دانلود مقاله نقش فناوری نانو در صنایع غذایی

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.