نانو کامپوزیت ها چیست
بسته بندی مواد غذایی راهکاری حیاتی برای تضمین ایمنی آنها اســت. فیلم های پلیمــری نفتی به دلیل قابلیت شــکل پذیری آســان، قیمت ارزان، ســبکی، مقاومت شــیمیایی باالا، تنوع خواص فیزیکی، قابلیت درزبندی به وسیله حرارت، چاپ پذیری خوب، و فرایند تولید آســان، به طور گســترده در صنایع بسته بندی مورد اســتفاده قرار میگیرند. با این حال، با توجه به رشــد روزافزون جمعیت و نیاز بــه حفظ منابع برای نســلهای آینده، در ســالهای اخیر، پژوهشــگران به دنبال راهکارهایی جدید برای بسته بندی مواد غذایی بوده اند. فناوری نانو از جمله این راهکارهاســت فناوری نانو می تواند موجب بهبود بسته بندی مواد غذایی و قابلیت های آنها شود و در نتیجه حصول اطمینان از ایمنی مواد غذایی و حمایت از مصرف کننده را در پی داشته باشد.
پلیمرهای نانو به سه دسته تقسیم میشوند:
نانوپلیمرهای پیشرفته:
نانوذراتــی کــه در نانوپلیمرهــای پیشــرفته (نانوکامپوزیتها)به کار میروند، ســبب افزایش انعطاف پذیری، افزایش ممانعت از ورود و خروج گازها، و افزایــش پایداری رطوبتــی و حرارتی پلیمرهای تشکیل شده از آنها می شوند. از جمله این نانوذرات می توان به نانوذرات رس اشاره کرد که رایج ترین نانوذرات کاربردی هستند و حدود ۷۰ درصد از حجم بازار را تشــکیل میدهند. این گروه از نانوذرات در بســته بندی های مواد غذایی مختلــف – مانند گوشــت فراوری شــده، پنیر، شیرینی ها، غلات، و فراورده های لبنیات استفاده می شــوند و در بهبود خواص ساختار حرارتی و ممانعت از رسیدن اکسیژن و دی اکسید کربن و رطوبت به مواد غذایی دخالت دارند.
نانوپلیمرهای فعال:
بسته بندی با غذا و محیط اطراف ارتباط برقرار می کند و نقشــی پویــا و فعــال در حفظ مواد غذایــی دارد. در بســته بندی های فعــال از یک ســری جاذبها و رهاسازها اســتفاده میکنند. این بســته بندی ها نسبت به شرایط داخل بسته تغییرات فعالانه می دهند. این تغییرات منجر به افزایش عمر محصول، بهبود ایمنی و خواص حسی محصول، و حفظ کیفیت محصول در مدت زمان نگهداری میشوند. از جمله این پلیمرها می توان به این موارد اشــاره کرد: نانوپلیمرهای فعالی که در بسته بندی موادغذایی با اتمسفر اصلاح شده و نیز در بسته بندی های حاوی جاذب ها مانندجاذب های اکســیژن، دی اکســید کربن، اتیلن، آمیدها، و ترکیبات سولفوری( و رهاسازها )مانند دی اکسید کربن، اتانول، آنتی اکسیدان ها، و دیگر ترکیبات نگهدارنده استفاده میشوند. بسته به شــکل فیزیکی بسته بندی های فعال، جاذبها و رهاسازها به سه شکل بالشتک برچسب و فیلم تقسیم بندی میشوند. از جمله نانوذرات به کاررفته در نانوپلیمرهــای فعــال میتــوان نانولوله های کربنــی ،نانوکامپوزیت هــا،و نانوتوپ هــای کربنی را نام برد.
نانوپلیمرهای باهوش:
با بودن نانوحســگرهای هوشــمند در ماتریس پلیمــری، میتوانیــم از شــرایط مــاده غذایی بسته بندی شــده و محیط داخل بسته بندی آگاه شویم. نانوسنســورها در برابر تغییرات محیطی )درجــه حــرارت، رطوبت، و ســطح اکســیژن موجــود)و عوامل میکروبــی و پاتوژنی واکنش نشــان می دهند. برای مثال، نشانگرهای حرارتی و زمانی که نشــان دهنده درجه حرارت نگهداری و تاریخ انقضا هستند، باعث آگاهی مصرف کننده و تولیدکننده از شرایط ماده غذایی و بسته بندی می شوند. در نتیجه، در مصرف کننده اعتماد ایجاد می شــود و تولیدکننده قادر به شناســایی نقاط ضعف خواهد بود.
