اساس نانو فناوری، درک خواص و رفتار جدید ذراتی با اندازه کمتر از ۱۰۰ نانومتر، بهره‌برداری از خواص و پدیده‌های این بعد از مواد، ابزارها و سیستم‌های نوین است. نانو فناوری امروزه در کشور از سوی صاحبان صنایع و دولتمردان مورد توجه بسیار زیادی قرار گرفته است. ورود نانو فناوری به صنایع چاپ و بسته بندی امید فرصت‌های جدید و دستاوردهای بزرگی را ایجاد خواهد کرد.
از کاربردهای عمده‌ی این فناوری در صنایع چاپ و بسته بندی می‌توان به تولید نانو ذرات با خاصیت مانع شوندگی زیاد، نانو مرکب‌ها، ساخت بسته‌بندی‌های جدید متناسب با تغییرات غذا، تولید حسگرهای زیستی جدید جهت شناسایی پاتوژن‌ها، نانو غذاها، نانوکریستال‌ها، نانوکاتالیست‌ها، استفاده از نانولوله‌ها به جهت افزایش مانع‌شوندگی، تولید غذای سالم و جداسازی فاکتورهای ضد تغذیه‌ای از آن‌ها، تولید غذاهای با ارزش غذایی بالا اشاره کرد. این مقاله به برخی از زمینه‌های مختلف کاربرد نانو فناوری در صنایع چاپ و بسته بندی پرداخته است.
امروزه از فناوری نانو در صنایع چاپ و بسته بندی به منظور دستیابی به اهداف مختلف از جمله افزایش ماندگاری مواد غذایی، کیفیت ضد میکروبی و خواص ممانعتی بهتر در صنایع بسته‌بندی مورد توجه صاحبان صنایع چاپ و بسته بندی قرار گرفته است. ارزش اقتصادی محصولات فناوری نانو در صنعت بسته بندی مواد غذایی از رقم ۱۵۰ میلیون دلار در سال ۲۰۰۲ به ۸۶۰ میلیون دلار در سال ۲۰۰۴ رسیده است.
پیش بینی شده است که فناوری نانو ۲۵ درصد تجارت بسته‌بندی مواد غذایی در دهه آینده را تغییر خواهد داد و بازار آن به ۳۰ میلیارد دلار در سال خواهد رسید. در این تحقیق به فرصت‌ها و کاربردهای فناوری نانو در صنایع چاپ و بسته‌بندی پرداخته خواهد شد.
کاربرد فناوری نانو در صنایع چاپ و بسته بندی
هدهای نانو ساختاری در چاپ دیجیتال:
با بکارگیری نانو ساختارها در هد دستگاه چاپ دیجیتال منجر به تولید قلم‌هایی با نوک بسیار تیز و سختی بالا می‌شود که بر روی بستر پلیمری نرمی با سرعت جهندگی بالا شناورند که از این پس با هزینه کمتری به تولید تصاویر با کیفیت و وضوح بالا در حوزه چاپ می‌توان دست یافت. با این تکنیک جدید می‌تواند فرآیند چاپ الگوهای اولیه یا همان نمونه‌سازی سریع ادوات و ساختارهای نانو مقیاس را چنان کم مصرف کرد که تعویض هدهای دستگاه‌های چاپ دیجیتال فرایند هزینه بری نباشد.
سرامیک با نانو حفره‌های یکنواخت:
یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در صنعت کاشی و سرامیک، چاپ بر روی سطوح کاشی و سرامیک می‌باشد. امروزه از نانو کریستال‌های سلولزی در مخلوط تهیه سرامیک استفاده می‌شود. استفاده از مواد پرکننده شامل نانوسلولزهای یکنواخت میزان بالایی از یکنواختی را در تولید سرامیک‌ها با تخلخل یکنواخت و ضخامت ثابت بوجود می‌آورند که این امر باعث افزایش چاپ پذیری سطوح کاشی و سرامیک می‌گردد.
