در این تحقیق غلظت فیلرهای میکرو و نانو به عنوان یک محدود کننده مطرح می گردد. اکثر ترکیبات نانو محدودیت مجاز قابل استفاده ۵% را دارند.

فصل دوم: مروری بر منابع

۲-۱- نشاسته

نشاسته نوعی پلی­ساکارید است که در شرایط عادی در آب نامحلول است اما در آب داغ دانه های تشکیل­دهنده آن تا ۱۵ برابر وزن خود آب جذب کرده، متورم شده و سرانجام پاره یا متلاشی می­ شود. در این فرایند توده­ای با ویسکوزیته بالا تولید می­ شود که آن را خمیر نشاسته و این پدیده را ژلاتینه­شدن نشاسته می‌نامند. نشاسته از ترکیب گلوکز با خارج شدن مولکول آب حاصل می­گردد و درواقع نوعی ماکرومولکول است که طی مراحل رشد گیاه گندم بصورت ذرات ریز یا گرانول در دانه ذخیره می­ شود و ممکن است تا حدود ۶۵ درصد وزن آن را تشکیل دهد.گرانول­ها از لحاظ شکل ممکن است به صورت های کروی یا بیضی باشند که با میکروسکوپ قابل بررسی هستند. گرانول­های نشاسته از دو قسمت آمیلوز که خطی است، ۲۳ تا ۲۷ درصد وزن نشاسته را تشکیل می­دهد و مرکب از حدود ۵۰۰۰ واحد گلوکز است و آمیلو پکتین که بصورت زنجیر انشعابی به میزان حدود ۷۳ تا ۷۷ درصد وزن نشاسته را تشکیل می­دهد و مرکب از حدود یک میلیون واحد گلوکز است تشکیل شده، آمیلوز به صورت خالص به مقدار کم در آب داغ حل می­ شود و اگر محلول را در جای آرام قرار دهیم دوباره رسوب می­ کند، برعکس آمیلوپکتین در آب داغ به آسانی حل می­ شود و اگر محلول را در جای آرام قرار دهیم به صورت ژل درنیامده و رسوب نمی‌کند [۲۲]. نسبت آمیلوز و آمیلوپکتین در انواع نشاسته یکسان نیست، نشاسته گندم حدود یک سوم وزن خود آب جذب می­ کند، در اثر جذب آب متورم می­ شود و معادل ۷۸/۲۷ کالری به ازای هر گرم گرما آزاد می­ کند به همین جهت هنگام مخلوط کردن آرد و آب دمای خمیر بالا می­رود. نشاسته به وفور در طبیعت یافت می­ شود، به دلیل قیمت پائین، قابلیت­تجدید­شوندگی و بازیافت زیستی یکی از مواد خام جاذب برای استفاده در بسته­بندی­های خوراکی محسوب می­گردد. علاوه براین حساسیت­زا نبوده و به دلیل دارا بودن ویژگی­های مکانیکی و مقاومت در برابر نفوذ گازها، امکان بکارگیری و استفاده از آن در صنایع غذایی وجود دارد. فیلم­های تهیه شده از نشاسته دارای حلالیت پایین درآب، سدی عالی در برابر اکسیژن و درجه حرارت برگشت پذیری پائین است [۲۳].

