plastik-ambalaj.com

Gıda ürünleri ve nanoteknoloji

 

Nanoteknoloji 100 nm ölçeğinden küçük boyutlardaki materyallerle ilgilenen ve son yıllarda hızla gelişen bilim ve teknoloji alanıdır. Nanoboyuttaki yapıların daha büyük boyutlara göre daha yeni ya da gelişmiş özellikler göstermesi elektronik, tekstil, bilgisayar ve ilaç sanayi başta olmak üzere birçok alanda dikkatleri üzerine çekmiştir. 

Gıda sektöründe nanoteknoloji uygulamaları ise gıdaların duyarlı ve karmaşık yapılar olmaları sebebiyle diğer alanlara oranla daha yavaş gelişme göstermektedir. Buna rağmen son yıllarda gıda sektörü, yeni ambalaj ürünlerinin geliştirilmesi, yeni fonksiyonel ürünlerin geliştirilmesi, biyoaktif maddelerin taşınması ve kontrollü salınımı, patojenlerin nanosensörler ve indikatörler aracılığıyla tespiti ve suların arıtılmasında nanopartiküllerden yararlanılması gibi birçok alanda büyük ilerleme göstermiştir. Bu makalede; gıda alanında nanoteknoloji uygulamaları ve bu uygulamaların sektördeki yeri ve tüketici beklentileri yer almaktadır. Anahtar Kelimeler-Gıda ürünleri, nanoteknoloji

GiriÅŸ

Nanoteknoloji maddeler üzerinde 100 nanometre ölçeğinden küçük boyutlarda gerçekleştirilen işle-me, ölçüm, tasarım, modelleme ve düzenleme gibi çalışmalarla maddeye atom ve molekül seviyesin-de gelişmiş veya tamamen yeni fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikler kazandırmayı hedefleyen, yeni ve hızla gelişen bir bilim ve teknoloji alanıdır (Tarhan ve ark.,2010). Tüketicilerin ve kamunun nanoteknolojiyi daha iyi kavrayabilmesi için nanometrik boyutlardaki materyalleri uzunluk skalası ile ilişkilendirerek görsel bir şekilde sunmak daha yararlı olacaktır (Şekil 1). 

Nanopartiküllerin üretilebilmesi için nanoboyutta temel fizik ve kimya bilgilerinin anlaşılması ve nasıl ticari hale getirilebileceğinin bilinmesi gerekmektedir (Charinpanitkul, 2008). Nanomalzemeler temel olarak ‘yukarıdan aşağıya’ (top-down) ya da ‘aşağıdan yukarıya’ (bottom-up) olarak adlandırılan iki farklı üretim tekniği ile elde edilirler. ‘Yukarıdan aşağıya’ üretim tekniğinde nanoparçacıklar makro molekülün ezme, öğütme, oyma baskı (etching) ya da taş baskı (litography) gibi fiziksel parçalama yöntemleriyle nano boyuta indirgenmesi sonucunda oluşturulur. Bu yöntem günümüzde ticari ölçekli üretimlerde kullanılmaktadır (Sanguansri ve Augustin, 2006). Daha yeni bir teknik olan ‘aşağıdan yukarıya’ üretim tekniğinde ise nanoparçacıklar her bir atom ya da molekülün kendiliğinden dizilimi ile nano boyutta, çok mole-küllü yapılar olarak elde edilirler (Tarhan ve ark., 2010). İkinci yöntem daha yüksek düzeyde kontrol sunması açısından daha umut vaat edici olarak düşünülmektedir (Zhao ve ark., 2010).

Gıda sektöründe nanoteknoloji uygulamaları çok yakın bir geçmişe sahiptir, fakat ileriki yıllarda hızla artacağı tahmin edilmektedir. Dünya'da pek çok gıda firması, nanoteknolojiyi gıdalarda ya da gıda ambalajlarında kullanmak üzere araştırdıklarını bildirmişlerdir. Bu alandaki başlıca uygulamalar; gelişmiş tat, renk, aroma, doku ve kıvamda gıdaların üretilmesi, besin öğelerinin biyoyararlılıklarının artırılması, gelişmiş mekanik, bariyer ve antimikrobiyal özelliklere sahip yeni gıda ambalajlama materyallerinin üretilmesi, taşıma ve depolama sırasında gıdanın durumunu gösteren nanosensörlerlerin geliştirilmesi ve suların arıtılması olarak sayılabilir. 

