مزارع هوشمند با فناوري نانو

با استفاده از نانو حسگرها مي توان دريافت که هر قسمت از مزرعه به چه ميزان عناصر غذايي و سم نياز دارد
فناوري نانو از جمله مباحث علمي جديدي است که انتظار مي رود در آينده نقش به سزايي در فناوري هاي توليد و طراحي داشته باشد. با توجه به سهم انکارناپذير ارزش افزوده ايجاد شده توسط محصولات فن محور در توسعه اقتصادي کشورها و نيز درصد بالاي نرخ بيکاري افراد تحصيل کرده در ايران، به نظر مي رسد اين فناوري راه حل مناسبي براي شتاب بخشيدن به توسعه اقتصادي کشور و نيز اشتغال در جامعه باشد. فناوري نانو در بخش هاي مختلف کشاورزي نظير زراعت، اصلاح نباتات و توليد سم ها و کودها و نيز صنايع غذايي نقش به سزايي دارد.

فناوري نانو در کشاورزي
 

ورود نسل اول فناوري ها به عرصه کشاورزي، در چند دهه گذشته منجر به وقوع انقلاب سبز و گذر از کشاورزي سنتي به کشاورزي صنعتي شد. در اين دوره افزايش چشمگيري در کيفيت و کميت محصولات کشاورزي صورت گرفت، ولي استفاده بي رويه از منابع، مشکلاتي را نيز در پي داشت. گذشت سال ها از وقوع انقلاب سبز و کاهش مجددِ نسبت رشد توليدات کشاورزي به جمعيت جهان، لزوم به کارگيري فناوري هاي جديد در صنعت کشاورزي را بيش از هر زمان ديگري ضروري ساخته است. فناوري نانو کاربردهاي وسيعي در همه مراحل توليد، فراوري، نگهداري، بسته بندي و انتقال توليدات کشاورزي دارد. ورود فناوري نانو به صنعت کشاورزي و صنايع غذايي متضمن افزايش ميزان توليدات و کيفيت آنها، و حفظ محيط زيست و منابع کره زمين است.

فناوري نانو در زراعت
 

نانو مي تواند در بخش هاي مختلف زراعت نظير موارد زير کاربرد داشته باشد:
1- با استفاده از نانو حسگرها مي توان دريافت که هر قسمت از مزرعه به چه ميزان عناصر غذايي و سم نياز دارد و بدين وسيله از آلودگي محيط زيست جلوگيري کرد و سلامت محصولات را افزايش داده در نتيجه بازده اقتصادي نيز افزايش مي يابد.
2- نانوحسگرها مي توانند با کنترل دقيق و گزارش دهي به موقع نيازهاي گياهان به مرکز پردازش اطلاعات سيستم در نگهداري محصولات ياري رساند.
3- ايجاد گلخانه هاي کم هزينه تر با هدف صرفه جويي در مصرف انرژي و دوام بيشتر در برابر رطوبت.

کاربرد نانو در اصلاح نباتات
 

1- انتقال ژن هاي مورد نظر به سلول هاي گياهي با استفاده از نانو مواد. (در اين روش از سامانه رسانش نانو ذرات طلاي پوشيده با آران اي يا دي ان اي داخل سلول استفاده مي شود.)
2- ساخت ابزارهاي جديد براي زيست شناسي سلولي و مولکولي. اين ابزارها جهت تعين مولکول هاي خاص، شناسايي و جداسازي آنها استفاده مي شوند و کاربري بسياري دارند که مي توان به اين موارد اشاره کرد: فناوري و علم توليد مثل، اصلاح نژاد حيوانات و گياهان، تبديل ضايعات به انرژي و محصولات جانبي مفيد و فناوري کودسازي.
3- اصلاح بذرها به شيوه اتمي.

کاربردهاي نانو در توليد سموم و کودهاي مؤثر و کم خطر
 

1- توليد سموم و کودهاي شيميايي با استفاده از نانو ذرات و نانو کپسول ها. اين نسل از سموم و کودها قابليت رهايش کنترل شده يا تأخيري، جذب و تأثيرگذاري بيشتر و سازگاري با محيط زيست را دارند.
2- توليد بلورهاي نانويي جهت افزايش کارايي استفاده از آفت کش ها. استفاده از بلورهاي نانويي امکان کاربرد آفت کش ها با مقادير کمتر
را فراهم مي آورد و ورود اين ترکيبات خطرناک به طبيعت را به حداقل مي رساند.
3- توليد نانوکودها. اين ترکيبات نانويي به سرعت و به صورت کامل جذب گياه شده و به خوبي نيازها و کمبودهاي غذايي آن را مرتفع مي کند.