نانو دی‌اکسید تیتانیوم:
ریموندو و همکاران (۲۰۱۲) به بررسی قابلیت چاپ پذیری مصالح ساختمانی، روکش‌ها پوشش داده شده با نانو دی‌اکسید تیتانیوم و خصوصیات کاربردی آن پرداختند. در این تحقیق به منظور اعمال نانو پوشش دی اکسید تیتانیوم از روش چاپ اینکجت استفاده شده است. نانو دی‌اکسید تیتانیوم به میزان ۴/۰ گرم بر متر مربع اعمال شد. نتایج نشان داد که می‌توان در مقیاس صنعتی از نانو دی‌اکسید تیتانیوم برای تولید برای صنایع کاشی و سرامیک استفاده کرد.
روش اعمال نانو ذرات و شرایط حرارتی تولید مصالح ساختمانی بر روی ضخامت، یکنواختی و خوشه‌ای شدن نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم تاثیرگذار است. قابل ذکر است به دلیل حضور نانو ذرات نانو اکسید تیتانیوم خاصیت آبگریزی سطوح کاشی و سرامیک افزایش یافتند.
کسمالا و همکاران (۲۰۱۱)، سنتز نانو ذرات نقره و ساخت جوهر پایه آبی برای پرینترهای جوهرافشان را مورد بررسی قرار دادند. چالش اصلی، دوام و قابلیت چاپ در جوهر چاپگرهایی که حاوی نانوذرات در پرینترهای جوهر افشان است غلبه بر تراکم زیاد ذرات در محیط می‌باشد. در این مطالعه ذرات نقره با قطر تقریبی ۵۰ نانومتر تولید شدند.
جوهر با استفاده از یک کوپلیمر سه بلوکه و با حساسیت بالا به اولتراسونیک سنتز شد. از جمله فاکتورهای متنوعی که بر کیفیت و ثبات جوهر تاثیر می‌گذارد می‌توان به زمان تیمار اشاره کرد. جوهر حاوی ۵ درصد وزنی نانو نقره دارای ویسکوزیته در حدود ۲ مگاپاسکال. ثانیه و کشش سطحی۳۰ در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد است که به عنوان بهترین میزان افزودن نانو نقره به جوهر معرفی شد. همچنین جوهر دارای ۵ درصد وزنی نانو نقره به طور موفقیت‌آمیزی بر روی سرامیک و آلومینیوم اکسید در دمای پایین چاپ شد.
فناوری نانو در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی
تولید فیلم‌های بسته‌بندی با خاصیت مانع شوندگی بالا:
مسئله سازترین عامل در بسته‌بندی مواد غذایی، اکسیژن است زیرا این عنصر باعث فساد چربی مواد غذایی و همچنین تغییر رنگ آن‌ها می‌شود. در بسته‌بندی‌های پلیمری، نانو ذرات به صورت زیگزاگ قرارگرفته‌اند و مانند سدی مانع از نفوذ اکسیژن می‌شوند؛ در واقع مسیری که گاز باید برای ورود به بسته طی کند طولانی می‌شود. به همین خاطر مواد غذایی در این بسته‌ها تازگی خود را بیشتر حفظ می‌کنند.
نانوفیلترها که بر پایه ساختار نانولوله‌ای می‌باشند می‌توانند مولکول‌هایی مانند پروتئین‌ها، پپتیدها، ویتامین‌ها یا مواد معدنی را براساس اندازه، شکل و میل ترکیبی آن‌ها، از یکدیگر جدا کنند. استفاده از نانوفیلترها در محصولات لبنی یکی از کاربردهای اصلی نانو مواد می‌باشد که این مواد بارالکتریکی در منافذ ایجاد کرده و به صورت هوشمند عمل می‌کنند و عبور انتخابی صورت می‌گیرد که این نوع عملکرد از اکسیداسیون چربی‌ها نشات می‌گیرد.
