ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ
ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΤΡΟΦΗΣ
«ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΤΡΟΦΙ...
2
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ
Η παρούσα εργασία στο μάθημα συγγραφής επιστημονικών συγγραμμάτων και
τεχνικών εκθέσεων με θέμα «Νανοτεχνολο...
3
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Η έννοια της Νανοτεχνολογίας ειπώθηκε από τον Richard Feynman το 1959 σε μια
συνεδρίαση της American Physical S...
4
ABSTRACT
The term of Νanotechnology was introduced by Richard Feynman in 1959 at a
meeting of the American Physical Soci...
5
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
ΠΡΟΛΟΓΟΣ ......................................................................................................
6
ΠΡΟΛΟΓΟΣ
Στόχος αυτής της εργασίας είναι να αναδείξει τον τρόπο με το οποίο η
Νανοτεχνολογία μετέχει θετικά στη βιομηχαν...
7
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1⁰: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΟΝ
ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΓΕΩΡΓΙΑΣ
1.1. Χρήση της Νανοτεχνολογίας στη γεωργία
Τα νανο-υλ...
8
του γονιδίου (Miller and Senjen, 2008; Nair et al., 2010) ή τον έλεγχο της απελευθέρωσης
του γενετικού υλικού.
Ένας άλλο...
9
(2007)
Νανοαισθητήρες
για την υγεία του
εδάφους
Παρακολούθηση των
εδαφικών συνθηκών
και της ανάπτυξης
των καλλιεργειών
Ν...
10
Μαρκάρισμα των
παθογόνων σε
γεωργικές εκτάσεις
μαρκάρουν
πολλαπλά παθογόνα
σε ένα αγρόκτημα,
τα οποία μπορούν να
ανιχνε...
11
ορυκτά που υπάρχουν μόνο στο φάσμα των νανο-σωματιδίων και στα ορυκτά νανο-
σωματίδια, που είναι μέταλλα σε εύρος μεγέθ...
12
το έδαφος δεν μεταφέρεται σε άλλες θέσεις για επεξεργασία και απομάκρυνση. Λόγω του
υψηλού κόστους και της περιόδου μακ...
13
δραστικότητα έναντι ενός ευρέους φάσματος αρθρόποδων παρασίτων και έχει φορτωθεί
σε πορώδη κοίλα νανο-σωματίδια πυριτίο...
14
1.7. Πράσινη σύνθεση νανοσωματιδίων
Τα νανοσωματίδια βρίσκουν εκτεταμένες εφαρμογές στην τεχνολογία αισθητήρων,
στη βιο...
15
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2⁰: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΗΝ
ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ
2.1.Προβλεπόμενες εφαρμογές της...
16
- Ανόργανα πρόσθετα νανο-μεγέθους για εφαρμογές στα τρόφιμα και τις ζωοτροφές
Ουσιαστικά, παρατηρούνται τα ίδια οφέλη μ...
17
Έξυπνα φίλτρα
Επιλεκτικά νανο-φίλτρα που μπορούν να διακρίνουν τα
μόρια με βάση το σχήμα και το μέγεθος τους, επιτρέπου...
18
(Hughes, 2005). Έτσι, η νανο-ενθυλάκωση έχει τη δυνατότητα να ενισχύσει τη
βιοδιαθεσιμότητα, να βελτιώσει την ελεγχόμεν...
19
Πίνακας 2.2: Τεχνικές και στόχοι νανο-ενθυλάκωσης
Τεχνικές νανο-
ενθυλάκωσης
Στόχοι Βιβλιογραφία
Γαλακτοματοποίηση
-Προ...
20
-Έλεγχος της απελευθέρωσης των
ενθυλακωμένων πρωτεϊνών
Συμπλοκοποίηση
-Σχηματισμός ενός διαφανούς
διαλύματος, βελτίωση ...
21
-Βελτίωση των συνθηκών
λειτουργίας
και μείωση της απώλειας
φυτοστερολικού.
-Ελαχιστοποίηση της
επανασυνένωσης, βελτίωση...
22
Πηγή: Ezhilarasi et al., 2012
2.3. Διεργασίες για την παραγωγή των νανο-υλικών
Η παραγωγή νέων νανο-υλικών επιτυγχάνετα...
23
της ποιότητας του προϊόντος. Οι τρεις τύποι δύναμης που χρησιμοποιούνται στην μείωση
του μεγέθους των τροφίμων είναι η ...
24
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3⁰: ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΣΥΣΚΕΥΑΣΙΑ
ΤΡΟΦΙΜΩΝ
3.1. Προστατευτικές ιδιότητες-εφαρμογές των πολυμερών νανο-συνθέτων...
25
ιδιότητες από τα πολυμερή ελέγχου που δεν περιέχουν νανο-κλίμακα πληρώσεως. Επίσης,
έχουν αναφερθεί μεταβολές στην επιφ...
26
μηχανισμούς είναι ο πιο σημαντικός. Τέλος, υπάρχουν ενδείξεις ότι η αντιβακτηριακή
δραστικότητα των ζεολίθων αργύρου πρ...
27
τροφικών αναλύσεων είναι ακόμα στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης. Οι πιο πρόσφατες και
συναρπαστικές εφαρμογές σε αυτόν το...
28
των αιμοπεταλίων με πάχος 6-8 nm (Kristo and Biliaderis, 2007). Οι Kristo και Biliaderis
(2007) ανέφεραν ότι η προσθήκη...
29
τοξίνες στα τρόφιμα, όντας τότε χρήσιμοι για να εξαλείψουν την ανάγκη για ανακριβείς
ημερομηνίες λήξης, παρέχοντας την ...
30
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4⁰: ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΚΙΝΔΥΝΟΙ ΤΗΣ
ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ
4.1. Πιθανοί κίνδυνοι
Ενώ τα υλικά νανο-μεγέθους προσφέρουν πο...
31
- Τομείς μείζονος ενδιαφέροντος, όπου τα προϊόντα διατροφής περιέχουν αδιάλυτα,
δύσπεπτα και ενδεχομένως βιοεπίμονα ναν...
32
4.2. Επιστημονικές κριτικές αναφερόμενες στην αξιολόγηση του κινδύνου των
νανοτεχνολογιών στους τομείς των τροφίμων και...
33
σε οποιαδήποτε από τα χαρακτηριστικά τους μπορεί να οδηγήσει και σε αλλαγές της
βιολογικής τους δραστικότητας".
Η εκτίμ...
Nanotechnology in the food industry
Nanotechnology in the food industry
Nanotechnology in the food industry
Nanotechnology in the food industry
Nanotechnology in the food industry
Nanotechnology in the food industry
Nanotechnology in the food industry
of 40

Nanotechnology in the food industry

The present study is focused on the aspects of nanotechnology related to the agricultural production and food processing, proposing solutions to address the challenges of food security and environmental remediation. Also, a variety of applications and techniques of Νanotechnology is listed in various food sectors with the main objective to improve their quality. An important part in the food industry is packaging, that’s why there is a reference in the protection and food safety through the help of nano-particles. Finally, we will discuss the regulations of Νanotechnologies, the impact of Νanotechnology in food and highlight the potential health and environmental risks.
Published on: Mar 3, 2016
Published in: Science      
Source: www.slideshare.net


Transcripts - Nanotechnology in the food industry

  • 1. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΤΡΟΦΗΣ «ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ» ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΣΥΓΓΡΑΦΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΩΝ ΣΥΓΓΡΑΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΚΘΕΣΕΩΝ ΓΚΑΛΕΝΗ ΝΙΚΟΛΕΤΤΑ ΚΑΛΑΜΑΤΑ 2014
  • 2. 2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα εργασία στο μάθημα συγγραφής επιστημονικών συγγραμμάτων και τεχνικών εκθέσεων με θέμα «Νανοτεχνολογία στη βιομηχανία τροφίμων», του τμήματος Τεχνολογίας Τροφίμων και Διατροφής, εκπονήθηκε από τη φοιτήτρια Γκαλένη Νικολέττα κάτω υπό την επίβλεψη της καθηγήτριας Σοφίας Αγριοπούλου. Αισθάνομαι λοιπόν την ανάγκη να ευχαριστήσω θερμά την καθηγήτρια κα. Σοφία Αγριοπούλου για τη βοήθεια και την καθοδήγησή της κατά τη διάρκεια του ακαδημαϊκού έτους 2014, καθώς και για τις πολύτιμες συμβουλές και γνώσεις που μου μετέδωσε μέχρι την ολοκλήρωση της εργασίας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους κοντινούς μου ανθρώπους που μου συμπαραστάθηκαν αμελητέα, μου έδωσαν το θάρρος να προχωρήσω και με υποστήριξαν μέχρι την τελευταία στιγμή.
  • 3. 3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η έννοια της Νανοτεχνολογίας ειπώθηκε από τον Richard Feynman το 1959 σε μια συνεδρίαση της American Physical Society (Αμερικάνικη Φυσική Κοινωνία) το 2006. Από τότε, η Νανοτεχνολογία έχει εξελιχθεί σε έναν διεπιστημονικό τομέα της εφαρμοσμένης επιστήμης και τεχνολογίας. Η Νανοτεχνολογία είναι η ικανότητα να εργαζόμαστε σε μια κλίμακα από περίπου 1-100 nm, προκειμένου να κατανοήσουμε, να δημιουργήσουμε, να χαρακτηρίσουμε και να χρησιμοποιήσουμε υλικές δομές, συσκευές και συστήματα με νέες ιδιότητες που προέρχονται από νανο-δομές. Λόγω του μεγέθους τους, τα νανο-σωματίδια έχουν αναλογικά μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής και κατά συνέπεια περισσότερα επιφανειακά άτομα από τα ομόλογα μικροσκοπικά. Η παρούσα εργασία επικεντρώθηκε στις πτυχές της νανοτεχνολογίας που σχετίζονται με τη γεωργική παραγωγή και την επεξεργασία των τροφίμων προτείνοντας λύσεις για την αντιμετώπιση των προκλήσεων όσον αφορά την ασφάλεια των τροφίμων και την περιβαλλοντική αποκατάσταση. Επίσης, αναφέρονται ποικίλες εφαρμογές και τεχνικές της Νανοτεχνολογίας σε διάφορους τομείς των τροφίμων με κύριο στόχο την βελτίωση της ποιότητας τους. Ένα σημαντικό κομμάτι στην βιομηχανία των τροφίμων αποτελεί η συσκευασία, γι’ αυτό και γίνεται αναφορά στην προστασία και την ασφάλεια των τροφών μέσω της βοήθειας νανο-σωματιδίων. Τέλος, θα συζητήσουν οι κανονισμοί των Νανοτεχνολογιών, οι επιπτώσεις της Νανοτεχνολογίας στα τρόφιμα και θα προβληθούν οι πιθανοί κίνδυνοι για την υγεία και το περιβάλλον. Λέξεις-κλειδιά: νανο-κλίκαμα, νανο-σωματίδια, ασφάλεια τροφίμων.
  • 4. 4 ABSTRACT The term of Νanotechnology was introduced by Richard Feynman in 1959 at a meeting of the American Physical Society in 2006. Since then, nanotechnology has developed into a multidisciplinary field of applied science and technology. Nanotechnology is the ability to work on a scale of about 1–100 nm, in order to understand, create, characterize and use material structures, devices and systems with new properties derived from their nanostructures. Because of their size, nanoparticles have proportionally larger surface area and consequently more surface atoms than their microscale counterpart. The present study is focused on the aspects of nanotechnology related to the agricultural production and food processing, proposing solutions to address the challenges of food security and environmental remediation. Also, a variety of applications and techniques of Νanotechnology is listed in various food sectors with the main objective to improve their quality. An important part in the food industry is packaging, that’s why there is a reference in the protection and food safety through the help of nano-particles. Finally, we will discuss the regulations of Νanotechnologies, the impact of Νanotechnology in food and highlight the potential health and environmental risks. Key-words: nano-scale, nano-particles, food safety.
