فناوری نانو و به‌کارگیری نانومواد و نانوذرات مهندسی‌شده پتانسیل بالایی برای بهبود کیفیت مواد غذایی ایجاد کرده است که این بهینه‌سازی به‌طور عمده از طریق اعمال کاربردهای جدیدی مانند ابداع سیستم‌های حمل و جذب مواد غذایی و مواد زیست‌فعال، بهبود رنگ‌ها و طعم‌ها، عامل‌دار کردن ترکیبات، ردیابی و کنترل ترکیبات میکروبی، آلرژن‌ها و آلاینده‌ها و فرایندهای بسته‌بندی مواد غذایی صورت می‌پذیرد. همچنین استفاده از نانومواد فرصت‌های زیادی را برای بهبود ویژگی‌های ارتقادهنده سلامتی مواد مغذی و انتقال ترکیبات زیست‌فعال در غذا فراهم کرده است. رهایش کنترل‌شده و آهسته ترکیبات با استفاده از هیدروژل‌های پلیمری و فناوری‌های کپسوله کردن، کاهش برهم‌کنش‌ها در یک سیستم غذایی، بهبود تراکنش و سوسپانسیون و تثبیت تعلیق ترکیبات نامحلول در آب با استفاده از لیپوزوم‌ها، نانوپراکنش‌ها (nanodispersion) و نانوامولسیونها، بهبود فراهمی زیستی و بهبود پایداری از جمله دستاورد‌های کاربردی به‌کارگیری این فناوری و نانومواد در غذا و صنایع غذایی است. این کاربردها به‌طور عمده شامل مواد مغذی یا شیمیایی نانو کپسوله شده، نانوذرات با خاصیت ضد‌میکروبی و بسته‌بندی مواد غذایی به شکل هوشمند و فعّال خواهد بود.
1- مقدمه
امروزه
نانومواد و نانوذرات مهندسی‌شده (Engineered Nanoparticles) به‌عنوان گروه مهمی از مواد پیشرفته (Advanced Materials)، پتانسیل بالایی برای استفاده در مواد غذایی دارند [1]. کاربردهای جدیدی مانند ابداع سیستم‌هایی در مقیاس نانو برای حمل و جذب مواد غذایی و پپتید‌های زیست‌فعّال (Bioactive Peptides)، بهبود رنگ و طعم مواد غذایی با اهداف بهبود ظاهر فیزیکی غذا و جذب مشتری، عامل‌دار کردن ترکیبات با به‌کارگیری نانوذارت مناسب، ردیابی و کنترل ترکیبات میکروبی، آلرژن‌ها و آلاینده‌ها با کمک نانو‌حسگرهای زیستی (Nano biosensors) و فرایندهای بسته‌بندی مواد غذایی تنها نمونه‌هایی از کاربردهای مؤثر نانومواد در حوزه غذا به شمار می‌روند. همچنین استفاده از نانومواد سبب شده تا زمینه مناسب برای بهبود ویژگی‌های ارتقادهنده سلامت مواد مغذی مثل قدرت آنتی‌اکسیدانی فراهم شود و انتقال هدفمند ترکیبات زیست‌فعّال در بستر غذا امکان‌پذیر باشد. رهایش کنترل‌شده و آهسته ترکیبات با استفاده از هیدروژل‌های پلیمری و فناوری‌های کپسوله کردن، کاهش برهم‌کنش‌ها در یک سیستم غذایی، بهبود تراکنش و سوسپانسیون و تثبیت تعلیق ترکیبات نامحلول در آب با استفاده از لیپوزوم‌ها، نانوپراکنش و نانوامولسیونها، بهبود فراهمی زیستی و بهبود پایداری از جمله دستاورد‌های کاربردی به‌کارگیری این فناوری و نانومواد در غذا و صنایع غذایی است. دامنه وسیع این کاربردها همچنان رو به افزایش است و انتظار می‌رود این کاربردها در آینده‌ای نزدیک به‌حدی افزایش یابد که به مهمترین منبع برخورد انسان با این ترکیبات تبدیل شود. حمل هدفمند مواد مغذی یا شیمیایی نانوکپسوله شده (nano-encapsulated)، طراحی نانوذرات با خاصیت ضد‌میکروبی و بهره‌گیری از بسته‌بندی مواد غذایی به شکل هوشمند و فعّال از حوزه‌های جدید و کاربردی در غذا و صنایع وابسته خواهد بود.