لوپز و همکاران (۲۰۱۵) به بررسی نشاسته ترموپلاستیک ذرت که با نانو ذرات تالک تقویت شده‌اند، پرداختند. کیسه‌های بسته‌بندی از فیلم‌های فشرده شده حرارتی با نشاسته تقویت شده با نانو ذرات تالک (۰-۱-۳ و ۵ درصد وزنی) مورد مطالعه قرار گرفتند. مقاومت مکانیکی فیلم‌های نشاسته‌ای که دارای غلظت بالاتر از نانو ذرات تالک بود افزایش بیشتری از خود نشان دادند در صورتی که افزودن نانو ذرات تالک بر مدول یانگ تاثیر معکوس داشت. نفوذ بخار آب و اکسیژن به میزان ۵۴ و ۲۶ درصد در فیلم‌هایی که حاوی ۳ درصد نانو ذرات تالک بودند کاهش یافت.
ماجید و همکاران (۲۰۱۳) به تولید و بررسی ویژگی‌های نانوچندسازه‌های الیاف/ نانو رس پرداختند. نفوذپذیری ذاتی مواد پلیمرها نسبت به گازها و بخار و خواص ضعیف مکانیکی پلیمرها مشهود است که به منظور جبران این ضعف از نانو ذرات رس در ماتریس پلیمر استفاده شد. نتایج حاکی از جذب آب بیشتر در زمان حضور نانو ذرات رس در ماتریس پلیمر می‌باشد. اما قابل ذکر است که نفود ناپذیری ماتریس پلیمر پر شده با نانو ذرات رس نسبت به اکسیژن و دیگر مواد به شدت کاهش یافته است.
استفاده از نانوکیتوزان و کاغذهای آنتی باکتریال در حوزه فناوری روکش‌دهی بسیار متداول است. روش روکش‌دهی تیغه‌ای یک شیوه متداول در صنعت پوشش کاغذ سازی است. در این روش هیچ ساختار خاصی تشکیل نمی‌شود، زیرا فشار بالای تیغه موجب شکسته شدن تعاملات کلوئیدی در طی فرایند روکش‌دهی می‌شود. فناوری‌های جدید روکش‌دهی مانند روکش‌دهی پاششی و روکش‌دهی اکستروژنی/غشایی، زمینه را برای روکش‌دهی میکرو و نانو ساختاری فراهم آورده‌اند.
اربردهای این فناوری چند منظوره است، روکش‌دهی ساختاری می‌تواند روکش‌های حجیمی را با خواص بسیار ممتاز و ویژگی خشک کنندگی سریع جوهر ایجاد نماید. ساختار سطح روکش‌ها زمینه‌های از ساخت سطوح مافوق آبگریز و مافوق جاذب برای کاربردهای بسیار گسترده ارائه دهد. در روکش‌های نانوکامپوزیتی از ناهمسان‌گردی بسیار زیاد نانو رس‌ها برای افزایش مقاومت روکش در برابر آب، چربی و گازها استفاده می‌شود.
روکش‌های نانو کامپوزیتی، قادر به ایجاد لایه‌های بسیار نازک، فوق‌العاده مستحکم و ضد خراش هستند. با استفاده از نانو ذراتی مانند دی اکسید تیتانیوم می‌توان روکش‌های مقاوم در برابر اشعه‌ی فرابنفش یا دیگر پدیده‌های نوری خاص تولید کرد.