  • 5. 5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ..........................................................................................................................6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1⁰: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΓΕΩΡΓΙΑΣ.............................................................................................................................7 1.1. Χρήση της Νανοτεχνολογίας στη γεωργία.....................................................................7 1.2. Νανο-διάχυση στο περιβάλλον.....................................................................................10 1.3. Νανο-υλικά στο έδαφος................................................................................................10 1.4. Νανο-υλικά στο νερό....................................................................................................11 1.5. Νανο-σκευάσματα αγροχημικών..................................................................................12 1.6. Μικρο-συστοιχίες..........................................................................................................13 1.7. Πράσινη σύνθεση νανο-σωματιδίων.............................................................................14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2⁰: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ.............................................................................15 2.1. Προβλεπόμενες εφαρμογές της Νανοτεχνολογίας στους τομείς των τροφίμων...........15 2.2. Νανο-ενθυλάκωση ........................................................................................................17 2.2.1. Τεχνικές νανο-ενθυλάκωσης......................................................................................18 2.3. Διεργασίες για την παραγωγή των νανο-υλικών...........................................................23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3⁰: ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΣΥΣΚΕΥΑΣΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ....................24 3.1. Προστατευτικές ιδιότητες-εφαρμογές των πολυμερών νανο-συνθέτων.......................24 3.2. Νανο-σωματίδια αργύρου και νανο-σύνθετα ως αντιμικροβιακά υλικά συσκευασίας τροφίμων..............................................................................................................................25 3.3. Νανο-αισθητήρες και δοκιμασίες με βάση τη Νανοτεχνολογία για τροφικές αναλύσεις..............................................................................................................................26 3.4. Νανο-ενισχυτές.............................................................................................................27 3.5. Νανο-κρύσταλλοι αμύλου.............................................................................................27 3.6. Αντιμικροβιακά νανο-σύνθετα......................................................................................28 3.7. Αισθητήρες βασισμένοι σε νάνο..................................................................................28 3.8. Συστήματα ακινητοποίησης ενζύμου νανο-κλίμακας...................................................29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4⁰: ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΚΙΝΔΥΝΟΙ ΤΗΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ..........30 4.1. Πιθανοί κίνδυνοι...........................................................................................................30 4.2.Επιστημονικές κριτικές αναφερόμενες στην αξιολόγηση του κινδύνου των Νανοτεχνολογιών στους τομείς των τροφίμων και της γεωργίας........................................32 4.3. Ρυθμιστικές πτυχές........................................................................................................33 4.4. Κανονισμός των Νανοτεχνολογιών στη βιομηχανία τροφίμων..................................34 4.5. Ανασκόπηση της παγκόσμιας νομοθεσίας....................................................................35 4.6. Σχετικές δραστηριότητες της Ευρωπαϊκής Ένωσης (ΕΕ).............................................36 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ............................................................................................................38 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ................................................................................................................39
  • 6. 6 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στόχος αυτής της εργασίας είναι να αναδείξει τον τρόπο με το οποίο η Νανοτεχνολογία μετέχει θετικά στη βιομηχανία των τροφίμων μέσω καινοτόμων εφαρμογών. Η εργασία αφορούσε όλο τον κύκλο ζωής των προϊόντων, από την παραγωγή μέχρι τα χέρια του καταναλωτή, αναφέροντας κάθε φόρα τα νανο-μερή που συμβάλουν στην επίτευξη της κάθε εφαρμογής. Επιπλέον, πέρα από την προαγωγή την Νανοτεχνολογίας, υπογραμμίζει τους κινδύνους που παραμονεύουν, ενημερώνοντας τους πολίτες για όλα τα πιθανά σενάρια ύστερα από την χρήση νανο-υλικών και σχετκών τεχνικών.
  • 7. 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1⁰: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΓΕΩΡΓΙΑΣ 1.1. Χρήση της Νανοτεχνολογίας στη γεωργία Τα νανο-υλικά συμβάλουν στην προστασία των φυτών:  Παρέχοντας καλύτερη διείσδυση των ζιζανιοκτόνων μέσω των ιστών των ζιζανίων (Gonzalez-Melendi et al., 2008; Perez-de-Luque and Rubiales, 2009)  Αυξάνοντας την υγρασία και τη διασπορά καθώς και τη συγγένεια ως προς το φυτοφάρμακο που στοχεύουμε (Jianhui et al., 2005; Bergeson, 2010).  Τροποποιώντας ιικά καψίδια επιτυγχάνοντας διαφορετικές διαμορφώσεις και παραδίδοντας ειδικά νουκλεϊκά οξέα, ένζυμα ή αντιμικροβιακά πεπτίδια που ενεργούν έναντι των παρασίτων (Torney et al., 2007). Έτσι, η χρήση νανο-δομιμένων καταλυτών θα μπορούσε να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα των ζιζανιοκτόνων και των φυτοφαρμάκων ενώ ταυτόχρονα θα ήταν εφικτή η χρήση μειωμένης δόσης σε σχέση με τις χρησιμοποιούμενες ποσότητες (Corredor et al., 2009). Μια ακόμη χρήση της Νανοτεχνολογίας στη γεωργία είναι η ανίχνευση μικροβιακών μολύνσεων (Karn et al., 2009; Ma et al., 2010b), τοξικών ρυπών (Balaji, 2006; Hillie and Hlophe, 2007) και η επίβλεψη της κατάστασης του χώματος, της σοδειάς, του μικροπεριβάλλοντος των φυτών καθώς και των ενζυμικών αντιδράσεων (Gonzalez- Melendi et al., 2008). Η Νανοτεχνολογία μπορεί να εφαρμοστεί και για σκοπούς αποκατάστασης μέσω κατασκευής νανο-φωτοκαταλυτών που θα μπορούν να υποβαθμίσουν τα οργανικά παρασιτοκτόνα και τα βιομηχανικά απόβλητα σε χρήσιμα και αβλαβή προϊόντα (Otto et al., 2008; Karn et al., 2009; Sidorenko et al., 2003). Φίλτρα ή καταλύτες θα μπορούσαν επίσης να δημιουργηθούν ώστε να μειωθεί η ρύπανση με ταυτόχρονη εξυγίανση των υφιστάμενων ρύπων (Han et al., 2008). Μέσω της παραπάνω τεχνολογίας αλλά και σε συνδυασμό με τομείς όπως η βιοτεχνολογία, μπορεί να γίνει ευκολότερος ο γενετικός χειρισμός των φυτών. Επιτρέπει λοιπόν στα νανοσωματίδια, τις νανο-ίνες και τις νανο-κάψουλες να χρησιμοποιηθούν ως φορείς για το νέο γενετικό υλικό έναντι των συμβατικών φορέων. Αυτοί οι μεταφορείς θα μπορούν να μεταφέρουν μεγαλύτερο αριθμό γονιδίων αλλά και ουσίες που μπορούν να προκαλέσουν την έκφραση
  • 8. 8 του γονιδίου (Miller and Senjen, 2008; Nair et al., 2010) ή τον έλεγχο της απελευθέρωσης του γενετικού υλικού. Ένας άλλος τομέας που έχουμε εφαρμογή της Νανοτεχνολογίας είναι η σωματιδιακή γεωργία. Τα νανο-σωματίδια αποδίδονται προς βιομηχανική χρήση μέσω καλλιέργειας φυτών σε καθορισμένα εδάφη (Marchiol, 2012). Μια έρευνα έδειξε πως τα τριφύλλια αναπτύσσονται σε χρυσό πλούσιο χώμα απορροφώντας χρυσά νανο-σωματίδια μέσω των ριζών τους και συσσωρεύοντάς τα στους ιστούς τους (Gardea-Torresdey et al., 2002). Τα χρυσά νανο-σωματίδια μπορούν να διαχωριστούν μηχανικά από των ιστό του φυτού μέσω της συγκομιδής. Επίσης έχει αναφερθεί και ο σχηματισμός νανο-σωματιδίων από κράμα χρυσού-αργύρου-χαλκού (Haverkamp et al., 2007). Ορισμένα σημεία που η νανοτεχνολογία μετέχει στην γεωργία παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.1. Πίνακας 1.1: Παραδείγματα της τρέχουσας χρήσης των νανοϋλικών στη γεωργία και οι σχετικές διαδικασίες Είδος προιόντος Σκοπός Νανο-περιεχόμενο Βιβλιογραφία Θεραπεία ανάπτυξης των φυτών Αυξάνουν τη δραστικότητα των δραστικών συστατικών μειώνοντας την ποσότητα που θα εφαρμοστεί Νανο-γαλακτώματα (100nm) Barati (2010) Pandey et al. (2010) Συστήματα παροχής Νανο- τεχνολογίας Παρέχουν φυτοφάρμακα, λιπάσματα και άλλα αγροχημικά Νανο-κάψουλα Perea-de-Lugue and Rubilaes (2009) Mukal et al. (2009) Maysinger et al.
