يأخذنا علم تكنولوجيا النانو إلى شمولية الأشياء المتمثلة في دراسة تطبيقات الأشياء الصغيرة جداً (المواد النانوية) والتي يُمكن أن تُستخدم في مجالات مختلفة وواسعة من العلوم والهندسة وحتى علوم الحياة. ومن هذا المنطلق نجد أن المادة النانوية هى حجر الزاوية واللبنة الأولى والأساسية في علم تكنولوجيا النانو .
أهم المحاور
أولا: نشأة وتطور تكنولوجيا النانو
ثانيا : ما هو علم تكنولوجيا النانو
ثالثا: تحضير المود النانوية
رابعا: فوائد إستخدام تكنولوجيا النانو
خامسا : مخاطر إستخدام النانو تكنولوجى
سادسا : التصنيع الغذائى
سابعا: تطبيقات تكنولوجيا النانو فى التصنيع الغذائى
أولا: نشأة وتطور تكنولوجيا النانو
ينسب البعض نشأة تكنولوجيا النانو فى عصور قديمة على أساس إعتمادها على النظرية الذرية وتطبيقاتها إلا أن ذلك يجعلها تتداخل مع فروع كثيرة من العلم ويفقدها خصوصيتها كفرع جديد من العلوم التطبيقية له خصائصة وتطبيقاته التى تميزه عن غيره من العلوم.
فـ تكنولوجيا النانو بمفهومها الحالى هى أحد العلوم التطبيقية الحديثة التى لم تنشأ إلا فى نهايات القرن العشرين وهى بذلك تعتبر أحدث العلوم التى مازال ينظر إليها على أنها مازالت فى طور النشوء ولم يخرج من إمكاناتها وتطبيقاتها إلا القدر اليسير.
ونجد إن أول من تكلم عنها هو عالم الطبيعة ريتشارد فاينمان وذلك فى عام 1959.
أما فى عام 1985 فقد كتب دركسلر أو كتاب عن تكنولوجيا النانو ، وقد تم إختراع ميكروسكوب الدفع الذرى ( Atomic force microscopy) والذى يعد أحد الوسائل الفعالة التى ساهمت فى دراسة التركيب البنائى الجزئى ثلاثى الأبعاد وتتبع التفاعلات على المستوى الجزئى وبتوالى السنوات والتطور فى مجال تكنولوجى النانو تم فى عام 2004 م، تم إطلاق أول مؤتمر عن تطبيقات النانوتكنولوجى فى التصنيع الغذائى.
ثانيا : ما هو علم النانو تكنولوجى؟
يشتق إسم علم تكنولوجيا النانو من وحدة قياس النانومتر (910- متر)
من الجدير بالذكر أنّ مصطلح تكنولوجيا النانو يتعلق بالفهم الأساسي للخصائص الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية على المقاييس الذرية والجزيئية، والتحكم بهذه الخصائص الخاضعة للرقابة لإنشاء مواد وأنظمة وظيفية ذات قدرات فريدة.
فمواد النانو عبارة عن مواد كيميائية متناهية في الصغر تستخدم بجودة عالية في العديد من التطبيقات الصناعية كالإتصالات والإلكترونيات والمجالات الطبية لاحتوائها على العديد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية
علم تكنولوجيا النانو (النانو تكنولوجي)
هو العلم الذي يهتم ببناء وتصنيع المواد والأجهزة على مقياس النانو؛ وهو عبارة عن وحدة قياس صغيرة للغاية تساوي جزءاً من مليار جزء من المتر؛ أي عشرة أضعاف ذرة الهيدروجين، حيث يبلغ قطر شعرة الإنسان حوالي 80000 نانومتر، وعند هذا المقياس تختلف الخواص الكيميائية والفيزيائية للمواد؛ مثل اللون، والصلابة، والموصلية، والتفاعلية اختلافاً كبيراً عن المقياس العادي
فعند وضع أى مادة فى الحجم النانوى الحرج فإنها تظهر خواص جديدة تسمى الخواص المعتمدة على الحجم .
