الدكتور حسام الدين أبو العينين يكتب : إستخدام أغشية النانو الطبيعية لإطالة فترات الصلاحية للخضر والفاكهة الموجهة للتصدير

The use of edible natural film to Prolong Shelf Life of fruit &vegetable

مقدمة

يعتبر النانو تكنولوجى بأنه مواد نتحكم من خلالها فى بناء الجزيئات فى الحجم والشكل المحدد وبإختلاف هذة الجزيئات والمركبات تختلف الخواص الفيزيائية والكيميائية عنها فى الحالة العادية ومن ذلك نستطيع تطوير تكنولوجي النانوعـلى المستوى الذري والجزيئي عند مستويات طولية من 1 – 100  نانومتر وهذة  تكنولوجيا مستحدثة وجديدة يمكن أن تنتج لنا من نفس المادة النانومترية آلاف الأشكال والأحجام ذات الصفات المختلفة (بإختلاف بناء جزيئات المادة ) تختلف الخواص الفيزيائية والكيميائية عنها فى الحالة العادية وبالتالى تأخذ هذة المواد صفات جديدة لم تكن موجودة مسبقا وقد إتجه العالم الحديث فى التوسع فى إنتاج أغشية النانو الطبيعية وتطبيقاته التكنولوجية على نطاق واسع وذلك لإستخدامها فى تعبئة وتغليف وتغطية أنواع عديدة من الخضر والفاكهة لكونها لا تتفاعل مع المواد الغذائية على درجة حرارة الغرفة والتبريد وبالتالى تهدف تقنية النانو لتحسين الخواص الفيزيائية والميكانيكية للأغشية الغذائية وزيادة قوتة ومتانتة من ناحية قوة الشد والأستطالة والمرونة ومقاومتها للحرارة وقدرة هذا الغشاء على التحكم فى التبادل الغازى والبخارى ومنع فساد الغذاء ويعرف باالأغشية الغذائية الآمنه أوالغشاء الوظيفى حيث يقوم بحماية المنتج الغذائى من الفساد ومقاومة الميكروبات وبصفة عامة فاءنه يعتبر طبقة رقيقة حاجزة Laminated barrier ومنع الأكسدة ويتكون من مواد أولية ذات أصل نباتى أو حيوانى تستخدم كبدائل صحية وآمنة لمواد التعبئة والتغليف التقليدية الضارة بصحة الأنسان والبيئة حيث يعامل بها المنتج الغذائى سواء كان طازجا أو مصنعا بهدف حماية المنتج الغذائى وإطالة فترة صلاحيتة والمحافظة على جودة وسلامة الغذاء المعبأ

الغرض من الأغشية الغذائية القابلة للأكل :-                                                                                                 

تثبيط هجرة الرطوبة والأكسجين وثانى أكسيد الكربون والروائح والدهون

2- تمنح تركيبا إضافيا بمثابة الناقل للمضافات الغذائية (مضادات الأكسدة والميكروبات والمغذيات والملونات والمنكهات) وكذلك صفات الجودة للغذاء .

3 – المحافظة على المادة الغذائية عن طريق عملية واقية للحد من تقليل الفاقد و التحكم فى عملية التنفس من اجل انتقال الرطوبة و الغازات و فقد الروائح

4 – تحسين كفاءة النقل و سهولة التداول للاغذية و بالتالى خفض التكلفة المرتبطة بتوفر تجهيزات و اجهزة و معدات عمليات التخزين فى جو يتحكم فى عملية التنفس والحفاظ على المنتج اثناء التوزيع خلال عمليات البيع القطاعى

5 – يمكن لهذة الاغشية الغذائية عندما يكون لها خواص  ميكانيكية جيدة ان تحل محل الاغشية الصناعيه

6 – المحافظة على جودة الغذاء بعد التخلص من الاغلفة و بعد استهلاك المادة الغذائية و ذلك بالتحلل الذاتى البيولوجى

7– تعمل كحاجز او عازل للماء و الغازات و الزيوت و بذلك يمكن التحكم فى حركة الماء داخل المادة الغذائية و منع فقد او اكتساب الرطوبة و من ثم المحافظة على طزاجة الاغذية.

