بسته‌بندی آخرین مرحله در فرآوری مواد غذایی است، زیرا تأثیر زیادی بر عمر نگهداری محصول غذایی دارد. هدف اصلی بسته‌بندی محافظت از مواد غذایی در برابر خطرات محیط خارجی است. بسته‌بندی اصولی، نه تنها کیفیت محصول غذایی را حفظ می‌کند، بلکه اطلاعاتی در مورد مواد تشکیل‌دهنده و کمک به توزیع و بازاریابی محصول به مصرف‌کننده نهایی ارائه می‌دهد.

مهمترین نقش بسته‌بندی حفظ کیفیت غذای بسته‌بندی‌شده است، زیرا حفظ کیفیت محصول غذایی مهمترین مساله در کل زنجیره تأمین است. در چند سال اخیر روش‌های جدیدی همچون بسته‌بندی با اتمسفر اصلاح شده، پوشش خوراکی، بسته‌بندی ضدمیکروبی و بسته‌بندی آنتی‌اکسیدانی توسعه یافته است که معمولاً به دو دسته بسته‌بندی فعال و غیرفعال تقسیم‌بندی می‌شوند.

این روش‌ها نقش بسزایی در افزایش عمر انبارداری و حفظ کیفیت انواع محصولات غذایی تازه و فرآوری شده برای رفع نیاز مصرف کنندگان دارند.

بسته‌بندی‌های رایج امروزه می‌توانند با محافظت از مواد غذایی، عمر نگهداری محصول غذایی را افزایش دهند. بخش‌های مختلف صنعت بسته‌بندی مواد غذایی را می‌توان به صورت زیر در نظر گرفت:

ظروف نگهداری و فیلم‌های بسته‌بندی
نانو کامپوزیت‌های پلیمری
جاذب‌ها

نانوکامپوزیت‌های پلیمری که در آن‌ها نانوذرات در سراسر یک ماتریس پلیمری پراکنده می‌شوند، دارای ویژگی‌های بهبود یافته‌ای مانند استحکام بالا، ویژگی‌های ممانعت در برابر ورود گاز‌ها و پایداری حرارتی هستند. از این مواد می‌توان در بسته‌بندی مواد غذایی برای افزایش ماندگاری و محافظت در برابر آلودگی استفاده کرد. از جمله مهمترین پرکننده‌های نانویی (فیلرها) و نانوتقویت کننده‌ها می‌توان به مونتموریلونیت رسی و نانوپلاکت‌های کائولینیت و سیلیکات (لایه‌های دوبعدی با ضخامت یک نانومتر و طول چند میکرون)، نانوذرات سیلیس، نانولوله‌های کربنی، نانوورق‌های گرافنی، اکسید نقره، اکسید‌های مس، نانوبلور‌های نشاسته، نانوالیاف سلولزی، کیتوزان و کیتین اشاره کرد.

عملکرد انواع نانوکامپوزیت‌های صنعتی در بخش بسته‌بندی به این شرح است:

حذف اکسیژن

نانوکامپوزیت‌ها را می‌توان به عنوان جاذب اکسیژن در بسته‌بندی‌ها استفاده کرد تا با جلوگیری از اکسیداسیون، ماندگاری محصولات غذایی را افزایش دهد. برای مثال نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر خاک رس (کلی) در بطری‌های پلی‌اتیلن ترفتالات به حفظ تازگی نوشیدنی‌های بسته‌بندی شده کمک می‌کند.

سد گاز

نانوکامپوزیت‌های پلیمری می‌توانند برای بهبود خواص ممانعت در برابر گاز‌ها در مواد بسته‌بندی مانند فیلم‌ها و پوشش‌ها استفاده شوند. این موضوع می‌تواند به جلوگیری از نفوذ گاز‌هایی مانند اکسیژن، نیتروژن و دی اکسید کربن که منجر به کاهش کیفیت محصولات بسته‌بندی شده می‌شوند، کمک کند.

از انواع نانوساختار‌های مورد استفاده برای سد گاز می‌توان به رس، اکسید فلزات، گرافن و نانولوله‌های کربنی اشاره کرد. نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر خاک رس برای بهبود خواص پلیمر‌هایی مانند پلی اتیلن و پلی پروپیلن استفاده می‌شود. ذرات خاک رس به عنوان یک مانع در برابر گاز‌ها و بخار آب عمل می‌کنند و در نتیجه ماندگاری طولانی‌تری برای محصولات بسته‌بندی‌شده دارند.

نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر اکسید فلزات مانند دی اکسید تیتانیوم و اکسیدروی دارای خواص فوتوکاتالیستی هستند که می‌توان از آن‌ها برای بهبود خواص ضدمیکروبی مواد بسته‌بندی استفاده کرد.