2- حوزه‌های مختلف کاربرد فناوری نانو در غذا و صنایع غذایی 1-2- ایجاد غذاهایی با هدف کاهش و تثبیت وزن برای درمان بسیاری از بیماری‌ها مانند بیماری دیابت باید از رژیم‌های غذایی خاصی پیروی کرد. برای حل این معضل با استفاده از فناوری نانو چند راهکار پیشنهاد شده است که عبارتند از: · تولید غذاهایی که فرد را سیر کند ولی تأثیری روی وزن نداشته باشد؛· تولید غذاهایی خوش‌طعم که حاوی مواد جایگزین چربی هستند؛· به‌کارگیری نانوذرات برای جلوگیری از جذب و ذخیره‌سازی چربی و کالری به‌وسیله بدن .
2-2- تولید غذاهای غنی‌شده برخی از مواد غذایی ارزش تغذیه‌ای بالایی دارند و برای بدن بسیار مهم و ضروری هستند، امّا به دلایلی مانند ذائقه و عادت غذایی، تمایل زیادی به استفاده از آن‌ها وجود ندارد. یکی از راه‌حل‌های کاربردی برای غلبه بر این مشکل، جدا کردن این ترکیبات مغذی و افزودن آن‌ها به غذاهای دیگر است. برای نیل به این امر نانوفیلتر‌هایی ساخته شده است که مولکول‌ها را بیشتر بر اساس شکل و نه اندازه، غربال می‌کند و این فناوری تفکیک اجزای خاصی از یک فرآورده را امکان‌پذیر می‌سازد. همچنین استفاده از نانو‌فیلتراسیون در صنایع غذایی با هدف تشخیص متابولیت‌های شاخص در کنترل کیفی و تشخیص عوامل بیماری‌زا از دیگر کاربردهای نانو در حوزه صنایع غذایی است [3-2].
3-2- افزودنی‌های غذایی در مقیاس نانو امروزه افزودنی‌های مختلفی بر پایه فناوری نانو ساخته شده‌اند؛ برای مثال یک نوع کاروتنوئید افزودنی در مقیاس
نانو ساخته شده است. همچنین کاروتنوئید صنعتی دیگری به نام لیکوپن به‌عنوان یک افزودنی غذایی تولید شده است. فرمولاسیون افزودنی‌ها در مقیاس نانو جذب آن‌ها را در بدن راحت‌تر کرده و زمان نگهداری آن‌ها را افزایش می‌دهد؛ به‌عنوان نمونه، کانهام (Canham) در تحقیق مهم خود، سیلیکون‌های در مقیاس نانو را برای استفاده در انواع غذا مورد بررسی قرار داد تا پایداری برخی ترکیبات خاص را طی فرایند فرآوری و نگهداری و همچنین طی عبور از مسیر گوارشی بهبود بخشد و در‌عین‌حال مزیت دیگری را که حاصل فرایند تجزیه زیستی است (تولید اورتوسیلیک اسید) و برای سلامت استخوان مفید است، کسب کند. در این راستا شرکت آلمانی آکوانووا از فناوری نانو برای تولید نانومیسل استفاده کرده تا حلالیت مواد زیست‌فعّال را بهبود بخشد و حلالیت چربی/آب مواد مغذی مانند ویتامین‌های A، C، D، E و K، کوآنزیم 10، بتاکاروتن، ایزوفلاوون‌ها، آلفالیپوئیک اسید و اسید‌های چرب امگا را بهبود بخشد . در شکل (1-الف) تصویر یک نانومیسل همراه با بخشهای آب‌دوست و آب‌گریز مربوطه با کاربرد در حوزه غذا نشان داده شده است.
4-2- نانوماتریکس‌ها یکی از حوزه‌های کلیدی فناوری نانو برای فرآوری مواد غذایی ابداع و توسعه نانوساختارهای خاص مواد غذایی (نانوماتریس‌ها) مانند خامه، سس مایونز، کرم‌ها، ماست و بستنی است. یک محصول شناخته‌شده حاصل از این فناوری می‌تواند به شکل محصول نانوماتریس با چربی پایین باشد که در واقع همان شکل کرمی محصول ثانویه با چربی کامل است و بنابراین می‌تواند به‌عنوان یک گزینه مناسب و سالم برای مصرف‌کننده مد نظر قرار گیرد.
