پلیمرهای هوشمند در صنایع غذایی
حکاکی مولکولی یک تکنیک نوظهور برای معرفی خواص تشخیص در پلیمرهای مصنوعی با استفاده از قالب های مناسب است. کاربرد این تکنیک در صنایع غذایی شامل حذف انتخابی اجزای نامطلوب، جداسازی و تجزیه و تحلیل می شود. نمونه هایی از هر یک از این فرایندها با توضیح مختصری از نحوه ساخت پلیمرهای حکاکی شده ارائه شده است.
بسیاری از غذاهای طبیعی حاوی اجزای نامطلوبی هستند، یا به نظر می رسد تا قبل از میلاد نامطلوب بوده اند و در نتیجه حذف آنها در طول فرایند تولید به ارزش محصول نهایی می افزاید. کافئین زدایی از دانه های قهوه و ساخت برخی محصولات کم کلسترول احتمالآ شناخته شده ترین نمونه هایی از چنین فرایندهایی محسوب می شوند. با این حال به دلیل ماهیت پیچیدۀ مواد غذایی، حذف مواد ناخواسته بطور انتخابی اغلب دشوار است؛ بطوری که تعادل سایر اجزای ضروری در یک رژیم غذایی سالم به هم نخورد یا طعم و مزه آن از بین برود. توسعۀ استراتژی کلی و اقتصادی مقرون به صرفۀ "بردار و انتخاب کن" برای بسیاری از فناوران مواد غذایی مدتهاست که محقق نشده است. این کار که چندان هم پیش پا افتاده نیست، به دلیل لزوم استفاده از "مواد تشخیصی" که برای تولید در مقیاس بزرگ بادوام، قوی و آسان هستند پیچیده تر می شود. این الزامات به وضوح اکثر مولکول های زیستی مانند آنتی بادی ها را حداقل برای آیندۀ قابل پیش بینی رد می کند. از طرفی، پلیمرهای تهیه شده توسط حکاکی مولکولی معیارهای فوق را برآورده می کنند و در این بررسی ما نشان می دهیم که چگونه این مواد مصنوعی را میتوان به سیستم های غذایی پیچیده با استفاده از نمونه های خاص مقالات و آزمایشگاه اطلاق کرد. باتوجه به مثال که ردپای عبور سگ، گربه یا هر موجود دیگری روی سیمان خیس به جا می ماند، پلیمر می تواند در حین سخت شدن تأثیرات مولکولی بسیار کوچکتر را نیز نشان دهد؛ این روند در اصل همان "حکاکی مولکولی" است. محبوب ترین نمایش شماتیک فرایند حکاکی یک مولکول هدف (الگو) است که با مجموعه ای از مونومرهای کاربردی کمپلکسی را تشکیل می دهد. این کمپلکس می تواند ازطریق تجمع های غیرکووالانسی تشکیل شود یا شامل تشکیل پیوندهای کووالانسی حساس بین این مونومرها و گروه های عامل الگو باشد. پلیمریزاسیون بعدی در حضور یک اتصال دهنده و به دنبال آن حذف الگو منجر به ادغام گروه های عامل مونومر در ساختار پلیمری در آرایش مکانی دقیق برای تکمیل مولکول الگو می شود. برهم کنش های فردی بین گروه های عامل پلیمر و قالب ممکن است کاملآ ضعیف باشند، در چنین سایتی هماهنگ عمل می کنند و این هماهنگی بر مبنای انتخاب پذیری بالای پلیمرهای حاصل شده است. مواد تولید شده شبیه رزین های تبادل یونی و طبیعتآ متخلخل هستند اما سفتی بیشتری دارند. ساختار حفره ای رزین ها به حلال و معرف ها اجازۀ دسترسی به محل ها را می دهد تا مولکول های قالب را بتوان حذف کرد و دوباره اتصال رخ داد (هر قالبی که بطور کامل توسط پلیمر احاطه شده باشد نمی تواند حذف شود، بطوری که سایت هیچ نقشی در اتصال ندارد). بنابراین، پلیمر حکاکی شده سایت های اتصال با ترکیب مولکول هدف را حمل می کند و می تواند به روشی مشابه دیگر جاذب های انتخابی در استخراج فاز جامد (SPE) و در ستون های کروماتوگرافی ترکیبی استفاده شود. از آنجایی که چندین بررسی اخیر آماده سازی پلیمرهای حکاکی شده و خواص تشخیص مولکولی آنها را با جزئیات کامل پوشش می دهند، ما این موضوعات را بطور گسترده مورد بحث قرار نداده ایم و فقط به توضیح مختصری از شیمی پایۀ حکاکی مولکولی بسنده کردیم.