این اکسید‌های فلزی را می‌توان در ماتریس‌های پلیمری برای ایجاد نانو کامپوزیت‌هایی با خاصیت سد گاز و ضدمیکروبی افزایش داد. نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر گرافن برای ایجاد لایه‌های مانع گاز برای بسته‌بندی مواد غذایی استفاده شده‌اند.

نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر نانولوله‌های کربنی نیز خواص مکانیکی و الکتریکی بسیار خوبی دارند و برای استفاده در بسته‌بندی ایده‌آل هستند. این نانو کامپوزیت‌ها می‌توانند برای ایجاد لایه‌های مانع گاز و رسانا برای بسته‌بندی استفاده شوند.

ضدمیکروبی

نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند دارای خواص ضدمیکروبی باشند و از مواد غذایی بسته‌بندی شده در برابر فساد ناشی از باکتری‌ها و سایر میکروارگانیسم‌ها محافظت کنند. از انواع نانوساختار‌های مورد استفاده برای خاصیت ضدمیکروبی می‌توان به نانوذرات نقره، تیتانیا، اکسیدروی و کیتوزان اشاره کرد.

نانوذرات نقره دارای خواص ضدمیکروبی قوی هستند که آن‌ها را به گزینه‌ای مؤثر برای بسته‌بندی مواد غذایی تبدیل می‌کند. این نانوذرات با رهایش یون نقره می‌توانند باکتری‌ها و قارچ‌ها را از بین ببرند.

نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم یکی دیگر از نانو مواد محبوب مورد استفاده در بسته‌بندی مواد غذایی است. این ماده با تولید گونه‌های اکسیژن فعال عمل می‌کند که می‌تواند به سلول‌های باکتریایی آسیب برساند و از رشد آن‌ها جلوگیری کند.

نانوذرات اکسید روی نیز معمولاً در بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شود. آن‌ها دارای خواص ضدمیکروبی قوی هستند و می‌توانند به جلوگیری از رشد باکتری‌ها و قارچ‌ها کمک کنند.

نانوذرات کیتوسان نیز یک پلیمر طبیعی مشتق‌شده از کیتین است که در پوسته سخت‌پوستان یافت می‌شود. این نانوذرات دارای خواص ضدمیکروبی قوی هستند و می‌توان از آن‌ها در بسته‌بندی مواد غذایی برای جلوگیری از رشد باکتری‌ها و قارچ‌ها بهره برد.

ظروف جدید تولیدشده در یکی از شرکت‌های آمریکایی دارای نانوذرات نقره با خاصیت ضدباکتری است. به ادعای این شرکت ظروف تولیدی آن‌ها مواد غذایی را ۳ تا ۴ برابر تازه‌تر نسبت به حالت معمولی نگه می‌دارد. این ظروف قادر هستند میوه‌ها، سبزیجات، داروها، نان، پنیر، سوپ، سس و گوشت را در طولانی مدت بدون تغییر رنگ، مزه و خواص غذاییشان نگهداری کنند.

نانوپوشش‌های محافظ

نانوپوشش‌ها را می‌توان روی مواد بسته‌بندی با ضخامت بسیار نازک تنها در حد چند نانومتر یا حتی کمتر اعمال کرد. آن‌ها می‌توانند از طیف وسیعی از مواد از جمله فلزات، اکسید‌ها و پلیمر‌ها ساخته شوند. این پوشش‌ها می‌توانند با کاهش نفوذپذیری گاز‌هایی مانند اکسیژن و بخارآب، خواص بازدارنده مواد بسته‌بندی را بهبود بخشند که می‌تواند به افزایش ماندگاری محصولات بسته‌بندی شده کمک کند.

از نقطه نظر عملکردی، نانو پوشش‌ها نیز مانند نانوکامپوزیت‌ها بوده و عملکرد‌هایی نظیر حذف اکسیژن، ایجاد سد گازی، ایجاد خواص آنتی باکتریال، استحکام مکانیکی و محافظت در برابر اشعه ماوراءبنفش را برای محصولات به ارمغان بیاورند. در نتیجه از نظر پلتفرمی این بخش با بخش نانوکامپوزیت‌ها مشابهت زیادی دارد.

برای مثال پوشش‌های نانوسلولزی را می‌توان بر روی بسته‌بندی‌های کاغذی یا پلاستیکی اعمال کرد تا یک مانع قوی در برابر گاز‌ها و مایعات ایجاد کند. 

پوشش‌های اکسید گرافن می‌تواند روی لایه‌های مختلف از جمله پلاستیک و فلز اعمال شود و محافظت عالی در برابر نفوذ آب و گاز ایجاد کند.

پوشش‌های اکسید فلزی در مقیاس نانو مانند دی اکسید تیتانیوم و اکسید روی را می‌توان بر روی مواد بسته‌بندی مواد غذایی اعمال کرد تا مانعی در برابر اشعه ماوراء بنفش و اکسیژن ایجاد کند. این پوشش‌ها همچنین دارای خواص ضدمیکروبی هستند که می‌تواند به افزایش ماندگاری محصولات غذایی کمک کند.