کاربرد میکرو فیبریل های سلولزی در صنایع بسته‌بندی:
کاربرد میکرو فیبریل‌های سلولزی در صنایع بسته‌بندی مواد غذایی، عمدتا به خاطر افزایش تقاضا برای سلامتی اسنان و ایمنی و حفاظت از محصول، افزایش عمر قفسه‌ای، مقرون به صرفه بودن و دوستدار محیط زیست بودن در طول سال‌های اخیر به طور معناداری گسترش یافته است. امروزه طیف زیادی از مواد اولیه بسته‌بندی را مشتقات نفتی مانند پلی‌اولفین‌ها تشکیل می‌دهند، اما با توجه به افزایش ملاحظات زیست محیطی، مواد حاصل از منابع تجدیدپذیر مانند نشاسته، کیتوزان و سلولز به طور گسترده‌ای به عنوان جایگزینی بالقوه مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
این مواد برای حفاظت از محصولات باید به اندازه مواد حاصل از مشتقات نفتی رضایتمندی در افزایش ماندگاری مواد غذایی را حاصل کنند. نتایج حاصل از تحقیقات مختلف نشان میی‌دهد فیلم‌های نانو سلولزی و نانو کیتوزانی و صفحات پوشش داده شده با نانو سلولز دارای مانع شوندگی بسیار زیادی در مقابل اکسیژن، بخار آب، نور، میکروارگانیسم ها و دیگر آلاینده‌ها می‌باشد. از جمله مواد جدیدی که از مواد سلولزی نشات می‌گیرد می‌توان به سلولز میکروفیبریله شده اشاره کرد.
اخیرا میکروفیبریل‌های سلولزی به عنوان ماده بسته‌بندی با داشتن ویژگی‌های ممانعتی و مکانیکی بسیار زیاد در صنعت بسته‌بندی به طور صنعتی مورد استفاده واقع شدند. در واقع، مقاومت فیلم‌های میکروفیبریل‌های سلولزی در وزن پایه ۳۵ گرم بر متر مربع دارای شاخص کشش ۱۴۶ نیوتن. متر/گرم و مدول الاستسیته ۱۷. ۵ گیگا پاسکال می‌باشد. این فیلم‌ها سرعت انتقال اکسیژن بسیار کمی را از خود نشان دادند. در تولید فیلم میکروفیبریل‌های سلولزی انتخاب نوع حلال بر روی فاکتور تخلخل فیلم تاثیر بسیار زیادی دارد.
به عنوان مثال، برای فیلم‌های حاصل از میکرو فیبریل‌های سلولزی با حلال آب تخلخل ۲۸ درصد و فیلم‌های خشک شده با حلال‌هایی مانند متانول، اتانول و استون تخلخل بیشتر از ۴۰ درصد حاصل شد. به طور کلی بکارگیری فیلم‌های بر پایه میکروفیبریل‌های سلولزی به عنوان یک لایه پوشش دهنده نفوذپذیری هوا را به طور معنی کاهش می‌دهد. با توجه به اینکه میکروفیبریل‌های سلولزی از سلولز خالص شده تولید می‌شود، ویژگی آبدوستی با مقادیر زیاد از جمله مشکلات فرایندی استفاده از میکروفیبریل های سلولزی در مقابل بخار آب مواجه می‌باشد.
این فاکتور اصلی‌ترین عیب برای کاربرد میکروفیبریل‌های سلولزی در بسته‌بندی می‌باشد. برای غلبه کردن بر این موضوع استرتژی های مختلفی شامل اصلاحات شیمیایی و افزودن مواد آبگریز مورد بررسی قرار گرفته است. میکروفیبریل‌های سلولزی محتوی لیگنین می‌توانند فرصتی برای کاهش هزینه‌های عملیاتی با مزایای بالقوه مقاومتی و ویژگی‌های ممانعتی بهتر است.
بکارگیری فناوری نانو در حفاظت از مواد غذایی بسته‌بندی شده:
بسته‌بندی‌ها را می‌توان به دو قسمت اصلی تقسیم نمود: دسته اول بسته‌بندی‌های فعال که حاوی موادی هستند که دارای عملکردی خاص و شبیه به بسته‌بندی‌هایی که تنها از ورود اکسیژن جلوگیری می‌کنند. دسته دوم بسته‌بندی‌های هوشمند می‌باشند که به تغییرات محیط واکنش نشان می‌دهند. در حال حاضر در بسته‌بندی سلولزی از نانومواد استفاده می‌شود. این نانومواد شامل چسب‌هایی مبتنی بر نانو ذرات نشاسته بوده که از منابع تجدیدپذیری مانند ذرت تهیه می‌شوند و جایگزین چسب‌های مبتنی بر مواد نفتی شده‌اند. همچنین در ظروف بسته‌بندی مقوائی نانو مواد جایگزین پلی‌وینیل الکل و پلی‌وینیل استات می‌شوند.