5-2- نانوکپسول‌ها برای این که بدن انسان بتواند از انتشار اجزای غذا در ارگان‌های مختلف خود سود ببرد، ماده مغذی باید به محل خاصی از بدن انتقال یابد و در آن محل فعّال شود. کنترل و مهندسی انتشار مواد غذایی در بدن یکی از زمینه‌های تحقیقاتی فناوری نانو است. در خصوص افزودن مواد غذایی مانند ویتامین‌ها و املاح معدنی، ساده‌ترین و کاربردی‌ترین روش اجرایی این کار، فرایند نانوکپسوله کردن است. با استفاده از این تکنیک، بشر موفق به ساخت محفظه‌های کیسه‌ای شکل در ابعاد بسیار کوچک در مقیاس نانو شد که درون آن‌ها فضایی خالی برای مواد غذایی تعبیه شده است. این پوشش را می‌توان طوری طراحی کرد که با تحریک شدن توسط محرک مناسبی حل شده و ماده فعال داخل آن از طریق پوشش انتشار یابد. لایه بیرونی این کپسول طوری طراحی شده است که برای انحلال مواد داخل کپسول در آب یا در روغن مناسب باشند. این کپسول‌ها در برابر اسید معده مقاوم هستند و بسته به ضرورت می‌توانند در دهان یا در معده باز شوند. در واقع فرایند نانوکپسوله کردن این امکان را به وجود آورده است که مواد غذایی مفید برای بدن بدون این که در فرایند ساخت در کارخانه یا هنگام پخت در آشپزخانه یا توسط آنزیم‌های دهان و معده از بین بروند، به‌طور مستقیم وارد جریان خون شده و در نتیجه جذب بهتر و مؤثرتری در بدن داشته باشند. این کار حتّی مانع از دفع بدون جذب ویتامین‌های موجود در مواد غذایی می‌شود. یکی دیگر از کاربردهای نانوکپسوله کردن این است که مواد غذایی مفید ولی با طعم‌های نامطبوع مانند روغن ماهی را می‌توان از طریق این کپسول‌ها بدون احساس مزه ناخوشایند به غذا اضافه کرد. همچنین با استفاده از نانوکپسول از جنس پلیمر خوراکی می‌توان مزه و بوی مولکول‌های غذا را از تخریب تدریجی حفظ کرد و با این روش مدت‌زمان ماندگاری محصول را افزایش داد [6-5]. در شکل (1-ب) تصویر یک نانوکپسول به‌صورت طراحی مولکول در پوشش کپسول و به‌صورت تصویر کلی نشان داده شده است.
6-2- روکش کردن آنزیم‌ها یکی از دغدغه‌های شرکت‌های صنایع غذایی جهان، نگهداری غذا و مصون نگه داشتن آن‌ها از آسیب آنزیم‌ها است. اگر بتوان آنزیم‌ها را به روشی از محیط غذایی دور کرد، فرایند فساد مواد غذایی تا حد زیادی به تأخیر خواهد افتاد. با استفاده از فناوری نانو می‌توان با روکش کردن آنزیم‌ها، آن‌ها را از محیط فعالیت دور کرده و مانع از تأثیر آن‌ها شد. یکی از این روش‌ها، روکش کردن آنزیم توسط یک ساختار پلیمری است. در این روش یک شبکه نانو چند‌‌سازه را با فرایند پلیمریزاسیون در اطراف هر مولکول آنزیم ایجاد می‌کنند تا از تخریب آن جلوگیری شود. این نانوذرات حاوی آنزیم، در دمای حدود 8 درجه سانتی‌گراد تا پنج ماه پایداری دارند. فرایند روکش کردن آنزیم در صنعت غذا یکی از نوآوری‌های مهم برای حفظ کیفیت و بهبود نگهداری مواد غذایی است.
