نانومواد و نانو کامپوزیت آنتی باکتریال در کاربردهای بسته بندی‌ مواد غذایی

عملکرد آنتی‌باکتریال و ضد میکروبی برخی از نانو مواد و نانو کامپوزیت‌ها در صنایع مختلف، از جمله بخش بسته‌بندی، شناخته شده و مورد بهره‌ برداری قرار گرفته است.

سیستم‌های نانوکامپوزیتی آنتی‌ باکتریال در مقایسه با نانوعامل‌های آنتی‌باکتریال، مخصوصا به موجب نسبت سطح به حجم بالاتر و نیز فعالیت (واکنش‌پذیری) سطحی بهبود یافته‌تر، به‌طور موثرتری عمل می‌کنند.

ازطرفی این خاصیت باعث می‌شود که آن‌ها نسبت به همتا های میکرو و ماکرو مقیاس خود، به طور موثرتری قادر به غیرفعال کردن میکرو ارگانیسم‌ها ‌باشند.

به‌طور معمول نانومواد و نانوکامپوزیت‌هایی که مورد تست و استفاده قرار گرفته است، شامل یون‌های فلزی همچون نقره، مس، طلا، پلاتینیوم؛ اکسیدهای فلزی مانند اکسیدتیتانیوم، اکسید روی، اکسید منیزیم و نانو رس‌های آلی اصلاح‌ شده به‌عنوان مثال مونت‌ موریلونیت اصلاح‌یافته با نمک‌های آمونیوم نوع چهارم می‌باشد.

بیو پلیمرهای طبیعی(کیتوزان)، عامل‌های آنتی‌باکتریال طبیعی (نیسین، تیمول، آنتی‌بیوتیک‌ها، ایزوتیوسیانات)، آنزیم‌ها (پروکسیداز، لیزوزیم)، عامل‌های آنتی‌باکتریال مصنوعی و اسیدهای آلی (نمک‌های آمونیوم نوع چهارم، اسیدهای پروپانوئیک، اسکوربیک، بنزوئیک) به منظور  ایجاد عملکرد آنتی‌باکتریال مورد استفاده قرار می‌گیرند.

علاوه بر این، ترکیبات متنوعی از عامل‌های آنتی‌باکتریال ذکرشده در بالا با دارا بودن اثرات هم‌ افزایی موردانتظار، با افزودن درون مواد بسته‌بندی تهیه و به‌ کار گرفته شدند.

مواد نانو کامپوزیتی جدید بسته‌بندی با عملکرد آنتی‌ باکتریال دارای توان ویژه و بالایی به‌ منظور استفاده در بسته‌بندی‌های فعال (هوشمند) می‌باشند. بسیاری از محصولات غذایی در معرض آلودگی‌های ناشی از میکرو ارگانیسم‌ های بیماری‌ زا ایجاد شده از غذا می‌‌باشند.

آلودگی‌های میکروبی می‌تواند عمر مفید مواد غذایی را کاهش دهند، همچنین باعث افزایش خطر ابتلا به عفونت‌ های مختلف ایجادشده از غذا و بیماری‌های جدی می‌شوند.

به‌طور قراردادی، روش‌های فیزیکی و شیمیایی مختلف نگهداری مواد غذایی در صنعت غذا به‌منظور کاهش فساد، حفظ کیفیت و افزایش طول عمر مواد غذایی به‌کار برده شدند. تکنولوژی‌های بسته‌ بندی مواد غذایی جدید دائما برای رسیدن به این هدف درحال توسعه می‌باشند.

اخیرا به‌ عنوان یکی از سیستم‌ های نوآورانه بسته‌ بندی مواد غذایی، سیستم بسته‌ بندی فعال به طور گسترده‌ای به منظور افزایش طول عمر و بهبود کیفیت، ایمنی و خواص حسی محصولات غذایی تازه و فرآوری‌ شده مورد بررسی قرار گرفته است.

معمولا بسته‌ بندی که با مواد غذایی بسته‌ بندی شده و محیط بیرون در تعامل باشد را فعال می‌نامند. به‌ گونه‌ای که این بسته‌ بندی علاوه‌ بر حفظ کیفیت مواد غذایی، نقش پویایی را در راستای افزایش طول عمر و بهبود ایمنی مواد غذایی بازی می‌کند.

یکی از مهم‌ترین تکنولوژی‌های بسته‌بندی فعال مواد غذایی، بسته‌بندی‌های آنتی‌ باکتریال است که در حال حاضر به‌عنوان یک فناوری امیدبخش در حوزه‌ی بسته‌ بندی فعال، معرفی شده است.

این فناوری‌ از طریق افزودن (ترکیب) عامل‌های آنتی‌باکتریال قوی درون سیستم‌های بسته‌ بندی تهیه و ساخته می‌شود. شکل1 یک سیستم توسعه‌ یافته‌ی بسته‌بندی آنتی‌باکتریال را که با استفاده از شکل‌های مختلفی از مواد آنتی‌باکتریال و ماتریس‌های پلیمری تشکیل می‌شود، نشان می‌دهد.

مواد پلیمری طبیعی و سنتزی مختلف به‌ عنوان سیستم‌های ماتریسی به‌کارگرفته می‌شوند، که شامل عامل‌های آنتی‌باکتریال می‌باشند.

برخی از این مواد پلیمری خود ب ه‌طور گسترده به‌عنوان یک عامل آنتی‌ باکتریال فعال درمقابل پاتوژن‌ های مقاوم به مواد غذایی و چند دارویی، ظاهر می‌شوند.