نانوکامپوزیت و نانو بیوکامپوزیت:
کامپوزیت به جسمی حجیم یا توده ای گفته می شــود که در حالت کلی حداقل شــامل دو ماده مجزا با ســاختار مکمل باشد. نانوکامپوزیت به دســته خاصی از کامپوزیت ها گفته میشود که حداقل یکی از اجــزای آنها در مقیاس نانو باشــد در نانوکامپوزیت های پلیمری نسبت به کامپوزیت های معمولی برهمکنش بهتری بین ماتریس پلیمر و فیلر وجود دارد. توزیع یکنواخت نانــوذرات در ماتریس پلیمــری موجب افزایش سطح تماس ماتریس و نانوذرات می شود که این اتفاق بهبود خواص مکانیکی، گرمایی، و ممانعتی را در پی دارد.
نسبت بزرگترین بعد فیلر به کوچکترین بعد آن خاصیت مهمی است که نسبت منظر نامیده می شود. فیلرهای با نسبت منظر بالا سطح ویژه بالاتــری دارند که خــواص تقویت کننده بهتری فراهم میکند. هرچه انــدازه نانوذرات کوچکتر باشد، توزیع آنها در ماتریس پلیمری مشکل تر خواهــد بود، زیــرا نانوذرات بســیار ناپایدارند و تمایل زیادی به تجمع یا کلوخهای شــدن دارند و کلوخهای شدن نانوذرات یک نقطه ضعف برای ماتریس پلیمری محســوب میشــود. نانوذرات معدنی با اندازه ذرات بسیار ریز تغییرات ناچیزی در طبیعت مواد پلیمری ایجــاد می کنند و اگر به درســتی طراحی و فرموله شــوند، می توانند ویژگی های گرمایی، مکانیکی، ممانعتی، و قابلیت اشتعال پذیری پلیمر را بهبود بخشند. نانوفیلرها در مقادیر بسیار کم ۱-۵ درصد وزنی در مقایسه با فیلرهای سنتی مثل سیلیکا چنین قابلیت هایی را بهتر نشان می دهند. چندین نوع از این نانوذرات وجــود دارند، اما در حال حاضــر تمرکز بر روی نانوذرات رس است که پتانسیل کاربردی بیشتری در زمینه بسته بندی مواد غذایی دارند.
نانوکامپوزیت ها را میتوان با پلیمرهای ترموست و یــا ترموپلاســت پلی اتیلــن، پلی پروپیلن، پلی آمیدها، پلی استایرن، و پلی متیل متاکریلات تولیــد کرد. این مــواد به شــدت واکنش پذیر هستند و اغلب در بسته بندی مواد غذایی به کار میروند. به طور O2 کلی، هدف از به کارگیری آنها افزایش مقاومت مکانیکی، کاهش وزن، افزایش مقاومــت به حــرارت، ممانعت بهتــر در برابر، O2 و CO2 و UV و رطوبت، قابلیت بازیافت بهتر، و محافظت بیشتر از محصول است. نانوکامپوزیت با نانو ذرات SiO2 و TiO2 و نانــورس در بســته بندی مواد غذایی باعث محافظت بیشتر از غذا می شود. نانوذرات تیتانیوم در بسته بندی به عنــوان پرکننده پلاســتیک ها و فویلها استفاده میشوند. نانوبیوکامپوزیت هــا عــلاوه بــر داشــتن ترکیبی با ابعاد نانــو، دارای ترکیبات بیوزیســتی نیز هستند که زیست تخریب پذیر بوده و در محیط به وســیله موجودات تجزیه کننده به ریزواحدهای خود تبدیل میشوند. از جمله پلیمرهای زیســت تخریب پذیر میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
نشاسته و مشتقات آن:
پلیمرهای بعد طبیعی مهمی هستند که معموال از فشردهشدن، به مادهای قابل ارتجاع بــا مقاومت مکانیکی کــم و حفاظت کم در برابر اکسیژن و رطوبت تبدیل میگردند. اما ترکیب آنها با نانوذرات باعث میشود مقاومت کششی توسعه یابد و نفوذپذیری بخار آب کاهش پیدا کند.
پلی استرهای زیستی:
طبقه مهم دیگری هســتند کــه از مونومرهای زیستی شــامل اســید پلی لاکتیک، پلـی هیـدروکســـی بیـوتـــرات، و پلی کاپروالکتون تشــکیل شــده اند. قابلیت این پلیمرهای زیستی به عنوان پوسته و قالب دور مواد غذایی آنها را به موادی جذاب در صنعت تبدیل کرده است. تنها مشکل آنها شــکنندگی و خصوصیات ممانعت گازی ضعیف آنها اســت؛ برای غلبه بر این مشکل نیز از نانورس به عنوان پرکننده و پشــتیبان استفاده می شود. بسته بندی باید بتواند از پری بیوتیک ها، پروبیوتیک ها، و ویتامینهای محفظه سازی شده در شرایط مناسب نگهداری کند؛ این مواد زیستی قابلیت لازم برای این کار را دارند.
