استخدام العبوات الذكية كبدائل صحية وآمنة لمواد التعبئة والتغليف التقليدية

إعداد: أ.د.حسام الدين أبوالعنين

قسم بحوث هندسة تصنيع وتعبئة وتغليف الأغذية بمعهد بحوث تكنولوجيا الأغذية – مركز البحوث الزراعية  

اتجه العالم الحديث إلى التوسع فى إنتاج هذة العبوات الذكية والنشطة القابلة للتحلل البيولوجي، حيث حظيت باهتمام متزايد في السنوات الماضية وذلك لتطوير العبوات وتحسينها والتحكم في المركبات النشطة بيولوجيا بإنتاج العبوة النشطة وتطويرها بهدف تحسين استراتيجيات الحفاظ على سلامة الفيلم المسمى بالعبوات الذكية التى أصبحت تؤدي دورا هاما فى حفظ المنتجات الغذائية.

تابعونا على قناة الفلاح اليوم

تابعونا على صفحة الفلاح اليوم على فيس بوك

لقد أصبحت العبوات الذكية والنشطة القابلة للتحلل البيولوجي أكثر شيوعا في الأسوق العالمية وذات شعبية متزايدة حول العالم كنوع جديد من العبوات قادر على الاستجابة للتغيرات في المنتج المعبأ أثناء التخزين، وذلك لكونها تحتوى على مستشعرات أكثر جاذبية سهلة الاستخدام.

يمكن أن تمنح هذه العبوات الثقة للمستهلك بسعر معقول كما أنها أكثر ذكاءا وقادرة على ضمان أغذية أكثر آمانا مع تحسين العمر الافتراضى ومراقبة الأغذية فى الوقت الفعلى أيضا يمكن تحسين هذة الوظائف من خلال الجمع بين استخدام المواد النانوية وقدرة توصيل هذة المركبات النانوية وذلك بإخطار المستهلك بسلامة واستهلاك الأغذية المعبأه.

تعمل هذة العبوات الذكية مع نظام خارجي أو داخلي يسمى (جهاز استشعار أو مؤشر) وذلك لتوفير معلومات عن تاريخ التخزين وجودة المنتج المعبأ، بينما تحتوى التعبئة الذكية النشطة على غشاء تغطية وصفائح لإمكانية تتبع المنتج وتستخدم تقنيات التغليف الذكي في تحسين جودة الأغذية وسلامتها ويركز هذا الشكل على توفير أحدث التطورات في التعبئة الذكية في الشكل النشط (كاسحات تنظيم بواعث الغازات / المواد النشطة الماصة) الذى يساهم في المراقبة المستدامة لسلامة الأغذية وجودتها لتطبيقاتها المستقبلية.

تعرف العبوات الذكية بأنها عبوة تحتوى على مؤشر داخلى Internal وخارجى External، وذلك لتوفير معلومات حول تاريخ تخزين العبوة وجودة المنتج، حيث تتميز العبوات الذكية بوجود أجهزة الاستشعار التى توضح المعلومات الفعلية حول المنتج الغذائي وتوضح تطور حدوث عمليات التحلل الغذائى للمنتجات المعبأة، وبالتالى تمنع بشكل موثوق التسمم الغذائى وتطبق العبوات الذكية على سطح العبوة عن طريق تقنيات الطباعة أو كبطاقات منفصلة كمؤشرات شريحة تدل على تغير اللون وفقا لعمر المنتج مع الأخذ في الاعتبار درجة حرارة التخزين داخل العبوة.

في الوقت الحاضر استخدمت على نطاق واسع في الكشف عن مسببات الأمراض التي تنقلها الأغذية والمواد الكيميائية والسموم والمبيدات الآفات الموجودة في المنتجات الغذائية بالمقارنة مع أجهزة الاستشعار التقليدية، حيث تعتبر مستشعرات النانو أكثر بروزا وكفاءة بسبب حساسيتها العالية ونقاوتها.

تم تصنيف العبوات الغذائية على نطاق واسع إلى مجموعتين وهما: العبوات الغذائية الذكية والعبوات الغذائية النشطة ومستشعرات ومركبات النانو.

ـ العبوات الذكية: عبارة عن مستشعرات من الجسيمات النانوية التى تستجيب للمحفزات البيئية وتنبه المستهلكين إلى تلوث المنتج أو وجود مسببات الأمراض. وتتميز العبوات الذكية بوجود أجهزة الاستشعار والتى توضح المعلومات الفعلية حول المنتج الغذائي، حيث تشير إلى تطور حدوث عمليات التحلل الغذائى  للمنتجات المعبأه وبالتالى تمنع بشكل موثوق التسمم الغذائى.

ـ العبوات النشطة: عبارة عن الجسيمات النانوية ذات الأنشطة المضادة للميكروبات والأكسدة وعوامل تنظيم الرطوبة مثل كسحات الأكسجين وكاسحات ثاني أكسيد الكربون والانبعاثات ومضادات الميكروبات scavenging oxygen.