  • 9. 9 (2007) Νανοαισθητήρες για την υγεία του εδάφους Παρακολούθηση των εδαφικών συνθηκών και της ανάπτυξης των καλλιεργειών Νανο-σωματίδια και κβαντικές τελείες Guere (2011) Scott (2002) Παράγοντες παράδοσης Παροχή DNA για τα φυτά Μεσοπορώδη Si νανο-σωματίδια (3nm) Torney et al. (2007) Προϊόντα διαχείρισης των γεωργικών αποβλήτων Ανακύκλωση των γεωργικών αποβλήτων με τη χρήση νεοαποκτηθέντων διαλυτών και μιας ηλεκτροστατικής τεχνικής. Απορροφητικά λιπάσματα και φυτοφάρμακα Νανο-ίνες (100 nm) παραγόμενες από ίνα βαμβακιού Lang (2003) Παραγωγή βιοκαυσίμων και διαδικασίες Καταλύτης για την παροχή απλής και αποδοτικής μετατροπής της κυτταρίνης από φυτικά μέρη σε αιθανόλη Νανο-σωματίδια διαφορετικού μεγέθους ως καταλύτες Liou and Wu (2010) Νανο-barcodes και νανο- επεξεργασία Παρακολούθηση της ποσότητας των γεωργικών διαδικασιών. Μικροσκοπικοί ανιχνευτές (νανο- barcodes) που θα μπορούσαν να Li et al. (2005)
  • 10. 10 Μαρκάρισμα των παθογόνων σε γεωργικές εκτάσεις μαρκάρουν πολλαπλά παθογόνα σε ένα αγρόκτημα, τα οποία μπορούν να ανιχνευθούν χρησιμοποιώντας εξοπλισμό φθορισμού Πηγή: Weiss et al., 2006 1.2. Νανο-διάχυση στο περιβάλλον Τα νανοσωματίδια δεν είναι μια ανθρώπινη εφεύρεση, αντιθέτως, πάντα υπήρχαν στο φυσικό περιβάλλον. Για παράδειγμα, νανοσωματίδια έχουν βρεθεί σε 10.000 ετών πυρήνα πάγου (Murr et al., 2004; Murr and Garza, 2009) και υπάρχουν ενδείξεις φυσικού σχηματισμού τους σε ιζήματα στην Κρητιδική - Τριτογενή περίοδο (Verma et al., 2002). Αν λάβουμε υπόψη την ατμοσφαιρική σκόνη από μόνη της, εκτιμήσεις δείχνουν πως περίπου ένα δισεκατομμύριο μετρικών τόνων παράγονται ετησίως σε παγκόσμιο επίπεδο (Kellogg and Griffin, 2006). Αν το συγκρίνουμε αυτό με τις εκτιμήσεις παραγωγής για επεξεργασμένα νανοϋλικά της τάξης μερικών χιλιάδων τόνων ανά έτος, για κάθε βασικό τύπο υλικού (Borm et al., 2006), είναι σαφές ότι η έκθεση σε φυσικά νανο-σωματίδια αντισταθμίζει κατά πολύ οποιαδήποτε ανθρωπογενή παραγωγή. Υπάρχουν διάφοροι μηχανισμοί που δημιουργούν νανο-σωματίδια στο περιβάλλον και μπορεί να είναι είτε γεωλογικοί ή βιολογικοί. Οι γεωλογικοί μηχανισμοί περιλαμβάνουν φυσικοχημικές καιρικές συνθήκες και ηφαιστειακή δραστηριότητα. Αυτές οι γεωλογικές διεργασίες συνήθως παράγουν ανόργανα νανοσωματίδια. Οι βιολογικοί μηχανισμοί συνήθως παράγουν οργανικά νανο-μόρια, αν και μερικοί οργανισμοί μπορούν να παράγουν κόκκους ορυκτών στα κύτταρα. 1.3. Νανουλικά στο έδαφος Οι νανο-επιστήμες είναι ζωτικής σημασίας για τις επιστήμες του εδάφους, διότι πολλές φυσικές ενώσεις των εδαφών είναι νανο-σωματιδιακές ή έχουν νανο-κλιμακωτά χαρακτηριστικά. Διαφορετικά νανο-υλικά μπορούν να βρεθούν στο έδαφος όπως, νανο-
  • 11. 11 ορυκτά που υπάρχουν μόνο στο φάσμα των νανο-σωματιδίων και στα ορυκτά νανο- σωματίδια, που είναι μέταλλα σε εύρος μεγέθους νανο αλλά υπάρχουν και σε μεγαλύτερα μεγέθη (Maurice and Hochella, 2008). Διαφορετικά νανο-υλικά υπάρχουν στο χώμα ως συσσωματώματα νανο-κλίμακας της φυσικής οργανικής ύλης, βακτηριακών αποφύσεων, οργανικών και ανόργανων σωματίδιων, όπως ζεόλιθοι και άλλα νανο-ορυκτά. Ειδικότερα, διαφορετικές τάξεις ανόργανων υλικών όπως πυριτικά, οξείδια/υδροξείδια, ανθρακικά άλατα, φωσφορικά άλατα, μεταλλικά σουλφίδια ή οργανικά υλικά, όπως κυτταρικά κλάσματα, μακρομόρια, μπορούν να βρεθούν στο έδαφος (Maurice and Hochella, 2008). Κατασκευασμένα νανο-σωματίδια μπορούν επίσης να βρεθούν στο έδαφος. Σωματίδια λιπασμάτων μπορούν να επικαλυφθούν με νανο-μεμβράνες που διευκολύνουν την αργή και σταθερή απελευθέρωση θρεπτικών ουσιών. Η επίστρωση και τσιμεντοποίηση των νανο και υπνανο-συνθετικών υλικών είναι ικανές να ρυθμίζουν την απελευθέρωση των θρεπτικών ουσιών από την κάψουλα λιπάσματος (Liu et al., 2006). Η εγκατάσταση των νανο-αισθητήρων ή των ασύρματων αισθητήρων νανο-κλίμακας στον τομέα των αγροτών, εφαρμόζεται ώστε να καταστεί δυνατή η παρακολούθηση του εδάφους σε πραγματικό χρόνο και η έγκαιρη διάγνωση πιθανών προβλημάτων, όπως η εξάντληση των θρεπτικών ουσιών του εδάφους και η έλλειψη νερού (Scott and Chen, 2003). Σε αυτό το πλαίσιο, οι νανο-αισθητήρες μπορούν να αποτελέσουν ένα μέσο για να επεκταθεί η λογική της λεπτομερούς γεωργίας σε νέους τρόπους, προκειμένου να εντοπιστούν και να διορθωθούν τα αγρονομικά προβλήματα σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Να σημειωθεί, πως νανο-υλικά όπως οι υδροπηκτές και οι ζεόλιθοι, είναι χρήσιμα για τη βελτίωση της ικανότητας συγκράτησης νερού του εδάφους (El-Salmawi, 2007) και της απορρόφησης των περιβαλλοντικών ρύπων (Yuan, 2004; Baruah and Dutta, 2009). 1.4. Νανουλικά στο νερό Η νανο-αποκατάσταση έχει τη δυνατότητα όχι μόνο να μειώσει το συνολικό κόστος του καθαρισμού μεγάλης κλίμακας μολυσμένων περιοχών, αλλά μπορεί επίσης να μειώσει το χρόνο καθαρισμού, να εξαλείψει την ανάγκη για επεξεργασία των μολυσμένων εδαφών, να μειώσει κάποιες συγκεντρώσεις ρύπων κοντά στο μηδέν και να διεξαχθεί επί τόπου. Οι μέθοδοι in situ (επί τόπου) νανο-αποκατάστασης, περιλαμβάνουν την εφαρμογή αντιδραστικών νανο-υλικών για το μετασχηματισμό και την αποτοξίνωση των ρύπων in situ (Handy et al., 2008a). Τα υπόγεια ύδατα δεν αντλούνται για υπέργεια επεξεργασία και
  • 12. 12 το έδαφος δεν μεταφέρεται σε άλλες θέσεις για επεξεργασία και απομάκρυνση. Λόγω του υψηλού κόστους και της περιόδου μακράς λειτουργίας, οι in situ τεχνολογίες επεξεργασίας των υπόγειων υδάτων αυξάνονται. Πρόσφατα, ένα υλικό που χρησιμοποιεί οξείδια του αζώτου σε μέγεθος νάνο χρησιμοποιήθηκε in situ για να καθαρίσει διαρροές πετρελαίου θέρμανσης από τα υπόγεια δεξαμενών πετρελαίου. Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα από αυτή την τεχνολογία οξειδοαναγωγής υποδηλώνουν ταχύτερα, φθηνότερα αποτελέσματα και εν τέλει, χαμηλότερα συνολικά μολυσματικά επίπεδα σε σχέση με τις προηγούμενες μεθόδους αποκατάστασης. Οι Νανοτεχνολογίες μπορούν να εφαρμοστούν στο νερό για διαφορετικούς σκοπούς, όπως η μεταφορά οργανικών ή ανόργανων θρεπτικών ουσιών σε νανο-κάψουλες (Acosta, 2009), η τροποποίηση της συγκέντρωσης και της βιοδιαθεσιμότητας των νανοσωματιδίων (Borm et al., 2006), η αποκατάσταση του μολυσμένου νερού και η ανίχνευση υδρόφορων μολυσματικών παραγόντων (Otto et al., 2008; Theron et al., 2008). Ειδικότερα, νανο-σκόνες σιδήρου μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αποτελεσματικά εργαλεία νανο-αποκατάστασης για τον καθαρισμό του μολυσμένου εδάφους και του νερού (Nurmi et al., 2005). Η χρήση αυτών των νανο-ενώσεων για την εξυγίανση του νερού θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για μία νανο-υδατοκαλλιέργεια που θα είναι επωφελής για ένα μεγάλο αριθμό αγροτών σε όλο τον κόσμο (Rather et al., 2011). 1.5. Νανο-σκευάσματα αγροχημικών Εντομοκτόνα νανο-σκευάσματα έχουν κερδίσει πρόσφατα την προσοχή της επιστημονικής κοινότητας καθώς έχουν μικρό μέγεθος, βελτιωμένη απορρόφηση, διαλυτότητα, σταθερότητα (τα νανοσωματίδια δεν εγκαθίστανται σε υγρό εναιώρημα) κλπ. Ως εκ τούτου, απαιτούνται μικρότερες ποσότητες για τις ακριβέστερες εφαρμογές ψεκασμού με τη χρήση κατάλληλων ακροφύσιων. Τα αγροχημικά φορτώνονται σε διαφορετικούς νανο-φορείς, οδηγώντας στην αύξηση της βιοδραστικότητά τους, προστασία από ταχεία αποδόμηση, παρατεταμένη απελευθέρωση και παρατεταμένη διάρκεια των βιοδραστικών παραγόντων. Αυτό μειώνει επίσης τη χρήση και τις παρενέργειες των αγροχημικών. Ορισμένα νανο-σκευάσματα αγροχημικών ακολουθούν παρακάτω. Το Bifenthrin είναι ένα εντομοκτόνο, τα νανο-σωματίδια του οποίου παρέχουν μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα, καλύτερη ομοιομορφία της κάλυψης και λιγότερη έκθεση στους εργαζόμενους (Mulqueen, 2003). Η αβερμεκτίνη που περιέχει, δείχνει
  • 13. 13 δραστικότητα έναντι ενός ευρέους φάσματος αρθρόποδων παρασίτων και έχει φορτωθεί σε πορώδη κοίλα νανο-σωματίδια πυριτίου. Το Validamycin είναι ένα μη-συστημικό αντιβιοτικό με μυκητοκτόνο δράση, έχει επίσης εγλωβιστεί σε πορώδη κοίλα νανο-σωματίδια πυριτίου. Το Validamycin φορτώνενται στην εξωτερική επιφάνεια, ο ενδιάμεσος χώρος των ποροειδών καναλιών του κελύφους και του εσωτερικού πυρήνα του πορώδους κοίλου νανο-σωματιδίου πυριτίου οδηγεί σε κυμαινόμενη απελευθέρωση, η οποία μπορεί επίσης να διαμορφώνεται από την αύξηση της θερμοκρασίας ή του ρΗ (Wen et al.,2005). Το Chlorothalonil, είναι ένα ευρύ φάσμα μη συστημικού μυκητοκτόνου και τεβουκοναζόλης, ένα τριαζόλιο μυκοκτόνο, που χρησιμοποιείται γεωργικώς για τη θεραπεία φυτοπαθογόνων μυκήτων και φορτώνεται σε πολυμερή νανο-σωματίδια. Επίσης, νανο-σκευάσματα αγροχημικών έχουν ήδη εισέλθει στην αγορά. Πολλές εταιρείες κάνουν σκευάσματα νανο-σωματιδίων στην περιοχή μεγέθους των 100-250 nm. Τέτοια σκευάσματα είναι σε θέση να διαλύονται στο νερό πιο αποτελεσματικά από τα υφιστάμενα, αυξάνοντας έτσι την δραστηριότητα τους (Action Group on Erosion, Technology and Concentration (ETC Group), 2004). Άλλες εταιρίες απασχολούν εναιωρήματα σωματιδίων νανο-κλίμακας (νανο-γαλακτώματα), τα οποία είναι βασισμένα είτε σε νερό ή σε λάδι και περιέχουν ομοιόμορφα εναιωρήματα παρασιτοκτόνων ή ζιζανιοκτόνων νανο-σωματιδίων στην περιοχή από 200-400 nm. 1.6. Μικρο-συστοιχίες Ένας άλλος τομέας της γεωργίας όπου η Νανοτεχνολογία μπορεί να παίξει ζωτικό ρόλο, είναι η ανάλυση μικρο-συστοιχιών των φυτών. Η νανοτεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση της αποτελεσματικότητας των μικρο-συστοιχιών μέσω στρατηγικών κινητοποίησης και σημάτων ενίσχυσης των μικρο-συστοιχιών. Οργανικά νανο-σωματίδια πυριτίου εμβαπτισμένα σε χρωστική έχουν χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση του DNA. Ένας μεγάλος αριθμός φθοροφόρων έχουν εγκλωβιστεί στο εσωτερικό ενός ενιαίου νανοσωματιδίου, που παρήγαγε ένα ισχυρό σήμα φθορισμού κατά κατάλληλη διέγερση. Ως εκ τούτου, όταν ένας DNA ανιχνευτής σημάνθηκε με ένα νανο- σωματίδιο πυριτίου εμβαπτισμένο σε χρωστική, το σήμα ήταν σημαντικά ενισχυμένο σε σύγκριση με εκείνο με ένα φθοροφόρο. Μέσω της χρήσης αυτής της στρατηγικής, τα στοχευμένα μόρια DNA μπορούν να ανιχνευθούν σε μία συγκέντρωση τόσο χαμηλή όσο 8 × 10-13 Μ (Zhao et al., 2003; Yan et al., 2007).