نشاسته یک جزء غذایی عمده است و یک کربوهیدرات تجزیه پذیر که از هزاران واحد گلوکز ساخته شده است.نشاسته دربرگیرنده زنجیره­های خطی و شاخه دارمولکول­های گلوکز است که آمیلوز^[۱]­­و­آمیلو پکتین ^[۲]نامیده می شوند. آمیلوز که یک حالت خطی نشاسته است مسئول شکل گیری فیلم های قوی است. پیوندهای فیزیکی در شبکه ماکرو مولکولی نشاسته بیشتر براساس آمیلوز هستند و بر خصوصیات مکانیکی فیلم ها تاثیر می گذارند از سوی دیگر، ساختار شاخه دار آمیلو پکتین عموماً باعث ایجاد فیلم هایی می شود که شکننده هستند[۲۴].
نشاسته ترکیبی از دو پلیمر است آمیلوز، یک اتصال خطی (۴ ۱ ) از glucan–D– و آمیلوپکتین،یک مولکول پرشاخه که از شاخه های کوچک (۴ ۱ ) glucan–D– و پیوند (۶ ۱)در اتصالات تشکیل شده است. طول زنجیره آمیلوز حدود ۶۰۰۰ واحد D - گلوکو پیرانوز، با وزنمولکولی بین ۶۰۰۰۰۰ – ۱۵۰۰۰۰ دالتون است. آمیلو پکتین،بر عکس بسیار پرشاخه است به طورمیانگین ۲۶- ۱۷ شاخه، با واحدهای D- گلوکوزیل جداشده از پیوندهای (۶ ۱ ) است. اندازه­ مولکولی آمیلو پکتین بزرگتر از آن است که به طور دقیق مشخص شود ولی مطالعات پراکنش نور حدود ۱۰^۶ D– گلوکوزیل در هر مولکول را نشان داد که آمیلو پکتین را یکی از بزرگترین ماکرو مولکولهای موجود در طبیعت می­ کنند. همه نشاسته­ها از این دو ترکیب ساخته شده ­اند. نسبت آنها در نمونه­های نشاسته معمولا ۲۰ به ۸۰ آمیلوز به آمیلو پکتین است [۲۵]
نشاسته که به وفور در طبیعت یافت می­ شود، به دلیل قیمت پائین، قابلیت تجدید شوندگی و بازیافت زیستی، یکی از مواد خام جذاب و مورد علاقه برای استفاده در بسته بندی­های خوراکی محسوب می­گردد. علاوه بر این حساسیت زا نبوده و به دلیل دارا بودن ویژگی­های مکانیکی و مقاومت در برابر نفوذ گاز­ها، امکان به کارگیری و استفاده از آن در صنایع غذایی وجود دارد [۲۶].
نشاسته به دلیل ماهیت پلیمری قابلیت فیلم سازی دارد به علاوه، به دلیل قیمت مناسب و در دسترس بودن توجه زیادی به آن می­ شود یکی از معایب فیلم­های نشاسته، مقاومت پایین آن­ها به رطوبت است برای حل این مشکل می­توان از چربی­ها یا پلیمر­های زیست تخریب پذیر مقاوم به رطوبت استفاده کرد، برای بهبود ویژگی­های فیلم­های نشاسته به ویژه خصوصیات کششی آن­ها می­توان از هیدروکلوئید­ها در ترکیب آن­ها استفاده کرد [۲۷].

۲-۱-۱- نشاسته سیب زمینی

سیب زمینی از جنس سولانوم و خانواده سولاناسه، تنها عضوی است که اهمیت برجسته ای از نظر کشاورزی دارد به طوری که بعد از غلات منبع اصلی کربوهیدرات را تشکیل می دهد. نشاسته ترکیب اصلی و مهم سیب زمینی می باشد که ۱۷ تا ۲۱ درصد از وزن تازه سیب زمینی و حدود ۸۰ درصد ماده خشک آن را تشکیل می دهد. نشاسته به عنوان اندوخته غذایی بسیاری از گیاهان محسوب می شود و گرانول های نشاسته در اصل بسته های فشرده ای از پلیمرهای گلوکز محسوب می شود[۲۸].
نشاسته در طبیعت به شکل نیمه کریستالی وجود دارد با این توضیح که شکل کریستالی آن منحصرا مربوط به بخش آمیلوپکتین و حالت آمورفی آن نمایانگر بخش آمیلوز می باشد. آمیلوز پلیمر خطی تشکیل یافته از واحدهای گلوکو پیرانوز با پیوندهای α ۴ – ۱ – D - گلیکوزیدی می باشد در حالی که آمیلوپکتین یک عنصر شاخه ای است که دارای پیوندهای ۶ – ۱ –D - α گلیکوزیدی نیز می باشد و از پلیمرهای طبیعی با وزن مولکولی بالا محسوب می شود[۲۹].