تطبيق العبوات الذكية على سطح العبوة عن طريق تقنيات الطباعة أو كبطاقات منفصلة كمؤشرات شريحة تدل على تغير اللون وفقا لعمر المنتج مع الأخذ في الإعتبار درجة حرارة التخزين داخل العبوة.

ـ التعبئة الذكية النانوفوتونية: تتميز باحتوائها على ألوان طباعة ذات قدرة على إعطاء معلومات كالتلألؤ الضوئي نتيجة لتغير (اللون، الكثافة)، وتوضح ظهور عمليات التدهور في المنتج المعبأ نتيجة التفاعلات الحيوية التى تحدث في المنتجات الغذائية مما يؤدى  إلى تلف المنتجات الغذائية.

أنظمة ووظائف التعبئة والتغليف الذكية ذات الرقائق القادرة على تنفيذ مهام  (Microchip)

Microchip smart packaging systems and functions capable of executing tasks

Detecting اكتشاف, Recording التسجيل, Tracing التتبع, Communication التواصل Convenience, الملائمة,  Containment  الأحتواء,  Protection   الحماية, Applying Scientific Logic  التطبيق المنطقى العلمى.

أنظمة التعبئة والتغليف الذكية Smart packaging systems 

تتكون أنظمة التعبئة والتغليف الذكية بشكل أساسي من أجهزة استشعار نانوية للكشف عن ملوثات الطعام وتستخدم الجسيمات النانوية في الغالب لتطويرها أيضا تتمتع المستشعرات النانوية المحتوية على الجسيمات النانوية بإمكانيات كبيرة في تتبع التعديلات الكيميائية والفيزيائية والبيولوجية أثناء تصنيع الأغذية وحفظها حيث يساعد استخدام هذة المستشعرات في التغليف الذكي في إكتشاف المواد الكيميائية والسموم ومسببات الأمراض الغذائية

كما تساعد العبوات الذكية المزودة بأجهزة استشعار ومؤشرات النانو على تتبع المعلومات المتعلقة بجودة المنتجات الغذائية المعبأة بسهولة أثناء النقل والتخزين وقد لوحظ أن التغليف الذكي يساعد في الحفاظ على جودة الطعام أثناء التوزيع، حيث أن المستشعرات المرفقة في العبوة تسجل جميع الاستجابة المتعلقة بالتغييرات المرتبطة بالمحفزات البيئية الداخلية أو الخارجية.

يتم إرفاق بعض المؤشرات بشكل شائع في تطبيقات تغليف المواد الغذائية من أجل قياس سلامة العبوة وجودة تساعد مراقبة التغييرات في المنتج الغذائي أثناء الإنتاج وسلسلة التوريد بإستخدام المؤشرات في الحفاظ على الجودة وتزيد من العمر الافتراضي للمنتج، بالإضافة إلى ذلك يمكن إستخدام الرموز الشريطية النانوية القائمة على الجسيمات النانوية كعلامات هوية للتغليف الذكي.

أنظمة التعبئة والتغليف النشطة Active packaging systems 

تم تطبيق مصطلح “تغليف المواد الغذائية النشطة”

في البداية التغليف النشط  لتضمين الاضافات والمكونات المختلفة في فيلم التعبئة والتغليف أو وحدات التعبئة للحفاظ على المنتج وإطالة العمر الإفتراضي للمنتج علاوة على ذلك يمكن تعريف التعبئة النشطة على أنها تقنية تعمل على تقليل معدل التنفس وتخفيض الميكروبات وهجرة الرطوبة والأكسدة بهدف رئيسي هو تعزيز السلامة والجودة ومدة الصلاحية ونضارة الأغذية.

يركز التغليف النشط على خصائص البوليمرات المستخدمة في العبوة نفسها أو على سطح العبوة متعددة الطبقات أو على دمج مركبات معينة داخل المادة البوليمرية بهدف تجنب التلوث الميكروبيولوجي والحد من تغير التفاعلات الكيميائية الحيوية والمحافظة على الخصائص البصرية والحسية للأغذية والمواد القادرة على البثق الحرارى المشترك أو خلط ودمج البوليمر أو العبوات مثقبة دقيقة لتنظيم الأنتقائية من أجل تغيير تركيزالغازات في المستويات المحيطة داخل العبوة.

Co-extrusion, polymer mixing or micro perforation

تعمل أنظمة العبوات النشطة بشكل عام على زيادة فترة الصلاحية وتحسين الأغذية المعبأة ويعتمد تطوير أنظمة التعبئة النشطة بشكل أساسي على تخزين المواد الغذائية، حيث أن هذة الأنظمة النشطة مصممة بدمج المكونات مع البوليمر في العبوة، وبالتالى تستخدم هذة المواد على نطاق واسع في تطبيقات مختلفة للتعبئة النشطة التى تعمل على:-

1ـ امتصاص الأكسجين أو تطلق مضادات الميكروبات أو العوامل المضادة للأكسدة في أومن الأغذية المعبأة مما يجعلها أكثر مقاومة وفعالة في زيادة العمر الافتراضي للأغذية المعبأه والمحافظة على جودتها.

