بررسی بسته بندی هوشمند در صنایع غذایی (راهنمای کامل)

بسته بندی هوشمند یک فناوری نوآورانه است که در سال های اخیر در حال توسعه است. این نوع بسته بندی علاوه بر حفظ غذا باعث بهبود کیفیت و ماندگاری غذا نیز می شود. خوانندگان عزیز وبلاگ آی فودز با مطالعه این مقاله با ما همراه باشید.

سیستم های بسته بندی مواد غذایی هوشمند، بسته بندی هایی هستند که شامل ابزارهایی برای نظارت بر مواد غذایی بسته بندی شده و یا محیط اطراف آن ها هستند. بنابراین، این بسته بندی ها معمولاً اطلاعات مربوط به کیفیت و یا ایمنی غذا را در هر زمان مشخصی بیان می کنند، بدون اینکه به تاریخ انقضا غیر دقیق بستگی داشته باشد. بنابراین نه تنها به جلوگیری از بیماری های ناشی از مصرف مواد غذایی ناامن کمک می کند، بلکه از ضایعات هنگفت مواد غذایی که از همان ابتدا به دست می آید نیز جلوگیری می کند.

بسته بندی مواد غذایی چه اهمیتی دارد؟

بسته بندی ها به روش سنتی پاسخگوی نیازهای زیر هستند:

• این بسته بندی ها برای برقراری ارتباط با مصرف کننده به عنوان یک ابزار بازاریابی استفاده می شوند.
• سبب محافظت از محصول در برابر اثرات مخرب محیط خارجی می باشند.
• دربرگیرنده محصولات با اندازه ها و اشکال مختلف هستند.
• برای ارائه سهولت بیشتر به مصرف کننده و صرفه جویی در زمان وی استفاده می شود.

از آن جایی که امروزه جامعه پیچیده تر و نوع زندگی ها متفاوت شده است، بسته بندی سنتی دیگر جوابگوی نیازها نیست. اگرچه به توسعه اولیه سیستم های توزیع غذا کمک کرده است.

هدف از بسته بندی مواد غذایی محافظت از مواد غذایی در برابر آلودگی های شیمیایی و میکروبی، بخار آب، اکسیژن و نور است. این استفاده از بسته بندی نقش مهمی در تعیین ماندگاری یک ماده غذایی دارد. به طور کلی این نقش نسبتاً منفعل و بی اثر است اما در سال های اخیر ایده بسته بندی فعال و هوشمند بیشتر مورد توجه قرار گرفته و محصولات تجاری زیادی در حوزه مواد غذایی معرفی و مورد استفاده قرار گرفته اند.

برای مواد بسته بندی که در تماس با مواد غذایی هستند، الزامات عمومی به طور معمول بر دو مورد زیر متمرکز است:

• بر ایمنی با محدود کردن مهاجرت مواد از مواد بسته بندی به غذا
• پیامدهای بسته بندی بر کیفیت حسی غذا

مفهوم “مهاجرت عمدی” موادی مانند آنتی اکسیدان ها و مواد نگهدارنده از بسته بندی به مواد غذایی، دیدگاه های جدیدی برای بسته بندی مواد غذایی است که معرفی شده و با بسته بندی هوشمند مرتبط است.

بسته بندی هوشمند در مرحله اولیه توسعه فناوری است. در این فناوری برای تسهیل تصمیم گیری، از عملکرد ارتباطی بسته بندی برای دستیابی به مزایای افزایش ایمنی و کیفیت مواد غذایی استفاده می کنند.

بسته بندی فراهوشمند (Smart Packaging) چیست؟

در سال های اخیر، اصطلاحات بسته بندی فراهوشمند (Smart Packaging) و بسته بندی هوشمند (Intelligent Packaging) شروع به ظهور کرده اند. مفهوم این اصطلاحات اغلب به جای هم استفاده می شود اما در اصل، آن ها با معانی متفاوتی استفاده می شوند.

بسته بندی هوشمند (Intelligent Packaging) را می توان به عنوان یک سیستم بسته بندی که حس می کند و ارتباط برقرار می کند، تعریف کرد؛ در حالی که بسته بندی فراهوشمند (Smart Packaging) به عنوان سیستمی که دارای قابلیت های هر دو نوع بسته بندی هوشمند و فعال است، تعریف می شود.