Bu makalede; gıda alanında nanoteknoloji uygulamaları ve bu uygulamaların sektördeki yeri ve tüketici beklentileri yer almaktadır. 

Nanoteknolojinin Önemi

Nanoteknoloji çalışmaları son 10 yılda büyük ilerleme göstermiştir, tıbbi tedavi ve teşhis, enerji üretimi, moleküler hesaplama ve yapı malzemelerinin de içinde bulunduğu beklenen uygulamalar ile birlikte nano boyutlu maddelerin yeni biçimlerinin üretiminde uzmanlaşmış çok sayıda şirket bulunmaktadır. 2008 yılında dünya çapında nanoteknoloji alanında araştırma ve geliştirme çalışmaları için 15 milyar doların üstünde yatırım yapılmış (kamu ve özel sektörde) ve 400000’in üzerinde araştırmacı istihdam edilmiştir. Nanoteknoloji çalışmalarının 2020 yılına kadar küresel ekonomi üzerine olan etkisinin en az 3 trilyon doları bulacağı ve bu on yılın sonuna kadar nanoteknoloji sektöründe dünya çapında en az 6 milyon işçinin çalışacağı tahmin edilmektedir (Duncan, 2011).

Türkiye'de nanoteknolojinin önemi UNAM (Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi) projesi ile gündeme gelmiş, dikkatleri üzerine toplamıştır. TÜBİTAK tarafından hazırlanan 2023 vizyon programında nanoteknoloji yer almış ve yol haritası belirlenmiştir. Ayrıca nanoteknoloji Türkiye’de büyük holdinglerin orta ve uzun dönem planlarında yer almaya başlamıştır (Yüksel, 2011).

Gıda Sektöründe Nanoteknoloji Uygulamaları

Gıda sanayinin nanoteknolojiden yararlanma potansiyeli yüksek olmasına rağmen kullanımı çok sınırlı ölçülerdedir. Ancak özelikle son yıllarda dünya gıda sanayi bu teknolojinin üstünlüklerinden yararlanma yollarının arayışı içindedir (Yüksel, 2011).

Nanoteknolojinin gıda alanında uygulamaları dört ana başlık altında ifade edilebilir. Bunlar: gıda işleme ve fonksiyonel ürünlerin geliştirilmesi; biyoaktif mad-delerin ve nutrasötiklerin taşınması ve kontrollü salınımı; patojenlerin tespiti ve gıda güvenliğinin artırılması; ürün kalitesi ve raf ömrünü olumlu yönde etkileyecek ambalajlama sistemlerinin gelişti-rilmesidir. Bu uygulamaların özeti Tablo 1.'de verilmiştir. Gıda sektörü denildiğinde öncelik kaliteli ve güvenli ürün olduğundan, yeni teknolojiler ve gıdanın buluşması ön yargılarla karşılanabilmektedir. Bu yargılar gerek yeni teknolojilerin hakkında yeterli bilginin bulunmaması ya da araştırmaların devam etmesi şeklinde önümüze çıkmaktadır. Bu açıdan bakacak olursak sektör ve akademik açıdan gelişmeler olanaksız olabilmektedir. Daha ılımlı yaklaşımlar ve kontrollü denemelerle gıda sektörünün nanoteknoloji ile buluşması kaçınılmazdır. Gerek kaliteli ve kontrollü ürün üretimi için daha hızlı ve pratik sonuçlar verebilecek olan biyosensörler, gerekse boyut küçültme işlemleri ile (nano-öğütme) yüzey alanını arttırarak gıdaların daha düşük miktarlarda daha etkin kullanımı olumlu sonuçlar verebilecek araştırmalardandır. Böylelikle önümüzdeki günlerde kontrollü bir şekilde araştırmaların gıda sektörü için de önemli gelişmeler kaydetmesi kaçınılmazdır.

Nanoambalajlar

Nanoteknoloji araştırmacılara ambalaj malzemesinin yapısını moleküler düzeyde değiştirme şansı vermektedir. Moleküller tekrar tasarlanarak pek çok fonksiyon bir araya getirilebilmektedir.  Nanoteknoloji gıda ambalajı için aktif özellikte ve akıllı ambalajlarda ve nanokompozit ve biyobozunur nanokompozit olmak üzere iki farklı kategoride kullanılabilmektedir. 