حيث تعمل على ربط المادة الغذائية خاصة السطح مثل ربط سطح الحلوى و الاغذية المسلية بمادة لاصقة من الاغشية الطبيعيه و كذلك ربط الفول السودانى و السمسم و غيرها

8 – تنظم و تتحكم فى نشاط الماء و المحافظة على مستوى مناسب من الماء لان له تاثير كبير على صفات الجودة الغذائية كما يحد من التحلل الذاتى فى اللحوم و التحكم فى التنفس و النضج الزائد فى ثمار الخضر و الفاكهه و كذلك التحكم فى العمليات و التحويلات الحيوية الطبيعيه داخل انسجة المادة الطازجة وإطالة فترة صلاحية المنتجات الطازجة و المصنعه اطول فترة ممكنة

تطبيقات أغشية النانو على ثمار الخضر والفاكهة

 

للتعبئة والتغليف دور في تداول المنتج الغذائى وسلامته وتطبيق التكنولوجيا العالمية بداية من الزراعة واستغلال الميزة التنافسية العالية لانتاج نباتات ذات قيمة عالية من خلال تكنولوجيا التصنيع ومعاملات ما قبل الحصاد ثم التعبئة والتغليف ومطابقتها للمواصفات العالمية مما يؤدي إلي زيادة الصادرات مع توعية الزراع بالتكنولوجيا الحديثة في الزراعة وتحسين تكنولوجيا التعبئة والتغليف لتكون مصدرا للرقابة علي المنتجين ومتابعة المنتج أثناء تداوله في الأسواق مع تحسين جودة المنتج وتعظيم الاستفادة من هذه النباتات للزراعة العضوية وتأثيرها علي المجتمع وكيفية الحصول عليها وتقديمها الي المستهلك  في صورة صحية ملائمة وهذا يستلزم توخي الحذر عند زراعة النباتات فهي تحتاج إلي بذور غير مشوهة وأرض غير ملوثة للإنتاج ومصدر مياه صالحة للاستخدام ثم التعبئة الخاصة بها وكذلك منع إنتشار بيعها علي الأرصفة أو المحلات الصغيرة أو المتوسطة الحجم ولذلك يلزم تطوير طرق تعبئة وتغليف المواد الغذائية في مصر بهدف تنمية الصادرات وفي حفظ المنتجات من التلف والفقد وإطالة فترة تخزينها بالإضافة إلي قابليتها للنقل والتسويق مما يؤدي ذلك إلي زيادة الصادرات من المحاصيل الزراعية  وفيما يلى أهم النقاط الواجب أن تؤخذ فى الأعتبار ونحتاط منها بدايه من معاملات ما قبل الحصاد حتى تعبئة وتغليف المنتجات الغذائية بهدف تنمية الصادرات الزراعية.

 أهمية معاملات ما قبل الحصاد

1-أنتخاب الأصناف الصالحة للحفظ:-

– وذلك لاحتفاظها بطعمها ورائحتها ولونها وقوة تماسكها عند معاملتها بالحرارة  أثناء التعقيم لذلك يفضل جمع الثمار عند بلوغها مرحلة النضج الثمرى

– جودة المادة الخام حيث تحدد صفات الناتج وبالتالى تؤثر فى تكاليف المنتج وتجهيزة مثل عمليات الفرز والتقشير تؤثر على الناتج النهائى وبالتالى على الآنتاج والتكاليف

– المعاملات الزراعية للمادة الخام مثل الرى والتسميد والمبيدات فمثلا رى المحصول قبل جمعة بفترة قصيرة يزيد المحتوى الرطوبى والتسميد يؤثر على التركيب الكيماوى والمبيدات لها مشاكل خطيرة لسميتها فيجب التأكد من إذالتها قبل عمليات التصنيع حتى لاتؤثر على الناتج

2- الحصاد :-Harvesting  

ويراعى مرحلة النضج المناسب لكل محصول  كما يشترط عند عملية الحصاد الأتى

• تجنب أى ضرر ميكانيكى
• طول موسم الحصاد حتى يغذى المصنع باستمرار
• المنطقة الزراعية المناسبة تساعد على عملية الأنضاج فى مواعيد متفاوتة ولفترات طويلة
• يجب الحصاد على فترات حيث أن الحصاد مرة واحدة يؤدى إلى تراكم كميات ضخمة من المادة الخام يصعب تصنيعها مرة واحدة

