کاربرد پلیمرهای هوشمند در صنایع غذایی
چاپ مولکولی یک تکنیک نوظهور برای بیان خواص تشخیصی در پلیمرهای مصنوعی با استفاده از قالب های مناسب محسوب می شود. استفاده از مواد تهیه شده با این تکنیک در صنایع غذایی شامل فرایندهای حذف انتخابی اجزای نامطلوب، جداسازی و آنالیز می شود. در اینجا، نمونه هایی از هر یک از این فرایندها همراه با توضیح مختصر از نحوه ساخت پلیمرهای چاپ شده ارائه شده است.
بسیاری از غذاهای طبیعی حاوی ترکیبات نامطلوبی هستند که حذف آنها در طول فرایند تولید، ارزش محصول نهایی را افزایش می دهد. کافئین زدایی از دانه های قهوه و تولید برخی فرآورده های کم کلسترول را می توان بعنوان شناخته شده ترین نمونه ها از این فرایندها نام برد. با این حال، به دلیل ماهیت پیچیدۀ مواد غذایی، حذف این مواد نامطلوب به صورت انتخابی اغلب دشوار است؛ به طوری که تعادل سایر ترکیبات ضروری در یک رژیم غذایی سالم را علاوه بر طعم و مزۀ آن محصول را مختل می کند. توسعه استراتژی کلی و اقتصادی "بردار و انتخاب کن" برای بسیاری از فناوران مواد غذایی مدتهاست که محقق نشده است. این کار غیر آزمایشی لزومآ به دلیل استفاده از "مواد تشخیصی" که در مقیاس بزرگ بادوام، قوی و آسان هستند پیچیده تر می شود. این الزامات به وضوح اکثر بیومولکول ها مانند آنتی بادی ها را دست کم برای آیندۀ قابل پیش بینی رد می کنند. از سوی دیگر، پلیمرهای تهیه شده با چاپ مولکولی معیارهای ذکر شده را فراهم می کنند و ما نیز در اینجا بیان می کنیم که چگونه این مواد مصنوعی را می توان به سیستم های غذایی پیچیده با استفاده از نمونه های خاص طبق تحقیقات صورت گرفته و نمونه های آزمایشی خودمان اطلاق کرد. همانطور که بر روی سیمان خیس ردپای هر انسان و حیوانی به جای می ماند، پلیمر نیز می تواند در حین سفت شدن تأثیرات مولکولی بسیار کوچک را به تصویر بکشد؛ که در اصل، نوعی چاپ مولکولی محسوب می شود. با توجه به شکل زیر، مطلوب ترین نمای شماتیک در فرایند چاپ ارائه یک مولکول هدف (الگو) است که با مجموعه ای از مونومرهای کاربردی یک کمپلکس را تشکیل می دهد.
شکل 1:
این کمپلکس می تواند توسط کمپلکس های غیرکووالانسی تشکیل شده یا شامل تشکیل پیوندهای کووالانسی حساس بین این مونومرها و گروه های عامل الگو باشد. پلیمریزاسیون بعدی نیز در حضور یک اتصال دهنده و به دنبال آن حذف الگو منجر به ادغام گروه های عامل مونومر در ساختار پلیمری با آرایش مکانی دقیق برای تکمیل مولکول الگو می شود. برهمکنش های فردی بین گروه های عامل پلیمر و قابل که ممکن است کاملآ ضعیف باشند، در چنین کمپلکسی هماهنگ عمل می کنند و مبنای انتخاب پذیری بالای پلیمرهای حاصل شده براساس همین همکاری است. مواد تولید شده شبیه به رزین های تبادل یونی هستند و برخلاف سفتی بیش از حدشان، ماهیتی درشت و متخلخل دارند. ساختار حفره ای رزین ها به حلال ها و معرف ها اجازۀ دسترسی به سایت ها را می دهد تا مولکول های قالب را بتوان حذف کرده و مجددآ اتصال رخ دهد. با این حال، پلیمر چاپ شده سایت های اتصال یا میل ترکیبی برای مولکول های هدف را حمل کرده و می تواند به روشی مشابه دیگر جاذب های انتخابی در استخراج فاز جامد (SPE) و در ستون های کروماتوگرافی میل ترکیبی استفاده شود. از آنجا که اخیرآ برخی از تحقیقات به بررسی آماده سازی پلیمرهای چاپ شده و خواص تشخیص مولکولی آنها پرداخته اند،توضیح مفصل از این موضوعات ارائه ندادیم و فقط به توضیح مختصری از شیمی اساسی چاپ مولکولی بسنده کردیم.
