در طول چند سال اخیر “بایونانوکامپوزیت” تبدیل به یک اصطلاح رایج برای تعیین نانوکامپوزیت­ها که شامل پلیمرهای طبیعی در ترکیب با مواد معدنی هستند و نشان دهنده حداقل یک بعد در مقیاس نانومتر است ( سالمیدی و لاکروکس^[۵۳]، ۲۰۰۶؛ دمورا^[۵۴] و همکاران، ۲۰۱۲). که ویژگی­های آن­ها در مقایسه با نانوکامپوزیت­های مشتق شده از پلیمرهای سنتزی بسیار مطلوب تر است ( اوتارا^[۵۵] و همکاران، ۲۰۰۰). علاوه بر این بایونانوکامپوزیت ها مزیت قابل توجه ای از زیست سازگاری، زیست تخریب پذیری و بهبود ویژگی­های عملکردی به وسیله ارائه بایولوژی یا بخش معدنی نشان دادند. موجودات زنده تولید کننده نانوکامپوزیت­های طبیعی هستند که آرایش ترکیبی از ترکیبات آلی و معدنی در مقیاس نانو نشان می­دهد ( فیگویرو^[۵۶] و همکاران، ۲۰۰۴).

در واقع بایو نانو کامپوزیت­ها نسل جدیدی از نانوکامپوزیت­ها هستند که شامل ترکیبی از بیوپلیمرها و مواد معدنی هستند که حداقل یکی از ابعاد آن­ها در مقیاس نانومتری باشد ( لیو^[۵۷] و همکاران، ۲۰۰۴). علاوه بر این، مواد بیوپلیمر به عنوان یک فن آوری سبز شناخته شده ( میر^[۵۸] و همکاران، ۱۹۵۹). و در صنایع دارویی، بسته بندی مواد غذایی و تکنولوژی­های کشاورزی قابلیت تجزیه بیولوژیک و زیست سازگاری از خود نشان داده اند ( رایس^[۵۹]، ۱۹۹۴).

۲-۳-۵- فلز تیتانیوم

بسیاری از مهندسین و طراحان هنوز تیتانیوم را فلزی گران و ناشناخته قلمداد می­ کنند اما پیشرفت های اخیری که در زمینه تولید این فلز صورت گرفته است نشان می دهد که تیتانیوم ماده ای بسیار فوق العاده برای استفاده های مهندسی است. تیتانیوم با عدد اتمی ۲۲ و نماد Ti از عناصر گروه فلزات واسطه می­باشد. نقطه ذوب ۱۶۶۸درجه سانتیگراد، نقطه جوش ۳۲۸۷ درجه سانتیگراد و وزن اتمی ۸۸/۴۷ دارد. یکی از ویژگی های مهم تیتانیوم چگالی پایین آن ۵۰۶/۴ گرم بر سانتیمتر مکعب می باشد. این ویژگی همراه با استحکام و مقاومت بالا در برابر خراشیدگی تیتانیوم را به فلزی ایده آل تبدیل کرده است. تیتانیوم عمدتاً در صنایع هوا فضا و همینطور در کارخانه ها و تجهیزات صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد. این فلز همچنین در ساخت عینک ها، مهندسی کنترل و فناوری پزشکی خصوصاً مواردی که حد تحمل بیولوژیک از اهمیت زیادی برخوردار است مورد استفاده قرار می گیرد. تیانیوم ماده ای غیر سمی حتی در مقادیر بالا می باشد. همچنین این ماده هیچ نقشی در سیستم طبیعی بدن انسان ایفا نمی کند. بطور تخمینی روزانه ۸ میلی گرم تیتانیوم وارد بدن انسان می شود. اگر چه تقریباً بدون جذب شدن از بدن دفع می­گردد ( بهاور و همکاران، ۱۳۹۲).