3-التخزين :-Storage

    أستلام المادة  الخام  وتخزينها يتوقف على شكل الغذاء هل هو سائل أم صلب مركز وطزاجة ونوع المادة الخام وطريقة الحصاد  ونوع وحجم العبوات  ودرجة النظافة قبل التخزين

أهمية التخزين :-

• دوام إستمرار تمويل خط المصنع حتى يستمر العمل 24 ساعة
• إطالة موسم التصنيع لفترات طويلة
• حفظ الخامات عند توفرها بسعر مناسب

4- التدريج :-Grading

حسب الحجم –الشكل –اللون –القوام –الكثافة- التركيب الكيماوى –الأصابة بالحشرات الفطرية

أهمية التدريج :-

• تعطى نواتج موحدة لها قيمة واحدة لكل من الدرجات التى تدرج عليها المادة الغذائية
• توحيد حرارة الحفظ والمعاملة الحرارية وبذلك نقلل من تكاليف الأنتاج
• تعطى نواتج من الصنف الواحد ذات قيمة مختلفة وهذا يساعد على إشباع رغبات عدد كبير من المستهلكين
• أختيار المنف الملائم للحفظ ومعرفة طور النضج الملائم لان زيادة النضج يحول المادة الغذائية إلى كتلة أثناء تعقيمها وهذا يؤثر على الخواص الحسية للمادة المحفوظة
• تدريج تبعا لصفات الثمرة ويعرف بالتدريج الوصفى quality gradingأو تبعا للتدريج الحجمىsize grading   أوتبعا لدرجة النضج  أما أختلاف التدريج يؤثر على الأحجام الصغيرة ويؤدى إلى إنكماشها

6–الفرز :-sorting:-

حيث يستبعد الثمار المهشمة والمصابة وغير مكتملة النضج

أهمية الفرز :-

• رفع المادة الغضة والتالفة حتى لاتسير فى الخط وتلوثة
• رفع المواد الغير سليمة وإزالة الأشياء الغريبة مثل الأحجار والأغصان والمواد المعدنية وذلك بأستعمال آلات مغناطيسية

إعداد وتحضير المعاملاات المختلفة   Preparation of different treatments 

ويتم غمس الفاكهة والخضروات الطازجة لمدة دقيقة في محلول مطهر من هيبوكلوريت الكالسيوم (0.25 جم / لتر ماء مقطر) ثم التجفيف بالهواء وتم تقسيم الفاكهة والخضروات الطازجة إلى مجموعتين: المجموعة الأولى : غمس الفاكهة والخضروات المنظفة في محلول الأغشية الطبيعية  لمدة 10 ثوانٍ (فى المحلول المحفوظ ثابتًا في الدورق) وتم تجفيف العينة بعد ذلك بالهواء المجموعة الثانية المحاليل المعاملة بالنانو: تبدأ بمحلول الأغشية الطبيعية الآخرالنانو المختار ثم غمس الخضر والفاكهة  وتجفيف الطبقة المغطاه على سطح الثمار وغير المغطاه بالهواء وتم تقسيم الفاكهة والخضروات المغطاه  بمحلول الأغشية الطبيعية الصالحة للأكل إلى مجموعتين: المجموعة الأولى من الفاكهة التفاح والعنب الأحمر حيث تم حفظها في الثلاجة التبريد عند (0-2 درجة مئوية) والرطوبة النسبية (RH) 90-95٪ المجموعة الأخرى من الخضار  الطماطم والفلفل الأخضر الحلو حيث حفظت في ثلاجة التبريد عند (8 درجة مئوية) ورطوبة نسبية 90-95٪ ثم تغليف جميع العينات بورق الزبدة ، ثم تعبئتها في أطباق فوم أوصواني سعة كل 6-8 ثمار وتم عمل شرنك ولفها بالسيلوفان (سمك 0.02 مم) ، بإستثناء تعبئة العنب الأحمر 800 جرام في سعة أطباق فوم وحفظها في علب كرتونية ثم حفظ العينات بعد تعبئتها وتم التخزين المبرد فى ثلاجات بقسم بحوث ما بعد الحصاد معهد بحوث البساتين  مركز البحوث الزراعية بالجيزة و خلال فترة التخزين  يتم سحب عينات من الفاكهة والخضروات لفحصها وتحليلها من حيث الخواص الفيزوكيميائية بشكل دوري ويمكن تلخيص تغطية الخضر والفاكهة بالأغشية القابلة للأكل بأنها تطيل فترة الصلاحية وتحافظ على النضارة والطزاجة وخواص الجودة عند التخزين على درجة حرارة التبريد وبالتالى فهذة الأغشية ذات فائدة تطبيقية فى مجال الصناعات الغذائية .