  • 14. 14 1.7. Πράσινη σύνθεση νανοσωματιδίων Τα νανοσωματίδια βρίσκουν εκτεταμένες εφαρμογές στην τεχνολογία αισθητήρων, στη βιολογική επισήμανση, στην οπτοηλεκτρονική, την αποθήκευση πληροφοριών και την παράδοση των φαρμάκων (Gracias et al., 2002; Qiu et al., 2004; Tomet et al., 2004). Πρόσφατα, μεγαλύτερη έμφαση έχει δοθεί στην πράσινη σύνθεση των νανο-σωματιδίων (Gardea-Torresdey et al., 2002; Shankar et al., 2003a, 2003b; Shankar et al., 2004; Amkamwar et al., 2005a, 2005b; Chandran et al., 2006; Kasthuri et al., 2009; Song and Kim, 2009). Η πράσινη σύνθεση χρησιμοποιώντας φυτά που περιείχαν λειτουργικά μόρια για την αντίδραση, είναι συμβατή με τις αρχές της πράσινης χημείας (Mohanpuria et al., 2007; Kumar and Yadav, 2009). Το τεράστιο ποσό των φυτοχημικών σε φυτικά εκχυλίσματα δρουν ως μειωτικοί παράγοντες για τα μεταλλικά νανο-σωματίδια (Shankar et al., 2004; Song and Kim, 2009). Τα νανοσωματίδια δεν μπορούν να παραχθούν σε εργαστήριο, αλλά καλλιεργούνται σε αγρούς γενετικά τροποποιημένων καλλιεργειών (σωματιδιακή καλλιέργεια). Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένος, τα χρυσά νανο- σωματίδια, έχουν φυσικές ιδιότητες, όπως αυτές που παράγονται με τη χρήση συμβατικών τεχνικών χημείας και είναι ακριβά και επιβλαβή για το περιβάλλον (Gardea-Torresdey et al., 2002). Οι φυτικές μέθοδοι μεσολάβησης είναι φιλικές προς το περιβάλλον και βιοσυμβατές ενώ δεν απαιτούν τοξικές χημικές ουσίες (Shankar et al., 2004; Song and Kim, 2009).
  • 15. 15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2⁰: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 2.1.Προβλεπόμενες εφαρμογές της νανοτεχνολογίας στους τομείς των τροφίμων - Μεταποιημένα νανο-δομημένα ή νανό-μορφα προϊόντα διατροφής Χρήση λιγότερου λίπους και γαλακτωματοποιητών, σταθερών γαλακτωμάτων και καλύτερη γεύση των τροφίμων. Ένα τυπικό προϊόν αυτού του είδους εφαρμογής είναι τα νανό-μορφα τρόφιμα (π.χ. παγωτά, μαγιονέζα, μαρμελάδες κλπ.), τα οποία είναι χαμηλά σε λιπαρά, αλλά τόσο «κρεμώδες» όσο εκείνα με πλήρη λιπαρά. Ως εκ τούτου, τα εν λόγω προϊόντα θα προσφέρουν ένα «υγιές» και συνάμα εύγευστο προϊόν στον καταναλωτή. Η επεξεργασία των τροφίμων νανο-κλίμακας είναι επίσης γνωστό ότι μπορεί να σκοτώσει τυχόν παθογόνους μικροοργανισμούς. - Νανο-φορείς για την παράδοση των θρεπτικών συστατικών και των συμπληρωμάτων στη μορφή λιποσωμάτων ή βιοπολυμερικών νανο-έγκλειστων ουσίων Κάλυψη της γεύσης ορισμένων συστατικών/προσθέτων, όπως έλαια ιχθύων, προστασία ορισμένων συστατικών κατά την επεξεργασία, βελτιωμένη οπτική εμφάνιση, βελτιωμένη βιοδιαθεσιμότητα των θρεπτικών ουσιών και συμπληρωμάτων, αντιμικροβιακή δράση και άλλα οφέλη για την υγεία. -Οργανικά πρόσθετα νανο-μεγέθους για τα τρόφιμα, την υγεία των διατροφικών συμπληρωμάτων και για εφαρμογές στις ζωοτροφές Λόγω της μεγαλύτερης επιφάνειας, μικρότερες ποσότητες είναι αναγκαίες για μια λειτουργία ή για ένα χαρακτηριστικό της γεύσης. Άλλα οφέλη περιλαμβάνουν καλύτερη ικανότητα διασποράς των αδιάλυτων στο νερό προσθέτων στα τρόφιμα, χωρίς την ανάγκη για επιπλέον λίπος ή γαλακτωματοποιητές και ενισχυμένες γεύσεις και αρώματα που οφείλονται σε μεγαλύτερες επιφάνειες των προσθέτων σε μέγεθος νάνο. Σχεδόν όλα τα προϊόντα σε αυτή την κατηγορία θεωρούνται πως έχουν αυξημένη απορρόφηση και βελτιωμένη βιοδιαθεσιμότητα στο σώμα σε σύγκριση με συμβατικά ισοδύναμα.
  • 16. 16 - Ανόργανα πρόσθετα νανο-μεγέθους για εφαρμογές στα τρόφιμα και τις ζωοτροφές Ουσιαστικά, παρατηρούνται τα ίδια οφέλη με εκείνα των οργανικών πρόσθετων σε μέγεθος νάνο. Άλλα προβλεπόμενα οφέλη περιλαμβάνουν την αύξηση της υγιεινής των τροφίμων λόγω της αντιμικροβιακής δράσης των μεταλλικών νανο-προσθέτων. - Νανο-επικαλύψεις στην επιφάνεια των τροφίμων για προστατευτικές ή αντιμικροβιακές ιδιότητες Για "ενεργές" ή αυτοκαθαριζόμενες επιφάνειες σε διατροφικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας, όπως τα σφαγεία. - Νανο-διήθηση βασισμένη στο πορώδες διοξείδιο του πυριτίου και στις αναγεννημένες μεμβράνες κυτταρίνης Διήθηση του νερού και απομάκρυνση ορισμένων ανεπιθύμητων συστατικών των τροφίμων, όπως η πικρή γεύση σε κάποια φυτικά εκχυλίσματα και ο καθαρισμός των κρασιών και των μπυρών. Το κολλοειδές διοξείδιο του πυριτίου είναι γνωστό ότι χρησιμοποιείται στον καθαρισμό του κρασιού και της μπύρας. Ορισμένα νανο-προϊόντα που χρησιμοποιούνται στις βιομηχανίες τροφίμων αναγράφονται στον Πίνανα 2.1. Πίνακας 2.1: Νανοτεχνολογία στις εταιρείες τροφίμων Προϊόν Λεπτομέρειες Λειτουργικά ποτά Ενισχυμένα αρωματισμένα νερά και γάλα με βιταμίνες, μέταλλα και άλλα λειτουργικά συστατικά που χρησιμοποιούν τεχνολογία νανο-γαλακτωμάτων για την ενσωμάτωση και την ελεγχόμενη απελευθέρωση των βιοδραστικών. Εξατομικευμένα ποτά και τρόφιμα Νανο-γαλακτώματα που απελευθερώνουν διάφορες γεύσεις μέσω ενεργοποίησης της θερμότητας, της υπερηχητικής συχνότητας, του pH κλπ. Τα τρόφιμα που μπορούν να προσαρμόσουν το χρώμα τους, τη γεύση τους ή το θρεπτικό περιεχόμενό τους ώστε να φιλοξενήσουν τη γεύση ή την κατάσταση της υγείας ενός ατόμου.
