Gıda Endüstrisinde Nanoteknoloji Uygulamaları

01.Giriş

Günümüzde, gerek tarım gerekse gıda sektörlerinde devrim niteliğinde bir potansiyele sahip olan ve heyecan verici bir hızla gelişen nanoteknoloji; genel bir ifadeyle, çeşitli araçların, malzemelerin ve yapıların moleküler düzeyde işlenmesi, düzenlenmesi ve yaratılması olarak tanımlanmaktadır.

İçinde bulunduğumuz doğa tüm tarihi boyunca sayısız nanoteknolojik harikalar yaratagelmiştir. Bugün ise bilim adamları doğada varolan bu nano ölçekteki olguları ve yöntemleri öğrenmeye ve kendi kendini çoğaltabilen, denetleyebilen, kontrol edebilen, onarabilen araçlar, malzemeler ve yapılar oluşturmaya çalışmaktadırlar. Örneğin tüm canlıların hücrelerinde bulunan ve hemen her çeşit proteini üretebilen oldukça küçük (sadece birkaç mikrometre küp) boyuttaki ribozomların, aminoasitleri hassas çizgisel bir sırayla arka arkaya dizerek proteinleri oluşturma yönteminin mühendislik yaklaşımı ile incelenmesi, çözümlenebilmesi sayesinde nanoteknolojik araştırmalarda önemli bir aşama kaydedilmiştir.

Gıdaların üretiminden tüketimine kadar geçen sürenin yani raf ömrünün uzatılması için bir çok ambalajlama teknikleri geliştirilmiştir. Nanoteknoloji uygulamaları ile ambalajların dayanıklılığı arttırılarak gıdaların raf ömürlerinin uzatılması amaçlanır.

Gelişmekte olan bir teknoloji olduğu için mevcut teknolojik uygulamalar az sayıdadır. Fakat, gün geçtikçe paketleme ve baskı işlemlerinde daha fazla kullanılması beklenmektedir.

  1. Nanoteknoloji Nedir?

Nanoteknoloji diğer bir deyişle moleküler teknoloji çok küçük boyutlarda (mm’nin milyonda biri) çalışılmasını ifade eden bir kavramdır. Bir üretimi şekillendirme, üretimin her aşamasındaki mekanizmaları çözme veya bunları kullanarak işlem yapmaktır.

Nanoteknoloji, parçaları nanometre boyutlarında olan makineler yapmak anlamına da gelir. Bu makineler iki amaca yöneliktir. Her yapının ve etkinin atomik düzeyde bir duyarlılıkla kontrol edilmesi ve belli bir iş için olası en küçük makinenin yapılmasıdır. Bu işlemleri gerçekleştirecek makine parkı, cihazlar, aletler geliştikçe nanoteknolojide yol alınmış olunacaktır. Nano boyutta sentez yapabilen cihazların gelişmesiyle nanoteknoloji gelişmektedir. [1]

Arabalardan uçaklara, uzay makinelerine, ev aletlerinden binalara, cep hesap makinelerinden süper bilgisayarlara, kullanılan malzemeler gün geçtikçe iyileşmekte ve sonuç olarak bu yapılar daha üstün özelliklerle karşımıza çıkmaktadır. Bunlar nanoteknolojinin gelişmesi ile olmaktadır. [1]

Nanoteknolojide öngörülen üretim mekanizmalarından biride anlamlı en küçük kütle birimi olan molekülün biyolojik sistemlerden esinlenerek kendi kendini tekrarlamasıdır. Bu bir şekilde aynı tip moleküllerin birbirlerine eklenmesidir. Buradaki esas getiri biyolojik sistemlerdeki gibi en düşük maliyet ile en az emekle büyük miktarda üretim yapmaktır. Her alanda olduğu gibi bu alanda da nanoteknolojinin kötü amaçla kullanılabilmesi (insan klonlama gibi) veya kontrol dışına çıkması söz konusu olabilir. Bu nedenle nanoteknolojinin gelişimi düşünülürken emniyet mekanizmalarının da geliştirilmesi gerekmektedir. [2]

02.01. Nanoteknolojinin Amaçları

Nanoteknoloji, nano ölçeğinde atom üstüne atom koyarak cisimler yaratmayı, elmas benzeri karbon kristalleriyle, bilye yatakları ve eksenler oluşturmayı amaçlar. Bu sayede çok hafif, yüksek mukavemetli, akıllı, çok ucuz, temiz materyaller elde edilir.