در تعریف دیگری بسته بندی هوشمند عبارت است از: نظارت بر شرایط غذاهای بسته بندی شده برای ارائه اطلاعات در مورد کیفیت مواد غذایی در حین نگهداری و حمل و نقل.

بسته بندی هوشمند را می توان به عنوان یک سیستم بسته بندی که قادر به انجام عملکردهای هوشمند (مانند سنجش، تشخیص، ردیابی، ضبط (ثبت) و برقراری ارتباط) برای دست یابی به موارد زیر است، تعریف کرد:

تسهیل تصمیم گیری برای افزایش عمر مفید، بهبود کیفیت، افزایش ایمنی، ارائه اطلاعات و هشدار در مورد مشکلات احتمالی است.

یک بسته در صورتی می تواند هوشمند باشد که توانایی ردیابی محصول، حس کردن محیط داخل یا خارج بسته بندی و برقراری ارتباط با انسان را داشته باشد. به عنوان مثال، یک بسته بندی هوشمند می تواند وضعیت ایمنی و کیفیت یک محصول غذایی را کنترل کند و به مصرف کننده یا تولید کننده مواد غذایی هشدار اولیه بدهد. بسته بندی هوشمند را می توان به عنوان یک تکنیک بسته بندی حاوی یک نشانگر خارجی یا داخلی برای بیان کیفیت و تاریخچه محصول فعال تعریف کرد.

در ادامه شما را با مفهوم بسته بندی های فعال و هوشمند آشنا می کنیم. همچنین نگاهی دقیق تر به ویژگی ها و کاربردهای بسته بندی هوشمند مواد غذایی خواهیم داشت.

فناوری بسته بندی هوشمند مواد غذایی (Intelligent packaging)

«مواد بسته بندی هوشمند» اصطلاحی است که برای نشان دادن دسته ای از مواد بسته بندی با قابلیت های ویژه ای استفاده می شود. از جمله این قابلیت ها این که می توانند بر وضعیت مواد غذایی بسته بندی شده یا محیط مواد غذایی داخل بسته بندی را که شامل دما، PH و غیره می شود نظارت کنند و اطلاعات مربوط به آن ها را در اختیار کاربر قرار دهند.

این نوع بسته بندی را می توان به عنوان یک عملکرد گسترده از بسته بندی سنتی تفسیر کرد که بسته به توانش در درک و ثبت تغییرات رخ داده در غذا یا محیط آن، مسئول ارتباط با مصرف کننده است. مزیت افزوده بسته بندی هوشمند، کمک به بهبود سیستم های تجزیه و تحلیل خطر و نقاط کنترل بحرانی (HACCP) و تجزیه و تحلیل کیفیت و نقاط کنترل بحرانی (QACCP) می باشد. ازاین رو، سبب تشخیص در محل محصولات غذایی غیر مطمئن، شناسایی خطرات بالقوه سلامتی و ایجاد استراتژی هایی برای کاهش وقوع آن ها است که در نهایت منجر به بهبود کیفیت غذا می شود.

بسته بندی فعال، شامل مکانیزم هایی برای بهبود پایداری مواد غذایی است. مانند حذف عوامل مضر یا رهاسازی اجزایی که پایداری غذا را افزایش می دهد. برخلاف آن ها، فناوری سیستم های بسته بندی هوشمند معمولاً به طور مستقیم ماندگاری مواد غذایی را افزایش نمی دهند، بلکه اطلاعات مربوط به کیفیت مواد غذایی را به ذینفعان زنجیره تامین مواد غذایی منتقل می کنند.

دسته بندی سیستم های بسته بندی هوشمند مواد غذایی

سیستم های هوشمند را می توان به سه دسته طبقه بندی کرد. سنسورها، نشانگرها و سیستم های شناسایی فرکانس رادیویی (RFID).