2ـ دمج المركبات النشطة مع الجسيمات النانوية ومضادات الميكروبات لامتصاص الأكسجين وبخار الماء كما تعمل الجسيمات النانوية إما بالاتصال المباشر أو يمكن أن تهاجر ببطء وتتفاعل مع المواد العضوية الموجودة في الغذاء (المعادن وجسيمات أكسيد المعادن النانوية والزنك والذهب والفضة  وأكسيد الزنك وثاني أكسيد التيتانيوم وأكسيد السيليكون).

3ـ تعد الفضة من أكثر الجسيمات النانوية استخداما لأنها معروفة بقدراتها الراسخة كمضادات الميكروبات والسلالات المسببة للأمراض وتمنع وجود العديد من الفيروسات والفطريات أيضا تمنع إنزيمات السلسلة التنفسية وتحفز إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية.

4ـ دمج الفيلم التغليف مع جزيئات الفضة الدقيقة والجسيمات النانوية التى تستطيع أن تمنع نمو الإشريكية القولونية والمكورات العنقودية الذهبية والبكتيريا أو دمج جسيمات الفضة النانوية في أغشية ألجينات الصوديوم وفي تغليف المواد الغذائية  حيث لة تأثير ملحوظ مضاد للجراثيم  ضد الإشريكية القولونية.

مستشعرات النانو Nanosensors 

تعتبر مستشعرات النانو أو جهاز استشعار النانو ويسمى أيضا جهاز التحليل الحيوي وهو عبارة عن نظام متكامل يتكون من مواد نانوية مختلفة ومستقبلات بيولوجية تم استخدام هذة المستشعرات النانوية في صناعات تجهيز الأغذية والتغليف واكتسبت الكثيرمن الاهتمام نظرا لسلامتها وقدرتها على الاكتشاف السريع أيضا تتكامل هذة المستشعرات بسهولة مع المواد التحليلية نظرا لخصوصيتها وحساسيتها العالية.

7ـ التعبئة الذكية النانوفوتونية: تتميز باحتوائها على ألوان طباعة ذات قدرة على إعطاء معلومات كالتلألؤ الضوئي نتيجة لتغير (اللون، الكثافة) وتوضح ظهور عمليات التدهورفي المنتج المعبأ نتيجة التفاعلات الحيوية التى تحدث في المنتجات الغذائية مما يؤدى إلى تلف المنتجات الغذاية وهناك الكثير من أجهزة الاستشعار الحيوية الضوئية التى تعمل كمؤشرات لوجود الكائنات الدقيقة والغازات وتظهر على سطح العبوات كمؤشر بصرى يخبر العميل بتلف المنتج.

المركبات النانو Nano composites

المركبات النانوية تتركب بشكل أساسى من بوليمرات مع الجسيمات النانوية وهو عبارة عن مركبات نانونية قابل للتحلل، حيث يزيد وجودها من خصائص البوليمر بشكل عام وتساعد هذة المركبات النانوية في الحفاظ على نضارة المواد الغذائية وتأخير التلف الميكروبي لفترة أطول من الوقت من خلال توفير وظائف كيميائية متعددة الاستخدامات نتيجة لذلك تم استخدامها بشكل أساسي لإنتاج المواد التي لها خصائص حاجزة عالية.

تعمل المركبات النانوية كحاجز غاز لمنع تسرب ثاني أكسيد الكربون من زجاجات وعلب المشروبات الغازية ويمكن استخدام طبقة المركبات النانوية على علب أو زجاجات المشروبات لتقليل التسرب بدلا من استخدام قوارير زجاجية ثقيلة كحاجز للغاز وهذه الشرائح النانوية تحظى بشعبية كبيرة نظرا لشفافيتها وكثافتها المنخفضة وخصائصها السطحية والطبيعة القابلة للتحلل وخصائص التدفق الفائقة.

كما تم استخدامها لتوفير الصلابة لأوعية عصير الفاكهة المصنوعة من الورق المقوى، حيث تتكون من مادة البولي أميد نانو ايجيس يستخدم بشكل رئيسي في إنتاج المشروبات الغازية وتعمل بمثابة كاسح للأكسجين والاحتفاظ بثاني أكسيد الكربون من خلال توفير خصائص حاجز معززة تتكون من النايلون يعمل أيضا كاسح للأكسجين مع المركبات النانوية التي تساعد في الحفاظ على المنتجات الطازجة وتعبئتها وتعزيز العمر الافتراضي للمنتج في السوق وتسريع عملية نضج الفواكه والخضروات مثال آخر على الكبسلة النانوية تستخدم بشكل عام لطلاء الفواكه والخضروات واللحوم والمخبوزات.