به‌عنوان مثال، کیتوزان و مشتقات آن به‌ مدت طولانی به‌عنوان عامل آنتی‌ باکتریالی که دارای عملکرد ضد باکتریایی و میکروبی بسیار قوی در برابر رنج وسیعی از میکروارگانسیم‌ ها دارد، شناخته شدند.

علاوه بر این، مواد آلی و معدنی مختلفی به‌عنوان عامل‌های آنتی‌ باکتریال استفاده شده است. با این‌حال، پایداری بسیار کم مواد آنتی‌ باکتریال آلی به دما می‌تواند کاربرد گسترده‌ای این مواد را به‌عنوان عامل‌های آنتی‌ باکتریال در سیستم‌های بسته‌ بندی فعال مواد غذایی، محدود سازد.

درمقابل، مواد معدنی نانو ساختار، مانند نانوساختار رس (NCs)، اکسیدهای فلزی یا فلزات در مقیاس نانو، پایداری بسیار بالا و نیز نسبت سطح به حجم بالا و واکنش‌ پذیری سطحی بیشتری با اثرات آنتی‌باکتریالی قوی‌تری را دارا می‌باشند.

بنابراین، انواع مختلفی از نانو مواد آنتی‌ باکتریال در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی به‌منظور توسعه سیستم‌های بسته‌ بندی نانوکامپوزیتی آنتی‌باکتریال موثر، مورد توجه ویژه‌ای قرار گرفته شد.

نانوکامپوزیت‌های آنتی‌باکتریال در بسته‌ بندی مواد غذایی قادر به کاهش، مبارزه و از بین بردن (حذف) میکروب‌های بیماری‌ زا قبل از رسیدن بسته‌بندی‌های فعال به فساد و خرابی می‌باشند.

به‌علاوه، سیستم‌های نانوکامپوزیتی دارای خواص مکانیکی، نوری، حرارتی، باز دارنده و زیست‌ تخریب‌ پذیر عالی نسبت به سیستم‌های بسته‌بندی معمولی می‌باشند.

به‌نظر می‌رسد که مواد بسته‌بندی نانوکامپوزیت آنتی‌باکتریال دارای کاربردهای گسترده‌ای در صنایع غذایی و زیست‌پزشکی ، مخصوصا در سیستم‌های بسته‌بندی فعال جدید، می‌باشد و از آینده‌ی درخشانی برخوردار است.

نانومواد با عملکرد آنتی باکتریال

فناوری نانو نانومواد و نان وذراتی را برای کاربردهای صنعتی مختلفی ارائه می‌دهد. نانوموادی (NMs) همچون نانوذرات فلزی (NPs) و نانوذرات اکسیدفلزی و نانوساختار رس (NC) در بخش بسته‌بندی مواد غذایی به‌کار گرفته شدند.

نانومواد در سیستم‌ های بسته‌ بندی مواد غذایی به‌عنوان عامل‌های آنتی‌باکتریال، جاذب اکسیژن و نانو سنسورها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

علاوه بر این، افزودن نانو مواد درون سیستم بسته‌ بندی می‌تواند سبب بهبود انعطاف‌پذیری فیلم، تجزیه‌پذیری، خواص نفوذ ناپذیری در برابر گاز، خواص مکانیکی و پایداری حرارتی شود.

استفاده از نانومواد در سیستم‌ های بسته‌ بندی به پیاده‌ سازی و گسترش خواص موردنظر کمک می‌کند.

نانوساختار رس (NCs)

NC ها یک نوع از مواد معدنی سیلیکات لایه‌‌ای است که از نانوصفحاتی با ضخامت متوسط 1 نانومتر و طول 50-200 نانومتر تشکیل شده‌اند.

سيليكات‌ هاي لايه‌اي به دو دسته سيليكات‌ هاي لايه‌اي طبيعي و سيليكات‌ هاي لايه‌اي سنتزي تقسيم می‌شوند. از جمله سيليكات‌هاي لايه‌اي طبيعي می‌توان به مونت‌موريلونيت (MMT) و ميكا و از‌ جمله سيليكات‌هاي لايه‌اي سنتزي مي‌توان به ماگاديت، لاپونيت و فلوروهكتوريت اشاره نمود.

تاکنون نوید بخش‌ترین پرکننده‌ها در مقیاس نانو برای نانوکامپوزیت‌های پلیمری، نانوپلاکت‌هایی هستند که متشکل از خاک رس یا دیگر مواد سیلیکاتی هستند. محبوبیت نانو رس‌ها در کاربردهای مرتبط با صنایع غذایی، به قیمت پایین، پایداری بالا، در دسترس بودن، فرآیندپذیری نسبتا ساده، افزایش مشخص خواص آن‌ها و همچنین تاثیرگذاری پایین آنها در هنگام تماس با مواد غذایی یعنی عدم واکنش با مواد غذایی برمی‌گردد.

همانطور که در بالا نیز به آن اشاره شد، نانو کامپوزیت‌های پلیمر- خاک رس، گروهی از مواد ترکیبی ساخته شده از سیلیکات‌های لایه‌ای خاک رس، برای مثال مونتموریلونیت هستند که در ماتریس پلیمر با ضخامت لایه در ابعاد نانومتر پخش شده‌اند.

ویژگی‌ هایی مثل مقاومت مکانیکی بالا، مدول‌های بالا، وزن کم، تاخیر در آتش‌گیری نمونه‌ها و نیز بهبود ویژگی‌های ممانعت کنندگی نسبت به مایع، گاز و بخار با این کامپوزیت جدید قابل دست‌یابی است.

