شامل:
الف) آشکار سازی عوامل و کمیتهای شیمیایی و بیولوژیکی
ب) سیستم های کنترلی قابل حمل و نقل برای حفظ ایمنی محصولات کشاورزی و غذایی در انبار، حمل و نقل، و انتقال
ج) سیستم های ترکیبی نانوسنسورها برای اندازه‌گیری، گزارش دهی و کنترل هوشمند گیاهان یا دام‌ها
د) بیو سنسورهای دقیق تر برای شناسایی پروتئین
هـ) آشکارسازی عوامل بیماری زا حتی در شکافهای بسیار ریز(نانوسنسورها به علت کوچک بودن می توانند حتی به شکافهای ریز نفوذ پیدا کنند) با نانو سنسور و بسته بندی هوشمند مشکلات اساسی صنعت غذا کاهش می‌یابد (و فاصله بزرگی که بین تولیدکننده، فرآیندگر و مصرف‌کننده ایجاد شده از بین می‌رود).
امروزه، مصرف کننده بایستی گوشت را به اندازه ای بپزد تا مطمئن شود که پاتوژن آن از بین رفته است در حالی که به زودی گوشت ها از خود محافظت کرده و صنایع میتوانند ایمنی مناسبی با بهای پرداختی را فراهم کنند و سود بسیار ببرند.
مواد هوشمند، مواد واکنشی هستند که در ترکیب با حسگرها و تحریک کننده‌ها و شاید هم کامپیوترها به شرایط و تغییرات محیطی پاسخ مناسب می‌دهند. پلیمرهای هوشمند دسته‌ای از این مواد هستند. از این پلیمرها میتوان در ساخت مواد بسته بندی جدید برای محصولات غذایی استفاده کرد. این مواد میتوانند به مصرف کننده هشدار بدهند که غذا یا محصول کشاورزی فاسد شده است. صدها یا هزاران نانو مواد میتوانند در داخل یک نانوسنسور قرارگیرند. این نانو مواد میتوانند با رنگهای شب نمای متفاوت یا به صورت متناوب بدون مواد مغناطیسی تولید شوند و میتوانند به صورت انتخابی خودشان را به هر تعداد پاتوژن غذا متصل نمایند. ( در حال حاضر با استفاده از نور مادون قرمز و مواد مغناطیسی این کار را انجام می‌دهند)
پتانسیل نانو سنسورها و تحقیقات در صنعت کشاورزی و غذا
در کمتر از 5 سال
حسگرهای پیوسته و Remote محصولات کشاورزی را در طی تولید در محیط های مختلف قرار می دهند.
مهندسی اسید نوکلئیک، سیگنال های شناسایی پاتوژن و آلودگی را تقویت می کند.
بیو سنورهای آزمایشگاهی بسیار سریعی برای شناسایی پاتوژن در مزرعه (پاتوژن ویروسی و مواد شیمیا یی و ...) ساخته می شوند.
بیو سنورهای آزمایشگاهی بسیار سریعی برای شناسایی پروتئین و تغییر ژنتیکی اگا نیسم (GMO's) ساخته می شوند.
بین 5 تا 15 سال
افزایش حساسیت ابزار ها برای کنترل ایمنی غذا، کنترل محصولات و عوامل زیست محیطی که منجر به افزایش ارزش غذایی می گردد.
شناسایی و کنترل پاتوژن، توکسین و آلودگی در سراسر زنجیره فرآیند غذا (نقاط بحرانی ) انجام خواهد شد.
عکس العمل سریع در سیستم کشاورزی از طریق سیستم سنسورهای خارجی (از تولید به مصرف)
بهبود ابزار برای داروهای دامپزشکی (تشخیص، مداوا،جلوگیری از بیماری)
سنسورهای قابل حمل برای شناسایی پاتوژن، ویروس، مواد
یمیایی،پروتئین،تغییر ژنتیکی ارگانیسم در فرایند تولید غذا در سطح مزرعه
بهبود سنسورهای یکبار مصرف
حمایت از مصرف کننده، بهبود کیفیت غذا از طریق بهسازی مواد مغذی و غذا
بررسی مواد خود ترمیم از اسید چرب خود مونتاژ، تعدیل سطوح (شیوه پلاسما)، خصوصیت پوشش دهنده و اصلاح کننده مواد کشاورزی و بسته بندی برای بهسازی بسته بندی مواد غذایی و ممانعت از آلودگی میکروبی
کیت های کوچک شناسایی پاتوژن، دستگاه های کوچک کنترل کننده برای انبار غله، اتاقک های انبار خوراک، ردیابهایی بر پایه پروتئین و میکروب
سنسور هایBiodegradable (که توسط میکروب متلاشی می شوند) که اندازه گیری رطوبت و دما ی غذای انبار شده را انجام میدهد.