الحجم النانوى الحرج: الحجم الذى تظهر فيه المادة خواص جديدة وفريدة ويكون أقل من مائة نانو متر
على سبيل المثال
لون الذهب أصفر وبراق لو طحن وعند النظر عليه يكون له أزرق و أحمر وأخضر على مقياس النانو صلابة النحاس لو طحن النحاس يصبح أصلب فى الحجم النانوى الحرج حجم الجسم ثابت ولكن المساحة تختلف مثل مكعب السكر يذوب أسرع عند طحنه .
أشكال المواد النانوية
ألياف ، اوأصداف، أو أنابيب ، حبيبات ، أو أسلاك، أو كريات، أو شرائح ، أو أغشية رقيقة.
من حيث الأبعاد
أحادية البعد النانوي
مواد يقدر أحد أبعادها على مقياس النانو مثل الأغشية الرقيقة التى تستخدم كمواد للتغلييف للحماية من الصدأ، حفظ المواد الغذائية ، لحماية شاشة الموبيل أو الكمبيوتر.
وكذلك مثل الأسلاك النانوية تستخدم فى الدوائر الكهربائية للبموبيل واكمبيوتر وهى أسلاك رقيقة جدا ورفيعة جدا.
وكذلك ألياف نانوية تستخدم فى مرشحات المياه مثل شمعة الفلتر
ثنائية البعد النانوى
مواد يقدر بعدين من أبعادها على مقياس النانو
مثل أنابيب الكربون عديدة الجدار تمتاز بالتوصيل الحرارى والكهربى أفضل من الماس يوصل الحرارة والنحاس يوصل الكهرباء
• تمتاز بالصلابة والمتانة ولا ترى بالعين المجردة
• حيث أنها خفيقة وقوية ولذلك قد تجر قاطرة من شدة المتانة
تستخدم فى أجهزة الإستشعار البيولوجى مثل التاتش فى الموبيل أو الأقمار الصناعية.
المواد ثلاثية البعد النانوى
مواد يقدر أبعادها الثلاثة بمقياس النانو
مثل كرة البوكى 60 ذرة كربون
حيث يفكر العلماء بإستخدامها فى حمل الدواء داخل جسم الكائن الحى لأنها لا تتفاعل مع الجسم
ثالثا: تحضير المود النانوية
من أين لنا بالمواد النانوية ؟ وكيف يتم تحضيرها وإنتاجها ؟ لابد من سلوك أحد طريقين أساسين يمثلان الخطوط العريضة لتحضير المواد النانوية والتي ينبثق منهما العديد من الطرق
الطريق الأول
والذي يبدأ من القاعدة إلى القمة أي من أسفل إلى أعلى حيث يتم بناء المادة النانوية انطلاقاً من ذرات وجزيئات يتم ترتيبها بآلية معينة حتى نصل إلى الشكل والحجم النانوي المرغوب فيه. وهذا الطريق غالباً ما يكون قائماً على آليات أو طرق كيميائية مثل طريقة الترسيب والترسيب المتزامن والاحتراق الذاتي. وتمتاز هذه الطرق بصغر حجم المواد الناتجة، وقلة الفاقد والحصول على روابط قوية للمادة النانوية المحضرة.
الطريق الثاني
والذي يبدأ من القمة إلى القاعدة أي من أعلى إلى أسفل على عكس الطريق الأول تماماً حيث يتم تكسير المادة الأصلية (الكبيرة) شيئاً فشيئاً حتى الوصول إلى الحجم النانوي. ومن آليات هذا الطريق الحفر الضوئي ، القطع ، الكحت والطحن.
