نانو

آموزشکده  کشاورزی
شهید رجایی نیشابور

عنوان:

نقش فناوری نانو در صنایع غذایی

استاد ارجمند :
جناب آقای انصاریان

گردآورندگان:
بهزاد محمدی – بهزاد حبیبی

پائیز ۱۳۸۶

فهرست عناوین

نانو تکنولوژی،  فناوری نوین 3 
تعریف نانو تکنولوژی  3 
تاریخچه نانو در جهان  5
اصول پایه نانو تکنولوژی 6 
اساس ارتباط نانو تکنولوژی و علم و تکنولوژی غذا 7
ارتباط نانو تکنولوژی با مهندسی کشاورزی و سیستم های غذایی  9
عناصر پایه در فناوری نانو  13
نانو بیو مواد،  نانو مواد و کاربردهای آنها  14
نانولوله ها 16
نانو کامپوزیت ها 17
نانو کپسول  18
نانو تکنولوژی برای توزیع تحت کنترل و سیستم کپسولی 18
مزایای متعدد سیستم کپسولی  20
نانوسنسورها 21
برخی از کاربردهای نانو سنسورهای بیو آنالیتیکال 22
پتانسیل نانو سنسورها و تحقیقات در صنعت کشاورزی و غذا  25
نانوفیلترها و کاربرد آنها در بیوتکنولوژی  26
ماشین های نانو تکنولوژی 28
میکرو سیال  29
نانو بیو پروسس 29
نانو سنسور های بیو آنالیزی  30 
سطوح بیو سلکتیو  20
بسته بندی نانو Nano packaging 30
کاربرد های نانو در صنعت بسته بندی  31
غذاهای نانو Nano Food 32
نتیجه گیری 34
واژه نامه 35
منابع  37

 
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 ( ۲۰۰ )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 ۲۰۰۱، ۴۰۰ میلیون دلار و در سال۲۰۰۴، ۹۶۰ میلیون دلار هزینه کرده است و آمریکا برای این امر در سالهای ۲۰۰۵-۲۰۰۸ حدود ۷/۳ 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 ۱۹۵۹ 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 ۱۹۹۱ 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 ۱تا ۱۰۰ نانو متر می گویند .طول موج نور مرئی بین ۴۰۰-۷۰۰ نانومتر و سلول زنده اندازه ای معادل یک میکرون (۱۰۰۰ نانومتر ) دارد.

جدول (۱)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 ۱۰۴ 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 .