۲-۲- نانوتکنولوژی

در بیانی کوتاه نانو تکنولوژییک فرایند تولید مولکولی است. به طور کلی این فناوری عبارت از کاربرد ذرات در ابعاد نانو (کمتر از nm100 معمولاً بینnm 1/0 تا nm100)است که شامل موادی با سطوح خارجی بسیار زیاد و ناهمگونی کم که پدیده های کوانتومی بروز می دهند می باشد. از دو مسیر به این ابعاد میتوان دسترسییافت. یک مسیر دسترسی از بالا به پایین و دیگری طراحی و ساخت از پایین به بالا است. در نوع اول ساختارهای نانو با کمک ابزار و تجهیزات دقیق از خرد کردن ذرات بزرگ تر حاصلمی شوند. در طراحی و ساخت از پایین به بالا که عموماً آن را فناوری مولکولی می نامند تولید ساختارها اتم به اتم و یا مولکول به مولکول تولید و صورت می گیرند [۳۰]. به عقیده مدیر اجرایی مؤسسه نانو تکنولوژی انگلستان فناوری نانو ادامه و گسترش روند مینیاتوریزه کردن است و به این طریق تولید مواد، تجهیزات و سامانه هایی با ابعاد نانو انجام می شود. در حقیقت فناوری نانو به ما امکان ساخت و طراحی موادی رامی دهند که کاملاً دارای خواص و اختصاصات جدید هستند. نانو تکنولوژی نیاز بشر را به مواد کمیاب کمتر کرده و با کاستن آلاینده ها محیط زیستی سالمتر را فراهم می کند.
آینده تعلق به فرآیندهای جدید با هدف افزایش کارایی محصولات، طول عمر مواد و بهبود ایمنی و کیفیت غذا خواهد داشت. نانو تکنولوژی توانایی آن را دارد تا انقلابی در صنعت غذایی ایجاد کند. نانو تکنولوژی را می توان در توسعه مواد در مقیاس نانو، سیستم های رهایش کنترل شده، تشخیص آلودگی و … به کاربرد. در چند سال اخیر صنایع غذایی جهان میلیون ها دلار در راه تحقیق و توسعه نانو تکنیک سرمایه گذاری نموده و تعدادی از بزرگترین کارخانجات محصولات غذایی مانند نستله و آلتریا و اچ جی هانیز و یونیلور از پیشگامان تحقق بخشیدن به این رویه تهیه مواد غذایی می باشند و صدها کارخانه کوچکتر دیگر نیز از آنها پیروی می کنند. پیشرفت در بسته بندی هوشمند برای افزایش عمر مفید محصولات غذایی هدف بسیاری از شرکت هاست. این سیستم های بسته بندی قادر خواهند بود پارگی ها و سوراخ های کوچک را با توجه به شرایط محیطی (مانند تغییرات دما و رطوبت) ترمیم و مصرف کننده را از فساد ماده غذایی آگاه سازند.

۲-۳- کامپوزیت

معمولاً یک ماده کامپوزیت را به صورت یک مخلوط فیزیکی در مقیاس ماکروسکوپیک از دو یا چند ماده مختلف تعریف می کنند که این مواد خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خود را حفظ کرده و مرز مشخصی را با یکدیگر تشکیل می دهند. این مخلوط در مجموع و با توجه به برخی معیارها خواص بهتری از هر یک از اجزای تشکیل دهنده خود را دارا می باشد. در کامپوزیت عموماً دو ناحیه متمایز وجود دارد:
- فاز پیوسته (ماتریس)
- فاز ناپیوسته (تقویت کننده)
تعریف انجمن متالورژی آمریکا: به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند ماده مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آنها وجود داشته باشد، کامپوزیت گفته می‌شود[۳۱].