نشانگرها شامل موارد زیر می شوند:

• نشانگر زمان/دما
• نشانگر اکسیژن
• نشانگر دی اکسید کربن
• نشانگر رنگ
• نشانگر پاتوژن
• نشانگر شکستگی
• نشانگر تازگی (فاسد شدن میکروبی یا عوامل بیماری زا)
• نشانگر نشت (ضد دستکاری)

سنسورهای فناوری بسته بندی هوشمند شامل موارد زیر است:

• سنسورهای شیمیایی
• حسگرهای زیستی
• حسگرهای گازی
• سنسورهای اکسیژن مبتنی بر فلورسانس

کاربردهای فناوری بسته بندی هوشمند مواد غذایی

شواهد دستکاری بسته بندی

• تشخیص هرگونه شکستگی، تجاوز، نشتی و… در بسته بندی

نشانگرهای کیفیت و ایمنی

• نشانگرهای زمان و دما (TTIs)
• رشد میکروبی
• دستگاه های سنجش گاز
• تشخیص پاتوژن

دستگاه های ردیابی

• برچسب های تشخیص (شناسایی) فرکانس رادیویی (RFID)

اصالت محصول

• عناصر چاپی طراحی پنهان RFID
• تصاویر هولوگرافیک، آرم ها (لوگوها)

معرفی نشانگرهای (شناساگرهای) فناوری بسته بندی هوشمند

این ها به عنوان موادی تعریف می شوند که می توانند حضور یا غلظت ماده دیگر یا واکنش بین دو یا چند ماده را با ایجاد تغییرات بصری مشخص مانند تغییر رنگ تعیین کنند.

1. نشانگرهای تازگی (Freshness Indicators):

این شاخص ها با تعیین تغییرات شیمیایی ناشی از رشد میکروبی در محصول، اطلاعاتی در مورد کیفیت محصول ارائه می دهند. متابولیت های رشد میکروبی با شناساگرهای ادغام شده در داخل بسته بندی مواد غذایی واکنش نشان می دهند تا اطلاعات بصری در مورد کیفیت محصول ارائه دهند.

با این حال، یک نقطه ضعف عمده نشانگرهای تازگی رنگ سنجی این است که تغییر رنگ می تواند حتی در صورت عدم وجود آلاینده ها و خراب شدن قابل توجه محصول رخ دهد.

مثال های استفاده از نشانگرهای تازگی در فناوری بسته بندی هوشمند:

• برچسب های نشانگر رنگ سنجی با نام تجاری FreshTag® توسط COX Technologies، ایالات متحده راه اندازی شد، که نشان دهنده تولید آمین های فرار توسط ماهی و محصولات دریایی ذخیره شده، با استفاده از تغییر رنگ بود. همچنین مطالعات یوشیدا و همکارانش منجر به تولید یک نشانگر pH رنگ سنجی مبتنی بر کیتوزان شد که برای تعیین حضور متابولیت های ناشی از رشد میکروبی مانند n-butyrate، اسید لاکتیک و اسید استیک استفاده شد.
• شاخص هایی برای تعیین دی اکسید کربن تولید شده در طی فساد محصولات گوشتی نیز توسعه داده شد. محلول های آبی کیتوزان یا ایزوله های پروتئین آب پنیر استفاده شد که در پاسخ به حضور دی اکسید کربن، شفافیت محصول را تغییر داد.
• این شاخص ها دارای قابلیت هشدار مسمومیت ناشی از فعالیت گونه های سودوموناس هستند.

2. نشانگرهای زمان-دما (TTIs):

دما مهمترین عامل محیطی است که سینتیک فساد محصولات غذایی را تعیین می کند. دمایی که در آن محصول غذایی تمایل به فاسد شدن دارد به عنوان دمای آستانه شناخته می شود. نشانگرهای زمان- دما وظایف زیر را برعهده دارند:

• نشان دادن اینکه آیا دمای محیط غذای بسته بندی شده از دمای آستانه فراتر رفته است؟
• همچنین حداقل زمانی را که محصول غذایی بیش از دمای آستانه سپری کرده است.

این نشانگرها، برچسب هایی هستند که نشانه ای بصری از سوء استفاده از دما در محصولات فسادپذیر وابسته به دما، مانند غذاهای منجمد، در طول توزیع و نگهداری از محل تولید تا زمان مصرف ارائه می‌دهند. سه نوع اصلی از TTI در بازار موجود است:

• نشانگرهای دمای بحرانی
• نشانگرهای تاریخچه جزئی
• نشانگرهای تاریخچه کامل

نشانگرهای TTI متصل به سطح بسته بندی برای یکپارچه سازی تاریخچه زمان-دمای تجمعی بسته بندی در کل زنجیره توزیع طراحی شده اند. بنابراین، اطلاعات غیرمستقیم در مورد کیفیت محصول را ارائه می دهند. نشانگرهای دما-زمانی که به صورت تجاری در دسترس هستند، بر اساس مکانیسم واکنش های مختلف (نشت، پلیمریزاسیون یا واکنش آنزیمی) هستند.