ارتباط نانو با غذا
 

يکي از مهم ترين بخش هاي صنعتي تمام کشورها صنايع غذايي است. با کمبود منابع غذايي و افزايش جمعيت، توسعه اين بخش از صنعت ضروري به نظر مي رسد. کشور ما از جمله وارد کنندگان محصولات کشاورزي و اگر امروز به فکر توليد و فرآوري غذا نباشيم، واردات اين محصولات در آينده افزايش خواهد يافت.
تفاوت اصلي فناوري نانو با ساير فناوري ها در مقياس مواد و ساختارهايي است که در اين فناوري استفاده مي شود. عناصر پايه در حقيقت همان عناصر در مقايس نانو هستند که خواص آنها در مقياس نانو با خواصشان در مقياس بزرگ تر فرق مي کند. عناصر پايه عبارتند از: نانو ذرات، نانو کپسول، نانو لوله هاي کربني، نانو کامپوزيت و...

نانو ذرات
 

اولين و مهم ترين عناصر پايه، نانو ذرات ها و متداول ترين آنها نانو ذرات نيمه رسانا، نانو ذرات سراميکي و نانو ذرات فلزي هستند. نانو ذرات در اندازه پايين را نانو خوشه مي گويند. که در بسته بندي مواد غذايي، ظروف نگهداري مواد غذايي، از بين بردن زير ساختارهاي زنده و توليد روغن هايي که سريع تر داغ مي شوند، کاربرد دارند.

نانو کپسول
 

به هر نانو ذره اي که يک پوسته و يک فضاي خالي در آن باشد نانو کپسول گفته مي شود. نانو کپسول در طبيعت نيز توليد مي شوند و به دو دسته پليمري و نانو امولسيون ها تقسيم مي شوند. فرايند نانو کپسوله کردن به اين معني است که اين امکان وجود دارد که مواد غذايي مفيد براي بدن، بدون اين که در فرايند ساخت در کارخانه و يا هنگام پخت و پز در آشپزخانه و يا توسط آنزيم هاي دهان و معده از بين بروند، به طور مستقيم وارد جريان خون شده و جذب بدن مي شود. اين کار حتي مانع از دفع بدون جذب ويتامين هاي مواد غذايي مي شود. يکي مزاياي نانو کپسوله کردن اين است که مواد غذايي مفيد ولي با طعم هاي نامطبوع مانند روغن ماهي را مي توان از طريق اين کپسول ها بدون احساس مزه ناخوشايند به غذا اضافه کرد. از جمله کاربردهاي آن عبارتند از: ساختن مواد غذايي کاربردي و تعاملي، رساندن مواد مغذي به بدن، ارسال ترکيب هاي چربي گياهي براي جايگزيني چربي گوشت قرمز در غذا.

نانو لوله هاي کربني
 

از صفحات کربن به ضخامت يک اتم و به شکل استوانه تو خالي ساخته شده اند، از فولاد سخت تر و از آلومينيوم سبک تر هستند و ضريب هدايت بيشتري نسبت به مس دارند نانو لوله هاي کربني به دو دسته تک جداره و چند جداره تقسيم مي شوند. مهم ترين کاربرد آنها، توليد نانو حسگرهايي است که در صنايع غذايي به کار مي روند و تشخيص فساد مواد غذايي، تشخيص ميکروب هاي مضر، تشخيص مواد شيميايي مضر و سم ها در مواد غذايي را ممکن مي سازد. همچنين با استفاده از آنها مي توان، حسگرهاي بويايي و چشايي الکترونيکي توليد کرد.

نانو کامپوزيت ها
 

استفاده از نانو کامپوزيت هاي زيستي براي بسته بندي غذا نه تنها غذا را حفظ مي کند و طول عمر آن را افزايش مي دهد، بلکه در حفظ محيط زيست مفيد است. اکثر مواد بسته بندي معمولي از مواد پلاستيکي غير قابل بازيافتي هستند که آلودگي محيط زيست را افزايش مي دهد. براي توليد اين پلاستيک ها از سوخت هاي فسيلي استفاده مي شود. از نانو کامپوزيت هاي خاک رس نيز مي توان براي توليد مواد اوليه بطري هاي نوشابه استفاده کرد. مهم ترين خصوصيت اين مواد، خاصيت بازدارندگي و به حداقل رساندن خروج گاز دي اکسيد کربن در اين نوشيدني ها است.

کاربردهاي فناوري نانو در صنايع غذايي
 

کاربردي فناوري نانو در غذا و صنايع غذايي را مي توان به پنج دسته زير تقسيم بندي کرد:
- توليد غذا
- بهبود طعم و رنگ
- سلامت غذا
- بسته بندي
- نگهداري غذا

توليد غذا
 

در بخش توليد مي توان در صنعت کشاورزي و هم چنين در ابداع روش هاي جديد براي توليد غذا از اين فناوري بهره گرفت. مانند: به کارگيري نانو حسگرها در شناسايي آفت کش ها، توليد آفت کش هاي بي خطر، آنتي بيوتيک ها و ژن هاي گوناگون گياهان، کاهش اثرات منفي آفت کش هاي موجود از جمله کاربردهاي نانو فناوري در اين بخش است.

بهبود طعم و رنگ غذا
 

متخصصان صنايع غذايي به کمک فناوري نانو توانسته اند در مواد غذايي مختلف خواصي ايجاد کنند که مصرف کننده طعم و بوي خاص احساس کند. مثلاً سس کم چربي توليد کرده اند که مزه چربي مي دهد در حالي که چربي ندارد.