۲-۳-۵-۱- نانو دی اکسید تیتانیوم

دی اکسید تیتانیوم در اندازه نانومتری یک فوتو کاتالیست ایده آل است که مهم ترین دلیل وجود این خاصیت در این ماده قابلیت جذب اشعه فرابنفش است. فوتون های فرابنفش بسیار پرانرژی هستند و در بیشتر موارد می توانند به سادگی باعث تخریب اجسام گردند. دی اکسید تیتانیوم با جذب اشعه فرابنفش و به واسطه خاصیت فوتوکاتالیستی خود می تواند پوششی ضد باکتری روی سطوح ایجاد کند و هم چنین مانع از عبور اشعه گردد. وجود همین خواص ویژه، نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم را تبدیل به گزینه ای مناسب برای استفاده در کرم های ضدآفتاب نموده است. حذف بوی نامطبوع و تجزیه سموم آلی و معدنی و میکروارگانیسم های مضر و بیماری زای موجود در آب و فاضلاب کاربرد عمده دیگر این ماده است. نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم خاصیت آب دوستی بالایی دارند ( بهاور و همکاران، ۱۳۹۲).

۲-۳-۶- فیلم­های خوراکی

امروزه آلودگی­های ناشی از پلیمرهای سنتزی، توجه همگان را به استفاده از مواد زیست تخریب پذیر معطوف کرده است و در طی دو دهه اخیر مطالعه بر روی مواد زیست تخریب پذیر حاصل از پروتئین ها و کربوهیدارت ها گسترش وسیعی یافته است. این ماکرومولکول ها به طور بالقوه می­توانند جایگزینی مناسب برای پلیمرهای سنتزی حاصل از مشتقات نفتی به شمار روند. بسته بندی های زیست تخریب پذیر که قابلیت خوراکی بودن و مصرف به همراه ماده غذایی را دارند به دو دسته فیلم­ها و پوشش های خوراکی تقسیم می­شوند. فیلم­های خوراکی قبل از کاربرد در بسته بندی ماده غذایی به صورت لایه ای نازک تولید می­شوند و بعد همانند پلیمرهای سنتزی برای بسته بندی به کار می­روند. فیلم پوششی یکنواخت و یکپارچه با ضخامت کمتر از ۰۱/۰ اینچ است. فیلم ها می توانند به شکل لفاف، کپسول و کیسه تولید شوند که این محصولات با ضخامت مشخصی قالب گیری می­شوند. پوشش ­های خوراکی بر خلاف فیلم­ها بر روی ماده غذایی تشکیل می­شوند. بنابراین پوشش به عنوان بخشی از محصول بوده و موقع استفاده روی محصول باقی می­ماند. این کار توسط روش هایی نظیر واکس زدن، اسپری کردن و غوطه ور کردن صورت می گیرد. فیلم ها و پوشش های خوراکی در مقایسه با پلیمرهای سنتی دارای مزایای منحصر به فردی می­باشند. زیست تخریب پذیری، بازدارندگی خوب از تبادل گازهای تنفسی CO₂ و O₂ و در نتیجه کنترل تنفس میوه­ ها و سبزی­ها، بازندارندگی از انتقال و تبادل ترکیبات بودار و طعم دار و همچنین حفاظت محصول در مقابل صدمات مکانیکی از جمله مهم­ترین مزایای فیلم ها و پوشش های خوراکی می باشند. زمان ماندگاری مواد غذایی از طریق برهمکنش های متعدد آن­ها با محیط اطراف کنترل شده و با بهره گرفتن از فیلم های محافظ افزایش می­یابد. فیلم­های خورکی می­توانند با ایفای نقش با عنوان غشاهای انتخابی در برابر انتقال رطوبت، انتقال اکسیژن، اکسیداسیون لیپیدها و از دست رفتن ترکیبات فرار مؤثر در بو و طعم زمان ماندگاری و کیفیت ماده غذایی بهبود بخشند. یکی دیگر از مزایای فیلم­ها این است که می توانند به عنوان حامل برای افزودنی­ها و ترکیبات مختلف مانند مواد ضد میکروبی، آنتی اکسیدان­ها و غیره عمل کنند که در این حالت به آن­ها بسته بندی فعال گفته می شود ( کوآنگ یئون لی^[۶۰] و همکاران، ۲۰۰۴).
کاربرد فیلم­های خوراکی در محصولات غذایی به سال های بسیار دور بر می­گردد. چینی ها در قرن دوازدهم و سیزدهم میلادی مرکبات را با موم پوشش می­دادند تا از افت وزن و کاهش رطوبت آن­ها جلوگیری شود. در قرن شانزدهم میلادی گوشت را با چربی پوشش می­دادند تا از چروکیدگی آن جلوگیری شود. در همان زمان برای نگهداری گوشت گوشت و سایر مواد غذایی آن­ها را با فیلم های ژلاتین پوشش می­دادند. یوبانوعی فیلم ترکیبی از چربی و پروتئین خوراکی است که از قرن پانزدهم در شرق آسیا به طور سنتی از شیر سویا تهیه می­شده است. در قرن نوزدهم فندق و بادام را با ساکاروز پوشش می­دادند تا از اکسید شدن و تندی آن­ها جلوگیری شود. از دهه ۱۹۳۰ تا کنون صطح میوه ها را با موم ها و امولسیون روغن در آب پوشش می­ دهند. طی ۴۰ سال گذشته تحقیقات متعدی در زمینه تهیه، کاربرد و ویژگی­های فیلم­ها و پوشش ­های خوراکی انجام شده است. یکی از روش­های تولید فیلم­های تجزیه پذیر استفاده از بایو پلیمرهایی بر پایه نشاسته، پروتئین و سلولز است. در این میان موارد استفاده از پروتئین بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. این فیلم ها علاوه بر بهبود ارزش تغذیه ای ماده غذایی ویژگی های مکانیکی و تراوایی بهتری نسبت به فیلم­های تهیه شده از کربوهیدارت ها و چربی ها دارند. تاکنون پروتئین های فراوانی از جمله ژلاتین، کازئین، پرونتئین آب پنیر، زئین ذرت، گلوتن گندم و ایزوله پروتئین سویا برای این منظور بررسی شده اند. فیلم های پروتئینی به خوبی به سطوح هیدروفیل متصل می شوند و مانع خوب اکسیژن و دی اکسید کربن می­باشند اما به نفوذ آب مقاوم نمی­باشند ( کوآنگ یئون لی^[۶۱] و همکاران، ۲۰۰۴). فیلم­های حاصل از نانو مواد و بیوپلیمر ها یا به اصطلاح نانو کامپوزیت های بیوپلیمری خواص کاربردی مطلوب تری نشان می­ دهند که مهم ترین آن­ها افزایش مقاومت مکانیکی و کاهش نفوذ پذیری به بخار آب، افزایش بازدارندگی در برابر نفوذ گازها، افزایش کارائی فیلم به عنوان بسته بندی فعال، افزایش مقاومت گرمایی ماده بسته بندی و بهبود خواص ظاهری فیلم از دیگر مزایای نانوکامپوزیت های بیوپلیمری می باشد ( کستر و فنما^[۶۲]، ۱۹۹۸).