نمونه ای از این شناساگرها، TTI آنزیمی تجاری VITSAB® است که بر اساس تغییر رنگ ناشی از افت pH به دلیل هیدرولیز آنزیمی کنترل شده یک بستر لیپیدی عمل می کند.

3. شناساگر اکسیژن (Oxygen indicator):

این نشانگر اطلاعاتی در مورد نشت بسته بندی می دهد. از موارد استفاده این نشانگر بسته بندی مواد غذایی با اتمسفر کنترل شده یا تغییر یافته است. یک نشانگر اکسیژن معمولی شامل یک رنگ ردوکس (مانند متیلن بلو)، یک ترکیب قلیایی (مانند هیدروکسید سدیم) و یک ترکیب کاهنده (مانند قندهای احیاکننده) است.

برای آشنایی کامل با بسته بندی اتمسفر اصلاح شده و یا خرید دستگاه بسته بندی اتمسفر اصلاح شده، می توانید مقاله «بسته بندی محصولات با اتمسفر تغییر یافته» را مطالعه کنید.

شناساگرهای اکسیژن اخیراً بر اساس آنزیم های اکسیداتیو، تعریف شده اند. علاوه بر این اجزای اصلی، مانند یک حلال (آب یا یک الکل) و مواد حجم دهنده (مانند سیلیکاژل، پلیمرها، مواد سلولزی، زئولیت) ترکیباتی به نشانگر اضافه می شود. این نشانگر را می توان به عنوان یک برچسب، یک لایه چاپی یا یک قرص فرموله کرد؛ همچنین ممکن است در یک فیلم پلیمری نیز لایه بندی شود.

4. شناساگر کربن دی اکسید (Carbon dioxide indicator):

این شاخص، اطلاعاتی در مورد غلظت دی اکسید کربن در بسته بندی اتمسفر اصلاح شده ارائه می دهد. موارد استفاده از این نشانگر در بسته بندی اتمسفر کنترل شده یا اصلاح شده است.

5. نشانگر رنگ (Colour indicator):

این نشانگر اطلاعاتی در مورد دمای بسته بندی مواد غذایی ارائه می دهد. بسته بندی های غذاهای مخصوص مایکروویو از موارد استفاده از این نشانگرها است.

6. شناساگرهای پاتوژن (Pathogen indicator):

این شاخص اطلاعاتی در مورد وضعیت میکروبیولوژیکی ماده غذایی درون بسته بندی ازائه می دهد. از این دسته شناساگرهای فناوری بسته بندی هوشمند در بسته بندی گوشت، ماهی یا مرغ استفاده می شود.

7. شناساگرهای شکستگی (Breakage indicator):

این نشانگر اطلاعاتی در مورد وجود یا عدم وجود شکستگی در بسته بندی را ارائه می دهد. از آن روی بسته بندی کنسرو غذای کودک استفاده می شود.

8. نشانگرهای نشتی (Leak indicators):

این شاخص ها که به بسته بندی متصل هستند، اطلاعاتی را در مورد یکپارچگی و هم بستگی بسته بندی در کل مسیر زنجیره توزیع ارائه می دهد. حذف اکسیژن و غلظت بالای دی اکسید کربن، باعث بهبود پایداری محصول می شود زیرا بدین ترتیب از رشد میکروارگانیسم های هوازی در بسیاری از محصولات فسادپذیر جلوگیری می شود.

اتمسفر محافظ موجود در فضای بسته بندی در نتیجه ایجاد هرگونه نشت در بسته بندی، تخریب می شود. فساد میکروبی در اثر ایجاد شدن نشت در بسته بندی افزایش می یابد و باعث می شود که محصول با میکروارگانیسم های مضر آلوده شود.

