رد کردن لینک ها

کاربرد نانو‌کامپوزیت‌ها در صنایع بسته‌بندی

فناوری‌نانو داراي پتانسيل توليد ظروف بسته‌بندی یکبارمصرف یا ظروف بسته‌بندی چندبار مصرف جديد مواد‌غذايی است.  نانوکامپوزيت‌هامی‌توانند استحکام مکانيکی ظروف یکبار‌مصرف را بهبود بخشیده و  از ورود اکسيژن، رطوبت، اشعه ماوراء‌بنفش و مواد ‌فرار به داخل بسته‌بندی مواد غذایی ممانعت کنند. بسته‌بندي مواد ‌غذايي هوشمند و نانوحسگرها، مي‌توانند مصرف‌کنندگان را از وضعيت داخل بسته آگاه كنند. به کمک نانوکامپوزیت‌های آنتی‌‌باکتریال می‌توان ظروف یکبار‌مصرفی با قابلیت نگهداری بیشتر مواد غذایی تولید کرد.

 

به گزارش گروه تحقیق و توسعه طب پلاستیک ؛ به طور كلي هدف بسته‌بندي، محافظت از مواد غذايي در برابر گرما، نور، ميکروب‌ها، حشرات و ساير آلودگي‌ها است. فیلم‌های پلیمــری نفتی به دلیل قابلیت شــکل‌پذیری آســان، قیمت ارزان، ســبکی، مقاومت شــیمیایی بالا، تنوع خواص فیزیکی، قابلیت درزبندی به وسیله حرارت، چاپ‌پذیری خوب، و فرآیند تولید آســان، به‌طور گســترده در صنایع بسته‌بندی 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 بسته‌بندی مواد‌غذایی بوده‌اند. فعالان عرصه صنایع بسته‌بندی و تولید‌کنندگان ظروف یکبار‌مصرف و چند بار مصرف پلاستیکی نیز به دنبال راه‌های پایدارتر و حذف پلاستیک از تولیدات خود هستند. قابلیت‌های نانوکامپوزیت‌ها و همراهی با ظروف زیست‌تخریب‌پذیر توجه تولید‌کنندگان را به خود جلب کرده است، به‌طوری‌که تحقیقات گسترده‌ای در ایران و سایر نقاط جهان برای تولید ظروف یکبار‌مصرف زیست‌تخریب‌پذیر با پایه مواد مختلف گیاهی که به کمک این فناوری می‌توان آنها را جایگزین پلاستیک کرد، در حال انجام است.

امروزه دو مساله عمده در صنعت بسته‌بندي مطرح است، تازه ماندن مواد‌غذایی به مدت طولاني و حل مشکل زباله‌هاي غيرقابل‌تخريب ضايعات بسته‌بندي‌های پلاستیکی که منجر به آلودگي‌هاي زيست‌محيطي گسترده‌ای می‌شوند. اين نيازها محرک توسعه بسته‌بندي‌هاي جديد از نظر بهبود خواص بسته‌بندي (انعطاف‌پذيري و استحکام هنگام حمل‌و‌نقل) شده و منجر به تولید بسته‌بندي‌هاي فعال (کنترل محيط داخل بسته‌بندي) و هوشمند (توانايي رديابي نشانه‌هاي سلامت غذا) و زيست‌تخريب‌پذير مي‌شود.

بسته‌بندي نانو نوعي بسته‌بندي است که در آن با کاهش اندازه ذرات به حدود 100-1 نانومتر مي‌توان به خصوصياتي جديد و متفاوت از ويژگي‌هاي عادي رسيد. مواد نانوکامپوزيتي سبب بهبود خواص مقاومت، قابليت انعطاف، شفافيت و… مي‌شوند. بيشتر مواد‌کامپوزيتي‌پليمري، از مشتقات سوخت فسيلي تهيه مي‌شوند و جايگزين‌هاي زيست‌تخريب‌پذير آن‌ها، ‌پليمرهای‌زيستی هستند که از منابع نشاسته، چوب و ضايعات حاصل می‌گردند.