۲-۳-۷- پلاستی سایزرها^[۶۳]

فیلم­ها و پوشش های خوراکی نیاز به کشش خوب وانعطاف پذیری، شکنندگی پائین، برای جلوگیری از ترک خوردن ­­در طول ­حمل ­و ­نقل و ذخیره سازی هستند. بنابراین پلاستسسایزرها با وزن مولکولی پائین برای بهبود انعطاف­پذیری فیلم­های خوراکی به فیلم ها افزوده می­ شود. افزودن نرم کننده­ها به ترکیبات اصلی سازنده فیلم ها و یا پراکنده شدن بین زنجیره های پلیمر، موجب جدا شدن زنجیرهای پلیمر، کاهش سفتی ساختمان و افزایش انعطاف پذیری فیلم می­ شود. بعلاوه پلاستیسایزرهای موجب کاهش شکنندگی، کاهش پیوندهای هیدروژنی بین زنجیره های پلیمر و افزایش فضاهای بین مولکولی آن­ها می­ شود. معمولاً بیشترین پلاستیسایزرهای استفاده شده پروپیلن گلایکول، گلیسرول، سوربیتول، الیگوساکارید (سوکروز) و آب هستند. اضافه کردن پلاستیسایزرهای ممکن است ممکن است سبب تغییرات قابل توجهی در خواص ممانعتی فیلم ها به عنوان مثال افزایش نفوذپذیری فیلم به گازها (یا ترکیبات آروما)، کاهش توانایی فیلم در جذب آب و یا کاهش استحکام کششی شود ( بارتو^[۶۴] و همکاران، ۲۰۰۳).
تالجا^[۶۵] و همکاران (۲۰۰۷)، اعلام کرده اند که گلیسرول به منظور نرم کنندگی به فرمولاسیون فیلم افزوده می شود. پلاستیسایزرها تحرک زنجیره های پلیمر را با پرکردن فضاهای خالی بین شبکه پلیمر، افزایش می دهند و نیروهای پیوندی درون مولکولی کاهش یافته، شکنندگی کم، آبدوستیو قابلیت انتقال گاز و بخار آب زیاد می شود.
بنابه گزارش ( گیلبرت^[۶۶] و همکاران، ۱۹۹۶)، افزودن پلاستیسایزر با کاهش پیوندهای درون مولکولی بین زنجیره های پلیمر، خواص فیلم را اصلاح کره و WVP را افزایش می­دهد. علیرغم این یافته فیلم های دارای فروکتوز و سوربیتولWVP کمتری را نسبت به فیلم­های بدون پلاستیسایزر نشان دادند. از آنجائیکه فیلم های بدون پلاستیسایزر بسیار شکننده اند، این امکان وجود دارد که منافذ بسیار ریزی داشته باشند که سرعت انتقال بخار آب را افزایش دهند.