علاوه براین، می‌توان از فیلم‌های چند لایه فوق نازک نیز استفاده کرد. در این فیلم‌ها از لایه‌های متناوبی از مواد مختلف استفاده می‌شود که هر کدام خواص خاص خود را دارند. به عنوان مثال، یک فیلم چند لایه ممکن است از لایه‌های نایلون، پلی اتیلن و آلومینیوم تشکیل شده باشد که مانع عالی در برابر اکسیژن و رطوبت باشد.

بسته‌بندی‌های فعال و هوشمند

مواد بسته‌بندی فعال حاوی عوامل فعالی هستند که می‌توانند با محصول بسته‌بندی شده برای افزایش کیفیت یا ایمنی آن تعامل داشته باشند. از نانوذرات می‌توان برای محصور کردن عوامل فعال مانند مواد جاذب اکسیژن یا عوامل ضدمیکروبی، استفاده و به مرور زمان برای حفظ تازگی محصول آزاد کرد.

چارچوب‌های آلی فلزی، انواع آلوتروپ‌های کربن، نانوساختار‌های اکسید فلزی، لیزوزوم و کیتوسان و انواع ترکیبات آلی را می‌توان به عنوان ماده فعال در بسته‌بندی مواد غذایی به کار برد.

بسته‌بندی‌های هوشمند از آنجایی که غذا‌ها محصولات ظریفی هستند، هوشیاری مداوم در طول چرخه زندگی آن‌ها ضروری است. کیفیت غذا می‌تواند از نظر میکروبیولوژیکی یا هر پدیده فیزیکی در طول زنجیره تولید تا مصرف تغییر پیدا کند. از این رو باید سیستمی وجود داشته باشد که بتواند از نزدیک محصولات غذایی را از مزرعه تا فرآوری و سپس تا رسیدن به مصرف کنندگان نهایی کنترل کند.

علاوه بر این مصرف‌کنندگان باید بتوانند به اطلاعات دقیقی از مراحل بسته‌بندی و نگهداری مواد غذایی دسترسی پیدا کنند. این شرایط نیاز به یک رویکرد سیستماتیک دارد که بتواند توانایی بررسی محصولات غذایی را قبل از فرآوری، در طول فرآوری و پس از فرآوری داشته باشد. برای این منظور می‌توان از بسته بندی هوشمند برای بررسی کیفیت محصولات غذایی در طول زنجیره تأمین و ارائه اطلاعات لازم به مصرف‌کننده نهایی استفاده کرد.

بسته‌بندی‌های هوشمند حاوی نانوحسگر‌هایی هستند که می‌توان آن‌ها را در مواد بسته‌بندی ادغام کرد تا تغییرات دما، رطوبت یا ترکیب گاز را تشخیص دهد. این حسگر‌ها می‌توانند اطلاعات لحظه‌ای در مورد وضعیت محصول بسته‌بندی شده را ارائه دهند و به اطمینان از ایمنی و کیفیت آن کمک کنند.

از انواع حسگر‌های مورد استفاده در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی می‌توان به حسگر‌های گاز، زیستی، دما، زمان، pH و رطوبت اشاره کرد که جزئیات بیشتری از آن‌ها در ادامه معرفی شده است.

حسگر‌های گاز

از نانوحسگر‌ها می‌توان برای تشخیص و نظارت بر گاز‌های منتشر شده توسط محصولات غذایی مانند گاز اتیلن آزاد شده توسط میوه‌ها در هنگام رسیدن یا فساد استفاده کرد. این حسگر‌ها می‌توانند اطلاعاتی را در زمان واقعی در مورد تازگی و کیفیت غذای بسته‌بندی شده ارائه دهند.

حسگر‌های زیستی

این حسگر‌ها می‌توانند شاخص‌های بیولوژیکی خاصی مانند پاتوژن‌ها، آلرژن‌ها یا سمومی را که ممکن است غذا را آلوده کنند، شناسایی کنند. آن‌ها می‌توانند در تضمین ایمنی مواد غذایی و ارائه علائم هشداردهنده اولیه مشکلات احتمالی کمک کنند.

بازار

اندازه بازار جهانی فناوری نانو برای بسته‌بندی مواد غذایی ۱۸.۳۲ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۲ است و پیش‌بینی می‌شود که تا سال ۲۰۳۱ با ۱۱.۱۲ درصد رشد ترکیبی سالانه در دوره پیش‌بینی برای ۲۰۳۱ - ۲۰۲۳ به ۴۶.۵۰ میلیارد دلار برسد.

ارزش سرمایه بازار بسته‌بندی‌های هوشمند نیز به ۲۹۴۵ میلیارد دلار با شاخص رشد ۶.۲ درصد از سال ۲۰۲۱ تا ۲۰۲۸ خواهد رسید.