بهبود ویژگی‌های فیزیکی، مکانیکی و حرارتی و غیره در این پلیمرها به دلیل واکنش بین پلیمر و خاک رس در مقیاس نانو است.

از آنجایی‌که بیشتر نانوساختارهای رس به‌طور طبیعی آبدوست می‌باشند، به همین علت آن‌ها نمی‌توانند به‌ آسانی در ماتریس‌های پلیمری آبگریز مخلوط و تشکیل یک نانوکامپوزیت پلیمری همگن را بدهند.

یک پیشنهاد موفق برای افزایش سازگاری، تغییر ماهیت نانورس از آیدوست به ارگانوفیلیک یا آلی‌ دوست بودن از طریق اصلاح سطح نانورس می‌باشد. این‌ روش یک راه مناسب در جهت رسیدن به حالت پراکنش لایه به لایه صفحات آن در ماتریس پلیمری است.

به‌منظور افزايش خاصيت آب‌گريزي كاني‌هاي رسي بايد كاتيون‌ هاي آلي دوست را بر روي سطوح آنها جايگزين كاتيون‌ هاي خودشان كرد. انواع و اقسام اصلاح كننده‌ها كه اغلب از خانواده آلكيل‌هاي آمونيوم هستند براي اصلاح سطح اين خانواده بكار می‌روند.

كاتيون‌هاي آلكيل آمونيوم مي‌توانند به سهولت با كاتيون‌هاي موجود در ميان لايه‌ها تعويض گردند.

همانطور که در شکل 2 به‌طور شماتیک نشان داده شده است، سه روش معمولا برای ساخت نانوکامپوزیت‌ های پلیمری استفاده می‌شود: روش پلیمریزاسیون درجا، روش محلول و اختلاط مذاب می‌باشد. از میان این روش‌ها، اغلب روش محلول و اختلاط مذاب به موجب سازگاری بیشتر و فرآیند پذیری بهتر برای تولید نانو کامپوزیت‌ها به‌کار برده می‌شود.

بسته به نحوه و درجه پراکنش نانوساختار رس (صفحات سیلیکاتی) در ماتریس پلیمری، ریزساختارهای زیر می‌تواند به‌وجود آید.

1. نانوکامپوزیت‌های غیربین‌لایه‌‌ای
2. نانوکامپوزیت‌های لایه‌ای
3. نانوکامپوزیت‌های ورقه‌ای شده یا از هم‌گسیخته
4. چندین نانوکامپوزیت پلیمر/ کلی دارای خواص آنتی‌ باکتریال و یا بدون آن، با استفاده از پلیمرهای سنتزی یا بیوپلیمرها که به‌عنوان ماتریس و NCs ها به‌عنوان تقویت‌کننده‌ ها تعریف‌ می‌شوند، تهیه شده‌اند. ازجمله پلیمرهایی که به‌طور کسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند، می‌توان به موارد روبرو اشاره کرد: نایلون، پلی استایرن، پلی آمید، پلی اورتان، PET، PLA، پلی الفین‌ها، کیتوزان و کوپلیمر اتیلن ونیل استات.

جالب‌ توجه است که برای فیلم‌ های نانو کامپوزیتی مختلف تهیه شده با برخی از ارگانوکلی‌های اصلاح‌ یافته، فعالیت آنتی‌باکتریال دیده ‌شده است. Rhim و همکارانش فیلم‌های نانوکامپوزیتی کلی/ کیتوزان را با استفاده از دو نوع مختلف از NC (یعنی MMT طبیعی و MMT ارگانوکلی اصلاح‌یافته، Cloisite 30B) تهیه و فعالیت آنتی‌باکتریال این فیلم‌ها را علیه میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا بررسی کردند‌.

فیلم‌ نانوکامپوزیت تهیه‌ شده با MMT ارگانوکلی اصلاح‌ شده فعالیت آنتی‌ باکتریال بسیار قوی را در مقابل باکتری‌ های گرم مثبت، همچون Listeria monocytogenes و Staphylococcus aureus از خود نشان می‌دهند، درحالیکه فیلم‌های نانوکامپوزیتی تهیه شده با MMT طبیعی هیچ فعالیت آنتی‌ باکتریایی را از خود نشان نمی‌دهند.

آن‌ها پیشنهاد کردند که فعالیت ضدمیکروبی نانو کامپوزیت ممکن است احتمالا به علت وجود نمک‌ های آمونیوم نوع چهارم درون NC ارگانوکلی اصلاح‌یافته ( Cloisite 30B) باشد.

همانطور که در شکل 3 نشان‌ داده شده است؛ متعاقبا، Hung و Rhim نشان‌ دادند که ارگانوکلی‌ های اصلاح شده، همچون  Cloisite 30B و Cloisite 20A، دارای فعالیت آنتی‌باکتریال قوی دربرابر باکتری‌های گرم مثبت و گرم منفی می‌باشند‌.

آن‌ها نتیجه گرفتند که فعالیت ضدمیکروبی نانوکامپوزیت کلی / کیتوزان اساسا به‌موجب نمک آمونیوم چهرتائی موجود در NC های ارگانوکلی اصلاح‌یافته (Cloisite 30B) می‌باشد. همچنین خواص آنتی‌باکتریال انواع مختلفی از فیلم‌های بیو- نانوکامپوزیتی ترکیب‌شده با Cloisite 30B مشاهده شد، هرچند که میزان فعالیت آنتی‌باکتریال آن‌ها بستگی به انواع ارگانوکلی و ماتریس پلیمری به‌کارگرفته شده، دارد.