انواع نانو ذرات استفاده شده در نانو کامپوزیت های بسته بندی مواد غذایی
نانوموادی که در بسته بندی موادغذایی کاربرد دارند به دو دســته آلــی و غیرآلی طبقه بندی می شوند. نانوموادی مانند نانوذرات آهن، نقره، تیتانیوم، کلسیم، ســیلیکا و… از مواد غیر آلی ً هســتندکه برای بسته بندی غذا به کار عمدتا میرونــد. جدول ۱ انواع نانــوذرات رایج در بسته بندی مواد غذایی را نشان می دهد.
نانورس:
نانوکامپوزیتهــای پلیمــری سیســتم های دوفازی هســتند که یــک ماتریس پلیمری و نانوذرات معدنی را شــامل میشوند. نانوذرات رس از جملــه نانوذراتی هســتند که بســیار مــورد مطالعه قرار گرفته انــد. دلیل این توجه ارزانی، دسترســی آسان، و عملکرد و فرایندپذیــری خوب آنها اســت رس را میتــوان به صــورت نانولایــه و با ضخامتــی در مقیاس نانو به کار برد. این ذرات، پلاســتیک را سبک، محکم، و مقاوم به حرارت میکند و مانعی برای عبور گاز است. مواد معدنی آن اغلب مونتموریلونت (بنتونیت) است و غالبا یک نانو ماده تجاری به شمار می آید.
نانــوذرات خــاک رس معمــولا به صــورت صفحــات دوبعــدی بــا ضخامت بسیار ناچیز حدود نانومتردر نظر گرفته میشوند. هنگامی که ایــن صفحــات در ماتریس پلیمری پراکنده میشــوند، مسیری را ایجاد میکنند که انتقال گازها را به شدت کاهــش میدهــد. دو ویژگی خاص نانــورس که نقش مهمــی در تولید نانوکامپوزیت ها ایفا می کنند عبارتند از:
۱)بازشــدن لایه ها از همدیگر و پراکنده شدن آن ها در ماتریس پلیمری، و ۲)اصلاح ســطح آنها جهت برهمکنش بهتر بین ماتریس پلیمری و ۲ همدیگر و پراکنده شــدن آنهــا در ماتریــس پلیمــری، و نانوذرات .اختلاط ســاده پلیمر و خاک رس همیشــه منجر به تشــکیل نانوکامپوزیت نمی شود، زیرا باعث کلوخه ای شــدن لایه ها می شود که علت آن برهمکنش ضعیف بین ماتریس و ذرات نانو اســت. در غلظت های بسیار پایین از نانوذرات ســطح تماس بیــن پلیمــر و لایه های خاک رس نســبت به کامپوزیت های معمولی بسیار بیشــتر اســت. از ترکیب های پلیمر/ نانورس در بســته بندی غذاهای مختلف مثل گوشت عمل آوری شــده، پنیر، غلات، آبمیوه، لبنیات و نوشیدنی های کربناته استفاده می شود.
خاصیت بازدارندگی نانوکامپوزیتهای پلیمر/ رس
در خیلــی از کاربردها خاصیــت بازدارندگی پلیمرها بســیار حیاتی اســت. این امر به ویژه در صنعت بســته بندی مــواد غذایی مصداق دارد. در بســیاری از بســته بندی های مــواد غذایی میزان نفوذ اکســیژن عمــر مفید مواد غذایی در بســته بندی را تعیین می کند و در نوشــیدنی های گازدار خارج شــدن دی اکسید کربــن. در نانوکامپوزیت های تقویت شــده با خاک رس نانوذرات رس با نســبت منظر باالا میتوانند نقش بازدارندگــی را به خوبی انجام دهند. خاصیت بازدارندگی اکســیژن از ظروف بســته بندی مواد غذایی نقش مهمی در حفظ غذاهای تــازه مانند میوه، ســاالاد، و غذاهای آمــاده دارد. بازدارندگی اکســیژن به صورت ضریب نفوذ اکســیژن اندازه گیری میشود که میزان نفوذ اکســیژن در واحد ســطح و زمان در مواد بسته بندی شده را نشان می دهد.
