بایو پلیمر غذایی و پزشکی

دسته: مقالات منتشر شده در 29 ارديبهشت 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 1258

 بیوپلیمر: ماده ای پایدار برای کاربردهای غذایی و پزشکی

بیوپلیمرها یک کلاس پیشرفته از مواد بهینه با ارزش کاربردی بالا هستند که مورد توجه محققان و متخصصان در حوزه های مختلف قرار گرفته اند. انجام تحقیقات میان رشته ای با هدف درک جنبه های اصولی و کاربردی بیوپلیمرها برای رسیدگی به مشکلات سلامتی و رفاهی بسیار مهم است. برای کاهش اثرات زیست محیطی و وابستگی به سوخت های فسیلی، برای جایگزینی پلیمرهای مصنوعی با مواد زیست تخریب پذیر، به ویژه مواردی که از منابع طبیعی استخراج می شوند، بسیار تلاش شده است. بر همین اساس، بسیاری از انواع پلیمرهای طبیعی یا بیوپلیمر برای رفع این نیازهای کاربردی روزافزون توسعه یافته اند. در حال حاضر، این بیوپلیمرها در صنعت غذایی مورد استفاده هستند و به دلیل خواص منحصر به فردی که دارند، در حوزه دارویی و پزشکی نیز کاربرد دارند. در این مقاله، به بررسی کاربردهای مختلف بیوپلیمرها در صنایع غذایی و پزشکی پرداخته می شود و همچنین، دورنمای صنعتی این پلیمرها را هم مد نظر قرار می دهد.

 

بیوپلیمر به مواد آلی موجود در منابع طبیعی اطلاق می شود. واژۀ "بیوپلیمر" از کلمات یونانی "بیو" و "پلیمر" مشتق شده است که نشان دهندۀ طبیعت و موجودات زنده است. ماکرومولکول های بزرگی که از واحدهای تکراری متعددی تشکیل شده اند بعنوان بیوپلیمر شناخته می شوند. با توجه به تعریف آیوپاک، ماکرومولکول بعنوان یک مولکول واحد تعریف شده است. بیوپلیمرها زیست سازگار و زیست تخریب پذیر هستند؛ به همین دلیل در حوزه های مختلفی همچون تهیه فیلم های خوراکی، امولسیون، مواد بسته بندی در صنایع غذایی، دارورسانی، ایمپلنت های پزشکی، صنایع دارو سازی، ترمیم زخم و بافت کاربرد دارند. در واقع، این مقاله بر بیان بخشی از دانش بیوپلیمرها و کاربرد آنها در صنایع غذایی و پزشکی متمرکز است. بیوپلیمرها را می توان متداول ترین ماکرومولکول هایی دانست که شامل اسید نوکلئیک، پروتئین ها، کربوهیدرات ها، لیپیدها و مولکول های غول پیکر غیرپلیمری مانند لیپیدها و ماکروسایکل می شوند که بیشترین ماکرومولکول ها را تشکیل می دهند. پلاستیک، الیاف مصنوعی و مواد آزمایشگاه مانند نانولوله های کربنی نمونه های بارزی از ماکرومولکول های مصنوعی هستند. علاوه بر واحدهای تکراری اسیدهای نوکلئیک، ساکاریدها یا اسیدهای آمینه، ستون فقرات مولکولی آنها ممکن است حاوی انواع زنجیره های جانبی شیمیایی باشد که به عملکرد مولکول ها کمک می کند. پلی لاکتیک اسید (PLA) و پلی هیدروکسی آلکانوات (PHAs) دو نمونه از بیوپلیمرهای موجود در میکروارگانیسم ها یا موجودات اصلاح شدۀ ژنتیکی با استفاده از روش های شیمیایی سنتی هستند که شامل پلی ساکاریدهای سلولز و پروتئین های کلاژن یا شیر می شوند. سنتز بیوتکنولوژیکی بیوپلیمرها با کیفیت مناسب در کاربردهای پزشکی مانند مهندسی بافت و دارورسانی، از طریق اصلاح ژنتیکی میکروارگانیسم ها امکان پذیر می شود. در شکل زیر نحوه طبقه بندی آنها، با توجه به منشأ استخراج آنها، ارائه شده است.

 

شکل 1:

 Classification of biopolymers based upon their origin

 

در جدول زیر نیز معایب و مزایای آنها بیان شده است.

 

جدول 1:

 Principal advantages and disadvantages of biopolymers

 

ضرورت استفاده از بیوپلیمرها

بیوپلیمرها در کاربردهایی که به محلول های پایدار و زیست تخریب پذیر نیاز است، بسیار مورد توجه هستند. استفاده از روش های دارورسانی برای افزایش عملکرد مولکول های زیست فعال همچنان یک تکنیک ضروری برای دستیابی به درمان بیماری ها محسوب می شود و پیشرفت در این زمینه بسیار حائز اهمیت است. پلیمرهای طبیعی، مصنوعی و نیمه سنتز معمولآ در سیستم دارورسانی استفاده می شوند. استفاده استاندارد از پلیمرهای مصنوعی و شیمیایی در صنایع غذایی و پزشکی نگرانی های زیست محیطی مختلفی به همراه دارد. از طرفی، افزایش آگاهی زیست محیطی از پایداری، کنترل آلاینده ها و دفع زباله های جامد شهری همگی بعنوان نیروهای محرکی برای توسعه صنایع بسته بندی حول محور بیوپلیمرها محسوب می شوند. علاوه براین، استفاده از بیوپلیمرها انتشار دی اکسید کربن، پسماند جامد شهری و اتکا به منابع مبتنی بر نفت را به حداقل می رساند.