7-2- نانوامولسیونها فناوری امولسیون‌سازی از جمله مواردی است که به‌طور گسترده‌ای در صنعت غذا مورد استفاده قرار گرفته است و بسیاری از غذاها به صورت امولسیون موجود بوده و مورد مصرف قرار می‌گیرند. در مقایسه با امولسیون‌های مرسوم با قطرهایی در ابعاد میکرو (قطر 0/1 تا 100 میکرومتر)، هموژنایزر‌های با فشار بالا تولید قطرهای در محدوده اندازه نانو (با قطر کمتر از 100 نانومتر) را تسهیل کرده‌اند. این نانوامولسیونها به‌طور مشخصی با امولسیون‌های مرسوم تفاوت دارند، که این تفاوت کاربردی از کاهش اندازه و افزایش سطح این
نانوامولسیونها ناشی می‌شود [7]. در شکل (1- ج) تصویر مولکولی یک نانوامولسیون با عامل‌های آب‌دوست و آب‌گریز همراه با تصویر کلی آن نشان داده شده است.
8-2- نانولیف‌ها از دیگر ساختار‌های در مقیاس نانو،
نانولیف‌ها و ساختار‌های تجمعی هستند. نانولیف‌ها، الیافی با قطرهای تقریبی کمتر از 100 نانومتر هستند که می‌توانند به‌عنوان مواد اولیه در صنعت بسته‌بندی، حسگرها و فرایندهای فرآوری مواد غذایی مورد استفاده قرار گیرند. انواع مختلفی از ساختار‌های تجمعی با ترکیبی از نانوساختارهای ذکر شده در بالا قابل تولید است [7].
شکل 1- انواع نانوساختارهای مورد استفاده در غذا و صنایع غذایی (الف) نانومیسل، (ب) نانوکپسول و (ج) نانوامولسیون
9-2- سایرکاربردهای نانومواد در صنعت غذا دو روش که استفاده از فناوری نانو در آن می‌تواند به ایجاد آنتی‌بیوتیک‌های جدید و بهبود عملکرد آنتی‌بیوتیک‌های موجود منجر شود عبارتند از: (1) بهبود فعالیت یک ترکیب با کوچک کردن آن تا حد نانومقیاس و (2) افزایش کارایی ترکیبات ضد‌میکروبی موجود با روش هدف‌گذاری در محصول غذایی. استفاده از فرایند نانوکپسوله کردن آنتی‌بیوتیک‌ها می‌تواند غلظت مؤثر ترکیبات ضد‌میکروبی را در نواحی خاصی از سیستم غذایی که مورد هدف میکروارگانیسم‌ها است، مانند فاز‌های غنی از آب یا سطوح تماس جامد-مایع، افزایش دهد [8-7]. بسیاری از بیماری‌زاها با منشأ غذایی به‌طور مؤثری با استفاده از نانومواد از بین می‌روند؛ برای مثال نانوذرات نقره از دسته نانوموادی هستند که توجه زیادی را برای استفاده در فرایندهای بسته‌بندی مواد غذایی و ظروف نگهداری غذا در صنعت غذا به خود جلب کرده‌اند [8]. از دیگر کاربردهای نانومواد در غذا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: · استفاده از پودرهای نانو که بتواند مواد غذایی را بهتر جذب کنند؛· استفاده از مواد اتمی
سلولز که بتواند مواد یا دارو را با خود حمل کنند؛· استفاده از نانوکپسول برای ایجاد مزه‌های گوناگون در غذا؛· استفاده از اتم‌های سلیکات
آلومینیوم و خاک
رس و همچنین روکش‌های بسیار نازک برای جلوگیری از خراب شدن یا با هدف جذب اکسیژن؛· استفاده از مواد اتمی ضد‌میکروب یا باکتری مثل
ذرات نقره،
منگنز و
روی بر روی غذاها ؛· استفاده از نانو‌حسگرهای الکتروشیمیایی برای ردیابی گاز اتیلین که در صورت خراب شدن غذا به وجود می‌آید؛· استفاده از نانوحسگرهایی که در مدت‌زمان خاص یا حرارت یا رطوبت به‌طور آزاد معدوم می‌شوند .