معرفی سنسورهای (حسگرهای) فناوری بسته بندی هوشمند

حسگر وسیله ای است که می تواند در تشخیص، مکان یابی و اندازه گیری انرژی یا ماده استفاده شود. با دادن یک سیگنال خروجی پیوسته پاسخ می دهد. این سیگنال می تواند برای اندازه گیری محرک های فیزیکی یا شیمیایی که به آن ها پاسخ می دهد، تفسیر شود. اکثر حسگرها از دو جزء اصلی تشکیل شده اند: یک گیرنده و یک مبدل. حسگرها بسته به محرک های پاسخشان، ممکن است چندین نوع باشند:

1. سنسورهای بیولوژیکی (Biosensors):

حسگرهای زیستی می توانند اطلاعات مربوط به سیستم های بیولوژیکی را تشخیص دهند و آن ها را منتقل و ثبت کنند. گیرنده هایی که در این مورد به عنوان گیرنده های زیستی شناخته می شوند، آنالیت (ماده مورد تجزیه) هدف را تشخیص می دهند. سپس مبدل ها این سیگنال های بیوشیمیایی را به سیگنال های الکتریکی قابل اندازه گیری تبدیل می کنند.

گیرنده های زیستی ممکن است آلی یا بیولوژیکی باشند، مانند:

• آنتی ژن ها
• آنزیم ها
• اسیدهای نوکلئیک و غیره.

مبدل های مورد استفاده می توانند ماهیت نوری، صوتی یا الکتروشیمیایی داشته باشند. اکثر بیوسنسورهای تجاری ترکیبی از گیرنده مبتنی بر آنتی بادی و مبدل نوری هستند.

مثال های استفاده از حسگرهای زیستی در صنایع غذایی عبارتند از:

• Sire Technologies Inc، یک حسگر زیستی برپایه آنتی بادی با نام تجاری Food Sentinel System را تولید کرده است. در آن غشایی همراه با آنتی بادی‌های تثبیت شده به عنوان حسگر عمل می‌کند و به عنوان بخشی از بارکد قرار می گیرد. هنگامی که پاتوژن های مواد غذایی با آنتی بادی های حسگر تعامل می کنند، یک نوار تیره موضعی تشکیل می شود که بارکد را غیرقابل خواندن می کند.
• در یک سیستم دیگر، کانادا بیوسنسورهایی تولید کرده است که در آن آنتی بادی ها بر روی مواد بسته بندی پلاستیکی ساخته شده از پلی اتیلن چاپ می شوند. برهمکنش بین پاتوژن و آنتی بادی ها منجر به تولید یک سیگنال فلورسنت می شود که نشان دهنده حمله بیماری زا (پاتوژن ها) است.

2. حسگر گازی (Gas sensors):

سنسورهای گازی برای تشخیص آنالیت های (مواد مورد تجزیه) گازی مانند اکسیژن، بخار آب، دی اکسید کربن، اتیلن و غیره در داخل بسته بندی استفاده می شود.

رایج ترین حسگرهای گازی مورد استفاده عبارتند از:

• سنسورهای اکسیژن
• سنسورهای دی اکسید کربن
• سنسورهای بخار آب

علاوه بر این ها، دیگر حسگرهای متداول عبارتند از: سنسورهای اتانول، کریستال پیزوالکتریک، ترانزیستورهای اثر میدان نیمه هادی و پلیمرهای رسانای آلی.

در نتیجه فعالیت مواد غذایی، شرایط محیطی یا ماهیت بسته بندی؛ ترکیب گاز در فضای بالای بسته بندی اغلب تغییر می کند. سنسورهای گازی دستگاه هایی هستند که به صورت کمی و برگشت پذیر با تغییر پارامترهای فیزیکی حسگر به حضور یک آنالیت گازی پاسخ می دهند و توسط یک دستگاه خارجی نظارت می شوند.

مثال های استفاده از حسگرهای گازی در صنایع غذایی عبارتند از:

در یک مطالعه، پاپکوفسکی و همکارانش سنسورهای اکسیژن نوری را ایجاد کردند که بر پایه اصل خاموش شدن یا درخشندگی (لومینسانس) در هنگام تماس با آنالیت گازی بودند.

استفاده از رنگ‌های حساس به pH مانند متیل رد و کورکومین، برای تشخیص آمین فرار اساسی آزاد شده از گوشت و ماهی فاسد نیز گزارش شده است.