سنسور هاییBiodegradable که پارامترهای فیزیکی، بیولوژیکی را برای محصولات و برخی از غذاهای فرآیند شده اندازه می گیرند .
مهندسی بر مبنای اسید نوکلئیک، ابزار های نانو الکتریکی که از ترکیب بخش آلی و غیر آلی هستند و برای نگهداری و شناسایی سیستم کشاورزی و غذایی استفاده می شوند.
نانوفیلترها و کاربرد آنها در بیوتکنولوژی
فیلتر ها بر اساس اندازه منافذشان دسته بندی می شوند و بر این اساس به میکرو فیلترها، آلترا فیلتر ها و نانو فیلتر ها طبقه بندی می شوند . نانو فیلتراسیون در اصل فیلتراسیون با فشار پایین تر از اسمز معکوس است. بنابراین قیمت تمام شده نانوفیلترها و انرژی مصرفی کمتر است. نانو فیلترها علاوه بر بازیابی عناصری مثل نمک و کلسیم از آب قادر به بازیابی ویروسها و باکتری ها نیز می باشند. بنابراین می توانند در رفع آلودگی آب های ذخیره، نوشیدنی انسان و آبهای کشاورزی استفاده شوند. همچنین تغلیظ عوامل بیولوژیکی موجود در هوا و آب و تجزیه آئروسل از جریانهای هوا و پاتوژن (نانو فیلترها میتوانند به فیلتراسیون سریع خون کمک فراوانی کنند. در حال حاضر مسمومیت خونی یکی از مشکلات جدی در جهان است و خطر عفونت در واحد هایی که نیاز به مراقبت شدیدتری دارند بیشتر می باشد چون مریض ها آسیب پذیرترند. اگر مسمومیت خونی اتفاق بیافتد باید هرچه سریعتر خون از عامل مسمومیت پاک شود.) را انجام می دهند.
برای تشخیص، بایستی عامل عفونت پلاسما و اندوتوکسین از هم جدا شوند تا عامل عفونت شناسایی شود با استفاده از نانوفیلترها می توان در یک مرحله پلاسما و اندوتوکسین را جدا کرده و عامل مسمومیت شناسایی شده و خون تمیز گردد.
علاوه بر این نانو فیلترها می توانند در جداسازی بیوتکنولوژی باکتری، ویروس و اسید نوکلئیک، تصفیه DNA، جذب پروتئین و اسید نوکلئیک ها، سوبسترها برای کشت batch، آلترافیلتراسیون محصولات آشامیدنی و غذایی و استرلیزه کردن سرم های پزشکی و سیالات بیولوژیکی استفاده شوند.
نانو فیلتر سلولزی طبق ویژگی های زیر بهسازی شده اند :
انتقال موثر تر و بیشتر ویروس و باکتری (بیش از 9999/99%)
قدرت جریانی چندین برابر، با نفوذتر از فیلتر های غشایی دارند.
ظرفیت بیشتر برای ذرات و گرفتگی کمتر توسط نانو ذرات یا نانو کلوئیدها، ظرفیت با افزایش ضخامت فیلتر بیشتر می شود .
نقطه معیوبی مقاومتر و ترمیم گر، در حالی که چنین عملی در فیلتر غشایی وجود ندارد .
فلزات سنگین محلول را توسط تبادل یونی جدا می کنند
فیلتراسیون نانو ذرات و میکرون هایی که حاوی ایزوتوپ های پرتوزا هستند.
نانو فیلترها جهت رفع آلودگی از سطوح سوربانت یکی از عوامل فعال فاضلاب که برای سطوح به کار می رود، استفاده می شود و پس از آن عوامل بیولوژیکی چسبیده شده را جمع آوری می کند.