 تحضير مستحلب النانو للزيوت الأساسية العطرية مع بعض التعديلات.

تم استخدام التوينTween كعامل مساعد فى خفض التوتر السطحي غير الأيوني ووقف التفاعل مع الزيت والماء المقطر لتحضير مستحلب نانو بتركيزات مختلفة وكانت كالأتى تركيز مستخلص الزيوت الأساسية (5٪ حجم / حجم)  بينما التوين 80 كان بنسبة 30٪ وزن من الزيوت الأساسية العطرية ) لكل من تركيبات المستحلب ومستحلب النانو ثم تحضير المستحلب الخشن عن طريق الإضافة التدريجية والمستمرة للزيوت الأساسية العطرية والتوين حيث يعمل كمواد خافضة للتوتر السطحي إلى الماء مع الرج فى مجنس Homogenizer عند 3000 دورة في الدقيقة بعد الانتهاء من إضافة الماء المقطر إلى الزيوت الأساسية العطرية حيث يستمر التقليب لمدة 30 دقيقة  وبإتمام إنتهاء عملية التجانس عند 6000 دورة في الدقيقة لمدة 10 دقائق بعد ذلك تعرض المستحلب الخشن للإستحلاب بالموجات فوق الصوتية sonikation مدة 15 دقيقة بإستخدام جهاز حمام الموجات فوق الصوتية سونيكيشن  sonikation  حيث يكون شكل المحلول متماثل في مستحلب النانو على درجة حرارة الغرفة.

   تأثيرالأغشية الصالحة للأكل الحاملة للزيوت الأساسية في تحسين جودة المعاملات  بالحد الأدنى المسموح من المنظمات  الدولية FDA,WHO and Codex))وذلك لتحضير وتوصيف جسيمات الفضة النانوية:

تحضير جزيئات الفضة Ag No3 النانوية كالأتى بإضافة 1 مل / لتر من زيت اللافندر المستخلص من المركبات الفينولية الخام (كمضادات أكسدة)  ثم بعدها يضاف إلى 45 مل (0.002 M AgNO3) في دوارق مخروطية عند درجة حرارة الغرفة في الظلام لبعض الوقت ثم إجراء عملية التجنيس فى مجنس Homogenizer وبعدها تتعرض لجهاز حمام الموجات فوق الصوتية سونيكيشن sonikation

إنتاج البوليمرات النانوية البكتيرية لإنتاج أغشية صالحة للأكل بإستخدام سلالات التخمير البكتيرية مع البيئات المتخصصة  ثم  يتم التحضين فى مخمر fermenter  أو حضان هزاز على درجة الحرارة المناسبة ثم بعدها يتم الحصول على المنتج منتج بوليمر حيوي خلوي منفصل من إنتاج نانو بوليمربكتيرى لإنتاج أغشية صالحة للأكل والمواد المستخدمة في هذه التجربة ثم تقسم الأغشية الصالحة للأكل إلى مجموعات مختلفة  تم تعديل محلول تشكيل الفيلم الموصوف أعلاه بإضافة 1 مل / لتر من اللافندر زيت (Lavendula Officinalis) مستخلصات المركبات الفينولية الخام (كمضادات أكسدة) يضاف إلى المحلول ويترك للخلط لمدة 30 دقيقة  ثم يذوب حتى يتم الحصول على محلول صافٍ في الوقت نفسه يضاف الكمية المطلوبة من مادة الفضة Ag No3 بنسب (0.25 و 0.50 و 0.75) وزن٪ من CMC جسيمات نانوية إصطناعية محملة على أفلام كربوكسي ميثيل السليلوز (CMC) في 100 مل من الماء المقطر منزوع الأيونات باستخدام sonikation حمام فوق صوتي سونوكيشن لمدة 30 دقيقة بمجرد إذابة CMC تمامًا ، تمت إضافة المعلق من Ag No3  إليه والسماح له بالخلط بشكل موحد