استفاده از نانو فناوری در ظروف نگهداری مواد غذایی، باعث افزایش زمان ماندگاری به مدت ۱۸ ماه می‌شود، از نانوکامپوزیت‌ها برای بسته‌بندی غلات، گوشت‌های فرآوری شده، پنیرها، شیر، آبمیوه‌ها، بطری‌ها و نوشیدنی‌های گازدار استفاده می‌شود.
نانوکامپوزیت‌ها نیز یکی از کاربردهای نانوتکنولوژی در بسته‌بندی‌های مواد غذایی هستند، مثلا ایمپرم نوعی پلاستیک سبک است که با نانو ذرات خاک رس ترکیب شده است و نانو کامپوزیتی تولید کرده که مقاوم‌تر و شفاف‌تر از شیشه است و شکنندگی کمتری دارد و جهت تولید بطری‌های نوشیدنی استفاده می‌شود و از فرار ملکول‌های دی‌اکسیدکربن و نفوذ مولکول‌های اکسیژن به درون نوشیدنی جلوگیری می‌کند بنابراین باعث حفظ تازگی و افزایش زمان ماندگاری محصول می‌شود.
نانو ذرات اکسید منیزیوم و اکسید روی باعث از بین بردن میکروارگانیسم ها می‌شوند که می‌تواند در بسته‌بندی مواد غذایی بسیار کاربردی باشد. نانوحسگرهای تغییر رنگ دهنده جهت شناسایی سریع شکر درغذا مبتنی بر غشاهای نانوالیاف نایلون که این غشاها با استفاده از الکترو ریسندگی تولید می‌شوند.
برخی از پیشرفت‌هایی که در آینده‌ای نه چندان دور در این زمینه قابل دستیابی هستند، عبارتند از: تولید بسته‌بندی‌هایی که توانایی بازتاب گرما از یک بستنی یخی را دارند و می‌توانند آن را از ذوب شدن در یک محیط گرم حفظ کنند، تولید بسته‌بندی‌هایی که می‌تواند هنگامی که سوراخ می‌شوند، خود را ترمیم کنند و بسته‌بندی‌هایی که می‌توانند تحت شرایط خاصی مانند فاسد شدن محصول غذایی خواص و ظاهر آن‌ها تغییر کند، به عنوان مثال بسته‌بندی‌هایی که می‌توانند فاسد شدن شیر را با تغییر رنگ خود نشان دهند.
پانا و همکاران (۲۰۱۴) به بررسی اثر بسته‌بندی نانوکامپوزیت‌های حاوی نسبت‌های مختلف از نانو روی و نانو نقره بر کیفیت گوشت مرغ پرداختند. در این مقاله خاصیت ضدمیکروبی، انتقال نانوذرات و میزان نفوذشان از بسته‌بندی بر پایه پلی‌اتیلن چگالی پایین محتوی نانو نقره و نانو روی (۵-۱۰ درصد وزنی) به گوشت مرغ پرداختند. گوشت در یک دوره زمانی (۰-۷-۱۰-۱۵ و ۲۰) روزه در بسته‌بندی حاوی نانو ذرات روی و نقره نگه داری شد. تعدادی از فاکتورها مانند اثرات محیطی، رنگ گوشت، خصوصیات ظاهری و شاخص اکسیداسیون چربی اندازه‌گیری شد.