Nanoteknolojinin amaçları; nanometre ölçekli yapıların analizi, yeni nano ölçekli fonksiyonel malzemeler oluşturulması, nanometre boyutundaki yapıların fiziksel özelliklerinin anlaşılması, nano hassasiyetli cihazların geliştirilmesi, nano ölçekli cihazların geliştirilmesi ve bu boyuttaki maddenin kontrol edilmesi, uygun yöntemler bularak nanoskopik ve mikroskopik dünya arasındaki bağın kurulmasıdır. [3]

02.02. Nanoteknolojinin Gelişimi

Nanoteknoloji 3 milyar yıldan fazladır kullanılan bir teknolojidir. Uygulanan bu teknoloji bugün canlı hücrelerin içinde bulunmaktadır. Evrimin ilk basamaklarındaki hücreler belli bir plana göre atom üstüne atom koyarak protein ve diğer molekülleri oluşturmuşlardır. Bu moleküllerde bir araya gelerek canlıların oluşumu ve şekillenmesini sağlamışlardır. [4]

Somut adımlar olarak ise; nanoteknolojinin başlangıcı 1965 yılında Nobel Fizik ödülü alacak olan Richard Feynman’ ın 1959 da yaptığı bir yayındır.Bu yayınında Feynman fizik kanunlarının mevcut halinin atom üstüne atom dizilerek yeni bir yapı oluşturulmasına ters düşmediğini verdiği örneklerle ifade etmiştir.

1990 lara kadar durgun bir dönem geçiren nanoteknoloji, son yıllarda değişik modlarda atomik kuvvet mikroskobunun geliştirilmesi ile ivme kazanmıştır.

Son yıllarda mikroskoplardaki, malzeme bilimindeki, moleküler seviyede konum kontrolündeki ve kuantum mekaniğinin klasik ve modern sınırları arasındaki farkı anlamadaki gelişmeler nanoteknolojinin gelişimi için ciddi kazanımlar getirmiştir. [2]

02.03. Nanoteknolojinin Dünyadaki Durumu

Dünyadaki pek çok ülke konunun geleceğinin öneminin farkına varmış, bilim kurumları (üniversiteler, araştırma laboratuarları, teknoloji şirketleri ve vakıflar) ile bu sahaya yönelmiştir. Birçok gelişmiş ülke hızla bu alana yatırım yapmaktadırlar. 1997 de ABD, Batı Avrupa, Japonya, Güney Kore, Çin, ve Avustralya’ nın nanoteknoloji çalışmalarına yıllık bazda ayırdığı finansman 600 milyon USD iken 2004 yılında 4 milyar doları geçmiştir. [4]

Mevcut nanoteknoloji uygulamalarında ciddi başarılar elde edilmekle birlikte kütle ve seri üretim henüz başarılamamıştır.

02.04. Nanoteknolojinin Araçları, Alet ve Yardımcıları

Nanoaletler kullanılarak moleküler ve atom düzeyindeki malzemelerin bir yere biriktirilmesi veya oradan uzaklaştırılması yaklaşımına litografi denir. Litografi makroskopik cihazları kullanarak atom ve molekülleri amaca göre istenilen yere yönlendirmektir.

Ayrıca makroskopik dünyadaki robotların mikroskopik benzerlerini yaparak bunlar aracılığıyla nano ölçekte üretim yapmak anlamına da gelir. Bu mikroskobik robotların geliştirilmesi ile nanoteknolojinin gelişimi sağlanabilir. [5]

Nanoteknolojinin araştırılmasında, ürünlerin ve sistemlerin kontrolünde kullanılan en önemli araçları; taramalı prob mikroskopları, özellikle atomik kuvvet mikroskobu ve taramalı tünel mikroskobudur. Nanoteknolojideki bu gelişim, prob mikroskobunun gelişimini hızlandırmış ve kullanımını yaygınlaştırmıştır. Ayrıca bu cihazlar nanomaniplatör olarak (mikrorobot) kullanılarak nanoteknoloji uygulamalarını arttırıcı etki de yapmıştır. Bu yönde özellikle biyolojik ve bilimsel uygulamalar yaygınlaşmaktadır. Teknolojideki yeni gelişmeler sonucu elektron- iyon spektroskopisi gibi yüzey analiz tekniklerinin kullanımı artmıştır. Optik mikroskop yerine tünel elektron mikroskobisi kullanımı tercih edilir olmuştur. Ayrıca atomik kuvvet ve iş fonksiyon spektroskopisi gibi moleküler büyüklüklerin görüntülenmesine olanak tanıyan görüntüleme teknikleri, optik sensörler, lazer ve fiber optik, nano ve hatta femto saniyede ölçüm yapan yarı iletken dedektörlü ölçüm sistemleri nanoteknoloji laboratuarlarının vazgeçilmezleri olmuşlardır. Ortaya çıkan bu yeni analitik mikroskoplar kaplama homojenliği ve etkinliğinin incelenmesinde etkilidir. Ayrıca katı faz katalizör yüzeyleri gibi yüzeyin morfolojik ve topografik yapısı ve yüzey bileşenlerinin incelenmesi çalışmalarında kullanılmaktadırlar. [6]