Nanoteknoloji, ucuz Radyo Frekansı Tanımlama (RFID) etiketleri ile ambalaj sensörlerinin birleştirilmesini sağlamaktadır. Nano-etkin RFID etiketler çok daha küçük, esnek ve ince bandrol üzerine basılabilir etiketlerdir. Bu üstünlükler çok yönlülüğü artırmakta ve böylece daha ucuz üretim sağlayabilmektedir (Qureshi ve ark., 2012). Ayrıca bu etiketler zaman-sıcaklık indikatörleriyle veya biyosensörlerle birleştirilerek zaman sıcaklık bilgilerinin veya mikrobiyal verilerin taşınmasını sağlayabilmektedirler (Anonim a, 2012). 

Ayrıca nanosensörlerle donatılmış ambalajlar, gıda ürünlerinin ve konteynırların tedarik zinciri boyunca iç veya dış koşullarda izlenmesi için dizayn edilmişlerdir. Örneğin bu gibi ambalajlar sıcaklık ve nemin zamanla değişimini gösterebilmekte ve renk değişimi sayesinde koşulların uygunluğu hakkında bilgi verebilmektedirler (Qureshi ve ark., 2012). 

Nanosensörler, yalnızca tüketicilerin satın aldıkları ürünlerin tazeliğini ve lezzetini kontrol edebilmelerini sağlamazlar, aynı zamanda gıda güvenliğini artırma ve gıda kaynaklı hastalıkların sıklığını azaltma potansiyeline sahiptirler. Böyle bir teknoloji; tüketiciler, sanayi ortakları ve gıda düzenleyiciler için apaçık yarar sağlamaktadır (Duncan, 2011).

Son yıllarda birçok araştırmacı nanoteknoloji ile çeşitli biyo-algılama tekniklerini birleştirerek ''nano-biyosensör'' olarak adlandırılan sensörleri geliştirmeye başlamıştır. Bu teknoloji yüksek hassasiyete sahip, hızlı tepki gösteren verimli cihazların üretimi için kullanılabilmektedir. Nitekim bu oluşum neredeyse bu teknolojik kombinasyonun standart özellikleri haline gelmiştir ve nanotüpler, nanoteller ve nanopartiküller olarak son derece geniş yüzey ve küçük boyuta sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Esasen biyosensörler gıdalardaki toksin ve patojenlerin saptanmasında geleneksel yöntemlere karşı önemli bir alternatif olarak görülmektedir (Ötleş ve Yalçın, 2010).

Kraft, Rutgers Üniversitesi ve Connecticut Üniversitesi bilim adamları, nanoteknolojiyi kullanarak ambalaj malzemelerine gömülü nanosensörler yardımıyla trilyonda bir düzeyde patojenleri ve diğer maddeleri tespit etmek için "elektronik dil" den yararlanmaya çalışmaktadırlar. Bu ambalajlar süt ve gıda ürünleri bozulmaya başladığında renk değişikliğini tetikleyebilmektedir (Qureshi ve ark., 2012). 

Ne yazık ki şu ana kadar gıda ambalajları için biyobozunur filmlerin kullanımı, doğal polimerlerin kötü bariyer ve zayıf mekanik özellikleri nedeniyle sınırlıdır. Bu nedenle doğal polimerler sıklıkla diğer sentetik polimerler ile karıştırılmakta ya da daha az sıklıkla daha özel veya ağır şartlar için uygulama alanlarını genişletmek amacıyla kimyasal olarak modifiye edilmektedir. Başlangıç kompozitleri ve konvansiyonel (mikro)kompozitlerle karşılaştırıldığında dispersiyon ile elde edilen nanometrik boyutlu parçacıklar sayesinde bu nanokompozitlerin mekanik, termal, bariyer ve fiziko-kimyasal özellikleri önemli ölçüde gelişme sergileyebilmektedir. Özellikle kil katmanlarının varlığı molekül yolunu alıkoyarak difüzyon aracılığıyla daha kıvamlı hale getirmesi nedeniyle mükemmel bariyer özellikleri vaat etmektedir (Sorrentino ve ark., 2007).