رابعا: فوائد إستخدام تكنولوجى النانو
لقد اقتحمت تكنولوجى النانو أو تطبيقات علم النانو كافة مجالات الحياة صغيرها وكبيرها. وعلى سبيل المثال لا الحصر، فقد كان لها عظيم الأثر الإيجابي فيما يلي:
زيادة كفاءة الأجهزة الإلكترونية وفي نفس الوقت تصغير حجمها والحد من الطاقة المستهلكة لتشغيل تلك الأجهزة. ويتضح هذا جلياً في أجهزة المحمول والكمبيوتر وشرائح تخزين المعلومات
تطوير وتحسين عالم الغذاء، بداية من زراعة الحبوب وحتى تعبئتها بالإضافة إلى العمل على زيادة جودة الطعام وتعظيم فائدته والحفاظ على سلامته.
العمل على نقل الدواء مباشرة إلى الخلايا المصابة بالأمراض.
تخزين الطاقة من خلال تحسين كفاءة البطاريات.
صناعة مركبات فضائية خفيفة الوزن وذات كفاءة عالية .
تنقية الهواء ومعالجة المياه وخصوصاً مياه الصرف الصحي والصناعي.
خامسا :مخاطر إستخدام تكنولوجيا النانو
نجد ان إستنشاق المواد النانوية (مثل الجسيمات النانوية، الكرات النانوية، أنابيب الكربون النانوية،….) سوف يؤدي إلى سريان هذه المواد داخل الجسم ومن ثم وصولها إلى المخ.
وقد اشارت إحدى الدراسات إلى أن الجسيمات النانوية قد تسببت في موت بعض القوارض وحدوث تلف للمخ في السمك، وتشير دراسات أخرى على تلوث الهواء إلى أن زيادة تركيز الجسيمات النانوية في الهواء سوف يؤدي إلى زيادة انتشار الأمراض والوفاة.
وبصفة عامة فلا بد للعاملين في تقنية النانو أن يتخذوا كافة أنواع درجات الحذر والاحتياطات اللازمة لتفادي استنشاق المواد النانوية على جميع أنواعها أو ملامستها لجلد الإنسان
سادسا: التصنيع الغذائى
التصنيع الغذائى
هو العلم الذي يبحث في دراسة طبيعة, وتركيب , وخواص , وصور, وطرق استهلاك , وتداول , ووسائل حفظ الغذاء بالإضافة إلى دراسة التغيرات التي تحدث للغذاء أثناء إعداده وحفظه وتخزينه.
ولم يعد الحصول على المواد الغذائية من الأمور اليسيرة في معظم دول العالم خاصة الدول النامية ,بل أصبح من المشاكل اليومية التى تواجه الإنسان في معظم البلدان , ولهذا فان إيجاد الوسائل المناسبة للمحافظة على المواد الغذائية في صورة صالحة للاستهلاك لأطول فترة ممكنة صار من أهم الأمور التي تشغل بال الباحثين.
ولما كان الإنسان يحصل على احتياجاته الغذائية اليومية من مصادر مختلفة تتمثل في محاصيل الحقل والثروة الحيوانية أى من المملكتين النباتية والحيوانية.
وتتعرض هذه الأغذية إلى الفساد خلال فترة وجيزة من الحصاد أو الذبح وبعض أنواع هذا الفساد يكون مصحوباً بإنتاج مواد سامة والبعض الأخر يسبب فقداً في القيمة الغذائية ويؤثر تأثيراً سلبياً على صفات الجودة المرغوبة
لهذا كله نرى لأننا في أشد الحاجة إلى معرفة كيفية السيطرة على عوامل الفساد وبالتالي كيفية المحافظة على الغذاء بحيث يمكن استهلاكه في الوقت والمكان الذي نريده كما أننا نحتاج إلى أن نعرف كيفية تصنيع هذا الغذاء إلى منتجات أخرى جديدة أكثر ملائمة.
أهداف التصنيع الغذائي
1- حفظ الأغذية من التلف والفساد ومن مسببات التسمم الغذائي.
2- توفير الأغذية الموسمية الإنتاج في أوقات ندرة وجودها في الأسواق.