Nanomanipülatör; Molekülleri görme, dokunma ve değiştirme imkanı tanıyan sanal gerçeklik ara birimdir. Virüs, DNA iplikleri ve nanotüpleri modifiye etmek amacıyla kullanılabilmektedir. Sanal gerçeklik eldivenleri ve gözlükleri ile kullanıcının örneğin yüzeyini görmesini ve hissetmesini sağlamaktadır. Böylelikle kullanıcı eliyle mikroskobik objeleri tutabilir, itebilir, hareket ettirebilir ve sonuçta çıkan kuvveti, etkileşimi hissedebilir. Böyle bir teknoloji ile gen transferi, enzim değişimi, jeller ve yüzeyler üzerinde lokal değişiklikler yapabilmek mümkün olmaktadır. [1]

  1. Nanoteknoloji Uygulamaları

03.01. Nanoteknolojinin Kullanım Alanları

Nanoteknoloji uygulamalarında üretilen malzemeler, parçalar, aletlerin hepsi atomlardan oluşmaktadır. Nanoteknoloji ile karbon atomlarının uygun bir şekilde dizilmesiyle elmas, kum tanelerindeki atomların düzenlenmesiyle bilgisayarlar, kirli sulardaki atomların düzenlenmesiyle temiz su oluşumu sağlanabilmektedir. [7]

Bilim adamları biyolojik moleküller ile bir test tüpü içinde bir bilgisayar oluşturmayı başarmışlardır. Araştırmacılar ileride insan bedeni içinde çalışacak ve bedendeki biyokimyasal ortam ile etkileşerek önemli biyolojik ve farmokolojik uygulamalara olanak sağlayacak bilgisayarlar geliştirmeye çalışmaktadırlar. [7]

Şu ana kadar nanotenoloji kullanımı ile organik nikelden biyomoleküler motor yapılabilmiştır. Özellikle elektronik sistemlere yönelik tek moleküllü transistörler yapılmış, nanopartiküller oluşturularak, bunlar kan vasıtasıyla beyne kemoterapi amacı ile taşınılabilmiştir. Oluşturulan altın partiküller sayesinde biyolojik savaşın en kritik kısmı olan DNA tespiti gerçekleştirilmiştir. Moleküler kıskaçlar geliştirilebilmiş ve karbon nanotüplerde lojik kapılar elde edilebilmiştir.

İleride nanoteknoloji malzeme bilimi, tıp, askeri sanayi, temiz enerji kaynakları, bilgisayar, çevre ve gıda gibi konularda yaygın olarak kullanılabilecektir. [5]

  • Mikro-Alaşım Bilimi;

Akışkanlardan, ulaşım, enerji, vb makro düzeyde yaralanmanın yanı sıra nanoteknolojik gelişmeler sayesinde mikro-nano düzeyde de yararlanılmaktadır. Bu gelişmeler günümüzde akışkanın nano düzeydeki özelliklerine bağlı olarak hastalıkların teşhisine, ilaç etkileşimlerinin belirlenmesine, DNA düzenlenmesine ve işlenmesine olanak sağlamaktadır. Ayrıca vucuda alınan gıda maddelerinin ve sıvıların izlenmesi, bitki ve hayvanlardaki sağlık takibi, çevresel izleme ve denetleme gibi konularda uygulamalar mümkün olmaktır.

  • BiyoMEM-BiyoNEM-Biyoçip;

Mikroelektronik (MEM) sistemlerden mikro-düzeyde tam fonksiyonel pompalar, motorlar, duyargalar vb kullanılmaktadır. Bu sistemlerin mikro düzeyden nano düzeye geçişi üzerine çalışılmaktadır.

  • Nükleik Asit Biyomühendisliği;

DNA moleküllerinin yapı blokları olarak kullanılması suretiyle nanokablolar ve nanomembranlar benzeri yapıların geliştirilmesi amaçlanmaktadır.