 

منابع بیوپلیمرها

گیاهان، حیوانات، میکروارگانیسم ها و ضایعات کشاورزی نمونه هایی از منابع بیوتکنولوژیکی طبیعی بیوپلیمرها هستند. منابع گیاهی مانند برنج، ذرت، گندم، سورگوم، سیب زمینی، کاساوا، موز، تاپیوکا، ذرت، پنبه و جو را می توان با استفاده از فرایند شیمیایی از اجزای مونومر مانند روغن ها، قندها و اسیدهای آمینه تهیه کرد. گاوها رایج ترین منابع حیوانی هستند؛ در حالی که مرجان ها، اسفنج ها، ماهی ها، خرچنگ ها و میگو ها هم رایج ترین منابع دریایی محسوب می شوند. با توجه به شکل زیر، جلبک ها، قارچ ها و مخمرها نیز متداول ترین منابع بیولوژیکی محسوب می شوند.

 

شکل 2:

 A pictorial depiction of several natural renewable biopolymers

 

منشأ و ساختار شیمیایی آنها هم در در جدول زیر ارائه شده است.

 

جدول 2:

 Main biopolymers with their origins and chemical structures

 

پسماندهای کشاورزی، ضایعات کاغذی، محصولات زراعی، زباله های سبز و ضایعات چوب منابع مبتنی بر زیست توده غنی از کربوهیدرات هستند. تری گلیسیریدها نیز از روغن های گیاهی مانند آفتابگردان، سویا، گلرنگ، جوجوبا، کلزا، کرچک و روغن دانۀ فوم چمنزار تهیه می شوند. روغن های گیاهی تولید شده از تولیدکنندگان مواد غذایی جایگزین مناسبی برای سنتز پلیمر طبیعی هستند. PHA ها که نوعی بیوپلیمر هستند، به متابولیت های ثانویه تولید شده توسط میکروب ها و گیاهان اطلاق می شود که در باکتری ها گنجانده شده و به صورت گرانول های شفاف درون سلولی تولید می شوند. این بیوپلیمرها کاملآ طبیعی تولید شده و توسط متابولیسم های میکروبی تجزیه می شوند.

 

کاربرد صنعتی بیوپلیمرها و تقاضای آنها در طول دهه ها افزایش روزافزونی یافته است. با این حال، بایستی هزینه این مواد از لحاظ اقتصادی هم برای توسعه پایدار در نظر گرفته شود. امروزه با تحقیق و توسعه در حوزه بیولوژیکی و آگاه عمومی، کاربرد بیوپلیمرها از کالاهای مصرفی گرفته تا حوزه تکنولوژیکی معمولآ افزایش یافته است. بسته بندی مواد غذایی نقش مهمی در محافظت از مواد غذایی در برابر آلودگی، حفظ کیفیت، و امنیت غذایی ایفا می کند. بسته بندی با استفاده از مواد مصنوعی به دلیل سهولت در ساخت، تطبیق پذیری، اقتصادی بودن، عملکرد خوب، وزن سبک، انعطاف پذیری، و هزینه کم اساسآ بعنوان متریال مناسب در صنایع بسته بندی مواد غذایی استفاده می شوند. اما این پلیمرهای مصنوعی تجزیه پذیر نیستند و اکثر ضایعات و زباله های پلاستیکی محیط زیست را به شدت آلوده می کنند. این امر مستلزم توسعه و استفاده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر با هدف حل مشکلات زیست محیطی است. بیوپلیمرهای حاصل از منابع تجدیدپذیر شامل کربوکسی متیل سلولز، همی سلولز، پکتین، نشاسته، صمغ زانتان، پولولان و غیره هستند. آلژینات، صمغ آگار و صمغ کارایا جایگزین های بالقوه ای برای مواد نفتی در بسته بندی مواد غذایی محسوب می شوند. استفاده از بیوپلیمرهایی مانند PLA و کیتوزان کاربرد روزافزونی در حوزه پزشکی دارند. علاوه براین، بیوپلیمرهای طبیعی به طور بالقوه در پروتئین های مختلف (مانند کلاژن) و اسیدهای نوکلئیک یافت می شوند. انتظار می رود آخرین پیشرفت در صنعت پلاستیک، زیست تخریب پذیری پلاستیک باشد که در عین حال، استحکام و دوام آن را نیز در مقایسه با پلاستیک های معمولی حفظ کند.