3- المحافظة بقدر الإمكان على مستوى الأسعار في الأسواق.
4- تخزين الأغذية بصورتها الاعتيادية أو المصنعة لمواجهة احتياجات المواطنين في الظروف الحرجة أو الطارئة ,مثل الفيضانات والجفاف والأزمات والحروب أو عدم القدرة على الاستيراد الأغذية لأسباب مختلفة مثل أزمة كورونا الحالية
5- توفير الوقت والجهد عند تناول أغذية محفوظة سهلة التحضير, وبخاصة للعاملين الذين لا يسمح وقتهم بقضاء فترة طويلة في تحضير الأغذية الطازجة وطهوها .
6- سهولة نقل المواد الغذائية من أماكن إنتاجها إلى أماكن استهلاكها البعيدة أحياناً.
7- توفير أغذية لفئات خاصة من المجتمع مثل المرضى والأطفال , وكذلك توفير الغذاء في الصورة المحفوظة المختلفة وذلك لإمداد الجيوش إثناء الحروب أو لإمداد الرحلات
8- إيجاد فرص عمل للمواطنين والتخفيف من حدة البطالة باعتبار أن قطاع الصناعات الغذائية والقطاعات المعتمدة علية تستوعب الكثير من الأيدي العاملة .
9-تحويل الخامات الزراعية والتي لا يمكن استهلاكه مبشرة إلى منتجات لها قيمة غذائية واقتصادية مرتفعة مثل إنتاج زيت الطعام من بعض البذور مثل بذور القطن وعباد الشمس وفول الصويا… الخ ,وكذلك إنتاج الدقيق من طحن حبوب القمح.
سابعا :تطبيقات تكنولوجى النانو فى التصنيع الغذائى
فإن طرق تصنيع الغذاء على «الطريقة النانوية» تشمل كل العمليات الكيميائية، الفيزيائية والبيولوجية الهادفة إلى تحسين جودة الغذاء وخفض محتواه الضار، وذلك من خلال التحكم في بنية وتركيب مكوناته الأساسية وذلك على المستوى الجزيئي.
ويعبر هذا المصطلح في نفس الوقت عن جميع العمليات الخاصة المتعلقة بإضافة ذرات وجزيئات لعناصر ومركبات أخرى إلى مادة الغذاء الرئيسية بهدف زيادة توازنها وتكاملها، مع الحفاظ على ما تتميز به من مذاق ونكهة ورائحة محببة ومرغوبة.
لذلك فإن تطبيقات تكنولوجى النانو فى التصنيع الغذائى
تقسم إلى قسمين رئيسيين بصفة عامة
التطبيقات الداخلية
تغيّر في نفس مادة الغذاء، مثل محسنات المذاق و الامتصاص
والكشف السريع عن الجراثيم التى تسبب الأمراض
التطبيقات خارجية
مثل مهمات تخزين الغداء و تغليفه بمواد نانوية أو إضافة روبوتات ذكية تقوم بعمل مختبرات في تحليل الغذاء.
من أهم التطبيقات
1-تصنيع العبوات الحافظة : تستخدم أغلفة الفضة النانوية كجزء لا يتجزأ من البلاستيك لتطلق بعض المواد
الكيميائية النانوية داخل العبوات ، كالمواد المضادة لنمو الميكروبات والمواد المضادة للأكسدة والملونات والمدعمات الغذائية داخل الأغذية أو المشروبات.
وذلك لإطالة فترة الصلاحية أو تحسين النكهة أو اللون أو القيمة الغذائية.