  • Akıllı Taşıyıcı Sistemler;

Moleküler ölçekte kodlanmış paketlerin kendilerine tanımlanan adres uyarınca vucudun ilgili bölgesine ulaştırılmasına imkan verecek olan sistemler geliştirilmesi amaçlanmaktadır.Bu sayesinde bitki ve hayvanlarda vitamin, antibiyotik, pestisit ve gübre kullanımında tasarruf ve etkinlik artışının sağlanabileceği öngörülmüştür. Böyle bir minyatür akıllı taşıyıcı aracın hayvana yerleştirilmesi ile hayvan salgınlarının belirli aralıklarla test edilerek olası hastalık semptomlarının normal şartlarda kendini göstermesinden çok daha önce tespitinin sağlanması ve sadece hastalıklı bölgeye müdahalesi mümkün olmaktadır.

  • Nano-Biyoproses;

Biyolojik malzemeden doğan biyolojik proseslerin kullanımıyla istenilen birleşimlerin elde edilmesi olarak tanımlanan biyoproses, nanoteknoloji sayesinde çok daha yüksek bir etkinlikte gerçekleştirilmektedir.

Biyoanalitik Nanosensörler;

Nano ölçekte duyargalar yardımıyla tarım ve gıda sistemlerindeki çok düşük miktarda da olsa dahi kimyasal kontaminasyon, patojenlerin veya virüs partiküllerinin tespit edilmesi mümkün olmaktadır. Gıda maddelerinin ambalajlanmasında kullanılacak bu sistemler sayesinde gıda ürünlerinin mikrobiyal kontaminasyonunun önceden tespiti ve kendi kendini koruma mekanizmaları yardımıyla önlenmesi sağlanabilmektedir. Böylece gerek depolama gerekse dağıtımda oldukça önemli kolaylıklar ve tasarruflar sağlanacaktır.

  • Nanomalzemeler;

Gerek nanoteknoloji sayesinde yeni malzeme buluşuyla gerekse doğada var olan bazı malzemelerin (örneğin; topraktaki nanopartiküller-kil, zeolit, imogolit) kullanılması suretiyle nano ölçekte farklı özellikler gösteren kompozit malzemelerin kullanımı mümkün olabilmektedir. Bunlardan saydamlık, azalan ağırlık, artan dayanım özelliklerini gösteren malzemeler, giyenin sağlık ve fiziki durumu hakkında uyarılar veren akıllı kumaşlar örnek olarak verilebilir. Tarımsal materyalin faydalı ürünlere dönüştürülmesi ve bu sayede çevrenin korunumu nanoteknoloji sayesinde gerçekleştirilebilecektir. Günümüzde özellikle bitkisel yağların biyo-yakıtlara ve endüstriyel çözeltilere dönüştürülebilmesinde ihtiyaç duyulacak nano-katalizörlerin geliştirilmesi ve tasarımı konusunda çalışmalar yapılmaktadır.

  • Biyoselektif Yüzeyler;

Çeşitli kimyasal ve biyolojik etkileşimlerin meydana geldiği yüzeyler üzerinde çeşitli organizmaların veya moleküllerin tutunabilmesini veya bağlanabilmesini sağlayan seçici yüzeyler olarak tanımlanan biyoselektif yüzeylerdeki gelişmeler, biyosensörlerin, dedektörlerin, katalizörlerin gelişimine ve biyomoleküllerin ayrıştırılmasına ve saflaştırılmasına bağlıdır. [8]

Ekmek, fasulye, pilav, marul salatası, parmak patates, meyve ve daha nice tarım ürünleri tüketim amacıyla yemek masasına gelmeden önce birçok çevresel etki altında kalmaktadır. Yetiştiricilerin söz konusu bu etki altında ekim, sulama, gübreleme, hasat gibi işlemler ile ilgili çeşitli kararları zamanında vermesi gerekmektedir. Bu ürünlerin yabani hayvanlara, yabancı otlara, böceklere, fungal patojenlere ve kötü hava koşullarına, su ve sıcaklık stresine karşı zaman kaybetmeden korunması lazımdır. Bu nedenle tarladaki ürünlerin her gün takibi ve kontrolü sayesinde kritik sağlık problemlerinin önüne geçilebilmekte ve bunun yanısıra pestisit kullanımında tasarruf sağlanabilmektedir. Ancak tarlada yapılan ürün takip işlemleri yetiştiriciler için hem zaman alıcı hem de uzmanlık gerektiren bir iş olarak değerlendirilmektedir. Çeşitli uygulama alanları verilen nanoteknoloji sayesinde tüm bu işlemlerin oldukça basite indirgenmesi, çok daha doğru kararların doğru zamanda verilmesi ve doğru önlemlerin alınabilmesi mümkün olacaktır. [3]

03.02.Nanoteknolojinin Uygulama Örnekleri

Gelişen nanoteknoloji uygulamalarından bazıları aşağıdaki gibidir.