اخیرا، نانوکامپوزیت‌های اپوکسی/ ارگانوکلی به‌همراه نقره، توسط Roy و همکارانش تهیه شده است. قابلیت نانو کامپوزیت‌های ساخته شده به‌ منظور کنترل باکتری‌ های بیماری‌ زا مورد بررسی قرار گرفته شد.

تمامی فیلم‌ها اثرات ضدمیکروبی موثری را برعلیه باکتری‌های S. aurus، Bacillus subtilis، Escherichia coli، Klebsiella pneumonia  و Pseudomonas aeruginosa  نشان می‌دهند. اما نانو کامپوزیت‌های اپوکسی و اپوکسی- ارگانوکلی در مقایسه با نانوکامپوزیت‌های اپوکسی- ارگانوکلی به‌همراه نقره، خاصیت آنتی‌باکتریال کمتری را از خود نشان می‌دهند.

حضور  تری- آزین هتروسیکلیک و بخش‌های پلی‌فنیلیکی در پلیمرها ممکن است نقش مهمی را در فعالیت ضدمیکروبی سسیستم اپوکسی و اپوکسی/ ارگانوکلی بازی کند.

نانوذرات نقره (Ag NPs)

یکی از گسترده‌ترین نانوکامپوزیت‌های مورد مطالعه در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی آنتی‌باکتریال بر پایه نانوذرات نقره (Ag NPs) افزوده شده درون فیلم‌ های بیو پلیمری از قبیل نشاسته و کیتوزان می‌باشد، که این فیلم‌ها فعالیت آنتی‌ باکتریال قوی را علیه هردو باکتری گرم – مثبت و گرم – منفی نشان می‌دهند.

نانوذرات نقره معمولا از طریق کاهش نیترات نقره یا توسط کند و سوز (سایش) لیزری از سطح فلز نقره با متوسط اندازه ذرات بین 1 تا 100 نانو متر تهیه و ساخته می‌شوند. نانو ذرات نقره، به عنوان یک نان وذره که فعالیت آنتی‌ باکتریال قوی را بر روی طیف گسترده‌ای از باکتری‌ها، قارچ‌ ها، برخی از ويروس‌ها و سایر میکرو ارگانیسم‌ ها دارد. فعالیت ضد میکروبی این نانو ذرات به شکل و اندازه آن‌ها بستگی دارد.

در حال حاضر هنوز هم مکانیزم عملکرد نقره و نانو ذرات نقره به‌ طور دقیق مشخص نیست. به‌ طور کلی، اتم‌ های نقره بر روی سطح نانو ذرات در شرایط هوازی به شکل Ag₂O اکسیدشده و پس از آن رشد گونه‌های باکتریایی، شرایط اسیدی مطلوب را جهت آزاد سازی یون‌ های نقره (Ag) فراهم می‌کند.

شکل 4 نشان دهنده‌ ی فعالیت آنتی‌ باکتریال نانو ذرات مختلف را نشان می‌ دهد. باتوجه به محدوده گسترده‌ای که برای خواص آنتی‌ باکتریال وجود دارد، نانو ذرات نقره به‌ طور وسیعی به‌عنوان عامل‌های آنتی‌ باکتریال موثر در کاربردهای صنعتی مختلف به‌ ویژه در صنعت بسته‌ بندی استفاده می‌شوند.

نانوکامپوزیت‌ های آنتی‌ باکتریالی متنوعی با استفاده از افزودن نانوذرات نقره به درون ماتریس‌های پلیمری به‌منظور کاربرد در سیستم بسته‌ بندی فعال توسعه داده شده است.

افزودن این نان وذره نقره به کامپوزیت‌ های رایج در بسته‌ بندی‌ های برخی از مواد غذایی، می‌توان باعث افزایش زمان ماندگاري مواد غذايي و کاهش ميزان بار ميکروبي آنها شد. نان وذرات نقره با افزایش سطح ویژه‌ای که در مقیاس نانو پیدا کرده‌اند به سطح پوسته سلول چسبیده و کارهای معمولی سلول نظیر تنفس و انتقال مواد را مختل می‌کنند.

علاوه بر این نانو ذرات نقره با نفود به داخل سلول و ایجاد پیوند با فسفر و گوگردی که داخل ترکیبات سلول وجود دارند باعث کشتن و از بین رفتن میکروب می‌شوند. همچنین به نظر می‌رسد ممانعت بیشتر در مقابل نفوذ گازها به واسطه حرکت زیکزاگی مولکول‌ ها در اطراف نانو ذرات موجود در بسته‌های مواد غذایی که به نسبت حرکت مستقیم آنها در بسته های معمولی زمان بیشتری برای نفوذ کامل مولکول‌ها به درون بسته نیازدارند، باشد.

معمولا روش‌های سنتز درجا و جذب مستقیم (ex situ) برای تولید نان وذرات نقره و یا افزودن این نانو ذرات به درون ماتریس پلیمری به کار گرفته می‌شود. در روش ex situ، نانو ذرات نقره با استفاده از روش کاهش شیمیایی تهیه می‌شوند و سپس درون سیستم پلیمری پراکنده می‌شوند.

بنابراین، سطوح نانوذرات نقره ممکن است آلوده یا اگلو مره شود، و از این‌ رو در این روش کنترل تشکیل یک دیسپرس یکنواخت از ذرات درون سیستم پلیمری بسیار سخت است. برعکس، در روش سنتز درجا، نانوذرات نقره با توزیع یکنواخت با استفاده از ماتریس پلیمری به‌عنوان عامل کاهنده تولید می‌شود.