۲-۳-۸- بسته بندی فعال

تکنولوژی جدید در بسته بندی مواد غذایی در پاسخ به نیازهای مشتریان یا در راستای تولید صنعتی محصولات غذایی محافظت شده با روش های ملایم تر، تازه، لذیذ و راحت با عمر انباری زیاد و کیفیت کنترل شده توسعه می یابند. علاوه بر این تغییرات در نحوه توزیع(مثل جهانی سازی بازاردر نتیجه توزیع غذا در مسافت های طولانی) یا روش زندگی مصرف کنندگان ( بدلیل صرف زمان کمتر برای خرید غذای تازه از بازارو پخت و پز) مهمترین چالش ها در زمینه صنعت بسته بندی می باشد و به عنوان نیروی پیش برنده در جهت توسعه مفاهیم جدید بسته بندی و بهبود یافته می باشند که میزان مدت زمان نگهداری را افزایش داده در حالیکه موجب حفظ ایمنی و کیفیت مواد غذایی شده و آن را تحت نظارت دارد. در بسته بندی فعال به بسته بندی اجازه داده می شود تا با غذا و محیط اطرافش واکنش متقابل داشته باشد و نقش دینامیکی در نگهداری ماده غذایی بازی نماید.
بسته بندی فعال به صورت زیر تعریف می شود:
“در بسته بندی فعال شرایط حاکم بر غذای بسته بندی شده را به نحوی تغییر می دهد تا مدت زمان نگهداری آن را افزایش داده و ایمنی و خصوصیات حسی غذا را بهبود بخشیده در حالیکه کیفیت غذای بسته بندی شده را حفظ می نماید"یا” بسته بندی فعال به عنوان زیر مجموعه ای از بسته بندی هوشمند طبقه بندی می شود و به شرکت افزودنی های خاص در فیلم های بسته بندی یا در داخل بسته با فرض نگهداری و افزایش عمر انبار مانی اطلاق می­ شود".
بسته بندی فعال می تواند نقش های متعددی را داشته باشد که در بسته بندی های رایج وجود ندارد. این نقش ها عبارتنداز: فالیت ضدمیکروبی، گرفتن اکسیژن، رطوبت و اتیلن (ویژگی اسکاونجری)، رهاکردن مواد طعمی و یا اتانول ( بهاور و همکاران، ۱۳۹۲).