۲-۴- نانوکامپوزیت

نانو کامپوزیت ها مخلوطی از پلیمرها با افزودنی های آلی و غیر آلی هستند که شکل های هندسی مشخصی (فیبرها، فلینگ ها، گوی ها و ذرات) دارند. استفاده از پرکننده هایی در ابعاد نانو منجر به ایجاد نانو کامپوزیت های پلیمری می شوند که می توانند جایگزین خوبی برای کامپوزیت های پلیمری مرسوم باشند. پرکننده ها می تواند به شکل های صفحه ای، رشته اییا ذره ای باشد. با نازک کردن لایه ها، کوچک کردن قطر رشته ها و ریز کردن ذرات در حد نانو، به ترتیب در هر یک از پرکننده های ذکر شدهمی توان نانو کامپوزیت را ایجاد نمود [۳۲]. این نسل جدید کامپوزیت ها بهبود چشمگیری در مقایسه با پلیمرهای اولیه نشان میدهند. همچنین منافع مازادی مانند دانسیته پایین، شفافیت، جریان خوب، ویژگی های سطحی بهتر و برگشت پذیری را به ارمغانمی آورند. این ویژگی ها به دلیل سایز ذرات آنها می باشد[۳]. استفاده ازنانوکامپوزیت ها در ساختار پلیمرهای بسته بندی غذایی موجب بهبود خواص نگهدارندگی پلیمرها می شود. کارایی بالای نانو ذرات و نانو لوله ها زمینه بکارگیری پلیمرهای زیست تجزیه پذیر را در صنعت بسته بندی مواد غذایی فراهم نموده است.

۲-۵- بایونانوکامپوزیت

بایو نانو کامپوزیت در واقع نانو کامپوزیت هایی از پلیمرهای طبیعی (بایو پلیمرها) در ترکیب با نانو مواد معدنی(غیرآلی) می باشند. بایو پلیمر ها تجزیه پذیر زیستی بر اساس مبنی آنها گروه بندی می شوند:
۱- پلیمرهایی که به طور مستقیم از توده های زیستی استخراج می شوند(پلی ساکارید ها، پروتئین ها، پلی پپتیدها، و پلی نوکلئوتیدها).
۲- پلیمرهای تولید شده با سنتزهای شیمیایی کلاسیک با بهره گرفتن از مونومرهای زیست پایه ای تجدید شدنییا منابع مخلوط توده زیستی و نفت خام (پلی لاکتیک اسیدیا بیوپلی استر).
۳- پلیمرهای تولید شده با میکروارگانیسم ها یا باکتری های اصلاح شده ژنی (پلی هیدروکسی بوتیرات، سلولز باکتریایی، زانتان و …).
مشکلاتی مانند شکنندگی، قابلیت نفوذ بالای گاز و بخار، مقاومت ضعیف در برابر عملیات فرآوری طولانی مدت به طور شدیدی کاربرد آنها را محدود کرده است. استفاده از نانو تکنولوژی در این پلیمرها ممکن است امکانات جدیدی را برای بهبود نه فقط ویژگی ها بلکه به طور همزمان بهبود ارزش، قیمت و راندمان را سبب شود.

۲-۶- 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 می باشد. 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 روزانه۸ میلی گرم تیتانیوم وارد بدن انسان می شود. اگر چه تقریباً بدون جذب شدن از بدن دفعمی گردد.

۲-۶-۲- نانو دی اکسید تیتانیوم

دی اکسید تیتانیوم در اندازه نانومترییک 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.
۲-۷- بسته بندی فعال
تکنولوژی جدید در بسته بندی مواد غذایی در پاسخ به نیازهای مشتریانیا 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 مییابند. 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 یافتهمی باشند که میزان مدت زمان نگهداری را افزایش داده در حالیکه موجبحفظ 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 بندییا 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.

۲-۸- 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(nano-packaging)افزایش عمر ماندگاری به وسیله بهبود عملکرد مانع در کاهش گاز، تبادل رطوبت و پرتو نور UVاست. 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 برابراشعهUVو نفوذ گازها.
- برچسب هایRFID .
- 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.