روش سنتز درجا یک روش ساده و تک مرحله‌ای است، و نانوذرات نقره تولید شده با این روش می‌تواند به آسانی با ماتریس‌های پلیمری به کمک نیروهای مختلفی از جمله پیوند هیدروژنی، نیروهای الکترواستاتیکی متصل شوند.

به‌عنوان مثال، سلولز دارای نیروی الکترواستاتیکی برای جذب یون‌های نقره است. کیتوزان به‌علت داشتن گروه‌های عاملی هیدروکسیل و آمینی جاذبه (پیوستگی) بسیاری قوی نسبت به یون‌های نقره دارد.

نانوکامپوزیت‌های لایه‌ای الکترواستاتیکی پلی وینیل سولفانات/ نانوذرات نقره توسط Vasilev و همکاران تهیه شدند. نانوکامپوزیت تهیه شده اثرات آنتی‌ باکتریال موثری را در مقابل Staphylococcus epidermidis از خود نشان می‌دهند. برخی از بیو پلیمرهای دیگر، مانند نشاسته، ژلاتین، آگار، CMC و غیره برای ساخت درجای نانوذرات نقره به‌عنوان عامل‌های کاهنده و تثبیت کننده به کار گرفته می‌شوند.

De Moura و همکارانش نانوکامپوزیت هیدروکسی پروپیل متیل سلولز (HPMC)/ نانوذرات نقره (AgNPs) را تهیه و خواص آنتی‌ باکتریال آن‌ها را بر روی باکتری‌های E.coli و S.aureus مورد ارزیابی قرار دادند. کامپوزیت HMPC/ AgNPs خواص آنتی‌ باکتریالی بهتری را در مقایسه با فیلم HMPC داراست.

افزودن نانوذرات Ag به درون ماتریس HMPC خواص مکانیکی فیلم بسته‌ بندی را افزایش، در حالیکه نفوذ پذری بخار آب را کاهش می‌دهد.

همچنین، نانوکامپوزیت کیتوزان/ پلی اتیلن گلایکول (PEG) با و بدون افزودن نانوذرات Ag توسط Krishna Rao و همکارانش تهیه شد. کامپوزیت کیتوزان/ PEG/ AgNPs اثرات سمیت موث رتری را در مقایسه با کامپوزیت کیتوزان خالص در مقابل پاتوزن E.coli از خود نشان می‌دهد، که این می‌تواند به‌علت آزاد سازی نانو ذرات نقره از نانو کامپوزیت کیتوزان / PEG/ AgNPs باشد. آنالیز TEM نشان‌ می‌دهد که نانو کامپوزیت متشکل از هسته‌ های فلزی و پلیمر با چندلایه است.

نانوذرات Ag مستقیما درون سیستم کیتوزان/ PEG ترکیب (آمیخته) شدند، زیرا کیتوزان و PEG دارای گروه‌ های اکسیژن و نیتروژنی می‌باشند که می‌تواند در تثبیت نانو ذرات Ag کمک کنند. فیلم نانو کامپوزیتی متیل سلولز حاوی نانوذرات Ag، اثرات آنتی‌ باکتریایی قوی را در مقابل Bacillus cereus، B.subtilid، S.aureus، P.aeruginosa و E.coli نشان می‌دهند.

افزودن نانوذرات Ag درون فیلم‌ های متیل سلولز منجر به افزایش خواص مکانیکی می‌شود. نتایج طیف‌ سنجی FTIR اندرکنش قوی بین پلیمرها و نانوذرات Ag را با شیفت قله‌ها به مکان‌های مختلف و پهن‌شدگی پیک‌ها، تایید می‌کند.

نانوذرات اکسید فلزی

نانو ذارت اکسید فلزی (MONPs) به‌ موجب ویژگی‌های عملکردی گسترده‌شان در کاربردهای مختلف صنعتی به‌کاربرده می‌شوند. معمولا این نانو ذرات اکسید فلزی با استفاده از روش سل-ژل سنتز و خواص آن‌ ها توسط مکانیزم‌ هسته‌سازی، رشد و پیرسازی تعیین می‌شود. نانو ذرات اکسید فلزی بسیار پایدار هستند و دارای خواص آنتی‌ باکتریالی قوی در مقابل میکروارگانیسم‌ ها می‌باشند.

نانوذرات اکسید فلزی همچون دی اکسید تیتانیوم (TiO₂)، اکسید روی (ZnO)، اکسید مس، اکسید سیلیکا، اکسید آلومینیوم، اکسید منیزیم و اکسیدهای آهن (Fe₃O₄ و Fe₂O₃) معمولا برای کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در میان این نانوذرات، به نانو ذرات TiO₂،ZnO و اکسید منیزیم به‌دلیل اثرات ضدمیکروبی قوی آن‌ها در صنایع بسته‌بندی توجه ویژه‌ای شده است. نانوذرات اکسید تیتانیوم دارای خواص فوتو کاتالیستی قوی می‌باشد، بنابراین از آن اغلب به‌عنوان آنتی‌ باکتریال موثر و عامل خود تمیزشونده استفاده می‌شود.

اثر فوتو کاتالیستی نانوذرات TiO₂ در ارتباط با طبیعت بلوری و باند گاف انرژی آن می‌باشد.