-Karbon nanotüp ve nanolitografi

-Karbon lifler üretilip hidrojen bataryası olarak kullanma

-Nano kütüphaneler

-Veri kütüphaneler

-Hücre onarım robotları

-Coca-Cola plastik şişelerinin mono tabakalı silisyum dioksitle kaplayarak cam ve plastiğin üstün özelliklerinin birleştirilmesi

-Polietilen üretiminde zincir yapısı değişimi ile çelikten sağlam taşıyıcı halat üretimi. [2]

03.03. Nanoteknoloji Uygulamalarının Dezavantajları

Nanoteknoloji gibi kendi kendini tekrarlayan üretim mekanizmalarında en küçük birimlerin doğal ortamda ve kontrolsüz çevrede kendini tekrarlaması mümkün olmayacak şekilde geliştirilmesi gerekmektedir. Bu mekanizmanın işlemesi için mutlaka dışarıdan enerji ihtiyacı temin edilmelidir.

Teorik olarak moleküllerin kontrolü mümkün olması halinde nanoteknoloji her gün muazzam bir şekilde geliştirilebilir. Fakat tek tek atomların dizilmesi çok uzun zaman alır. Bu nedenle farklı üretim mekanizmalarına ihtiyaç vardır. Tabi bu üretimin fizibil olması gerekmektedir.

Bu boyutta araştırma ve üretim yapmanın en önemli dezavantajlarını aşağıdaki gibi sıralayabiliriz.

-Atomik boyutta yapışma

-Sürtünme ve aşınma

-Termal titreşimler

-Cihazın rijitliği

-Pozisyon bulma ve kontrol mekanizmaları

-Kuantum etkisi [1]

  1. Paketlemede Nanoteknoloji

Nanoteknoloji genellikle atom ve moleküllerin düzenlenmesi ile yeni yapıların oluşturulması olarak tanımlanmaktadır.

Nanoteknolojiye üretimde, güvenlikte ve gıda paketlemede başvurulabilir. Tüketiciler doğal muhafaza edilen ve az işlem görmüş taze gıdalar tercih ederler. Nanoteknolojinin amaçlarından biri de günümüzdekilerden daha başarılı, daha ucuz, daha besleyici gıda dizayn etmek için gıdaların atomlarını ve moleküllerinin düzenlenmesidir. [2]

Hammaddeler şekillendirilerek film ve gıda paketlemede gaz ve oksijen bariyerleri geliştirilmiştir. Böylece gıdaların dayanıklılıklarının arttırılması ve raf ömürlerinin uzatılması sağlanmıştır. [1]

Önümüzdeki 5 yılda 5 milyon lb lik nanokompozit materyal hem esnek hem sert pakatlemede kullanılacaktır.

En fazla nanokompozit 2006 da bira paketlemede kullanılacaktır. (3 milyon lb) Onu etler ve karbonla doyurulmuş hafif içecekler takip edecekler. 2011 de toplam rakam hemen hemen 100 milyon lb olacaktır.

Bunun 50 milyon lb’si karbonla doyurulmuş hafif içecekler için kullanılacaktır. Onu bira, etler takip edecektir.

Diğer nanokompozit paketleme uygulamaları; peynir, meyve suyu, hayvan yemlerini kapsar. [5]

04.01.Nanomateryaller Nasıl Kullanılır?

Nanoteknoloji için ticari uygulamalar az sayıdadır. Gün geçtikçe paketleme ve baskı işlemleri daha fazla uygulanmaktadır.

04.01.01.Nanomateryallerin Gelecekteki Kullanım Alanları

Nanomateryallerin gıda alanındaki gelecekteki kullanım alanlarından birkaçı aşağıdaki gibidir.

Uzun Raf Ömrü: Bariyer özellikleri geliştirmede

Bileşikleri absorbe etmede

UV absorbantlarında

Kimyasal karıştırıcılarda

-Sıcak Dolum: Geliştirilmiş sıcaklık performanslarında

-Esnek Paketleme: İnce filmler olarak

-Belli Bir Görev İçin: Antimikrobiyal

Nanosensörler (sıcaklık, nem, ışık, çökelme)

-Entegre Edilmiş Güç: Akıllı etiket

Kendiliğinden ısıtmalı sistemler

04.01.02. Paketlemede

Kompozitlerinin Gelecekteki Kullanım Alanları

Nanomateryallerden bir tanesi nano kompozit materyallerin kullanım alanlarından birkaçı aşağıdaki gibidir.

-Gaz Bariyerleri: Oksijen bariyerleri

-Gıda Paketleme: Filmler

İnce elektronikleri duyusal paketleme için kullanılıyor.