۲-۳-۹- بسته بندی نانو

یکی از کاربردهای تجاری نانوتکنولوژی در بخش غذایی بسته بندی است. پیشگوئی شده است که در ۲۵% بسته بندی های غذایی در دهه آینده از نانوتکنولوژی استفاده می­ شود. هدف اصلی در بسته بندی نانو افزایش عمر ماندگاری به وسیله بهبود عملکرد مانع در کاهش گاز، تبادل رطوبت و پرتو نور UV است. بالغ بر ۹۰ درصد بسته بندی نانو بر اساس نانو کامپوزیت است که بهبود دهنده عوامل حامل در لفاف های پلاستیکی برای مواد غذایی و بطری های پلاستیکی برای نوشیدنی های غیر الکلی و آبمیوه است.
بسته بندی نانو می تواند خصوصیات ضدمیکروبی، آنتی اکسیدانی و گسترش مدت ماندگاری و غیره داشته باشد.
به طور کلی کاربردهای فناوری نانو در بسته بندی و حفاظت از محصولات را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
- نانوکامپوزیت های مغناطیسی مورد استفاده در حسگرهای برچسبی.
- نانوکامپوزیت های پلیمری کلی(خاک رس) برای بهبود ویژگی های عایقی.
- پلاستیک های جدید برای استفاده در بطری ها با خواص عایق در برابراشعه UVو نفوذ گازها.
- برچسب های RFID .
- نفوذ ذرات پرکننده پلیمرها.
- نانو بارکدها و برچسب ها جهت بسته بندی و محافظت مقادیر کم.
- ارتقای دوام و قابلیت استفاده و بسته بندی پلاستیک ها.
- روکش های با نانو کامپوزیت های پلیمری و نانو الیافی.
- نانومواد افزودنی برای بهبود عملکرد (استحکام، مقاوم به آب، جذب، رسانایی و …).
- کاغذ و یا پلاستیک های با قابلیت حسگرها.
- نانوکدهای ساخته شده از مواد کاغذی و یا پلاستیک­ها برای شناسایی و تأیید اهداف بسته بندی هوشمند (سورنتینو^[۶۷] و همکاران، ۲۰۰۷).

۲-۳-۱۰- بسته بندی ضد میکروبی

سیستم بسته­بندی است که قادر به بازداری از فساد و جلوگیری از رشد میکرو ارگانیسم­های بیماری­زایی^[۶۸] که آلوده­کننده مواد غذایی هستند، می­باشد. می­توان از طریق افزودن مواد ضد­میکروبی در سیستم بسته­بندی و یا به کارگیری پلیمرهای ضد­میکروبی که نیازمندی­های بسته­بندی مورد رضایت مصرف کننده را تامین کند، به عملکرد ضد­میکروبی جدیدی دست یافت. هنگامی­که سیستم بسته­بندی فعالیت ضد­میکروبی را القا می­ کند، سیستم بسته­بندی یا مواد بسته بندی بوسیله افزایش دوره تاخیری^[۶۹] و کاهش سرعت رشد و یا کاهش تعداد میکرو ارگانیسم­های زنده، رشد میکروبی را محدود می­ کند و یا از رشد میکروبی جلوگیری می­ کند (مرتضوی و همکاران، ۱۳۷۹).

۲-۳-۱۰-۱- انواع بسته بندی های ضد میکروبی

بسته­ بندی­های ضد­ میکروبی را می­توان به انواع زیر طبقه ­بندی کرد :
قرار دادن کیسه­های کوچک (ساچت)^[۷۰] حاوی مواد ضد­میکروبی فرار در داخل بسته­بندی
وارد کردن مستقیم مواد ضد­ میکروبی و غیر فرّار در داخل پلیمر بسته­بندی
پوشش­دادن یا جذب سطحی ماده ضد­میکروبی بر روی سطح پلیمر بسته­بندی
بی تحرک­کردن مواد ضد ­میکروبی بر روی پلیمر توسط پیوندهای­ کووالانسی
استفاده از پلیمرهایی که به صورت ذاتی ویژگی ضد­میکروبی دارند ( فاطمی، ۱۳۸۸).

۲-۳-۱۰-۲- مزایای استفاده از بسته بندی های ضد میکروبی

در بسته­بندی­های ضد میکروبی انتشار مواد ضد میکروبی از ماتریکس پلیمر به سطح ماده غذایی به صورت آهسته و در زمان طولانی انجام می­گیرد و در نتیجه برای مدت طولانی غلظت زیادی از ماده ضد­میکروب در سطح فرآورده وجود خواهد داشت. مواد ضد­میکروبی از طریق کاهش سرعت رشد و طولانی کردن فاز تاخیری میکروارگانیسم­ها و یا غیر فعال ­کردن و نابودی میکروب­ها باعث افزایش ماندگاری فرآورده غذایی می­ شود( فاطمی، ۱۳۸۸).

۲-۳-۱۰-۳- معایب استفاده از بسته بندی های ضد میکروبی