برمبنای گاف انرژی آن به سه دسته آناتاز، بروکایت و ارتورومبیک طبقه‌بندی می‌شود. واکنش‌های فوتوکاتالیستی این نانوذرات احتمالا موجب تحریک پراکسیداسیون فسفولیپیدهای موجود در دیواره سلول باکتری‌ها می‌شود، که این فرآیند باعث از بین رفتن دیواره باکتری‌ها می‌شود.

خواص آنتی‌باکتریال نانوکامپوزیت پلیمر TiO₂ به‌طور گسترده‌ای مورد بررسی قرار گرفته است و هنوز تلاش برای ساخت و توسعه نانو کامپوزیت‌های آنتی‌ باکتریال فعال با استفاده از TiO₂ به‌عنوان یک عامل آنتی‌باکتریال موثر، در دستور کار قرار دارد.

با این حال، نانوذرات TiO₂ تنها در حضور نور فعال است، که در هنگام استفاده به‌عنوان عامل آنتی‌باکتریال در سمیت بسته‌بندی مواد غذایی، یک نقطه ضعف به حساب می‌آید.

Bodaghi و همکاران نانوکامپوزیت‌های بیو اکتیو را با افزودن ترکیبی از فرم‌های مختلف نانو ذرات TiO₂ (آناتاز و روتایل) درون پلی‌اتیلن با چگالی کم (LDPE) برای کاربردهای بسته‌بندی تهیه کردند.

نانو کامپوزیت‌های LDPE/TiO₂ به‌طور قابل توجهی در مقایسه با فیلم‌های LDPE، سلول‌های Rhodotorula mucilaginous و Pseudomonas spp را کاهش می‌دهند.

فیلم بسته‌بندی پلی پروپیلن پوشیده شده با نانوذرات TiO₂ به‌طور موثری رشد پاتوژن‌های E.coli را غیرفعال می‌کند.

نانوذرات ZnO خواص آنتی‌ باکتریایی قوی را در برابر گونه‌ های باکتریایی، به‌ ویژه باکتری‌های گرم منفی از خود نشان می‌دهند.

برطبق مطالعات اخیر، مکانیزم عملکرد نانوذرات ZnO را می‌توان به‌صورت اختلال غشای سلول باکتریایی، تولید هیدروزن پرواکساید و یون‌های Zn⁺² مطرح کرد، که تولید هیدروژن پراکسید از سطح این نانذرات باعث بروز پدیده آنتی‌باکتریال در آن‌های می‌شود.

این موضوع سبب شده تا این مواد که در مقایسه با نقره خواص غیرسمی و ظاهری سفید دارند، برای بهبود خواص پلیمرهای مورد استفاده در بسته‌بندی مواد غذایی مورد توجه قرار گیرند.

در چند دهه گذشته چندین نانوکامپوزیت آنتی‌باکتریال با استفاده از این نانوذرات به‌عنوان عامل آنتی‌باکتریال تهیه شده ‌است. Tankhiwale  و Bajpai فیلم نانوکامپوزیتی PE/ نشاسته همراه با نانوذرات ZnO را تولید و قابلیت آن‌ها را در کنترل پاتوژن‌های E.coli مورد آزمایش قرار دادند.

آن‌ها دریافتند که فیلم نانو کامپوزیت تهیه شده می‌تواند با مهار E.coli از آلودگی‌ باکتری‌ها درون مواد غذایی جلوگیری به‌عمل آورد، که می‌توان آن را به گونه‌ های فعال اکسیژنی تولیدشده، همچون رادیکال‌ های هیدروکسیل و سوپراکسید نسبت داد.

همچنین، فیلم بسته‌بندی PP پوشیده شده با نانوذرات اکسیدروی توسط Paisoonsin  و همکارانش با استفاده از روش پلاسما تولید شد. فیلم بسته‌بندی تهیه شده، اثرات آنتی‌باکتریال قوی را در مقابل باکتری‌های S.aureus و E.coli نشان داد.

علاوه بر این، مطالعات متعددی اثرات متقابل فلز نقره و نانوذرات اکسید فلزی را بر روی میکرو ارگانیسم‌ های بیماری‌ زا شرح داده است. به طور معمول، ترکیب نانوذرات نقره با نانوذرات TiO₂ یا ZnO به‌ منظور بهبود فعالیت آنتی‌باکتریال سیستم بسته‌ بندی فعال مواد غذایی تهیه و مورد استفاده قرار گرفته است.

اثر هم‌افزایی ایجاد شده در ساختار ترکیب نقره با TiO₂ به حضور این نانو ذرات فلزی برمی‌گردد، که موجب افزایش قابلیت فوتو کاتالیستی نانوذرات TiO₂ می‌شود، که این به‌موجب افزایش سطح جذب نور در این ساختار ترکیبی است.

به‌علاوه، افزودن نانوذرات TiO₂ می‌تواند مواد غذایی را از اثرات اکسیداسیون ناشی از تابش فرابنفش (UV) محافظت کند.

کاربرد سیستم‌های پلیمری  (نانوکامپوزیتی) آنتی‌باکتریال

امروزه بهبود خواص عملکردی نانو کامپوزیت‌ ها برای توسعه نانو کامپوزیت‌ های پلیمری مورد استفاده در صنایع و حوزه‌های مختلف از جمله صنعت بسته‌بندی مواد غذایی، به‌طور قابل توجهی مورد بررسی و پیگیری قرار گرفته است.