Renk oluşumu:

Sıradan pigmentler veya boya pigmentleri kullanılmadan nanomateryaller renk sağlayabiliyorlar. [1]

04.02.Paketlemede Yeni Konular

Önümüzdeki yıllarda paketlemede nanoteknoloji uygulamalarında araştırılacak yeni konular aşağıdaki gibidir.

– Üretim Teknolojileri; Makineri

– Lojistik Teknoloji; Şekil

Paketleme Dizaynı

Web Üretimi Desteklenmesi

Akıllı Raflar

Damgalama

-İleri Teknoloji içeren Paketleme; Akıllı etiketler
Sensörler

Hologramlar

-Ham Materyaller; Mürekkepler ve Kimyasallar

-Müşteri Alışkanlıkları; Dizayn

Güvenlik (sağlık açısından)

-Geri Dönüşebilirlik

Yukarıdaki alanlar nanoteknoloji uygulamalarının çoğalması için fırsatlar sağlayacaklardır.

Hammaddelerden elde edilecek yeni şekillerdeki daha iyi materyaller yüksek kalitede paketlerin üretiminde kullanılmaktadırlar.

Depolamada yeni özel şekiller paketlere eklenecek ve pakette kullanılacak malzemelerin dayanıklılığı arttırılacak ve ürünün raf ömrünün uzaması sağlanacaktır. [1]

04.03. Plastik Paketlemede Nanoteknolojinin Faydaları

Nanoteknoloji uygulamaları paketlerin dayanıklılığını ve kalitesini aşağıdaki şekillerde arttırabilmektedir.

-Mekanik özelliklerin geliştirilmesi

-Ağırlık oranındaki güç ve boyutsal stabilitenin arttırılması

-Termal stabilitenin geliştirilmesi

-Alev direcinin geliştirilmesinde

-Duman emisyonunun azaltılmasında

-Gaz bariyer özelliklerinin geliştirilmesinde (neme karşı)

-Daha iyi yüzey görünümü için

-Daha iyi elektriksel iletim için

-Optik özelliklerin geliştirilmesinde

Rekabet halindeki bu gelişen sistem ile ambalaj kağıtlarının kalitesi artıyor. Fakat bu ambalaj kağıtlarının fiyatları çok yüksektir. Ambalajlama uygulamalarında nanobilim, nanoteknoloji girdi malzemelerinin fiyatlarının radikal bir şekilde azaltılması gerekmektedir. [7]

04.03.01.Nanokiller ve Nanokompozitler

Kil parçacıkları, fonksiyonel organik moleküllere dönüştürülerek hibrit materyaller oluşturmaktadırlar. Kil parçacıkları yarı rijit yapı içerebilirler. Kil mineralleri içeren plastikler içermeyenlere göre daha parlak, daha güçlü ve elastik yapı kazanmaktadır.

Kil mineralleri bu plastikler içinde birçok tabaka oluştururlar. Bu kil tabakaları plastiğin daha güçlü olmasını ve daha yüksek erime noktasına sahip olmasını sağlarlar.

Bu şekilde elde edilen yeni hibrit materyaller paketlemede kullanılırlar. Örneğin bira şişelerinde kullanılan hibrit materyaller ağırlığın azalmasına neden olurlar. Böylece taşıma masrafları azalmış olur. Ayrıca bira şişelerinin raf ömürleri 120 günden 180 güne kadar çıkabilir. [1]

Bir nanokompozit kaplama işlemi kaplanmış bir filmin yüzeyinde doğrudan anti-mikrobiyal ajanlar bulundurmak suretiyle gıdaların paketlenmesini geliştirmeyi amaçlar. Nanokompozitler paketleme materyallerinin gaz geçirgenliklerini düşürebilir veya arttırabilirler. Aynı zamanda mekanik ve ısı direnç özelliklerini ve daha düşük oksijen geçirgenlik oranını geliştirebilirler.

Nanokompozitler nanoteknolojik uygulamalarda kimyasal ve biyolojik kaynaklardan yararlanarak gıdalardaki biyokimyasal değişiklerin kontrolünü sağlar. Bu kontrol gelecekteki bütün gıdalar için kullanılacaktır. [3]

Nanokiller ve nanokompozitlere örnekler:

Yüksek bariyer yarı-aromatik naylonlar şimdi nanokompozit formunda mevcutturlar. Yeni materyaller mevcut uygulamalarda gerçekleştirilemeyen oksijen ve karbondioksit bariyerleri özelliğine sahiptirler. Bu bariyerlerin proses karakteristikleri çok tabakalı filmler, şişeler ve ısı form sistemleri için idealdirler. Ultra ince film nanoteknolojisi 1-5 mm inceliğinde tekli tabakalar ve filmler üretmek için kullanılır. Bu ince filmler organik veya inorganik olabilirler. Nano ölçekli kil parçacıklarının kontrolü ve düzenlenmesi mümkündür. Bunun sonucunda; enzim, protein ve polimerler gibi organik moleküllerin fonksiyonları ile kil minerallerinin yapısal desteğinin birleştirilmesi akıllı materyallerin oluşumunu gerçekleştirir. [7]

Tek tabakalı kil parçacıkları çok tabakalı kil yığınlarına göre daha değişik davranışlar gösterdiği için yeni araştırmalara uygun yapıdadırlar. Araştırmacılar tek tabakalı kil parçacıkları ile çalışarak yeni hibrit filmler ve içerisine yeni fonksiyonlar eklenmiş filmler üretmeyi amaçlamaktadırlar. [1]

04.03.02.Plastik Bira Şişeleri ve Raf Ömrü

Nanokompozitler, nanokristaller ile bağlanmış geliştirilmiş özellikli materyallerin oluşumunu sağlayan polimerlerdir. Nanokompozitlerden oluşan plastik bira şişelerinin raf ömrü 6 aydır.

Oksijenin girişini engellemek amacı ile plastiklerin içerisindeki nanokristaller labirent oluştururlar ve böylece raf ömrünün uzaması sağlanmış olur. Bu konudaki çalışmalar raf ömrünün 18 aya kadar çekilmesi yönündedir.

Tat ve aromadaki korunum ve bozulmadaki azalma gibi avantajların yanında düşük ağırlık ve geri dönüştürülebilirlikteki yararları da çok önemlidir. Bu sayede paketlemede kullanılacak maddenin azaltılması ile ulaşım ve üretim masraflarında azalmalar olacaktır. Günümüzde nanokompozit malzemelerin fiyatları plastik reçinelerden daha pahalıdır. Fakat ilerleyen zamanlarda artan uygulamalar ve rekabet sonucunda fiyatlarda düşüşler olacaktır. [1]

04.03.03. Nanosensörler

Nanoteknolojinin en önemli uygulaması gıda dağıtım kolaylığı ve gıda üretiminde kullanılabilen nanosensörlerin gelişimidir. Nanosensörler birkaç çeşit metodla çalışmaktadırlar. Araştırmacılar tarafından değişik floresans renkler yayan nanopartüküller geliştirilmektedir. Bu nanopartiküller gıdalardaki patojenlerin üzerine selektif bir şekilde saldırılmaktadır. Bu sensörler kullanıldıktan sonra infrared ışın veya manyetik materyaller kullanılarak zararlı patojenlerin varlığı tespit edilmektedir. Bu sistemde yüzlerce hatta binlerce değişik nanopartiküller tek bir nanosensörün içerisine yerleştirilmekte ve bu sayede birçok değişik bakteri ve patojenin varlığı daha hızlı, daha etkili ve tam olarak tespit edilmektedir. [8]

Bir diğer avantaj ise çok küçük yapıda oldukları için bakterilerin saklandığı yerlere girip onları bulabilmeleridir. Araştırmacılar nanosensörler sayesinde patojen mikroorganizma varlığının tespit süresini iki haftadan birkaç saate hatta dakikaya indirmeyi amaçlamaktadırlar

04.03.04. Karbon Nanotüpler

Materyaller aynı zamanda paketleme ve aeroyüzey oluşumu için geliştirilmektedir. Nanokompozit plastikleri endüstriyel paketlemede kullanılmaktadır. Karbon nanotüpler paketlemenin gelişimi için elektronik bileşenler ile birleştirilmektedir. Karbon nanotüpler kompozit materyaller arasında en değerlileridir. Bunlardan elde edilen paketleme ürünleri daha parlak ve daha güçlüdür. Bu paketleme ürünleri akıllı paket olarak adlandırılmakta ve içerisindeki ürünlerin bozulup bozulmadığını belli etmektedir. [8]

04.03.05.Nanokristal Materyaller

Nanokristaller tane büyüklüğü 1-100 nm olan polikristal yapıdaki materyallerdir. Nanokristaller materyallerin sertliklerini arttırır, kırılganlıklarını ve şeklini kaybetme özelliklerini azaltır, manyetik özelliklerini geliştirir. Nanokristaller on binlerce atomun salkım halinde bir araya gelerek kristallenmesi sonucu oluşur. Genellikle 10 nm çapındaki nanokristaller moleküllerden daha büyüktürler, fakat katı yığınlardan daha küçüktürler. Ama bu ikisinin arasında fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptirler.

