بسته بندی هوشمند گوشت

بسته بندی هوشمند گوشت از زمان آغاز به کار توسعه زیادی را تجربه کرده است. در چند دهه گذشته، نوآوری‌ها و فناوری‌هایی در بخش بسته‌ بندی منجر به توسعه سیستم‌های بسته‌ بندی هوشمند برای فراورده‌های گوشتی (MSP) شده است که جایگاهی را در یک صنعت غذایی بسیار رقابتی ایجاد می‌کند.

سیستم‌های MSP پتانسیل زیادی برای بهبود ماندگاری و سلامت محصولات گوشتی دارند و همین طور در محافظت از محصولات در برابر آسیب‌های بیولوژیکی، شیمیایی و فیزیکی ناخواسته برای بهداشتی بودن و سلامت آنها دارند.

نشانگرها و حسگرها، اجزای MSP، برای نظارت کیفیت گوشت در زمان واقعی استفاده می‌شوند و متعاقباً کارخانه‌های تولید کننده و مصرف‌کنندگان را در مورد تازگی، میکروبیولوژی، دما و وضعیت ماندگاری محصولات مطلع می‌کنند.

RFID‌ها که برچسب‌های شناسایی فرکانس رادیویی در بسته بندی هوشمند گوشت می‌باشند، برای اطلاعات درباره اصالت و قابلیت ردیابی محصولات در زنجیره تامین استفاده می‌شوند.

اخیراً، نوآوری‌ها در فن‌آوری‌های SP، منجر به تشخیص، سنجش و نگهداری سریع، حساس و مؤثر وضعیت تازگی، میکروبیولوژیکی و ماندگاری گوشت و فرآورده‌های گوشتی شده است. سیستم SP، نویدبخش استفاده گسترده در صنعت گوشت در پاسخ به قدردانی مصرف کننده از محصولات گوشتی ایمن و با کیفیت و همچنین از دیگر مزیت‌های آن، کاهش ضایعات آنها است.

در این مقاله که توسط تیم ویرا درباره‌ آن مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است، مروری بروز از تحقیقات علمی در حال انجام، و پیشرفت‌های تکنولوژیکی اخیر را ارائه می‌کند که چشم‌انداز توسعه سیستم‌های بسته‌ بندی هوشمند گوشت را ارائه می‌دهد و می تواند با بررسی و پایش تغییرات فیزیکی، میکروبی و شیمیایی محتویات داخل بسته‌ بندی از تولید تا محل فروش، مصرف آن و اصلاح واکنش‌های نامطلوب بالقوه باشد.

گوشت یکی از غذاهای اصلی رژیم غذایی است که نسبت بالایی از پروتئین قابل هضم، چربی کالری دار، ویتامین‌ها و دیگر مواد مغذی را شامل می‌شود. تمام این اجزا برای عملکرد مناسب فرآیندهای متابولیک ضروری هستند. در طول دهه گذشته، تولید جهانی گوشت به میزان قابل‌ توجهی افزایش‌ یافته است و انتظار می‌رود که با گذشت زمان افزایش یابد.

با این حال، محصولات غذایی با منشا دامی به دلیل محتوای بالای چربی و آب و کیفیت بالا، بیش‌ترین حساسیت را به آلودگی میکروبی و اکسیداسیون چربی دارند. تخریب در سطوح مختلف زنجیره تولید مانند آماده‌سازی، ذخیره‌سازی و توزیع رخ می‌دهد.

عوامل اصلی در فساد گوشت ، تازگی و کیفیت محصولات گوشتی عبارتند از رنگ، بافت و بو. توسعه طعم و مزه، اغلب ناشی از مداخله میکروبی است و عامل اصلی در ارزیابی عمر ماندگاری است. به طور کلی، تغییرات در مشخصات عطر و بو قبل از تغییر در ظاهر محصولات مانند تغییر رنگ و تغییر فرم، رخ می‌دهد. اجزای طعم، متحمل واکنش‌های تجزیه و اکسیداسیون می‌شوند. در نتیجه منجر به تشکیل محصولات متعددی می‌شوند که می‌توانند بیشتر واکنش دهند و منجر به کاهش وزن مولکولی محصولات ثانویه می‌شوند و معمولا این محصولات، مسئول توسعه بو و فساد گوشت هستند.