زمینه‌های کاربردی تحت بررسی در حوزه بسته بندی را می‌توان به موارد روبرو اشاره کرد: بسته‌بندی محصولات گوشتی فرآوری‌ شده، پنیر، محصولات شیرینی پزی، بسته‌بندی غلات، مواد غذایی نیمه‌ آماده و نیز پوشش‌های اکستروژن مورد استفاده در بسته‌ بندی آب‌ میوه‌ها و محصولات لبنی

در حال حاضر تکنولوژی نانوکامپوزیت‌ های پلیمر منجر به نوآوری‌های متعددی همراه با کاربردهای بالقوه در بخش بسته‌ بندی مواد غذایی شده است.

بهبود در خواص عمده علاوه‌ بر کیفیت‌ بالاتر محصولات، موجب افزایش طول‌ عمر مواد غذایی بسته‌ بندی شده می‌شود. بهبود در خواص بسته‌ بندی‌ها می‌تواند منجر به ساخت بسته‌ بندی‌های سبک‌ تر شود، چرا که مواد کمتری برای دست‌ یابی به خواص بازدارندگی مشابه و یا حتی بهتر، موردنیاز است. از طرفی، این به‌ نوبه‌ خود، میتواند باعث کاهش هزینه‌‌ ی بسته‌ به‌ همراه ضایعات کمتر شود.

بهبود و افزایش طول عمر و کاهش هزینه‌ های بسته‌ بندی مواد غذایی، از جمله دلایل مورد توجه واقع‌ شدن نانو کامپوزیت‌های پلیمری در بخش بسته‌بندی می‌باشد. همچنین، نانو کامپوزیت‌ های پلیمری با خواص آنتی‌ باکتریال مخصوصا در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی به‌ منظور کنترل میکروارگانیسم‌ های بیماری‌ زای نامطلوب در موادغذایی بسته‌ بندی ‌شده دارای کاربردهای گسترده‌ای می‌باشد.

که می‌توان هم با افزودن مولکول‌های فعال، مانند ترکیبات آنتی‌باکتریال و هم از طریق پوشش‌دهی بر روی مواد بسته‌بندی به این خواص رسید. نانو کامپوزیت‌ های پلیمری آنتی‌ باکتریال دارای کاربردهای مفیدی ازجمله کاهش رشد میکرو ارگانیسم‌ های بیماری‌زا، افزایش طول عمر غذا و حفظ کیفیت و ایمنی محصولات می‌باشند.

نانو کامپوزیت‌های آنتی‌ باکتریال به‌موجب نسبت سطح به حجم بالاتر و نیز واکنش ‌پذیری سطحی بالاتر عامل‌ های نانومتری آنتی‌باکتریال، به‌طور موثرتری عمل می‌کنند. انواع مختلفی از نانومواد و نانو کامپوزیت‌های پلیمری با عملکرد آنتی‌ باکتریال درحال توسعه می‌باشند، که‌ می‌توان به ارگانوکلی‌های اصلاح‌ یافته با نمک‌های آمونیوم چهارتائی، نانو فلزات و نانو اکسیدهای فلزی اشاره کرد.

نانوذرات و نانوکامپوزیت‌های با فعالیت آنتی‌ باکتریال برای کاربرد به‌عنوان عامل‌ بازدانده از رشد، عامل‌های آنتی‌باکتریال و حامل‌های آنتی‌ باکتریال، مورد بررسی قرار گرفته شده اند.

کاربردهای اصلی نانوکامپوزیت‌های آنتی‌ باکتریال در حوزه بسته‌ بندی مواد غذایی بخش‌ هایی از جمله گوشت، ماهی، مرغ، پنیر، نان، میوه و سبزیجات دربرمی‌گیرد. از طرفی با توجه به حجم بالای تقاضای مواد غذایی و محصولات کشاورزی، به‌کارگیری از فناوری نانودر بخش بسته‌بندی اهمیت دوچندانی پیدا کرده است و از این‌رو باید بیش از گذشته به آن پرداخته شود.