  • 17. 17 Έξυπνα φίλτρα Επιλεκτικά νανο-φίλτρα που μπορούν να διακρίνουν τα μόρια με βάση το σχήμα και το μέγεθος τους, επιτρέπουν την απομάκρυνση των τοξινών ή προσαρμογή της γεύσης. Εξυγίανση Τα νανο-γαλακτώματα ενός φυτικού ελαίου, επιφανειοδραστικού που περιβάλλεται από ιχνοποσότητες αλκοόλης, εναιωρήθηκε σε νερό με την ιδιότητα να σκοτώσει βακτήρια. Σύστημα ενθυλάκωσης Στερεές υδρόφοβες νανοσφαίρες που αποτελούνται από ένα μείγμα εγκεκριμένων-βρώσιμων υδρόφοβων υλικών έγκλειστα σε ευαίσθητες στην υγρασία ή ευαίσθητες στο ρΗ βιοσυγκολλητικές μικροσφαίρες ώστε να επιτρέψει την ελεγχόμενη απελευθέρωση δραστικών συστατικών. Χορήγηση φαρμάκων Πολύπλοκα συσσωματώματα του DNA και της χιτοζάνης που χρησιμοποιούνται ως μέσο παράδοσης για τη γονιδιακή θεραπεία, π.χ. θεραπείες για τις αλλεργίες σε τρόφιμα όπως τα φιστίκια. Πηγή: Arnall, 2003. 2.2. Νανο-ενθυλάκωση Η ενθυλάκωση είναι μια ταχέως αναπτυσσόμενη τεχνολογία με πολλές πιθανές εφαρμογές σε τομείς όπως η φαρμακευτική και οι βιομηχανίες τροφίμων. Είναι μια διαδικασία κατά την οποία μικρά σωματίδια πυρηνικών υλικών πακετάρονται μέσα σε ένα πτυχωτό υλικό ώστε να σχηματιστούν κάψουλες. Η μέθοδος της ενθυλάκωσης χρησιμοποιήθηκε για να προστατεύσει βιοδραστικές ενώσεις (πολυφαινόλες, ιχνοστοιχεία, ένζυμα και αντιοξειδωτικά) και να τις προστατεύσει από το δυσμενές περιβάλλον. Οι μικροκάψουλες είναι σωματίδια που έχουν διάμετρο μεταξύ 3 και 800 μm (Meena et al. 2011). Τα νανο-σωματίδια είναι σωματίδια κολλοειδούς μεγέθους με διαμέτρους που κυμαίνονται από 10 έως 1.000 nm και εκφράζονται τόσο ως νανο-κάψουλες ή και νανο- σφαίρες (Konan et al. 2002). Ως νανο-ενθυλάκωση, ορίζεται μια τεχνολογία που ενσωματώνει τις ουσίες σε μικρογραφίες και αναφέρεται σε βιοδραστικές συσκευασίες σε περιοχή νανοκλίμακας (Lopez et al. 2006). Η παράδοση των βιοδραστικών ενώσεων σε διάφορες θέσεις εντός του σώματος, επηρεάζεται άμεσα από το μέγεθος των σωματιδίων
  • 18. 18 (Hughes, 2005). Έτσι, η νανο-ενθυλάκωση έχει τη δυνατότητα να ενισχύσει τη βιοδιαθεσιμότητα, να βελτιώσει την ελεγχόμενη απελευθέρωση και να επιτρέψει την ακριβή στόχευση των βιοδραστικών ενώσεων σε μεγαλύτερο βαθμό από ό, τι η μικρο- ενθυλάκωση (Mozafari et al., 2006). 2.2.1. Τεχνικές νανοεθυλάκωσης Σε γενικές γραμμές, οι φυσικοχημικές ιδιότητες, όπως το μέγεθος των σωματιδίων, η κατανομή μεγέθους, το εμβαδόν επιφανείας, το σχήμα, η διαλυτότητα, η αποτελεσματικότητα της ενθυλάκωσης και οι μηχανισμοί αποδέσμευσης, αναφέρεται πως μπορούν να μεταβληθούν από την τεχνική ενθυλάκωσης και το σύστημα διανομής. Ως εκ τούτου, είναι πιο σημαντικό να επιλέξουμε την κατάλληλη τεχνική ενθυλάκωσης βασισμένοι στο απαιτούμενο μέγεθος, τις φυσικοχημικές ιδιότητες, τη φύση του υλικού του πυρήνα και το υλικό του τοιχώματος (Πίνακας 2.2). Οι τεχνικές νανο-ενθυλάκωσης χρησιμοποιούν προσεγγίσεις είτε top-down (πάνω- κάτω) ή bottom-up (κάτω-πάνω) για την ανάπτυξη των νανο-υλικών. Μία top-down προσέγγιση περιλαμβάνει την εφαρμογή λεπτομερών εργαλείων που επιτρέπουν τη μείωση του μεγέθους και τη διαμόρφωση της δομής για επιθυμητή εφαρμογή των νανο- υλικών που αναπτύσσονται. Στην bottom-up προσέγγιση, τα υλικά είναι κατασκευασμένα από αυτο-συναρμολογούμενα και αυτο-οργανωμένα μορία που είχαν επηρεαστεί από πολλούς παράγοντες, όπως το pH, η θερμοκρασία, η συγκέντρωση και η ιοντική ισχύ (Augustin and Sanguansri, 2009). Τεχνικές όπως η γαλακτωματοποίηση και η γαλακτωματοδιαλυτή εξάτμιση χρησιμοποιούνται στο πλαίσιο της top-down προσέγγισης. Από την άλλη πλευρά, η υπερκρίσιμη ρευστή τεχνική, η σύμπλεξη ένταξης, η συσσωμάτωση και η νανο-καθίζηση, χρησιμοποιούνται στην bottom-up προσέγγιση (Sanguansri and Augustin 2006; Mishra et al. 2010). Αυτές οι τεχνικές νανο-ενθυλάκωσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ενθυλάκωση υδρόφιλων και λιπόφιλων βιοδραστικών ενώσεων. Η γαλακτωματοποίηση, η συσσωμάτωση και η υπερκρίσιμη ρευστή τεχνική, χρησιμοποιούνται για τον εγκλεισμό και των υδρόφιλων και λιπόφιλων ενώσεων (McClements et al., 2009; Chong et al., 2009; Leong et al., 2009). Ωστόσο, η συμπλοκοποίηση ένταξης, η γαλακτωματοδιαλυτή εξάτμιση και η νανο-καθίζηση είναι τεχνικές που χρησιμοποιούνται κυρίως μόνο για λιπόφιλες ενώσεις (Reis et al., 2006).
  • 19. 19 Πίνακας 2.2: Τεχνικές και στόχοι νανο-ενθυλάκωσης Τεχνικές νανο- ενθυλάκωσης Στόχοι Βιβλιογραφία Γαλακτοματοποίηση -Προστασία των σταγονιδίων από την επανασυνένωση -Βελτίωση των συνθηκών λειτουργίας για την πρόληψη του σταγονιδίου από τη σύμφυση και το σχηματισμό φυσαλίδων λόγω σπηλαίωσης -Βελτίωση των συνθηκών για την παραγωγή νανογαλακτώματος -Ενίσχυση της αντι-φλεγμονικής δραστηριότητας -Βελτίωση της σταθερότητας για χρήση στην φαρμακευτική βιομηχανία και τη βιομηχανία τροφίμων -Βελτίωση της φυσικής σταθερότητας και της εμπορικής εφαρμογής. -Αύξηση της οξειδωτικής σταθερότητας Jafari et al., 2007b Kentish et al., 2008 Wang et al., 2008a, b Preetz et al., 2008 Yuan et al., 2008b Yuan et al., 2008a Leong et al., 2009 Belhaj et al., 2010 Συσσωμάτωση -Κάλυψη της έντονης οσμής προσδίδοντας βιοσυμβατότητα, βιοαποικοδόμηση και βελτίωση της σταθερότητας -Βελτίωση της αποτελεσματικότητας και καθυστέρηση της ιδιότητας απελευθέρωσης Xing et al., 2004 Wang et al., 2008a, b Gan and Wang, 2007 Jincheng et al., 2010
  • 20. 20 -Έλεγχος της απελευθέρωσης των ενθυλακωμένων πρωτεϊνών Συμπλοκοποίηση -Σχηματισμός ενός διαφανούς διαλύματος, βελτίωση της κολλοειδούς σταθερότητας, προστασία κατά της υποβάθμισης και χρήσιμη για τον εμπλουτισμό των όξινων ποτών -Βελτίωση της θερμικής σταθερότητας Hadaruga et al., 2006 Zimet and Livney, 2009 Νανο-καθίζηση -Βελτίωση της βιοδιαθεσιμότητας, βιοδραστικότητας, αποτελεσματικότητα ενθυλάκωσης και ενίσχυση της κυτταρικής πρόσληψης -Βελτίωση της στοματικής βιοδιαθεσιμότητας και βιωσιμότητας -Βελτίωση της φυσικής, χημικής σταθερότητας και βιοδιαθεσιμότητας Ribeiro et al., 2008 Anand et al., 2010 Gou et al., 2011 Suwannateep et al., 2011 Εξάτμιση- γαλακτοματοποίηση διαλύτη -Βελτίωση της διαλυτότητας και βιοδιαθεσιμότητας για την ελεγχόμενη ενίσχυση της απορρόφησης και παράταση της ταχείας κάθαρσης της κουρκουμίνης -Βελτίωση της ελεγχόμενης απελευθέρωσης και ενθυλακωμένης αποτελεσματικότητας -Βελτίωση της αναπαραγωγής, σταθερότητας και στόχευση στην απόδοση των φαρμάκων. Kwon et al., 2002 Sowasod et al., 2008 Cheong et al., 2008 Tachaprutinun et al., 2009 Mukerjee and Vishwanatha,
  • 21. 21 -Βελτίωση των συνθηκών λειτουργίας και μείωση της απώλειας φυτοστερολικού. -Ελαχιστοποίηση της επανασυνένωσης, βελτίωση της φυσικής σταθερότητας και της διαλυτότητας -Βελτίωση της κατάστασης επεξεργασίας και βελτίωση της βιοδιαθεσιμότητας -Βελτίωση της φυσικής σταθερότητας 2009 Dandekar et al., 2010 Kumari et al., 2010 Leong et al., 2011 Anarjan et al., 2011 Silva et al., 2011 Υπερκρίσιμη αντιδιαλυτή κατακρήμνιση Βιοδραστικότητα, προώθηση της βιομηχανίας τροφίμων ώστε να αποφευχθεί η θερμική υποβάθμιση Heyang et al., 2009 Σπρέι ξήρανσης -Αύξηση της σταθερότητας, της προστασίας από την οξείδωση και της ενσωμάτωση σε ποτά -Βελτίωση της ικανότητας διασποράς, χρωστική δύναμη και βιοδιαθεσιμότητα -Αύξηση της κατακράτησης και της σταθερότητας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας Ferreira et al., 2007 Jafari et al., 2007a De Paz et al, 2012 Παγωμένη ξήρανση -Ελαχιστοποίηση των μη- έγκλειστων ελαίων στην επιφάνεια και μεγιστοποίηση της αποτελεσματικότητας της ενθυλάκωσης -Εμποδισμός της οξείδωσης και συγκάλυψης των οσμών Tiyaboonchai et al. 2007 Jafari et al., 2008
  • 22. 22 Πηγή: Ezhilarasi et al., 2012 2.3. Διεργασίες για την παραγωγή των νανο-υλικών Η παραγωγή νέων νανο-υλικών επιτυγχάνεται μέσω είτε της top-down ή bottom-up προσέγγισης. Η top-down προσέγγιση, περιλαμβάνει φυσικά υλικά κατεργασίας σε κλίμακα νανο-μέτρου, χρησιμοποιώντας διαδικασίες, όπως το τρόχισμα, το φρεζάρισμα, τη χαρακτική και τη λιθογραφία. Η εμπορική κλίμακα παραγωγής των νανο-υλικών σήμερα περιλαμβάνει κυρίως την top-down προσέγγιση. Όπως η νανοεπιστήμη ωριμάζει, η χρήση της bottom-up προσέγγισης στη βιομηχανία αναμένεται να αυξηθεί. Ο βαθμός του ελέγχου και της βελτίωσης στις διεργασίες μείωσης μεγέθους, επηρεάζει τις ιδιότητες των παραγόμενων υλικών. Η ισορροπία μεταξύ των μειώσεων μεγέθους σε λειτουργικό επίπεδο και τις δημιουργίας μικρότερων πραγμάτων, θα πρέπει να καταστεί σαφής κατά τον καθορισμό της διαδικασίας που θα χρησιμοποιηθεί για μια συγκεκριμένη διεργασία μείωσης μεγέθους. Το μέγεθος συνήθως σχετίζεται με τη λειτουργικότητα των υλικών των τροφίμων. Ένα μικρότερο μέγεθος σημαίνει μεγαλύτερη πως επιφάνεια είναι επιθυμητή για σκοπούς όπως η βελτιωμένη απορρόφηση του νερού, η απελευθέρωση των γεύσεων, η βιοδιαθεσιμότητα και οι ταχύτεροι ρυθμοί κατάλυσης. Η ομοιομορφία ή μια στενή κατανομή μεγέθους απαιτείται επίσης για τον καλύτερο έλεγχο της λειτουργικότητας και -Αύξηση της οξειδωτικής σταθερότητας -Ενυδάτωση για τη μελέτη των χαρακτηριστικών της διασποράς και σχηματισμός δικτύου πηκτής που εμποδίζει την μετουσίωση -Ελαχιστοποίηση του περιβαλλοντικού στρες και εφαρμογή στα προϊόντα τροφίμων -Προστασία από περιβαλλοντικούς παράγοντες -Αύξηση ποσοστού κατακράτησης και επέκταση της διάρκεια ζωής -Προστασία κατεχίνης από την υποβάθμισή της Choi et al., 2010 Surassamo et al., 2010 Dube et al. 2010 Bejrapha et al., 2010 Nakagawa et al., 2011 Bejrapha et al., 2011 Luo et al., 2011 Zhao et al. 2011
  • 23. 23 της ποιότητας του προϊόντος. Οι τρεις τύποι δύναμης που χρησιμοποιούνται στην μείωση του μεγέθους των τροφίμων είναι η συμπίεση, η πρόσκρουση-επαφή και η διάτμηση. Η πρόσκρουση-επαφή και η διάτμηση είναι σημαντικές στον σχηματισμό των νανο- σωματιδίων για εφαρμογές στα τρόφιμα. Ορισμένα παραδείγματα top-down προσεγγίσεων και οι πιθανές εφαρμογές τους σε τρόφιμα, περιγράφονται παρακάτω: - Ξηρή άλεση Η πιο κοινή μορφή της μείωσης του μεγέθους στα τρόφιμα είναι η ξηρή άλεση των σωματιδίων των τροφίμων. Οι ball(σφαιρικές)και jet millings(ταχείες αλέσεις) είναι το πιο κοινές διαδικασίες που χρησιμοποιούνται για να παράγουν πολύ μικρά σωματίδια. Η ball mill διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την δημιουργία αλεύρου με υψηλή δέσμευση-χωρητικότητα νερού (Degant and Schwechten, 2002) και εκλεπτυσμένου πράσινου τσάι με ενισχυμένη αντιοξειδωτική δραστηριότητα (Shibata, 2002). Ενώ, η jet milling διαδικασία θεωρείται ως μια τεχνική άλεσης ρευστής ενέργειας που χρησιμοποιείται γενικά για την παραγωγή πολύ λεπτών σκονών. Έχει χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της κλασμάτωσης των αμυλούχων πρωτεϊνών για να ληφθεί μια πρωτεΐνη πολύ χαμηλή σε άμυλο (Letang, Samson, Lasserre, Chaurand and Abecassis, 2002). - Ομογενοποίηση υψηλής πίεσης και μικρορευστοποίηση Στην ομογενοιποίηση υψηλής πίεσης ένα υγρό προϊόν υποβάλλεται σε πολύ υψηλή διατμητική τάση που προκαλεί το σχηματισμό πολύ λεπτών σταγονιδίων γαλακτώματος. Η διάτμηση προκαλείται από τον ξαφνικό περιορισμό της ροής υπό υψηλή πίεση, μέσω μιας περιοριστικής βαλβίδας προκαλώντας μείωση του μεγέθους, διασπορά ή σχηματισμό γαλακτώματος. - Γαλακτωματοποίηση μεμβράνης Η γαλακτωματοποίηση μεμβράνης περιλαμβάνει το σχηματισμό ενός σταγονιδίου διεσπαρμένης φάσης (δηλαδή λάδι ή νερό), διαμέσου μιας μεμβράνης σε μια συνεχή φάση. Σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους στροβιλισμού, είναι μια μέθοδος χαμηλής ενέργειας που απαιτεί λιγότερο επιφανειοδραστικό και παράγει γαλακτώματα με ένα εύρος στενής κατανομής του μεγέθους. Το πρόβλημα της γαλακτωματοποίησης της μεμβράνης, είναι η ροή χαμηλού επιπέδου διασπαρμένης φάσης διαμέσου της μεμβράνης που μπορεί να αποτελέσει εμπόδιο κατά τη διάρκεια της κλιμάκωσης.