3- تأثیر نانومواد بر سلامت مسیر احتمالی اصلی ورود ذرات در اندازه میکرو و نانو به بدن از طریق مصرف آب و غذا است. اندازه بسیار کوچک ترکیبات غذایی و افزودنی‌های نانویی ممکن است باعث عبور راحت‌تر این ترکیبات از دیواره سیستم گوارشی شود که اجازه عبور به بسیاری از ترکیبات غذایی با اندازه معمول را از دیواره خود نمی‌دهد. این افزایش جذب و فراهمی زیستی می‌تواند منجر به افزایش مواجهه سیستم داخلی بدن با غلظت پلاسمایی بالاتر شود. قابل ذکر است که هر خطر بالقوّه‌ای که نانومواد غذایی می‌توانند بر سلامت انسان داشته‌باشند به تعدادی از فاکتور‌ها از جمله غلظت نانوذرات مهندسی‌شده در محصول غذایی مورد نظر، تعداد دفعات مصرف محصول غذایی و مهم‌تر از همه به طبیعت فیزیکوشیمیایی، مصرف، انتقال و فراهمی زیستی نانوذرات مهندسی‌شده به‌کار رفته در محصول وابسته خواهد بود. در حال‌حاضر فقدان اطلاعات کافی در ارتباط با رفتار، برهم‌کنش‌ها، تأثیرات سمی نانوذرات مهندسی‌شده در داخل و خارج از مسیر دستگاه گوارشی وجود دارد. این امر محتمل است که اکثر نانوذرات مهندسی‌شده افزوده‌شده به مواد غذایی به دلایلی همچون کلوخه شدن، اتصال با دیگر ترکیبات غذایی و واکنش با اسید معده یا دیگر آنزیم‌های گوارشی در شکل آزاد باقی نخواهند ماند. همچنین قابل ذکر است که بیشتر شواهد کنونی نشان می‌دهد که تأثیرات بعضی از
نانوذرات مهندسی می‌تواند از طریق استنشاق صورت گیرد [13-12].
4- نتیجه‌گیری
نگاه دقیق به توسعه فناوری‌های جدید نشان می‌دهد که فناوری‌های نانو مزایای مفید و گسترده‌ای را در کل زنجیره غذایی ارائه می‌دهند. نمونه‌ای از این مزایا عبارتند از ایجاد مزه‌های جدید، تولید ماتریس‌ها متنوع در ظاهر و ارزش مواد غذایی، کاهش بالقوّه در مقدار چربی، نمک و افزودنی‌های پرمخاطره دیگر، بهبود در فرایندهای جذب و زیست فراهمی مواد مغذی و مکمل‌ها، حفظ کیفیت مناسب و تازگی مواد غذایی و قابلیت ردیابی و ایمنی بیشتر محصولات غذایی از طریق فرایندهای بسته‌بندی نوین. به‌کارگیری فناوری نانو در ترکیبات غذایی برای ایجاد مزه‌های جدید، بهبود ماتریس‌ها، پایداری و همگنی امولسیون‌ها در مقایسه با روش‌های مرسوم فرآوری مواد غذایی بازده بهتری داشته‌است. همچنین از کاربردهای حال حاضر و در دست اقدام در بخشهای سلامت غذا مشخص شده است که این فناوری در حال گسترش جهانی است. در حال حاضر کاربردهای این فناوری در بسته‌بندی مواد غذایی بیشترین سهم را در بازار نانوغذا ایفا می‌کند، که به دنبال آن ترکیبات نانوغذا یا نانوکپسوله شده و افزودنی‌ها در جایگاه بعدی قرار دارند. تعدادی از ترکیبات و افزودنی‌ها به‌طور گسترده‌ای در سطح جهان مورد استفاده قرار گرفته‌اند. همچنین محصولاتی که در آینده نزدیک شاهد ظهور آن‌ها خواهیم بود، کاربردهای آینده فناوری نانو در تولید، فرآوری، نگه‌دارنده‌ها، بهبود رنگ و طعم، لوازم بهداشتی، ایمنی و بسته‌بندی گسترش خواهد یافت؛ با این‌حال این قبیل فناوری‌ها همچنان حتّی در برخی از کشور‌های پیشرفته، جدید و نوپا هستند و مخاطرات و مسائل ایمنی آن‌ها باید مورد توجه قرار گیرد.