ماشین های نانو تکنولوژی
برخی از کارشناسان مفهوم ساخت و تولید مولکولی را که در آن اشیا اتم به اتم یا مولکول به مولکول ساخته می شوند را ابداع کرده اند. با استفاده از این روش و بلوک های سازنده می توان ماشین مولکولی را تولید کرد . این ماشین مولکولی با عنوان نانوروبات از آن یاد می شود کاربرد های متعددی دارند .از جمله کاربردهای نانو روبات ها می توان به ثبت برخی پارامترهای مهم فیزیکی یا بیولوژیکی برای محافظت مواد غذایی یا محصولات کشاورزی اشاره کرد. همچنین با استفاده از آنها می توان سلامت محصول یا دام را به طور مرتب بررسی نمود.
عناوین زیر به عنوان قسمتهای مهم صنعت غذا و کشاورزی مطرح می باشند:
میکرو سیال
سیالها در اندازه ماکرو در زندگی بشر استفاده می شوند .در مقیاس میکرو کانالهای میکرو، سیالات را جا به جا می کنند و امکان کنترل دقیق مواد به محیط زیست و سلولهای ظریف میکروسکوپی را می دهند . در مقیاس میکروسکوپی به نظر می رسد که میکرو کانالها برای جابه جایی مواد ویسکوز مثل ملاس استفاده می شوند. زمانی که دو یا چند کانال میکرو سیال به جوی واحدی ملحق می شوند مخلوط نشده و این ویژگی جریان لمینار است سلولهای زنده امکان استفاده از جریان لمینار را می دهند .میکروسیالها برای تشخیص بیماری،دستکاری DNA،فرآیند تنظیم و کنترل غذا استفاده می شوند .
نانو بیو پروسس
بیو پروسس از فرآیند های بیولوژیکی طبیعی برای ایجاد ترکیبات مطلوب از مواد خام معین مثل مواد کمپوست (کود) از فضولات حیوانی و گیاهی در نانو پروسس از ردیاب های مولکولی(کاوشگر) یا ابزار هایی که امکان تشخیص سریع میکروب موجود در مواد خام را می دهد استفاده می کند .
نانو سنسور های بیو آنالیزی
با استفاده از این سنسورها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی،ویروس، باکتری در سیستم کشاورزی و غذایی امکان پذیر است . این سنسورها به عنوان بخش های بیولوژیکی استفاده می شوند.
سطوح بیو سلکتیو
سطوحی هستند که بیشترین فعل و انفعال شیمیایی و بیو لوژیکی در آن اتفاق می افتد . این سطوح توانایی تشکیل باند یا نگهداری ارگانیسم خاص یا مولکول را تقویت یا تضعیف می کنند . این سطوح برای بهبود و بهسازی بیوسنسورها، ردیاب ها، کاتالیزورها، واسطه گرهای زیستی و توانایی جداسازی یا خالص نمودن ترکیب های بیو مولکولی مثل فرآیند و بسته بندی غذا حائز اهمیت هستند.
بسته بندی نانو Nano packaging
امروزه بسته بندی غذا به خصوص بر روی کنترل و تنظیم متمرکز شده است . بسته بندی با استفاده ازنانو موادی به نام هوشمند انجام شده که می توانند نسبت به شرایط محیطی پاسخ دهند و خود را ترمیم نمایند و مصرف کننده را نسبت به آلودگی یا حضور پاتوژن آگاه نمایند .
بسته بندی های هوشمند در صنایع غذایی به محض شروع فساد در ماده غذایی در داخل بسته ، از خود ماده نگهدارنده آزاد کرده و تغییرات دمایی،ترشح رطوبت ومایعات را از ماده غذایی داخل بسته تشخیص داده و به مصرف کننده اعلام می کنند . فیلم پلاستیکی شفافی به نام دورتان که حاوی نانو مواد رسی است این ماده در سراسر پلاستیک پراکنده است و قادر است که اکسیژن، دی اکسید کربن و رطوبت را برای حفظ گوشت و سایر غذاها بلوکه کند . این ماده می تواند پلاستیک های روشن تر مقام تر و مقاوم به حرارت ایجاد نماید . پژوهشگران بر روی بطریهای پلاستیکی برای بسته بندی آبجو در حال تحقیق اند . این مواد عمر ماندگاری شش ماهه به آب جو خواهند داد . با استفاده از نانو آکرها می توان پلاستیکی تولید کرد که عمر ماندگاری آب جو را تا حدود 18 ماه افزایش دهد.