تحول النشا إلى نانوعن طريق حمض الهيدروكلوريك والكبريتيك –

sub-gelatinization إلى بداية جلتنة بالحرارة

preferential                             مسببة هجوم تفضيلى

amorphous لجزيئات الحمض فى المناطق الغير متبلورة

حيث تتحول هذة المواد من الصورة الأيونية إلى الصورة النانومترية وتكوين حبيبات غير متبلورة وبالتالى يقل حجم الذرات والجزيئات فى الحجم والشكل

Glutaraldehyde C₅H₈o₂ تحول البروتين إلى نانو بمادة جلوترالدهيد  –

-تسرع من التفاعل وتحسنة وتخفض متوسط الوزن الجزىء

إرتباطها بروابط عرضية للجسيمات لتزيد من خواص الفيلم وقوتة وتماسكة-

stoichiometric ratio 3- ضبط نسب المواد الكيميائية المتفاعلة مع بعضها –

– يعمل التوين على إيقاف(Block ) لمجموعة الألدهيد الأخيرة من التفاعل

الأختبارات التى تجرى على المحلول والغشاء الطبيعى المصنع لتحديد أنسب غشاء نانو غذائى قوى فى خواصه الريولوجية والميكانيكية والنانومترية

• 1– دراسة الخواص الريولوجية Rheological measurements:Rheological parameters (shear rate and shear stress)
• 2- ثباتية الفيلم عند غمرها في الماءLoss of film weight in water
• 3- السمك Thickness
• 4- قوة الشد Tensile Strength
• 5- الاستطالة Elongation
• 6- معامل يانج Youn”g Modulus
• 7- النفاذية لبخار الماء والاكسجين Water Vapour and Oxygen transmission rat

8- درجة حرارة التحول للحالة الزجاجية Tg: تم تقديرها على جها(DSC)Differential scanning calorimetry   Glass  state, Rubber state , Flowed  state(DSC)

• 9- درجة حرارة التحلل الحرارى (TgA) Thermo gravimetric analysis
• 10- الفحص الميكرسكوبي الإلكتروني للتركيب الداخلي للأغشية الطبيعية
• تعتمد قياسات النانو للمواد على أجهزة  -:
• الموجات الصوتية sonikation
• التجنيس Homogenizer
• ذاتا سيزرZatasiser potential and particles size وتعتمد على قياس معدل الخطأ الشحنات حول الجسيمات وإذا تخطت ال30 فولت دليل على عدم إستقرار الشحنات وكلما قرب zeta deviation إلى الصفر كانت أفضل
• الحركة المغذلية الكهربائية Electrophoriatic
• حجم الجزيئى Molecular seizer (microscopy electron)
• TEM( Translation electron microscopy) مقياس لمعرفة مواد Nano sizer النانو سيزر
• كذلك يمكن معرفة الصلابة و نقطة الأنصهار للمادة على الحجم بشكل لا مثيل له فى اى مقياس اخر اكبر من النانو
• جهازقياس X-R diffraction (XRD) films

–   تقنية تستخدم لتحديد المواد البلورية وتوصيف المادة والتعرف على أبعادها أبعادها وكمياتها (ودورها) ووضع الذرات  داخل الشبكة البلورية      – حيث بضرب الأشعة السينية البلورة فتحيد نحو عدة إتجاهات معينة وكلما كان الألكترون فى أعداد الأقل يكون أكثر إستقرارا وتشكل                         Crystalline materials sharp peak بلورات بناء على زوايا وشدة تلك الأشعاعات  المنحرفة ومنها نحدد

 ترتيب الذرات داخل البلورات وتأخذ شكل موجة بلورى عريضة  amorphous مادة غير بلورية broad  band  أو يكون  الكيرف يكون                               finger print- بصمة الأصبع للمواد      

تحديد الترتيب الكيميائى والتركيب الذرى للمواد المتبلورة  

---

          أ.د\ حسام الدين أبو العينين – رئيس بحوث – مركز البحوث الزراعية – معهد بحوث تكنولوجيا الأغذية – قسم بحوث هندسة تصنيع الأغذية والتعبئة والتغليف- مصر