ادامه نانو

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 ۱۹۹۱ 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 ۳
 کالکیت ها   Cochleat، رسوبات ۲ 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 ۳-۵%  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 ۰۱/۰تا ۵/۰ 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 ۵/۰% 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:
۱)سیستم تشخیص گسترش پاتوژن، مواد مغذی، آلوده کننده
۲)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.