  • 24. 24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3⁰: ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΣΥΣΚΕΥΑΣΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 3.1. Προστατευτικές ιδιότητες-εφαρμογές των πολυμερών νανο-συνθέτων Όταν τα τρόφιμα δεν καταναλωθούν αμέσως μετά την παραγωγή, θα πρέπει να περιέχονται σε ένα πακέτο που θα εξυπηρετεί πολλές λειτουργίες. Εκτός από την προστασία του τροφίμου από τη βρωμιά ή τη σκόνη, το οξυγόνο, το φως, τους παθογόνους μικροοργανισμούς, την υγρασία και μια ποικιλία καταστροφικών ή επιβλαβών ουσιών, η συσκευασία θα πρέπει επίσης να είναι ασφαλής υπό τις προβλεπόμενες συνθήκες χρήσης, αδρανής, φθηνή, ελαφριά, επαναχρησιμοποιήσιμη και ανακυκλώσιμη, να είναι σε θέση να αντέχει σε ακραίες συνθήκες κατά την επεξεργασία ή την πλήρωση, αδιαπέραστη σε μια σειρά από περιβαλλοντικές συνθήκες αποθήκευσης και μεταφοράς και ανθεκτική στην σωματική κακοποίηση. Τα παραδοσιακά υλικά για τη συσκευασία τροφίμων είναι συνήθως μεταλλικά, κεραμικά (γυαλί) και χάρτινα (χαρτόνι). Ενώ τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται ακόμα, το μικρό βάρος, το χαμηλό κόστος, η ευκολία στην επεξεργασία και η αξιόλογη ποικιλομορφία των φυσικών ιδιοτήτων των οργανικών πολυμερικών υλικών, καθιστά τα πλαστικά ως ελκυστικές εναλλακτικές λύσεις για τη συσκευασία των τροφίμων. Πολυμερή τα οποία χρησιμοποιούνται πιο συχνά για τη συσκευασία τροφίμων περιλαμβάνουν: πολυολεφίνες όπως πολυπροπυλένιο (ΠΠ) και διάφορα είδη πολυαιθυλενίου, τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (ΠΕΤ), πολυστυρόλιο (ΠΣ) και πολυβινυλο χλωρίδιο (ΠΒΧ). Επειδή κανένα γνωστό καθαρό πολυμερές δεν παρουσιάζει όλες τις επιθυμητές μηχανικές και προστατευτικές ιδιότητες που απαιτούνται για κάθε νοητή εφαρμογή συσκευασίας τροφίμων, χρησιμοποιούνται συχνά σύνθετες πολυστρωματικές μεμβράνες ή πολυμερή μίγματα. Νανο-σύνθετα πολυμερούς (ΠΝΣ) είναι τα τελευταία υλικά που αποσκοπούν στην επίλυση των προαναφερθέντων προβλημάτων. Τα ΠΝΣ δημιουργούνται διαπερνόντας ένα αδρανές, νανο-κλίμακας πληρωτικό σε μια πολυμερική μήτρα. Πληρωτικά υλικά μπορεί να περιλαμβάνουν άργιλο και νανο-πλακέτες πυριτικού άλατος, νανο-σωματίδια διοξειδίου του πυριτίου, νανο-σωλήνες άνθρακα, γραφενίου, νανοκρυστάλλους αμύλου, νανο-ΐνες ή νανο-τριχίδια με βάση την κυτταρίνη, νανο-σωματίδια χιτίνης ή χιτοζάνης και άλλες ανόργανες ουσίες. Παρόλο που η ενίσχυση των προστατευτικών ιδιοτήτων των πολυμερών είναι η πιο προφανής εφαρμογή των ΠΝΣ στη βιομηχανία τροφίμων, τα ΠΝΣ είναι πιο δυνατά, έχουν περισσότερη αντοχή στη φλόγα και διαθέτουν καλύτερες θερμικές
  • 25. 25 ιδιότητες από τα πολυμερή ελέγχου που δεν περιέχουν νανο-κλίμακα πληρώσεως. Επίσης, έχουν αναφερθεί μεταβολές στην επιφανειακή διαβρεξιμότητα και υδροφοβικότητα. Τέλος, τα ΠΝΣ προσφέρουν στη βιομηχανία συσκευασίας τροφίμων καλύτερες ευκαιρίες, ώστε να υπάρξει εξοικονόμηση κόστους και μείωση την αποβλήτων, λόγω των μικρότερων ποσοτήτων πολυμερούς που πρέπει να χρησιμοποιηθούν για να επιτευχθούν τα υλικά συσκευασίας με πανομοιότυπες ή ακόμα καλύτερες μηχανικές ιδιότητες. 3.2.Νανο-σωματίδια αργύρου και νανο-σύνθετα ως αντιμικροβιακά υλικά συσκευασίας τροφίμων Το ασήμι έχει μια μακρά ιστορία χρήσης ως αντιμικροβιακός παράγοντας στα τρόφιμα και στις εφαρμογές αποθήκευσης των ποτών. Πέρα από τις εφαρμογές στα τρόφιμα, το ασήμι έχει χρησιμοποιηθεί από καιρό ως αντισηπτικό. Σε σύγκριση με τα μοριακά αντιμικροβιακά, τα οποία απευθύνονται σε συγκεκριμένες κατηγορίες οργανισμών, το ασήμι είναι ευρέως φάσματος και τοξικό σε πολυάριθμα στελέχη βακτηρίων, μυκήτων, αλγών και ενδεχομένως, σε ορισμένους ιούς. Το ασήμι είναι αρκετά αποτελεσματικό με το να διεισδύει σε βιοφίλμ, κάτι που έχει αποτελέσει μειονέκτημα σε πολλά μοριακά αντιμικροβιακά. Επιπλέον, παρόλο που τα βακτηριακά στελέχη τα οποία εκδηλώνουν αντίσταση στον άργυρο είναι ήδη γνωστά και οι μηχανισμοί αυτοί έχουν μελετηθεί, ορισμένοι ερευνητές έχουν προτείνει ότι το ασήμι μπορεί να είναι λιγότερο επιρρεπές στην δόμηση της αντίστασης από ότι τα αντιμικροβιακά. Ωστόσο, ίσως το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των αντιμικροβιακών αργύρου είναι ότι ο άργυρος μπορεί να ενσωματωθεί εύκολα σε πολλά υλικά όπως υφάσματα και πλαστικά καθιστώντας τον ιδιαίτερα χρήσιμο για εφαρμογές όπου ευρέως φάσματος παρατεταμένη αντιμικροβιακή δράση είναι επιθυμητή αλλά όπου τα παραδοσιακά αντιμικροβιακά δεν είναι χρήσιμα. H Food and Drug Administration (FDA) (Διαχείριση Τροφίμων και Φαρμάκων) έχει εγκρίνει πάνω από μία ντουζίνα ζεόλιθων που περιέχουν άργυρο ή άλλες ουσίες για χρήση ως υλικά επαφής των τροφίμων για το σκοπό της απολύμανσης, καθώς και πολλές επάργυρες ιατρικές συσκευές. Η γενική εξήγηση που δόθηκε είναι ότι το ασήμι σκοτώνει τουλάχιστον έναν από τους ακόλουθους μηχανισμούς: α) παρεμβολή με ζωτικές κυτταρικές διεργασίες με σύνδεση σε σουλφυδρυλικές ή δισουλφιδικές λειτουργικές ομάδες στις επιφάνειες των πρωτεϊνών της μεμβράνης και άλλων ενζύμων, β) διακοπή της αντιγραφής του DNA και γ) οξειδωτικό στρες μέσω της κατάλυσης από αντιδραστικά είδη οξυγόνου σχηματισμού. Ωστόσο, υπάρχει διαμάχη για το ποιός από αυτούς τους
  • 26. 26 μηχανισμούς είναι ο πιο σημαντικός. Τέλος, υπάρχουν ενδείξεις ότι η αντιβακτηριακή δραστικότητα των ζεολίθων αργύρου προέρχεται από την ικανότητα του αργύρου να καταλύει την παραγωγή αντιδραστικών ειδών οξυγόνου, η οποία προκαλεί το θάνατο των κυττάρων με τη δημιουργία του οξειδωτικού στρες. Βάση αυτής της ιδέας, σπόρια του Bacillus πλούσια σε αντιοξειδωτικά είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά στον αντιμικροβιακό αργύρο, ενώ αγενή και σχετικά αντιοξειδωτικά κύτταρα Bacillus είναι αρκετά ευάλωτα. Είναι βεβαίως δυνατόν, όλοι αυτοί οι μηχανισμοί να συμβάλλουν στην αντιμικροβιακή δράση του αργύρου, η οποία θα μπορούσε να εξηγήσει την ευρεία αποτελεσματικότητά της καθώς και τις σπάνιες αναφορές από βακτηριακά στελέχη ανθεκτικά στο ασήμι. 3.3. Νανο-αισθητήρες και δοκιμασίες με βάση τη Νανοτεχνολογία για τροφικές αναλύσεις Όταν τα υλικά συσκευασίας εμποδίζουν την εκτεταμένη έκθεση, οι καταναλωτές πρέπει να βασίζονται στις ημερομηνίες λήξης, οι οποίες καθορίζονται από τους παραγωγούς βασισμένες σε ένα σύνολο από εξιδανικευμένες υποθέσεις σχετικά με τον τρόπο που αποθηκεύονται ή μεταφέρονται τα τρόφιμα. Ενώ η ημερομηνία πώλησης από ένα κουτί γάλα μπορεί να υποδεικνύει στον καταναλωτή ότι το προϊόν πρέπει να είναι καλό για μια περίοδο δύο εβδομάδων, αυτή η ημερομηνία μπορεί να μην ισχύει πλέον, αν το γάλα φυλάχθηκε σε παραπάνω θερμοκρασία από τη βέλτιστη για μία ώρα τουλάχιστον, είτε σε ένα φορτηγό παράδοσης ή σε ένα ζεστό αυτοκίνητο. Οι μοναδικές χημικές και ηλεκτρο-οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων νανο-κλίμακας, προσφέρουν λύσεις στο πρόβλημα αυτό. Μέσω του μηχανισμού botton-up, τα νανοϋλικά είναι σε θέση να ανιχνεύσουν την παρουσία αερίων, αρωμάτων, χημικών προσμείξεων και παθογόνων, ή να ανταποκριθούν στις αλλαγές των περιβαλλοντικών συνθηκών. Αυτό δεν είναι μόνο χρήσιμο για τον έλεγχο της ποιότητας ώστε να διασφαλίσει ότι οι καταναλωτές μπορούν να αγοράζουν προϊόντα τα οποία βρίσκονται στο αποκορύφωμα της φρεσκάδας και της γεύσης τους, αλλά έχει επίσης τη δυνατότητα να βελτιώσει την ασφάλεια των τροφίμων και τη μείωση της συχνότητας των τροφογενών νοσών. Μια τέτοια τεχνολογία θα μπορούσε προφανώς ωφελήσει τους καταναλωτές, τους ενδιαφερόμενους του κλάδου και τους ρυθμιστικές των αρχών των τροφίμων. Ορισμένες εταιρείες εμπορεύονται ήδη προϊόντα Νανοτεχνολογίας που βοηθούν τους καταναλωτές να καθορίσουν κατά πόσο ορισμένα τρόφιμα είναι πιθανό να είναι εύγευστα, αλλά το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας για νανο-αισθητήρες ή δοκιμασίες