نانوذرات نقره
فناوری نانو طراحان را قادر می سازد ساختار عناصر بسته بندی را در مقیاس مولکولی تغییر دهند. از طریــق افزایــش ذرات نانو میتوان ً بطری ها و بســته بندی هایی با مقاومت نسبتا کــم، عملکرد گرمایــی و مکانیکــی کمتر، و جذب کم مواد فرار و اکسیژن تولید کرد؛ این مشخصه ها میتوانند سبب افزایش ماندگاری و حفظ رنگ محصول شــوند. به ویژه، استفاده از نانوذرات نقره در ظروف بسته بندی یک لایه یا چند لایه به عنوان مواد افزودنی، به علت غیر قابل نفوذبودن نســبت به اکسیژن و رطوبت، میتواند از رشــد باکتری ها و کپک ها در بسته جلوگیری کنــد و در نتیجه، ســبب افزایش مانــدگاری محصول و تغییرنکردن ویژگیهای ظاهری و
فیزیکی آن شود. انــدازه ذرات نقره یکنواخــت ۵-۵۶ نانومتر و به طــور متوســط ۲۶ نانومتر اســت. این ذرات دارای خلــوص بــالا، پراکندگی خوب، و شــکل شبیه کره هســتند. در حالت یونی اثر ضدمیکروبی آن بیشتر است، اما سمی است. از آنجا که نانوذرات آن سطح بیشتری از ذرات بزرگتر را دارد، از لحاظ شــیمیایی فعال تر از ذرات بزرگ نقره است. ترکیبــات نانویی که در بســته بندی ها به کار رفته انــد گاهــی دارای خــواص ضدمیکروبی هســتند و در نتیجه، خود بسته بندی به عنوان یک عامل ضدمیکروب ایفای نقش میکند. از جمله پرکاربردتریــن ترکیبات نانو که در این بسته بندی ها اســتفاده می شــود میتوان به ذرات نانونقره اشاره کرد، هرچند که نانواکسید روی و نانودی اکســید کلرین هم قابل استفاده است. ترکیبات نانویی مانند نانواکسید منیزیم، نانواکســید مس، نانودی اکســید تیتانیوم، و نانولوله هــای کربنی نیز از جملــه ترکیباتی هســتند که پیش بینی میشــود در آینده در بســته بندی ضدمیکروبی مواد غذایی استفاده شــوند. اما تاکنون ثابت شده که نانوذرات نقره
کارآمدترین ضدمیکروب در مقابله با باکتری ها، ویروسهــا، و ســایر میکروارگانســیم های یوکاریوت اســت در شکل ۲ بسته بندی مواد غذایی با پوشــش های ضدمیکروبی نشان داده شده است.
ویژگی هــای فیزیکی نانومــواد، مثل اندازه و شکل، ویژگی های سطحی، و ترکیب شیمیایی آنها می تواند باعث ایجاد اثر سمی شود. مثال، نانوذرات نقره گونه ای اکســیژن فعال Ros تولید می کنند که واکنش مولکول ها را افزایش می دهــد و رادیکال آزاد ایجــاد می کند و در نهایت، باعث آماس و آسیب پروتئین ها، غشا، و DNA میشود. اثر ضدباکتریایی زیاد نانونقره ممکن اســت باعث از بیــن رفتن باکتریهای مفید در بدن و اطراف ما شود.
فرایندهای عمده نانونقره:
فرایندهای نانوذرات نقره را می توان به موارد زیر دسته بندی کرد:
۱)فراینــد کاتالیســتی تولید اکســیژن فعال بــا نقره: ایــن فرایند بیشــتر در مورد کامپوزیت های نانونقــره ای صدق میکند که SiO2 و TiO2 روی پایه های نیمه هــادی مانند قرار میگیرند. در این وضعیت، ذره مانند پیلی الکتروشیمیایی عمل میکند و با اکسیدکردن اتم اکســیژن و یون اکسیژن با هیدورلیزکردن آب، یون -OH را تولیــد میکند که هر دو از بنیان هــای فعال و از عوامل ضدمیکروبی قوی نیز به شمار میروند.
۲) فرایند یونــی تبدیل پیوندهای SAG به SH : در این فرایندها ذرات نانونقره فلزی به مــرور زمــان یون های نقره از خود ســاطع می کننــد. ایــن یونهــا در طــول واکنش جانشینی، باندهای -SH را به باندهای SH تبدیل می کنند.پیوندهای دی ســولفیدی در دیواره باکتــری نقش حفاظتــی را در مقابل واکنش های اکســایش ایفا میکنند. اما حضور یون های نقره در طی واکنش جانشینی سبب تبدیل باندهای H-S به سولفید نقره در جداره باکتری شده و در نتیجه، موجب از بین رفتن آنها میشود.