شیمی چاپ
یکی از ویژگی های مشترک همه پلیمرهای چاپ شده مولکولی که تاکنون تهیه شده اند، میزان بالایی از اتصال متقابل است. معمولآ کمپلکس قالب- مونومر تنها 5-2 درصد مول از مخلوط پلیمریزاسیون، باقی ماندۀ اتصال دهنده متقابل دو عملکردی، اتیلن گلیکول دی متاکریلات و یا دیوینیل بنزن را تشکیل می دهد. به نظر می رسد که این نکته برای بازتولید دقیق اشکال مولکولی بسیار مهم است و از لحاظ علمی نیز امکان تهیه مواد بسیار مقاوم و ارزان را فراهم می کند. با این حال، خواص تشخیص در پلیمرهای چاپ شده تا حد زیادی توسط ماهیت شیمیایی و قرارگیری گروه های عامل در محل های اتصال تعیین می شود که به نوبۀ خود به عملکرد مولکول الگوی اصلی و روش چاپ مورد استفاده بستگی دارد. براساس بخش الف ازشکل زیر، در صورت تهیه اگر پلیمر با روش غیرکووالانسی؛ از اسید متاکریلیک، هاکونیک اسید یا شاید وینیل پیریدین به احتمال زیاد بعنوان مونومرهای عملکردی برای ایجاد برهمکنش بین الگو و سایت تشخیص پلیمر استفاده شده است.
شکل 2:
باتوجه به بخش دوم از همین شکل، چاپ کووالانسی بر استفاده از مونومرهایی همچون 4- وینیل فنیل بورونیک اسید یا 4- وینیل بنزیل آمینه برای تشکیل استرهای بورونات حلقوی حساس و پایه های شیف، به ترتیب از الگوهای دیول و آلدئید مبتنی است. در این شکل، همچنین کاربرد برخی مونومرهای کاربردی رایج و اتصال دهنده های عرضی برای مونتاژ سایت های شناسایی با استفاده از دو روش چاپ ذکر شده در بالا ارائه شده است. بحث مفصل در مورد مزایای نسبی روش های چاپ خارج از محدودۀ این مطالعه است اما میتوانیم به بیان مزایا و معایب کلی بپردازیم. مهمترین جذابیت روش غیرکووالانسی در سادگی آن است؛ از آنجایی که تشکیل کمپلکس الگو- مونومر از طریق خودآرایی انجام می شود، عملآ به سنتز آلی نیازی نیست. با این حال، تنوع اجتناب ناپذیر سایت های اتصال از میل ترکیبی آنها به لیگاند حاصل شده است که علت آن را میتوان تشکیل کمپلکس فراوان بین مونومرهای عملکردی و قالب در طی مراحل اولیۀ پلیمریزاسیون دانست.
نتیجه گیری
هدف اصلی از این مقاله، بررسی پتانسیل بالای پلیمرهای چاپ شده به دانشمندان و فناوران مواد غذایی بود. در حال حاضر، چاپ مولکولی یک روش پذیرفته شدۀ کلی برای تهیه ماتریس های پلیمری ارزان قیمت با خواص تشخیصی کاملآ انتخابی است و همانطور که قبلآ هم بیان شد، تفسیر این مواد بعنوان "پلیمرهای هوشمند" کاملآ موجه است. اعتقاد ما بر این است که مفهوم "چاپ" نیازی به اثبات قانع کننده ندارد، بلکه یک فناوری نوظهور با پتانسیل بالا برای کاربرد گسترده در تولید، پردازش و آنالیز مواد غذایی است. بنابراین، می توان تصور کرد که در آینده ای نه چندان دور، مصرف کنندگان از یک فیلتر پلیمری چاپ شده برای کافئین زدایی قهوه مورد علاقه شان در سر میز شام استفاده خواهند کرد.