  • 27. 27 τροφικών αναλύσεων είναι ακόμα στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης. Οι πιο πρόσφατες και συναρπαστικές εφαρμογές σε αυτόν τον τομέα είναι: -Ανίχνευση μικρών οργανικών μορίων -Ανίχνευση αερίων -Εντοπισμός μικροοργανισμών -Ανίχνευση με Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) (Σκέδαση Ράμαν Ενισχυμένης Επιφάνειας). Όπως και η υπέρυθρη φασματοσκοπία, η φασματοσκοπία Raman είναι ένα ιδιαίτερα πολύτιμο εργαλείο για την ταυτοποίηση και την ανίχνευση οργανικών ενώσεων επειδή κάθε μόριο έχει ένα μοναδικό πρότυπο μοριακών δονήσεων που οδηγεί σε αντίστοιχα σε μοναδικό φασματικό αποτύπωμα). 3.4. Νανο-ενισχυτές Παρά το γεγονός ότι αρκετά νανο-σωματίδια έχουν αναγνωριστεί ως πιθανά πρόσθετα για τη βελτίωση των επιδόσεων των πολυμερών, η βιομηχανία συσκευασίας έχει εστιάσει την προσοχή της κυρίως στα πολυεπίπεδα ανόργανα στερεά όπως ο άργιλος και τα πυριτικά άλατα, εξαιτίας της διαθεσιμότητάς τους, του χαμηλού κόστους, των σημαντικών βελτιώσεων και της σχετικά απλής επεξεργασίας. Η έννοια των πολυμερών νανο-συνθέτων αργίλου (ΠΝΑ) αναπτύχθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1980 και εμπορευματοποιήθηκε πρώτα από την Toyota (Collister, 2002), αλλά μόνο από τα τέλη της δεκαετίας του 1990 έρευνες έχουν δημοσιευθεί για την ανάπτυξη των ΠΝΑ στη συσκευασία τροφίμων (Ray, Easteal, Quek and Chen, 2006). Τα στρωματοποιημένα πυριτικά που χρησιμοποιούνται συνήθως σε νανο-σύνθετα αποτελούνται από δύο στρώματα διαστάσεων, οι οποίες έχουν 1 nm πάχος και αρκετά μικρότερα ανάλογα με το συγκεκριμένο πυριτικό άλας. Το πιο ευρέως μελετημένο είδος υλικών πληρώσεως αργίλου είναι ο μοντμοριλλονίτης (ΜΜΤ), μια ένυδρη αλουμινένια-πυριτική στρώση αργίλου που αποτελείται από μία άκρη οκταεδρικού φύλλου υδροξειδίου του αργιλίου μεταξύ δύο τετραεδρικών στρωμάτων οξειδίου του πυριτίου (Weiss et al., 2006). 3.5. Νανο-κρύσταλλοι αμύλου Οι κόκκοι αμύλου μπορούν να υποβληθούν σε εκτεταμένη υδρόλυση σε θερμοκρασίες κάτω από τη θερμοκρασία ζελατινοποίησης, όταν οι άμορφες περιοχές υδρολύονται επιτρέποντας το διαχωρισμό των κρυσταλλικών φυλλιδίων, τα οποία είναι πιο ανθεκτικά στην υδρόλυση. Τα κρυσταλλικά σωματίδια αμύλου έχουν τη μορφολογία
  • 28. 28 των αιμοπεταλίων με πάχος 6-8 nm (Kristo and Biliaderis, 2007). Οι Kristo και Biliaderis (2007) ανέφεραν ότι η προσθήκη νανο-κρυστάλλων αμύλου βελτιώνουν την αντοχή στον εφελκυσμό και το μέτρο ελαστικότητας των φιλμ πουλλουλανίου. 3.6. Αντιμικροβιακά νανο-σύνθετα Η ενσωμάτωση αντιμικροβιακών σε υλικά συσκευασίας τροφίμων έχει λάβει ιδιαίτερη προσοχή. Φιλμς με αντιμικροβιακή δραστικότητα θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον έλεγχο της ανάπτυξης των παθογόνων μικροοργανισμών και εκείνων που προκαλούν αλλοιώσεις. Ένα αντιμικροβιακό νανο-σύνθετο φιλμ είναι ιδιαιτέρως επιθυμητό λόγω της δομικής ακεραιότητάς του και των προστατευτικών ιδιοτήτων που μεταδίδονται από τη μήτρα νανο-σύνθετων και των αντιμικροβιακών ιδιοτήτων που εισφέρουν οι φυσικοί αντιμικροβιακοί παράγοντες που έχουν εμποτιστεί (Rhim and Ng, 2007). Υλικά στο εύρος νανο-κλίμακας έχουν υψηλότερη αναλογία επιφάνειας προς όγκο σε σύγκριση με τα ομολόγα υλικά μικροκλίμακας. Αυτό επιτρέπει στα νανοϋλικά να είναι σε θέση να αποδίδουν περισσότερα αντίγραφα των βιολογικών μορίων, τα οποία προσδίδουν μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα (Luo and Stutzenberger, 2008). Τα υλικά νανο-κλίμακας έχουν διερευνηθεί για αντιμικροβιακή δραστηριότητα έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αναστολείς της ανάπτυξης (Cioffi et al, 2005), σκοτώνοντας διάφορους μη επιθυμητούς παράγοντες(Stoimenov, Klinger, Marchin and Klabunde, 2002; Qi, Xu, Jiang, Hu and Zu, 2004; Huang et al, 2005; Kumar and Munstedt, 2005; Lin, Li, Wang, Huang and Duan, 2005;) ή αντιβιοτικούς φορείς (Gu, Ho, Tong, Wang, and Xu, 2003). 3.7. Αισθητήρες βασισμένοι σε νάνο Τα νανοσωματίδια μπορούν να εφαρμοστούν ως αντιδραστικά σωματίδια σε υλικά συσκευασίας. Οι λεγόμενοι νανο-αισθητήρες είναι σε θέση να ανταποκριθούν στις περιβαλλοντικές αλλαγές και στα προϊόντα αποικοδόμησης ή μικροβιακής μόλυνσης (Bouwmeester et al., 2009). Η ημερομηνία λήξης στα τρόφιμα εκτιμάται από τις βιομηχανίες έχοντας υπόψη τη διανομή και τις συνθήκες αποθήκευσης (κυρίως θερμοκρασία) στις οποίες το προϊόν προβλέπεται να εκτεθεί. Ωστόσο, δεν είναι άγνωστο ότι τέτοιες συνθήκες δεν είναι πάντα πραγαμτικές και τα τρόφιμα είναι συχνά εκτεθειμένα σε κατάχρηση της θερμοκρασίας. Όταν ενσωματωθούν σε συσκευασίες τροφίμων, οι νανο-αισθητήρες μπορούν να ανιχνεύσουν ορισμένες χημικές ενώσεις, παθογόνα και
  • 29. 29 τοξίνες στα τρόφιμα, όντας τότε χρήσιμοι για να εξαλείψουν την ανάγκη για ανακριβείς ημερομηνίες λήξης, παρέχοντας την πραγματική κατάσταση του τροφίμου και της φρεσκάδας (Liao, Chen and Subramanian, 2005). 3.8. Συστήματα ακινητοποίησης ενζύμου νανο-κλίμακας Τα ένζυμα χρησιμοποιούνται ευρέως από τη βιομηχανία τροφίμων για διάφορες εφαρμογές. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η άμεση χρήση των ενζύμων μπορεί να περιοριστεί από την ευαισθησία τους σε συνθήκες επεξεργασίας και σε ενώσεις οι οποίες μπορούν να αναστείλουν τη δράση τους, με αποτέλεσμα την αδρανοποίησή τους. Όταν ακινητοποιηθούν σε διαφορετικούς προσαρμοσμένους φορείς, τα ένζυμα μπορούν να έχουν βελτιωμένη σταθερότητα στο ρΗ και τη θερμοκρασία, αντίσταση στις πρωτεάσες και σε άλλες ενώσεις μετουσίωσης, καθώς και ένα κατάλληλο περιβάλλον για την επαναλαμβανόμενη χρήση τους ή την ελεγχόμενη απελευθέρωση (Kandimalla, Tripath and Ju, 2006; Lopez-Rubio, Gavara and Lagaron, 2006). Τα ακινητοποιημένα ένζυμα έδειξαν εξαιρετική δραστικότητα, επιτρέποντας τα τροποποιημένα νανο-σωματίδια πυριτίου να χρησιμοποιηθούν για βιοεφαρμογές.