تشخیص سریع میکروارگانیسم های بیماری زا در مواد غذایی به دلیل نگرانی های فزایندۀ مصرف کنندگان از ایمنی غذا و سلامت عمومی یک موضوع مهم است. روش های میکروبیولوژیکی قدیمی که در آنها از محیط های انتخابی برای افزایش رشد باکتری های هدف استفاده می شود، عمومآ بسیار کند تلقی می شوند؛ در حالیکه نسل جدید تکنیک های مبتنی بر واکنش زنجیره ای پلیمراز یا روش ایمونوسوربنت مرتبط با آنزیم هنوز موفق نشده اند مسیرهای قابل توجهی ارائه دهند. با این حال صرف نظر از روش تشخیصی استفاده شده، همچنان جداسازی و غلظت مناسب میکروارگانیسم ها از نمونه های غذا ضروری و چالش برانگیز است. از لحاظ تئوری، استفاده از ذرات مغناطیسی حاوی آنتی بادی ها یا لکتین هایی که مختص یک پروتئین یا گروه قند موجود در سطح یک میکروارگانیسم خاص هستند، میتواند راهکار مناسب و کارآمدی باشد. ازطرفی، فرایند بازیابی عملآ انتخابی نیست؛ به اعتقاد ما این فرایند از ترکیب دو عامل ناشی می شود: بارگذاری سطحی نسبتآ کم با آنتی بادی ها (برای کاهش هزینه) و جذب غیر اختصاصی بالای میکروارگانیسم ها به بیدها (مهره ها) به نظر می رسد که روند انتخاب می تواند با "تمرکز" آنتی بادی ها بر روی بیدها، اندازه و شکل میکروارگانیسم هدف افزایش می یابد؛ در حالی که بقیه سطح را خنثی می کند. تمام مراحل این پروتکل مصنوعی توسط میکروسکوپ روبشی لیزری کانفوکال و یا میکروسکوپ الکترونی روبشی دنبال شده و فتومیکروگراف های مربوطه در سمت راست شکل زیر نشان داده شده اند.
شکل 1:
حتی یک بررسی مختصر از این صفحات نشان می دهد که ما با موفقیت اندازه و شکل سلول ها را باز تولید کرده و عملکرد درون سایت ها را از بقیه سطح متمایز کرده ایم. نواحی روشن در شکل بالا نقاطی هستند که قبلآ توسط باکتری ها اشغال شده بودند و از این رو، نسبت به لکتین کانکالاوالین A که با فلورسانس در ایزوسیانات لیبل گذاری شده بود واکنش نشان می دادند؛ در حالی که نقاط حکاکی نشده کاملآ غیرفعال بودند. بنابراین، تولید پلیمرهای ناهمسانگرد "هوشمند" که با لیگاندهای ترکیبی در خوشه های کاملآ مشخص عملی شده اند کاملآ امکان پذیر است و در عین حال، برهم کنش های غیراختصاصی میکروارگانیسم ها با بقیه سطح را با روش های شیمیایی سرکوب می کنند.
اخیرآ چندین گروه از ایالات متحده، ژاپن، اوکراین و سوئد درمورد استفاده از پلیمرهای چاپ شده برای تشخیص سطوح پایین آلاینده های محیطی گزارشاتی ارائه داده اند که براساس آنها علف کش آترازین کاربرد ویژه ای دارد. در اینجا اگرچه به پیشرفت هایی در زمینه حسگرهای چاپ شده اشاره شده است، روش اصلی آنالیز براساس سنجش جابجایی لیگاند نشاندار شده با پرتوهای بسیار حساس است که برای اولین بار توسط کلاوس موسباخ و همکارانش برای تشخیص کمّی باقی مانده های دارو در نمونه های سرم انسانی توصیف شد. این سنجش باتوجه به رقابت برای اتصال به یک پلیمر بین دارو (یا آفت کش) موجود در نمونه و شکل نشاندار شدۀ رادیواکتیو همان ترکیب انجام می شود.
هدف اصلی از این مطالعه، معرفی پتانسیل پلیمرهای حکاکی شده به دانشمندان و فناوران مواد غذایی است. حکاکی مولکولی در حال حاضر، یک روش پذیرفته شدۀ مطلوب برای تهیه ماتریس های پلیمری ارزان قیمت با خواص تشخیصی انتخابی است و همانطور که در مثال های بالا نشان داده شده است، توصیف این مواد بعنوان "پلیمرهای هوشمند" کاملآ موجه است. اعتقاد ما بر این است که حکاکی کردن دیگر مفهومی نیست که به اثبات قانع کننده نیاز داشته باشد، بلکه یک فناوری نوظهور با پتانسیل بالا برای کاربردهای گسترده در تولید، پردازش و تجزیه و تحلیل مواد غذایی است. از بین این کاربردها، استفاده از پلیمرهای حکاکی شده برای حذف انتخابی یک مؤلفۀ خاص از یک مخلوط پیچیده احتمالآ مهمترین مورد برای صنایع غذایی است. با این حال، میتوان تصور کرد که در آینده ای نه چندان دور مصرف کنندگان از یک فیلتر پلیمری حک شده برای کافئین زدایی از قهوه مورد علاقه در میز شام بهره مند شوند.