علی‌رغم تمام مزایایی که این نسل جدید ‏از ترکیبات دارند کاربرد عملی آنها به‌دلیل حساسیت بالا به رطوبت، نفوذپذیری نسبت به بخار آب و خواص مکانیکی ضعیف با محدودیت ‏روبرو شده است. ‏برای‌آنکه از این مواد در تولید ظروف یکبار‌مصرف و چند بار‌مصرف استفاده شود، نیاز به استحکام کافی و استانداردهایی است که باید مورد توجه قرار گیرند.

 مشکلات ذاتي ‌پليمرهای‌زيستی خالص (مقاومت کم) را مي‌توان با افزودن نانوذرات (غالبا نانورس) نانولوله‌ها و نانوفيبرهاي فلزي، اکسيدهاي فلزي و مواد‌کربني ديگر برطرف کرده و آن‌ها را به نانوکامپوزيت‌هايي مقاوم تبديل کرد. به این ترتیب عملکرد بسته‌بندی از یک سیستم محافظ غیرفعال به سیستمی که نقش فعالی در حفظ کیفیت و ثبات مواد غذایی دارد تغییر می‌کند.

امروزه بهبود خواص عملکردی نانو‌کامپوزیت‌‌ها برای توسعه نانو‌کامپوزیت‌‌های پلیمری مورد استفاده در صنایع و حوزه‌های مختلف از جمله صنعت بسته‌بندی مواد‌غذایی، به‌طور قابل‌توجهی مورد بررسی و پیگیری قرار گرفته است. از جمله این موارد: بسته‌بندی محصولات گوشتی فرآوری‌ شده، پنیر، محصولات شیرینی‌پزی، بسته‌بندی غلات، مواد‌غذایی نیمه‌آماده و نیز پوشش‌های اکستروژن مورد استفاده در بسته‌‌بندی آب‌ میوه‌ها و محصولات لبنی می‌باشد.

در حال حاضر تکنولوژی نانوکامپوزیت‌های پلیمر منجر به نوآوری‌های فراوان همراه با کاربردهای مختلف در بخش بسته‌بندی مواد‌غذایی و تولید ظروف یکبار‌مصرف شده است. بهبود خواص و کیفیت‌ بالاتر محصولات، موجب افزایش طول‌ عمر مواد‌غذایی بسته‌‌بندی شده می‌شود. بهبود در خواص بسته‌‌بندی‌ها می‌تواند منجر به ساخت بسته‌‌بندی‌های سبک‌تر شود، چرا که مواد کمتری برای دست‌یابی به خواص بازدارندگی مشابه و یا حتی بهتر، موردنیاز است. از طرفی، این به‌ نوبه‌ خود، میتواند باعث کاهش هزینه‌ی بسته‌ به‌ همراه ضایعات کمتر شود. بهبود و افزایش طول عمر و کاهش هزینه‌‌های بسته‌‌بندی مواد‌غذایی، از جمله دلایل مورد ‌توجه واقع‌ شدن نانو کامپوزیت‌های‌پلیمری در بخش بسته‌بندی می‌باشد. به این ترتیب هزینه‌های تولید ظروف یکبار‌مصرف کاهش و کیفیت آن‌ها افزایش می‌یابد. همچنین، نانو کامپوزیت‌‌های پلیمری با خواص آنتی‌‌باکتریال مخصوصاً در صنعت بسته‌بندی مواد‌غذایی به‌‌منظور کنترل میکروارگانیسم‌‌های بیماری‌زای نامطلوب در موادغذایی بسته‌‌بندی ‌شده دارای کاربردهای گسترده‌ای می‌باشد. که می‌توان هم با افزودن مولکول‌های‌فعال، مانند ترکیبات آنتی‌باکتریال و هم از طریق پوشش‌دهی بر روی مواد بسته‌بندی به این خواص رسید. نانو‌کامپوزیت‌های پلیمری آنتی‌باکتریال دارای کاربردهای مفیدی ازجمله کاهش رشد میکرو‌ارگانیسم‌‌های بیماری‌زا، افزایش طول‌عمر غذا و حفظ کیفیت و ایمنی محصولات می‌باشند.