۳) افزایش تمایلات بــار مثبت نقره در ابعاد نانو موجب اتصال با میکروارگانسیم های دارای بار منفی می شــود که این ۳ سازوکار به تخریب غشــای ســلولی میکروارگانیســم می انجامد (دیواره سلولی باکتری حاوی مقادیر زیادی بار منفی است؛ زمانی که این باکتری در مجاورت بافتــی که حاوی نقــره بوده قــرار میگیرد، یون هایی بــا بار مثبت نقره جــذب بار منفی دیواره باکتری شده و در نهایت، موجب از بین رفتن باکتری میشوند.)
۴) در بعضی از میکروارگانسیمهایی که تنفس آنها به وسیله آنزیم ها صورت میگیرد نانونقره با از بین بردن آن آنزیم ها ۴ مکانســیم تنفسی میکروارگانســیم ها را مختــل میکند و باعث مرگ آنها میشــود (یون هــای نقره زنجیره تنفسی باکتری را در سیتوکروم اکسیداز بلوکه می کند)
سازوکارهای مختلف خواص ضد میکروبی نانوذرات نقره:
نانــوذرات نقــره از راه هــای زیــر خــواص ضدمیکروبی از خود نشان می دهند: چسبندگی به سطح سلول؛ تجزیه لیپوپلی ساکاریدها؛ نفوذ در داخل ســلول باکتریایی و تخریب DNA؛ اتصــال به گروههــای الکتــرون دهنده در مولکولها؛ و آزادسازی یون های +AG ضدمیکروب
نانوذرات اکسید سیلیکون و اکسید نقره
باعث بهبــود خــواص بازدارندگــی در برابر اکســیژن و دی اکســید کربن و بهبود خواص مکانیکی بسته بندی می شوند. همچنین دارای فعالیت خــواص ضدمیکروبــی، ضدقارچی، و ضدآنتی بیوتیکی هستند.
نانوذرات تیتانیوم دی اکسید
نانــوذرات دی اکســید تیتانیــوم یکــی از پرکاربردترین نانوذرات نیمه رسانا با ویژگی های خــاص آب دوســتی و فوتوکاتالیســتی، جاذب نور ماورای بنفش، و آنتی باکتریال هســتند و به طورگسترده ای در ساخت نانوکامپوزیت های پلیمری با هدف بسته بندی مواد غذایی استفاده می شوند.
نانوذرات اکسید روی
نانــوذرات اکســید روی از خانــواده ورتزیت و دارای ویژگی هایــی ماننــد نیمه رســانایی، پیزوالکتریــک، و پیروالکتریک هســتند. این خــواص بی نظیر باعث می شــوند کــه ذرات اکســید روی از غنی ترین مواد نانوســاختاری باشــند. همچنیــن، این ذرات زیست ســازگار و ایمــن هســتند و می تواننــد در کاربردهای پزشکی به راحتی و بدون روکش استفاده شوند. این خصوصیــات ویژه اکســید روی می تواند زمینه هــای تحقیقاتی گوناگونــی در آینده ایجاد کند.
نانوذرات سیلسیوم دی اکسید
سیلیسیوم دی اکسید یا ســیلیکا فراوان ترین ماده ســازنده پوســته زمین است. این ترکیب با فرمول شــیمیایی SiO2 ســاختاری شــبیه المــاس دارد و مــاده ای بلوری و ســفیدرنگ ً است. دمای ذوب و جوش آن نسبتا زیاد است و در طبیعــت به دو شــکل بلــوری و آمورف یافت می شود. نانوکامپوزیت حاوی نانوذرات سیلســیوم دی اکســید نیز از جمله نانوکامپوزیتهایی اســت که نیاز به توسعه و تحقیق و مطالعات بیشتری دارند.
نتیجه گیری
فنــاوری نانــو بــرای بخش غذایــی اهمیت روزافزونی مییابد. تا امروز، نتایج و کاربردهای امیدوارکننــده ای در زمینــه بســته بندی و بهداشت غذا به دست آمده است. برای استفاده گســترده از فناوری نانو در بســتهبندی مواد غذایی باید موضوعات مهمی را در نظر گرفت .مهمترین آنها مسئله ایمنی است، زیرا ممکن است نانوذرات از ظروف بسته بندی مواد غذایی وارد غذا شــوند. انتظار می رود ترکیب نانومواد در بسته بندی غذا خصوصیات ممانعتی مربوط به بســته بندی را بهبود دهــد و در نتیجه، به کاهــش مصرف مواد خام مفیــد و تولید زباله کمتر منجر شود.