صرف نظر از بسته‌بندی با افزایش مدت زمان ذخیره‌سازی غلظت اکسیژن کاهش و غلظت دی اکسید کربن افزایش یافت. نتایج نشان می‌دهد که پس از گذشت ۱۵ روز بیشترین کاهش در ارزش گوشت اتفاق افتاد در حالی که در بسته‌بندی بدون نانو مواد روی و نقره (نمونه شاهد) بعد از گذشت ۷ روز ارزش گوش به حداکثر مقدار خود رسیده است.
در نتیجه می‌توان نتیجه گرفت که اضافه کردن ترکیب نانو روی و نقره به بسته‌بندی خاصیت ضدمیکربی ایجاد می‌کند و همچنین میزان انتقال مواد از بسته‌بندی به ماده غذایی کاهش می‌یابد. هو و همکاران (۲۰۱۱) به بررسی تاثیر نانوکامپوزیت‌ها به عنوان بسته‌بندی مواد غذایی و تاثیر آن‌ها بر کیفیت کیوی در طول مدت زمان نگه داری پرداختند. نتایج نشان داد که افزودن نانوذرات نقره بر پلی اتیلن باعث کاهش قابل توجه اکسایش، نفوذ بخار آب و رشد اسپرها شد.
علاوه بر آن، اسید آسکوربیک و میزان فنول در میوه نگهداری شده در بسته‌بندی ساخته شده از نانو کامپوزیت‌های نقره در مقایسه با نمونه‌های شاهد افزایش یافت. این نتایج نشان داد که نانو کامپوزیت‌ها یک تکنیک مناسب برای کاهش پوسیدگی میوه و حفظ کیفیت میوه در طول ذخیره سازی بعد از برداشت می‌باشد.
بیشتر بخوانید: توسعه استفاده از نانوکامپوزیت‌ها در بسته‌بندی مواد غذایی تا ۲۰۳۱
نتیجه‌گیری
صنایع چاپ و بسته بندی، هر روز بیش از پیش با الزامات بیشتری همراه است که امروزه روش‌های بسته‌بندی هوشمند با عملکرد چندگانه به مرحله اجرا در آمده است. حال با توجه به اهمیت روز افزون مسائل بهداشتی و نظارت همه جانبه کنترل کیفی بر کیفیت مطلوب محصول نهایی پس از بسته‌بندی تا مرحله مصرف محصولات غذایی، استفاده از یک فناوری نوین که بتواند دامنه‌ای از مشکلات مربوط به صنعت بسته‌بندی مواد غذایی را کم کند می‌تواند ضروری باشد.
با توجه به تحقیقات انجام شده در زمینه به کارگیری نانو ذارات که توانایی افزایش ماندگاری غذا، افزایش ارزش غذایی و غیره را شامل می‌شوند می‌توان چنین نتیجه گرفت که فناوری نانو می‌تواند در زمینه صنایع چاپ و بسته بندی کارامد باشد و در مقیاس صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.
بکارگیری فناوری نانو در تولید نانوهدهای چاپ دیجیتال، مرکب‌های حاوی نانو لوله‌های کربنی و استفاده از نانوپلیمرهای طبیعی مانند نانو سلولز و نانو کیتوزان به جهت افزایش خاصیت مانع شوندگی و آنتی باکتریال بودن بسته‌بندی از جمله موفقیت‌های نانوفناوری در صنایع چاپ و بسته بندی بوده است. حال با توجه به وجود چالش در بکارگیری علوم و فنون نوین در زمینه‌های مختلف می‌توان مطالعات در زمینه کاربرد این فناوری و استفاده از نانو ذرات در صنایع چاپ و بسته بندی مواد غذایی را رهگشای آن دانست.
صنایع چاپ و بسته بندی
* علیرضا سوخته‌سرایی، دکتری مهندسی کاغذسازی دانشگاه تهران
* مسعود حاجی‌پور، دانش‌آموخته کارشناسی حرفه‌ای طراحی و آماده‌سازی چاپ
* ناهید یوسفی، دانشجو کارشناسی ارشد مهندسی شیمی
* منابع در دفتر نشریه چاپ و نشر موجود است