نانو‌کامپوزیت‌های آنتی‌‌باکتریال دارای دو ویژگی برجسته هستند که عملکرد آن ها را موثرتر کرده است. یکی نسبت سطح به حجم بالا و دیگری واکنش‌‌پذیری سطحی بالاتر. انواع مختلفی از نانومواد و نانو‌کامپوزیت‌های پلیمری با عملکرد آنتی‌باکتریال درحال‌توسعه می‌باشند، که‌ می‌توان به ارگانوکلی‌های اصلاح‌شده با نمک‌های‌آمونیوم چهارتائی، نانو‌فلزات و نانو‌اکسیدهای‌فلزی اشاره کرد. کاربردهای اصلی نانوکامپوزیت‌های آنتی‌باکتریال در حوزه بسته‌بندی مواد‌غذایی بسیار موثر عمل می کند. به عنوان مثال در بسته بندی گوشت، ماهی، مرغ، پنیر، نان، میوه و سبزیجات می توان از آنها استفاده کرد. از طرفی با توجه به حجم بالای تقاضای مواد غذایی و محصولات کشاورزی، به‌کارگیری فناوری نانو در بخش بسته‌بندی اهمیت دوچندانی پیدا کرده است و از این‌رو باید بیش از گذشته به آن پرداخته شود.

بسته‌بندي‌هاي زيست‌تخريب‌پذير بر پايه‌زيستي

بسته‌بندي‌هاي پليمري معمول علاوه بر اينكه از منابع فسيلي توليد مي‌شوند، قابلیت زيست‌تخريب ‌پذيری ندارند. يکی از راههای جلوگيري از مشکل تجمع پلاستيک‌ها در طبيعت، استفاده از پليمرهاي زيست‌تخريب‌پذير از منابع تجديد‌‌پذير مي‌باشد. اما اين مواد معمولاً خواص بازدارندگی و مكانيك ضعيفي دارند كه در صورت جايگزين كردن آنها به ویژه در تولید ظروف یکبار‌مصرف و صنایع بسته‌بندی، بايد بهبود يابند. پليمرهاي قابلتجزيه را مي‌توان بر اساس منابع توليدي به صورت زير طبقه‌بندي نمود:

1)   پليمرهايي که به طور مستقيم از سلول زنده استخراج شده اند. (پلي‌ساکاريدها، پروتئين‌ها، پلي‌نوکلوتيدها)

2)   پليمرهاي توليد شده با مونومرهاي قابل‌تجديد يا مخلوطي از منابع سلولي زنده و نفت‌خام (زيست پلي‌استرها، پلي‌لاكتيك‌اسيدPLA)

3)   پليمرهاي توليد شده با ريزسازواره‌ها مانند سلولز باکتريايي، زانتان، پولان و پلي‌هيدروكسي بوتيرات (PHB)

مخلوط‌شدن زيست‌پليمرها (نظير سلولز با ذرات نانوکلي) نانوکامپوزيت‌هایي توليد مي‌کند که خواص ممانعتي بهتري نسبت به پليمر خالص دارند. همچنين بعد از عمر مفيد مي‌توانند کمپوست شوند و به چرخه مواد برگردند.

 

خاصيت ممانعت‌كنندگي نسبت به عبور گازها

پلاکت‌هاي نانورس (لايه‌ها) به عنوان يک مانع فيزيکي براي عبور گاز عمل مي‌کنند. به طور مثال با جاگذاري ذرات خاک‌رس در بسته‌بندي، سدي در برابر مهاجرت مولکول‌هايي مانند 2O وO2H ایجاد شده و يک لايه از آن، مقاومتي مشابه پلاستيک‌هاي چند لايه عادي ايجاد مي‌کند. اگر يک مولکول بخواهد از سطح محصول و از طريق بسته‌بندي عادي خارج شود بايستي مسير کوتاهي را طي کند ولي با به کارگيري بسته‌بندي نانو مسير نفوذ طولاني‌تر شده و اين امر منجر به افزايش زمان انتقال و در نهايت افزايش زمان ماندگاري محصول مي‌گردد. مواد پليمري مانند پلي‌پروپيلن به مقدار قابل‌توجهي در بسته‌بندي مواد‌غذايي استفاده مي‌شود، در حالی که نفوذپذيري بالاي آن در برابر عبور گازها و برخي مواد از محدوديت­هاي جدي آن است. در اين راستا نانوكامپوزيت‌هاي پلي‌پروپيلن-خاك‌رس (مونت‌موريلونت اصلاح‌شده) با نفوذپذيري پايين به عنوان جايگزيني مناسب براي پلي‌پروپيلن در بسته‌بندي مواد‌غذايي معرفي شده است. لايه‌هاي سيليكاتي خاك‌رس در نانوكامپوزيت موجب كاهش چشمگير نفوذپذيري گازها از ماتريس پليمر در مقايسه با پلي‌پروپيلن خالص شده و افزايش ميزان خاك‌رس در نانوكامپوزيت موجب كاهش در ميزان نفوذپذيري مي‌شود.