كما تم تطوير عبوات غذائية نانوية يمكنها امتصاص أي نكهات أو روائح غير مرغوب فيها تنشأ داخل العبوات الغذائية
كذلك تم إنتاج عبوات غذائية تحتوي على أنابيب كربونية نانوية تستطيع ضخ غازات ثاني أكسيد الكربون أو الأكسجين إلى خارج العبوات الغذائية في حالة تعرضها للتلف
2-الكشف عن فساد الاغذية
تم تطوير حبر ذكي يحتوي على جزيئات نانوية حساسة للأكسجين وحساسة جدا للأشعة الضوئية فإذا تعرضت للأشعة فوق البنفسجية فان لون الحبر يتغير وفي حالة نفاد الأكسجين داخل العبوة الغذائية يتغير اللون بسرعة وبالتالي
يتم تحذير المستهلك بفساد المادة الغذائية و أنها ستفقد صلاحيتها للاستهلاك الإنساني خلال وقت قصير .
3- اوانى طهى الطعام: تمكن العلماء باستخدام تكنولوجيا النانو من تطوير مادة سيراميكية لها خاصية قوية مضادة للأكسدة يمكن استخدامها في صناعة أوعية طهي الطعام تقلل من زمن القلي، وبالتالي توفر من كمية الوقود المستخدم في إعداد الطعام، وتحتفظ بزيت القلي صالحا للاستخدام لمدة أطول، وتتيح استخدام نفس الكمية من الزيت في قلي أنواع مختلفة من الطعام دون أن يتأثر مذاق أي منها بالآخر
4- القوارير البلاستيكية: وفى السياق ذاته، فقد تم خلال السنوات الثلاث الماضية تسخير تكنولوجيا النانو في إنتاج أنواع متقدمة من القوارير البلاستيكية المستخدمة في حفظ عدد ضخم من السوائل الغذائية والمشروبات الغازية، لتُستخدم كبديل عن القوارير الزجاجية التقليدية.
وتتفوق تلك القوارير الجديدة على نظيرتها المصنعة من الزجاج بمتانتها وعدم تعرضها للكسر أثناء عمليات النقل والتداول. كما تُتيح تلك القوارير التي يتم تقويتها عن طريق إضافة أنابيب وحبيبات نانونية من الصلصال إليها، بالقدرة على الاحتفاظ بمحتواها الغذائى السائل دون تلف، وذلك لمدد زمنية طويلة تصل إلى 18 شهرًا
5- بطاقات التعريف : أعلن العلماء أن السلع الغذائية سوف تزود في المستقبل ببيطقات تعريف صغيرة
تستخدم حاليا في اليابان، تسجل عليها معلومات عن المسار الذي اتخذته السلعة منذ إنتاجها حتى وصولها إلى يد المستهلك، وبواسطة جهاز تحسس دقيق تتاح هذه المعلومات للمستهلك قبل أن يضيف السلعة إلى سلة المشتريات
فيستطيع أن يعرف من أي مزرعة ومن أي قطيع من الماشية جاءت شريحة اللحم التي اشتراها، وهل أعطيت البقرة، التي أخذت منها شريحة اللحم، مضادات حيوية أو هرمونات، بالإضافة إلى معلومات أخرى عن كيفية الذبح والزمن الذي استغرقته شريحة اللحم لتصل إلى أرفف السوق وأساليب نقلها وحفظها.
5- الكبسولات المسامية : نجحت أخيرًا إحدى الشركات الألمانية الكُبرى المتخصصة في إنتاج وتعبئة اللحوم المحفوظة في ابتكار كبسولات مسامية مصنعة من غرويات Colloids متدنية الأحجام تقل أبعاد أقطارها عن 30 نانومتر، يتم تعبئتها ببعض الفيتامينات المهمة مثل «ج، هـ» لتضاف إلى مُنتجات تلك اللحوم بغرض رفع قيمتها الغذائية ودون أن يفطن المستهلك إلى وجودها
وفي الإطار نفسه، يجري استخدام بعض الأحماض الدهنية الآمنة كمواد حافظة لمنتجات اللحوم المحفوظة حيث توضع داخل نفس الكبسولات ، مما يضمن المحافظة على المنتج وثبات ألوانه
6- بعض الأطعمة مثل المايونيز: تقوم منذ فترة وجيزة بعض من شركات الأغذية المحفوظة في أوربا بإنتاج أنواع خاصة من الصلصة المعروفة بالمايونيز Mayonnaise تحتوي على نسب ضئيلة من الزيوت والمواد الدهنية، مع الحفاظ على المذاق المعروف عنها، وعدم المساس بخواصها التقليدية المتعلقة بالشكل، القوام واللون.