  • 30. 30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4⁰: ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΚΙΝΔΥΝΟΙ ΤΗΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 4.1. Πιθανοί κίνδυνοι Ενώ τα υλικά νανο-μεγέθους προσφέρουν πολλά οφέλη, φέρνουν όμως την προοπτική της έκθεσης των καταναλωτών σε ορισμένα ενδεχομένως βιοεπίμονα νανο- σωματίδια (έχουν ονομαστεί «σκληρά» νανο-υλικά ) μέσω της κατανάλωσης τροφίμων και ποτών. Η ανησυχία αυτή δημιουργήθηκε διότι, νανο-σωματίδια με μεγάλες επιφάνειες αντιδράσεων μπορούν να διέλθουν από βιολογικά εμπόδια ώστε να φτάσουν τμήματα του σώματος που είναι έτσι κι’ αλλιώς προστατευμένα από την είσοδο μεγαλύτερων σωματιδιακών υλικών. Ενώ τα περισσότερα τρόφιμα που υποβάλλονται σε επεξεργασία νανο-κλίμακας, δεν θα πρέπει να εγείρουν ιδιαίτερες ανησυχίες για την υγεία, υπάρχει μια σειρά από κενά γνώσεων στην τρέχουσα κατανόηση των ιδιοτήτων, τις συμπεριφοράς και των αποτελεσμάτων των «σκληρών» νανο-υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές των τροφίμων. Τέτοια κενά γνώσης καθιστούν δύσκολη την αξιολόγηση του κινδύνου του καταναλωτή, αν και μια προσεκτική εξέταση της φύσης των υλικών και των εφαρμογών μπορεί να αποτελέσει τη βάση για μια εννοιολογική κατηγοριοποίηση των κινδύνων. Για παράδειγμα, τα προϊόντα που περιέχουν φυσικές τροφικές νανο-δομές είναι πιθανόν να αφομοιωθούν/αποικοδομομηθούν στο γαστρεντερικό σωλήνα (έχουν ονομαστεί «ήπια» νανο-υλικά ), δεν χρειάζονται λεπτομερή αξιολόγηση σε σύγκριση με τα προϊόντα που περιέχουν αδιάλυτα και βιοεπίμονα νανο-υλικά. Με βάση αυτό, οι ακόλουθες κατηγορίες μπορούν να ληφθούν υπόψη: - Περιοχές μικρής ανησυχίας, όπου τα προϊόντα διατροφής περιέχουν επεξεργασμένες (φυσικές) τροφικές νανο-δομές, οι οποίες είναι είτε έχουν χωνευτεί ή είναι διαλυτοποιημένες στο γαστρεντερικό σύστημα και δεν είναι βιοεπίμονες. - Περιοχές μερικής ανησυχίας, όπου τα προϊόντα διατροφής περιέχουν έγκλειστα πρόσθετα τροφίμων/ζωοτροφών σε φορείς νανο-μεγέθους τα οποία δεν μπορούν να είναι βιοεπίμονα, αλλά μπορούν να φέρουν τις έγκλειστες ουσίες σε όλη την έκταση της γαστρεντερικής οδού. Σε μια τέτοια περίπτωση, η κατανομή του ιστού των υλικών που περιέχονται σε νανο-φορείς μπορεί να είναι διαφορετική από εκείνη των συμβατικών ισοδυνάμων. Επίσης, η αυξημένη βιοδιαθεσιμότητα βιταμινών και ανόργανων συστατικών μπορεί να μην είναι πάντα ευεργετική για την υγεία των καταναλωτών.
  • 31. 31 - Τομείς μείζονος ενδιαφέροντος, όπου τα προϊόντα διατροφής περιέχουν αδιάλυτα, δύσπεπτα και ενδεχομένως βιοεπίμονα νανο-πρόσθετα ή λειτουργικά νανο-υλικά. Οι εφαρμογές αυτές μπορούν να εκθέσουν τους καταναλωτές σε «σκληρά» νανο-υλικά. - Το προφίλ των ΑΚΜΕ(Απορρόφηση, Κατανομή, Μεταβολισμός και Εξάλειψη) και οι τοξικολογικές ιδιότητες οι οποίες δεν είναι πλήρως γνωστές σήμερα. Μερικές από τις προβλεπόμενες εφαρμογές στον τομέα της γεωργίας(π.χ. νανο-εντομοκτόνα) θα μειωθούν επίσης σε αυτή την κατηγορία. Κάθε πιθανός κίνδυνος που προκύπτει από υλικά της Νανοτεχνολογίας, εξαρτάται από την μεταναστευτική συμπεριφορά των νανο-υλικών από την συσκευασία. Οι μερικές πειραματικές μελέτες που έχουν αναφερθεί μέχρι στιγμής (Avella et al., 2005; EFSA, 2008; Bradley, Castle and Chaudhry, 2010), υποδηλώνουν ότι η πιθανότητα της μετανάστευσης των νανο-σωματιδίων από πολυμερείς συσκευασίες είναι είτε μηδενική ή πολύ χαμηλή. Επιπλέον, μπορεί να προβλεφθεί ότι οποιαδήποτε ανιχνεύσιμη μετανάστευση των νανο-σωματιδίων από τη συσκευασία προς τα τρόφιμα θα πραγματοποιηθεί μόνον εφόσον πολύ μικρά νανο-σωματίδια (στη χαμηλότερη κλίμακα nm), ενσωματωθούν σε ένα πολυμερές μήτρας που έχει ένα σχετικά χαμηλό δυναμικό ιξώδους και τα σωματίδια δεν είναι προσδεμένα στη μήτρα πολυμερούς (Simon, Chaudhry and Bakos, 2008). Αυτό παρέχει κάποια διαβεβαίωση στην ασφάλεια των υλικών της Νανοτεχνολογίας, αν και απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να προσδιοριστούν τα πρότυπα μετανάστευσης σε άλλα συνθετικά πολυμερή νανο-υλικών, ιδιαίτερα εκείνα που προέρχονται από βιοπολυμερή. Σε σχέση με την αξιολόγηση του κινδύνου των εφαρμογών της νανοτεχνολογίας, θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα έντονα τοξικά υλικά είναι απίθανο να χρησιμοποιηθούν εν γνώσει σε προϊόντα διατροφής. Έτσι, τυχόν ανησυχίες σχετικά με την ασφάλεια των καταναλωτών αφορούν κυρίως οι μακροπρόθεσμες ή νέες/απρόβλεπτες βλαβερές συνέπειες της έκθεσης σε νανο-υλικά. Τα νανο-πρόσθετα είναι επίσης πιθανό να υποβληθούν σε διάφορες μεταμορφώσεις στα τρόφιμα και στο γαστρεντερικό σύστημα λόγω συσσωμάτωσης, σύνδεσης με άλλα συστατικά τροφίμων και αντιδράσεις με οξέα του στομάχου, ένζυμα και άλλες βιομεταλλαγές στο σώμα. Τέτοιοι μετασχηματισμοί μπορούν να οδηγήσουν στο να χάσουν τα νανο-υλικά τα χαρακτηριστικά τους «νανο». Ωστόσο, υπάρχει περιορισμένη κατανόηση της φύσης ή των επιπτώσεων των βιομεταλλαγών σχετικά με την ασφάλεια των νανοτεχνολογικών προϊόντων.
  • 32. 32 4.2. Επιστημονικές κριτικές αναφερόμενες στην αξιολόγηση του κινδύνου των νανοτεχνολογιών στους τομείς των τροφίμων και της γεωργίας Πρόσφατες επιστημονικές κριτικές για την αξιολόγηση των κινδύνων των Νανοτεχνολογιών στους τομείς των τροφίμων και της γεωργίας επιβεβαιώνουν ότι οι πληροφορίες για το θέμα αυτό είναι περιορισμένες (Tran and Chaudhry, 2010; Card et al., 2011; Horie and Fujita, 2011; Magnuson, Jonaitis and Card, 2011; Morris, 2011; Rico et al., 2011; Krug and Wick, 2011). Μια επισκόπηση σχετικά με την αλληλεπίδραση των νανο-σωματιδίων με βρώσιμα φυτά διαπίστωσε ότι η κατανόηση της τοξικότητας των φυτών είναι στα αρχικά στάδια. Λίγες μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για τη συσσώρευση των νανο-υλικών σε καλλιεργούμενα φυτά όπως το ραπανάκι, το μαρούλι, το καλαμπόκι και το αγγούρι (Rico et al., 2011). Να σημειωθεί ότι μεταξύ των νανοϋλικών που μελετήθηκαν, τα βασισμένα στον άνθρακα νανο-υλικά (φουλερένια C70 και φουλερόλες C60(ΟΗ)20) και τα περισσότερα νανο-υλικά βασισμένα στο μέταλλο (διοξείδιο του τιτανίου, οξείδιο του δημητρίου, μαγνητίτης, οξείδιο του ψευδαργύρου, χρυσός, άργυρος, χαλκός και σίδηρος), συσσωρεύτηκαν στα φυτά (Rico et al., 2011). Αυτές οι ενώσεις που είναι αποθηκευμένες στα φυτά, μπορούν να μεταφερθούν στους καταναλωτές. Ανάλογα με το νανο-υλικό και το φυτό που μελετάται, παρατηρήθηκαν αρνητικές επιπτώσεις των νανο-σωματιδίων στις καλλιέργειες τροφίμων, όπως μειωμένη βλαστική ικανότητα, μειωμένη ανάπτυξη των ριζών και καθυστερημένη ανθοφορία. Επίσης, αξιολογήθηκε δημοσιευμένη βιβλιογραφία σχετικά με την ασφάλεια της στοματικής έκθεσης σε νανο-υλικά που σχετίζονται με τρόφιμα και διαπιστώθηκε ότι αυτή τη στιγμή υπάρχουν επαρκή αξιόπιστα στοιχεία που να επιτρέπουν την σαφή αξιολόγηση της ασφάλειας (Card et al., 2011). Επιπροσθέτως, τα νανο-υλικά που δεν σχετίζονται με τρόφιμα πρέπει να αξιολογηθούν για την στοματική τοξικότητά τους υπό το πρίσμα της πιθανής μόλυνσης της τροφικής αλυσίδας (Card et al., 2011). Συμπερασματικά, η έλλειψη πληροφοριών σχετικά με την πιθανή τοξικότητα των νανο-υλικών καθιστά δύσκολο να εκτιμηθεί η ασφαλής ή Αποδεκτή Ημερήσια Πρόσληψη (Morris, 2011). Σύμφωνα με άλλους επιστήμονες (Magnuson, Jonaitis and Card, 2011), η βιβλιογραφία σχετικά με την ασφάλεια της στοματικής έκθεσης σε νανο-υλικά, τα χαρακτηρίζει με ανεπαρκή φυσικοχημικές παραμέτρους, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι "αν τα νανοϋλικά δεν χαρακτηριστούν επαρκώς, τα αποτελέσματα των τοξικολογικών μελετών δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη της τοξικότητας άλλων νανο-υλικών, καθώς αλλαγές
  • 33. 33 σε οποιαδήποτε από τα χαρακτηριστικά τους μπορεί να οδηγήσει και σε αλλαγές της βιολογικής τους δραστικότητας". Η εκτίμηση της ασφάλειας των νανο-υλικών θα εξαρτηθεί από τις επαρκώς χαρακτηρισμένες χημικές τους ιδιότητες, ενώ κρίσιμες παράμετροι περιλαμβάνουν βιοπαραμονή και πεπτικότητα. Με βάση την εξέλιξη των νανό-μορφων, αναγνωρίστηκαν τρία διαφορετικά σενάρια (Pereira, 2012). Εύπεπτα, μη βιοεπίμονα νανο-υλικά, όπως νανο-φόρμες άλατος, θα χωνευτούν πριν από οποιαδήποτε κυτταρική έκθεση, ενώ για τα κύτταρα και τους ιστούς, δεν θα υπάρχει διαφορά σε σύγκριση με τις συμβατικές μορφές. Ένας δεύτερος τύπος εύπεπτου, μη- βιοεπίμονου νανο-υλικού, όπως μικυλλιακά νανο- σκευάσματα ή π

Related Documents