نانوذرات رایج در صنایع غذایی
نانوذرات
کاربردهای رایج
تیتانیوم اکسید
عامل ضدمیکربی و محافظ در برابر اشعه UV در بسته‌بندی ، ظروف نگهداری مواد غذایی و افزودنی عذایی
نقره
عامل ضدمیکربی در بسته‌بندی مواد غذایی، ظروف نگهداری ، یخچال‌ها و مکمل‌های غذایی
نانورس
بسته‌بندی مواد غذایی
روی و اکسید روی
افزودنی غذایی / عامل ضدمیکربی در بسته‌بندی مواد غذایی
سیلیسیوم دی اکسید
افزودنی غذایی/ در بسته‎‌بندی مواد غذایی

خواص مکانيکي

تعامل بين پلاکت‌ها و پليمر منجر به افزايش خاصیت کشسانی و استحکام کشش مي‌شود. علاوه برآن مقاومت به حرارت را افزايش مي‌دهد. اين خواص نه تنها به درجه لايه برداري و غلظت نانوکلي بستگي دارد بلکه به اجزاي شيميايي پليمر نيز بستگي دارد. اين نانوکامپوزيت‌ها مي‌توانند به عنوان پوشش‌هاي سوپرهيدروفوبيکي قرار بگيرند که مي‌توانند ميزان چسبندگي ماده‌غذايي به بسته‌بندي را به حداقل ممکن برسانند. برای تولید ظروف یکبار‌مصرف، نشاسته مي‌تواند در بسته‌بندي ميوه‌ها، سبزيجات، اسنک و يا محصولات خشک به کار رود. در طي اين فرايند نشاسته ترموپلاستيک‌(TPS) توليد مي‌شود، اما هنوز خواص مکانيکي و انتقال اکسيژن و رطوبت مناسبي ندارد. بنابراين از پرکننده‌هاي مناسبي مانند خاک‌رس استفاده مي‌شود. تحقيقات نشان مي‌دهد که افزودن درصد کمي ‌از آن باعث بهبود خواص مکانيکي و قدرت کششي TPS مي‌شود.

 

نتيجه گيري

به طور كلي با توجه به مفهوم نانو و کاربرد آن در صنايع غذايي و در صنعت بسته‌بندي مي‌توان اين نوع بسته‌بندي را با بهبود خواص ممانعت‌كنندگي نسبت به رطوبت، گازها و مواد فرار و همچنين بهبودخواص مکانيکي جايگزين مناسبي براي بسته‌بندي‌هاي امروزي دانست و با استفاده از آن بسياري از نيازهاي نگهداري ميوه، سبزي و نوشيدني و ديگر غذاها برطرف خواهد شد. البته تاکنون اين نوع بسته‌بندي بيشتر در نوشيدني‌ها استفاده شده است و عليرغم مزاياي بسيار آن هنوز هيچ کشوري توليد عمده آن را به دليل هزينه بالا و نگراني‌هاي زيست‌محيطي تصويب نکرده است. استفاده از مواد بسته‌بندي نانوکامپوزيت‌هاي حاوي نانوذراتي مانند نقره و اکسيد‌روي يک رويکرد جديد براي حفظ و گسترش عمر مفيد مواد‌غذايي مي‌باشد. فناوري نانو فرصت‌هاي جديدی براي نوآوري در بسته‌بندي مواد غذايي معرفي مي‌كند، اما عدم اطمينان و نگراني‌ها از نظر بهداشت نيز وجود دارد. با این حال، به نظر می‌رسد که مواد بسته‌بندی نانوکامپوزیت دارای مزایای زیادی هستند و آینده روشنی برای طیف گسترده ای از کاربردها در صنایع غذایی و تولید ظروف یکبار‌مصرف پیش‌بینی می‌شود.

منبع:
 The Italian Association of Chemical Engineering Online at www.cetjournal.it