وترتكز طريقة الإنتاج هنا على أن تُستبدل بقطرات الزيوت والشحوم التي تدخل في صناعة المايونيز قطرات من الماء يتم التحكم في خواص أسطحها الخارجية بحيث يتم تغليفها بطبقة زيتية رقيقة نانونية السُمك.
لذا فإن قطرة الماء الواحدة المؤلفة من عدة مليارات من جزيئات H2O توفر عددًا ضخمًا من مساحات أسطح هائلة لتلك الجزيئات المُغطاة بطبقات رقيقة من الزيوت، مما يعني استخدامًا أقل للمواد الدُهنية وانخفاض تركيزها
7- المشروبات الغذائية: المعروفة باسم «المشروبات الصحية Healthy Drinks» التي يُضاف إليها حبيبات عنصر الحديد التي تقل أقطارها عن 300 نانومتر والتي يُستفاد من تدني صغر أحجامها في سهولة امتصاص خلايا الجسم لعنصر الحديد والتفاعل السريع معه .
وليس بالضرورة اللجوء إلى تناول تلك المشروبات عادة ما تكون مرتفعة الثمن فقد فطن العلماء إلى أن الحبيبات النانوية المُخلقة لفلز الحديد يُمكن إضافتها إلى أنواع الدقيق المختلفة المستخدمة في صناعة مختلف المخبوزات والحلويات، دون أن يكون لهذا أية آثار سلبية تنعكس على مذاق ورائحة المُنتج
7- حفظ الأغذية الطازجة: بالإضافة إلى توظيف تكنولوجيا النانو في مجال حفظ المنتجات الغذائية السابقة الإعداد أو الطهي، فهي تستخدم أيضًا في حفظ المواد الغذائية الطازجة مثل اللحوم بأنواعها، الفواكه والخضراوات، المخبوزات، منتجات الألبان.
والوجبات الطازجة السابق إعدادها وذلك عن طريق تغليفها بأفلام رقيقة من البلمرات الشفافة التي لا تزيد سماكتها على خمسة نانومتر، حيث يُدمج بها حبيبات أو أنابيب نانونية تعمل على غلق مسامها بهدف منع وصول الرطوبة إلى الغذاء الطازج الموجود داخل العبوة.
بالإضافة إلى دور تلك الحبيبات في تحسين قدرة لفائف التغليف لمقاومة درجات الحرارة العالية المحيطة بالعبوة والصمود أمام أخطار التلوث الإشعاعي، فإنها في الوقت نفسه تقوم بتفويت الفرصة أمام غازي الأكسجين وثاني أكسيد الكربون من التسرب داخل العبوة.
مقال
تكنولوجيا النانو والتصنيع الغذائى
إعداد
د/ امل محمد محمود جمعة
باحث أول بمعهد بحوث الإرشاد الزراعى والتنمية الريفية – مركز البحوث الزراعية
المصدر
عدد يونيو من الصحيفة الزراعية الصادرة عن قطاع إدارة الثقافة الزراعية بقطاع الإرشاد الزراعي بوزارة الزراعة
اقرأ أيضا
كارت الفلاح الذكي ببطاقة الرقم القومي..”يوسف” يزف بشرى سارة للمزارعين
محصول الأرز.. الأهمية الاقتصادية والغذائية وحدود قدراتنا الإنتاجية
رئيس اتحاد النحالين العرب: قروض تمويلية للمناحل من البنك الزراعي قريبا
التسمم بالثعابين.. أبرز 24 عرضًا ظاهريًا و12 توصية للعلاج والإسعاف
لا يفوتك
أهمية تطوير منظومة المبيدات فى مصر