سلامت غذا
 

براي اطمينان از سلامت غذايي، پژوهشگران در پروژه اي از نانو حسگرهاي قابل حمل براي يافتن مواد شيميايي مضر، پاتوژن ها و سم ها در مواد غذايي استفاده کرده اند، با اين کار، ديگر نيازي به فرستادن نمونه هاي مواد غذايي به آزمايشگاه براي تشخيص سلامت و کيفيت محصول در کشتزارها و کشتارگاه ها نيست. همچنين اين پروژه، در حال توسعه به کارگيري زيست تراشه هاي دي ان اي براي کشف پاتوژنهاست. اين روش مي تواند در تشخيص باکتري هاي مضر و متفاوت موجود در گوشت يا ماهي و يا قارچ هاي ميوه مؤثر باشد. اين پروژه در نظر دارد با گسترش ميکروحسگرهاي رشته اي، بتواند آفت کش هاي ميوه و سبزيجات را به همان خوبي که شرايط محيطي کشتزارها را کنترل مي کند تشخيص دهد. اين نوآوري به نام حسگرهاي Good Food ناميده مي شود.

بسته بندي
 

بسته بندي چهره کالاست و به همراه مواردي مانند طرح و نام تجاري و کيفيت به نحوي با هم ترکيب مي شوند تا کالا به راحتي معرفي شود. بسته بندي در واقع اولين ارتباط مشتري با محصول است. بيشترين کاربردي که نانو در صنعت غذايي دارد مربوط به بسته بندي است.

بسته بندي نانويي:
 

1- محصول را از صدمات فيزيکي و آلودگي ها حفظ مي کند.
2- با کارايي وسيع و مؤثر در برابر انواع زير ساختارهاي زنده مي توانند باعث افزايش عمر مفيد و ماندگاري دراز مدت محصول شوند.
3- کيفيت ضد ميکروبي و خواص ممانعتي آن، بهداشت بهتر، کنترل بيشتر، ممانعت از بي رنگي و خسارت کمتر به ساختار آن را باعث مي شود.
4- استحکام در مقابل حرارت. يعني از فساد و پلاسيدگي ميوه ها و سبزي ها در دماي بالا جلوگيري مي کند.
5- زمان ماندگاري محصولات در بسته بندي هاي نانو از سه يا چهار روز به دو تا سه هفته در شرايط دماي محيط بيرون از يخچال افزايش مي يابد.

بسته بندي هاي نانويي به دو دسته تقسيم مي شود:
 

الف) بسته بندي کنترل کننده مواد غذايي با استفاده از نانو ذرات. اکسيژن مسئله سازترين عامل در بسته بندي مواد غذايي است زيرا اين عنصر باعث فساد چربي مواد غذايي و هم چنين باعث تغيير در رنگ آنها مي شود. در اين نوع بسته بندي ها، نانوذرات به صورت زيگزاگ قرار گرفته اند و مانند سدي مانع از نفوذ اکسيژن مي شوند. به بيان ديگر مسيري که گاز بايد براي ورود به بسته طي کند طولاني مي شود. به همين خاطر مواد غذايي در اين بسته ها تازگي خود را بيشتر حفظ مي کنند.
ب) بسته بندي هوشمند. در اين نوع بسته بندي که براي افزايش عمر مفيد محصول هاي غذايي است، سيستم هاي بسته بندي قادر خواهد بود پارگي ها و سوراخ هاي کوچک را با توجه به شرايط محيطي (مانند تغييرات دما و رطوبت) ترميم و مصرف کننده را از فساد مواد غذايي آگاه سازند. در اين نوع بسته بندي نانوحسگرهايي وجود دارد که نسبت به گازهايي که از مواد غذايي آزاد و موجب فساد مي شوند به شدت حساس بوده و تغيير رنگ مي دهند. اين تغيير رنگ علامت واضحي از سلامت يا فساد مواد غذايي است. اين سيستم به مراتب دقيق تر و مطمئن تر از فروش با تاريخ مصرف است.

نگهداري غذا
 

الف- ضدعفوني و ميکروب زدايي سطوح: نانو مي تواند با جابه جا کردن سطح پوشش مواد، از ورود هر نوع زير ساختارهاي زنده يا ميکروب به غذا جلوگيري کند و سبب ضدعفوني شدن سطوح غذاها شود.
ب- حفاظت ضد اکسيدان ها: با استفاده از نانو حفره ها مي توان از خراب شدن مواد بي ثباتي مثل آنتي اکسيدان هاي حساس از جمله ويتامين هاي A، D، E و امگا 3 جلوگيري کرد.
ج- دست کاري و کنترل فعاليت آنزيم ها: نانو حفره ها مي تواند در شناسايي و طراحي ساختمان آنزيم ها و کنترل سوخت و ساز آنها با تغيير در ساختار و افزودن ذرات فعال به مواد غذايي استفاده شود.
منبع: نشريه دانشمند، شماره 581..