مراجع

1. Ahvenainen, R. (Ed.). (2003). Novel food packaging techniques. Elsevier.
2. Scully A. Active packaging. In: The Wiley Encyclopedia of Packaging Technology (3rd Edition). Yam KL (Ed.). John Wiley & Sons Inc., NJ, USA, 2–9 (2009).
3. Dutta PK, Tripathi S, Mehrotra GK, Dutta J. Perspectives for chitosan based antimicrobial films in food applications. Food Chem. 114, 1173–1182 (2009).
4. Ray S, Okamoto M. Polymer/ layered silicate nanocomposites: a review from preparation to processing. Prog. Polym. Sci. 28, 1539–1642 (2003).
5. Duncan, T. V. 2011. Applications of nanotechnology in food packaging and food safety: Barrier materials, antimicrobials and sensors. Journal of Colloid and Interface Science 363: 1-24.
6. Ali Dadfar, S. M., I. Alemzadeh, S. M. Reza Dadfar and M. Vosoughi. 2011. Studies on the oxygen barrier and mechanical properties of low density polyethylene/organoclay nanocomposite films in the presence of ethylene vinyl acetate copolymer as a new type of compatibilizer. Materials & Design 32: 1806
7. Arunvisut, S., Phummanee, S., Somwangthanaroj, A., “Effect of clay on mechanical and gas barrier properties of blown film LDPE/clay nanocomposites“, Journal of Applied Polymer Science, Vol.106, No.4, pp. 2210-2217, 2007.
8. Ray SS, Bousmina M. Biodegradable polymers and their layered silicate nanocomposites: in greening the 21st Century materials world. Prog. Mater. Sci. 50, 962–1079 (2005).
9. Ray S, Okamoto M. Polymer/ layered silicate nanocomposites: a review from preparation to processing. Prog. Polym. Sci. 28, 1539–1642 (2003).
10. Rhim JW, Hong SI, Park HM, Ng PKW. Preparation and characterization of chitosan-based nanocomposite films with antimicrobial activity. J. Agricul. Food Chem. 54, 5814–5822 (2006).
11.  Wang X, Du Y, Yang J, Wang X, Shi X, Hu Y. Preparation, characterization and antimicrobial activity of chitosan/layered silicate nanocomposites. Polymer 47, 6738–6744 (2006).
12. Hong SI, Rhim JW. Antimicrobal activity of organically modified nanoclays. J. Nanosci. Nanotechnol. 8, 5818–5824 (2008).
13. Roy B, Bharali P, Konwar BK, Karak N. Silver-embedded modified hyperbranched epoxy/clay nanocomposites as antibacterial materials. Bioresourc. Technol. 127, 175–180 (2013).
14. Yoksan R, Chirachanchai S. Silver nanoparticle-loaded chitosan-starch based films:  fabrication and evaluation of tensile, barrier and antimicrobial properties. Mater. Sci. Eng. C. 30, 891–897 (2010).
15. Guo L, Yuanc W, Lua Z, Li CM. Polymer/nanosilver composite coatings for antibacterial applications. Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Aspects 439, 69–83 (2013).
16. Sondi, B.S. and J.Sondi. 2004.Silver nanoparticles as antimicrobial agent: a case study on E. coli as a model for Gram-negative bacteria.Colloid Interface.Sci. 275: 177
17. sorrentino,A. G,Gorrasi and V,Vittoria. 2007. potential perspectives of bio-nanocomposites for food packaging applications.Food Science & Technology 18: 84-95
18. Huh AJ, Kwon YJ. ‘Nanoantibiotics’: a new paradigm for treating infectious diseases using nanomaterials in the antibiotics resistant era. J. Control. Release 156, 128–145 (2011).
19. Vesilev K, Vasu RS, Renee VG, Chi N, Robert DS, Hans JG. Antibacterial surfaces by adsorptive binding of polyvinyl-sulphonate-stabilized silver nanoparticles. Nanotechnology 21, 215102 (2010).
20. de Moura MR, Mattoso LHC, Zucolotto V. Development of cellulose-based bactericidal nanocomposites containing silver nanoparticles and their use as active food packaging. J. Food Eng. 109, 520–524 (2012).
21. Krishna Rao KSV, Ramasubba Reddy P, Lee YI, Kim C. Synthesis and characterization of chitosan– PEG–Ag nanocomposites for antimicrobial application. Carbohydr. Polym. 87, 920–925 (2012).
22. Maity D, Mollick MR, Mondal D et al. Synthesis of methylcellulose–silver nanocomposite and investigation of mechanical and antimicrobial properties. Carbohydr. Polym. 90, 1818–1825 (2012).
23. Bodaghi H, Mostofi Y, Oromiehie A et al. Evaluation of the photocatalytic antimicrobial effects of a TiO2 Nanocomposite food packaging film by in vitro and in vivo tests. LWT-Food Sci. Technol. 50, 702–706 (2013).
24. Chawengkijwanich C, Hayata Y. Development of TiO2 powder-coated food packaging film and its ability to inactivate Escherichia coli in vitro and in actual tests. Int. J. Food Microbiol. 123, 288–292 (2008).
25. Vigneshwaran, N., Kumar, S., Kathe, A. A., Varadarajan, P. V.& Prasad, V., 2006, Functional finishing of cotton fabrics using zinc oxide- soluble starch nano composites. Nanotechnology, (17), 5087-5095.
26. Tankhiwale R, Bajpai SK. Preparation, characterization and antibacterial applications of ZnO-nanoparticles coated polyethylene films for food packaging. Colloids Surf. B. Biointerfaces 90, 16–20 (2012).
27. Paisoonsin S, Pornsunthorntawee O, Rujiravanit R. Preparation and characterization of ZnO-deposited DBD plasma-treated  plasma-treated PP packaging film with antibacterial activities. Appl. Surf. Sci. 273, 824–835 (2013).
28. Smolander M. The use of freshness indicators in packaging. In: Novel Food Packaging Techniques. Ahvenainen R (Ed.). Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, UK, 127–143 (2003).
29. Appendini P, Hotchkiss JH. Review of antimicrobial food packaging. Innovative Food Sci. Emerg. Technol. 3, 113–126 (2002).
30. 31 Suppakul P, Miltz J, Sonnenveld K, Bigger SW. Active packaging technologies with an emphasis on antimicrobial packaging and its applications. J. Food Sci. 68, 408–420 (2003).
31. 32 Nigmatullin R, Gao F, Konovalova V. Polymer-layered silicate nanocomposites in the design of antimicrobial materials. J. Mater. Sci. 43, 5728–5733 (2008).
32. 33 Persico P, Ambrogi V, Carfagna C, Cerruti P, Ferrocino I, Mauriello G. Nanocomposite polymer films containing carvacrol for antimicrobial active packaging. Polym. Eng. Sci. 49, 1447–1455 (2009).
33. Cioffi N, Torsi L, Ditaranto N et al. Copper nanoparticle/polymer composites with antifungal and bateriostatic properties. Chem. Mater. 17, 5255–5262 (2005).
34. Kanmani, P., & Rhim, J. W. (2014). Nano and nanocomposite antimicrobial materials for food packaging applications. Future Science Ltd.