Polimer nanokompozitler (PNCs) polimerik matriks boyunca, nanobuyutlu inert dolgu maddelerinin dispersiyonu ile oluşturulurlar. Dolgu malzemeleri, kil ve silikat nanolevhacıklar, silika (SiO2) nanopartiküller, karbon nanotüpler, grafen, nişasta nanokristaller, selüloz bazlı nanolifler veya nano-kılkristalleri, kitin veya kitosan nanopartiküller ve diğer inorganikleri içerebilir (Duncan, 2011).

Besin İletim Sistemi ve Nanoenkapsülasyon

Tüketiciler giderek beslenme ve sağlık arasındaki ilişki hakkında bilinçli hale gelmektedir. Bunun sonucu olarak da dengeli beslenme ve fonksiyonel gıdalara olan ilgi her geçen gün artmaktadır. Fonksiyonel gıdalar doğrudan sağlığa yararlı etki gösteren gıdalardır. Sağlıklı gıda ürünleri standart muadillerine kıyasla çeşitli özelliklerine göre karakterize edilebilmektedirler.

Bu özellikler:

• Şeker, tuz ve trans yağ içeriğinin düşük olması

• Önemli ölçüde azaltılmış enerji yoğunluğu,

• Tam tahıl ve lifli gıda miktarının fazlalılığı,

• Yüksek miktarda süt ve bitkisel proteinler ya da sağlık etkisinin sürdürülebilirliğinin göstergesi olan biyoaktif maddeler içermesidir. 

Bununla birlikte, takviye için kullanılan beslenme açısından cazip mikronutrientler doğrudan ürüne eklenememektedir. Çünkü bu bileşenler suda çözünememekte ya da çok az çözünebilmektedirler. Ayrıca fiziksel veya kimyasal bozulmalara karşı sınırlı bir kararlılık sergilemekte ya da kontrolsüz salınım veya biyoyararlılık göstermektedirler (Sagalowicz ve Leser, 2009).

Vitamin, probiyotik, biyoaktif peptid ve antioksidan gibi biyoaktif bileşiklerin Besin İletim Sistemi (NDS) ile integrasyonu sonucunda fizyolojik yarar sağlayabilecek veya hastalık riskini azaltabilecek yeni fonksiyonel gıdalar 'nanogıda' olarak üretilmektedir (Kim ve Cho, 2006). 

Bu iletim sistemi, bir taşıyıcı içine sıkıştırılmış biyoaktif materyalin biyoktif salınım hızını kontrol etmesi olarak ifade edilir. Biyoaktif bileşikler oksidasyon, pH ve enzim degredasyonu gibi olumsuz fiziksel ve kimyasal koşullara karşı sınırlı stabilite göstermektedirler. Nano-taşıyıcılar biyoaktif maddeleri bu gibi olumsuz çevre koşullarından koruyabilmektedirler (Fathi ve ark., 2012).

Nanoteknoloji üretim, dağıtım ve depolama boyunca mikro besin öğelerinin ve biyoaktif maddelerin çözünürlüğünü artırmakta, biyoyararlılığını geliştirmekte ve stabilitesini korumaktadır. Bu gelişmelere birçok örnek gösterilebilir. Bunlardan bazıları şunlardır:

• Likopenin biyoyararlılığı, domates suyu, makarna sosu ve reçeldeki likopenler nanopartikül takviyesi ile artırılabilmektedir.

• Süt proteini ve kazein, D2 vitamini gibi duyarlı sağlık bileşenlerinin iletiminde nanoboyutlu miseller yapmak için taşıyıcı olarak kullanılabilmektedir.

• Biyopolimer zein (mısır proteini) nanofiberlerin elektrospin tekniği ile beta-karoten enkapsülasyonu için hazırlanması, nanoteknolojinin gıdalarda, nutrasötiklerin formülasyonunda ve kaplamalarda, biyoaktif gıda ambalajlamada ve gıda işleme sanayindeki potansiyelini göstermektedir.

• Hidrolize süt proteini olan •-laktalbuminden geliştirilen kendinden montajlı (self assembly) nanotüpler, besinlerin, destek maddelerinin ve ilaçların nanoenkapsülasyonunda yeni ve doğal olarak elde edilen taşıyıcı olma özelliği sunmaktadır.

Semih Ötleş 

Buket Yalçın

Ahmet Şentürk

Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Gıda Mühendisliği Bölümü