Nano ölçekli kristaller yığın haldeki materyallere göre daha sert, daha güçlü ve daha dirençlidirler. Nanokristaller süper güçlü ve uzun ömürlü metal parçalar yapmak için kullanılabilir. Kristaller aynı zamanda plastiklere ve diğer metallere eklenerek arabaların ve elektronik eşyaların yapısını oluşturabilen yeni tipte kompozitler meydana getirirler. [8]

  1. Akıllı Ambalajlama

Ambalajlanan gıdaların kalitesinin azaldığını veya ürünün bozulduğunu üreticilere ve tüketicilere belli eden ambalajlar, akıllı ambalaj olarak nitelendirilir. Araştırmacılar uzun süredir içsel ve dışsal durumlara bağlı olarak ambalajlama malzemelerinin özelliklerini değiştirme konusunda çalışmalar yapmaktadırlar. Bu çalışmalardan birisi; geliştirilen akıllı ambalaj sayesinde sütün değişen moleküler kompozisyonu bozulmaya başladığında paketin içindeki nanopartiküller ile reaksiyona girmesi ve paketin renk değiştirmesi ve böylece sütteki herhangi bir bozulma belirtisinin saptanabilmesidir.

Böyle bir teknolojinin gelişimi ile eğer ürün kalitesinde bir düşüş varsa ürün sahipleri ve tüketiciler bunu kolaylıkla anlayabilirler. [6]

Araştırmacılar ısı ve nem gibi çevresel faktörlerin dışında paketlerin özelliklerini değiştirecek materyallerde denemektedirler. Örneğin; paketlerin varolan moleküler yapısının sıkıştırılması sonucu dayanıklılığı artar ve böylece ısı geçişi engellenebilir. Sıcak bir havada dondurmayı güneşin altına bıraktığımızda moleküler sıkılaştırılmış dondurma paketi sayesinde ısı geçişi engellenir ve dondurma erimez. [2]

Ayrıca araştırmacılar tüketicilere bir paket etin veya bir kutu sütün ne kadar taze olduğunu söyleyebilecek akıllı paketler üretmeye çalışmaktadırlar. Paketin içerisinde oksidasyon gerçekleştiğinde renk değiştirerek belli eden nanopartiküller yardımıyla sütün veya etin bozulup bozulmadığı anlaşılmaktadır.

Akıllı mürekkepler sayesinde paketlerin açıldığını yada hasarlandığını belli eden sistemler de geliştirilmeye çalışılmaktadır. [6]

Bunların yanında gıdaların steril olup olmadığını, kontaminasyonun olup olmadığını renk değiştiren noktalarla belirten akıllı ambalajlarda mevcuttur. Ayrıca meyvelerde gaz çıkışı ile tazelik kontrolü yapan akıllı sistemler geliştirilmiştir.

Peynir gibi ürünlerde CO2 çıkışı ile ambalajın renk değiştirmesi sonucu peynirin bozulup bozulmadığı anlaşılmaktadır.

  1. Sonuç

Nanoteknoloji ile nano ölçekli olayların değerlendirilip benzerlerinin geliştirilerek uygulanması ile bilimde yeni ufuklar açılmaktadır.

Doğanın temel yapıtaşlarını kolayca, ucuz bir biçimde ve istediğimiz hemen her şekilde düzenleyebilme imkanı bulunacaktır.Böylece yeni nesil ürünlerin doğaya daha az zarar vererek üretilebilmesi ve bunların aynı zamanda daha dayanıklı, daha hafif ve daha hassas özelliklerle donatılmış olması sağlanabilecektir.

Nano sistemlerin farikasyonu, karakterizasyonu ve düzenlenmesi ile daha önce varlığı bilinmeyen çeşitli fonksiyonlar ortaya çıkartılacak, bunların verimli bir şekilde insanlığın kullanımına sunulması ile de hayat standartlarımızda önemli ilerlemeler kaydedilebilecektir.

Nanoteknoloji kullanarak üretilen değişik yapılardaki ambalajlar ile paketlenen ürünlerin bozulma riski azalacak, kalitesinin stabilitesi sağlanacak böylece raf ömrü uzatılacaktır.

Ayrıca akıllı paketleme konusunda yapılan çalışmalar sonucu gıdaların bozulup bozulmadığı kolaylıkla anlaşılabilecek ve böylelikle insan sağlığını tehdit eden gıda zehirlenmelerinin önüne geçilebilecektir.

Rekabet halindeki gelişen bu teknoloji sayesinde ambalaj kağıtlarının kalitesi arttırılmaktadır.

Facebook Yorumları

Bir Cevap Yazın