3. حسگرهای شیمیایی (Chemical sensors):

پوشش های انتخابی شیمیایی که می توانند یک ماده شیمیایی خاص را روی سطح خود جذب کنند و حضور، ترکیب، فعالیت یا غلظت آن را تشخیص دهند، به عنوان حسگرهای شیمیایی استفاده می شوند. از آن جایی که نانومواد ساخته شده از کربن مانند گرافن، نانولوله های کربنی و نانوالیاف کربنی دارای خواص الکتریکی و مکانیکی عالی و همچنین خواص سطحی استثنایی هستند، به طور گسترده به عنوان حسگرهای شیمیایی مورد استفاده قرار گرفته اند.

این حسگرهای ساخته شده از نانو برای شناسایی آلاینده های شیمیایی، عوامل بیماری زا و ایجاد کننده فساد و همچنین برای ردیابی محصولات یا ترکیبات تشکیل دهنده از طریق زنجیره پردازش، استفاده می شوند.

4. بینی الکترونیکی (Electronic Nose):

ابزارهایی که برای شناسایی و طبقه بندی ترکیب رایحه ها در یک بو به صورت تکرارپذیر طراحی شده اند؛ عملکردی شبیه به سیستم بویایی پستانداران.

این ابزار از مجموعه ای از حسگرها، اعم از حسگرهای شیمیایی یا حسگرهای زیستی تشکیل شده است که ویژگی اختصاصی را برای هر نوع بو نشان می دهند. در این سیستم از روش های آماری برای تشخیص بوهای ساده و پیچیده و ایجاد پاسخ منحصر به فرد نسبت به هر یک از رایحه ها، استفاده می شود.

آزمایش موفقیت آمیز سیستم بینی الکترونیکی در پاسخ به بوی منتشر شده توسط ماهی تن زرد باله تازه، گوشت گاو بسته بندی شده در خلاء، میوه ها، سبزیجات و مرغ گوشتی انجام شده است.

سیستم های شناسایی فرکانس رادیویی (RFID):

RFID کوتاه شده عبارت ” Radiofrequency identification ” می باشد. درواقع، یک سیستم شناسایی خودکار مبتنی بر بارکدها و برچسب های تشخیص فرکانس رادیویی است که برای شناسایی اقلام و جمع آوری داده ها بدون دخالت انسان استفاده می شود.

بارکدهای RFID دارای تعدادی شماره شناسایی هستند که در پایگاه داده های خود ذخیره می شوند و می توانند با بازیابی اطلاعات مربوط به آن شماره از پایگاه داده، بر اساس آن عمل کنند. برچسب های RFID به دو دسته فعال و غیرفعال تقسیم می شوند.

بارکدهای فعال با برق تامین شده توسط یک باتری داخلی کار می کنند و سیگنال را به خواننده ارسال می کند. این دسته برد طولانی تری دارد و اطلاعات بیشتری (اطلاعات تغذیه، دما، دستورالعمل های پخت و پز و غیره) را پوشش می دهد. از سوی دیگر، برچسب‌های غیرفعال RFID بسته به توانی که توسط خواننده عرضه می شود، عمل می کنند. این برچسب ها از یک آنتن سیم پیچی تشکیل شده است که در تماس با امواج رادیویی ساطع شده از خواننده، میدان مغناطیسی تولید می کند و از این رو قدرتی برای انتقال اطلاعات به خواننده ایجاد می کند. تکنولوژی این دسته ساده تر، بردشان کوتاه تر و قیمتشان ارزان تر می باشد.

برچسب های RFID توانایی شناسایی، کنترل و مدیریت کالاها را از طریق زنجیره تامین فراهم می کند و برای این منظور با موفقیت به کار گرفته شده است. این ها نسبت به برچسب های بارکد معمولی برای ردیابی مواد غذایی پیشرفته تر، قابل اعتمادتر و کارآمدتر هستند. برچسب های RFID برای نظارت بر فاکتورهای موثر بر کیفیت و سلامت محصولات در حال حاضر در بازار موجود می باشند که به افزایش کیفیت و ایمنی مواد غذایی کمک می کند. از جمله این فاکتورها عبارتند از:

• دما
• رطوبت نسبی
• فشار
• pH
• قرار گرفتن در معرض نور

منبع مورد استفاده برای این مطلب مقاله “Smart choices: Mechanisms of intelligent food packaging” می باشد.