شرکت کداک از بسته بندی اکتیو که اکسیژن را برای حفظ کیفیت و تازگی غذا جذب می کند استفاده کرده است .همچنین شرکت کرافت از بسته بندی حاوی سنسور به نام Electronic Tongue استفاده می کند این بسته بندی تا حد PPT(part per trillion) را شناسایی و از تغییرات رنگ و آغاز فساد غذا مصرف کننده را آگاه می سازد .
کاربرد های نانو در صنعت بسته بندی
فرآیند تولید پلاستیک آنتی باکتریال برای ظروف نوشیدنی و غذایی با استفاده از نانو پودرهای آنتی باکتریایی
فیلم های مورد استفاده برای مواد غذایی که حداقل یک لایه کوپلی آمیدی از 10 تا1000 ppm نانو مواد پخش شده باشد.
ظروف غذا و نوشیدنی خود سرد کن Self-cooling
مواد پلی الفین که از تلفیق ذرات نانو فاز تشکیل شده است . بسته بندی لمینت برای مواد سیال مثل شیر، آب میوه به همراه یک لایه پلی الفین که از ذرات رسی در اندازه نانو با خاصیت مقاومت به گاز تشکیل شده است.
از کاربردهای دیگر نانو در صنعت غذا، برچسب گذاری و پایش مواد غذایی است به گونه ای برچسب ها طراحی شده اند، که از فاصله بسیار دور قابل اسکن بوده و صندوق دار در فروشگاه می تواند در یک لحظه تمام خرید مشتری و تاریخ مصرف محصولات را کنترل نماید.
بسته بندی هوشمند منجر به طولانی شدن عمر ماندگاری محصول می شود . نانو کپسولها در سس های گوجه یا کلوچه های شکلاتی به بهبود ایمنی محصول کمک می کنند . برخی شرکتها بسته بندی هوشمندی را طراحی کرده اند که می تواند برای جلوگیری از پوکی استخوان مولکولهای کلسیم آزاد نمایند.همچنین نوشیدنیهای فاقد طعمی طراحی شده است که حاوی صدها طعم در نانو کپسولها می باشند.
غذاهای نانو Nano Food
از دیگر کاربرد های نانو تکنولوژی در صنایع غذایی، غذاهای مولکولی است . برپایه پیشرفت هایی که در چندین سال آینده این علم خواهد داشت، نانو رباطها قادر خواهند بود که از کربن، هیدروژن، اکسیژن موجود در آب یا هوا برای انسان غذا تولید کنند به گونه ای که دیگر برای تولید غذا نیازی به مزارع کشاورزی و دامپروری نخواهد بود . غذاهای مولکولی می توانند در داخل گردش خون به حرکت در آمده و عروق را از بقایای چربی پاک کنند و پاتوژن ها را بکشند . همچنین برخی شرکتها غذا های هوشمندی را طراحی کرده اند که با توجه به شخصیت مصرف کننده رنگ، طعم و مواد مغذی آن تغییر می کند . ماکروویوهای خانگی می توانند رنگ، طعم، غلظت، بافت انتخابی را آزاد نمایند . در عوض برداشت غلات، گوشت برای تامین کربو هیدرات و پروتئین Nanobots می توانند استیک یا آرد را از اتمهای موجود در هوا تامین نمایند .
مهندسی مولکولی قادر است که رشد را بدون محدودیت خاک، مزرعه، دانه و کشاورز انجام دهند و دنیای بدون قحطی را فراهم نمایند.نانو ماشینها می توانند مقدار نامحدودی غذا را از طریق سنتز در سطح اتمی ایجاد و گرسنگی را از بین ببرند . تولید غذا در سطح مولکولی بیشتر یک هدف جاه طلبانه نانو تکنولوژی است و آنها مدعی اند که راندمان کشاورزی بالا رفته و محتوای مواد مغذی غذاها زیاد شده و عوامل آلرژی زا حذف می شود .
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 40 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله نقش فناوری نانو در صنایع غذایی