 مفاهیم و اصول بسته بندی هوشمند :

بسته‌ بندی هوشمند دارای یک ویژگی ذاتی یا بخش جدایی‌ناپذیر از بسته بندی، محصول، یا طراحی بسته بندی / محصول است، که هوش مناسب برای شناسایی و نظارت بر شرایط سلامت غذاهای بسته‌ بندی‌شده در طول توزیع در پاسخ به محیط‌های خارجی و داخلی را فراهم می‌کند. این امر به ارتباط تولید کنندگان و کاربران نهایی در مورد ایمنی و وضعیت کیفی محصولات کمک می‌کند.

اصطلاح هوشمند در بسته‌ بندی شامل عملکردهای بسیاری بسته به نوع محتوای بسته‌ بندی‌ شده مانند دارو، نوشیدنی، و دیگر مواد غذایی است که می توان به انواع آن به صورت زیر اشاره کرد :

آ. یکپارچگی را حفظ کرده و به طور فعال فساد غذا را متوقف کرده یا به تعویق بیندازد و در نتیجه طول عمر را طولانی می‌کند.

ب. ویژگی‌های کیفی از قبیل ظاهر، طعم، بافت و احساس دهانی را به اثبات می‌رساند.

ج. به طور فعال در پاسخ به تغییرات در محصول و محیط بسته بندی واکنش نشان می‌دهد.

د. مشتریان را در مورد تاریخچه و شرایط محصول مطلع می‌کند.

ه. کمک به باز شدن درب بسته بندی و نشان دادن یکپارچگی مهر و موم.

و. از اصالت محصول یا ضد تقلبی بودن آن اطمینان حاصل می‌کند.

نشانگرها، حسگرها، بارکدها و تگ های RFID اجزایی هستند که در SP استفاده می‌شوند. شاخص ها را می‌توان به 3 نوع دسته بندی کرد:

آ. نشانگرهای داخلی که در داخل بسته بندی قرار می‌گیرند یا با درب بسته می‌شوند مانند نشانگرهای میکروبی و نشانگرهای نشت جوی.

ب. نشانگرهای خارجی که در قسمت بیرونی بسته بندی چسبانده شده و شامل نشانگرهای شوک فیزیکی و TTI می‌باشد.

ج. شاخص‌هایی که جریان اطلاعات را بهبود می‌بخشند و به طور موثر با محصول و مصرف کنندگان ارتباط برقرار می‌کنند، به عنوان مثال، بارکدهای ویژه اطلاعات محصول غذایی، یعنی تاریخ انقضا را حفظ می‌کنند. این همچنین شامل قابلیت ردیابی محصول، ضد دستکاری می‌شود.

شاخص‌ها در SP تعاملی نامیده می‌شوند. زیرا با اجزای غذا تعامل دارند و برای نظارت و برقراری ارتباط در مورد ایمنی و تازگی محصولات غذایی استفاده می‌شوند. شاخص های جدید، قابلیت اطمینان و ثبات خوبی را در شرایط توزیع و ذخیره سازی نشان دادند.

به طور مشابه، برچسب‌ها و برچسب‌های هوشمند با کمک دستگاه‌های فیلم نازک که اطلاعات بصری را ارائه می‌دهند، مستقیماً با کاربران نهایی ارتباط برقرار می‌کنند و مصرف‌کنندگان را در مورد ایمنی محصولات بسته‌بندی شده آگاه می‌کنند.

از سوی دیگر، حسگرها، اطلاعاتی در مورد آسیب‌دیدگی محصول بسته‌ بندی شده ارائه می‌دهند و ممکن است سعی کنند تغییرات منفی رخ داده در محصولات غذایی را خنثی کنند. اینها شامل یک گیرنده و یک مبدل هستند که سیگنال های خروجی پیوسته را ارائه می‌دهند. گیرنده‌ها اطلاعات شیمیایی یا فیزیکی را به شکل انرژی تبدیل می‌کنند، در حالی که مبدل این انرژی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند.

برچسب‌های RFID، سیستم‌های بی‌سیمی را برای نظارت بر بسته‌ بندی‌های مواد غذایی از طریق رایانه ارائه می‌کنند. سیستم‌ها و تگ خوان‌ها به طور گسترده در صنایع غذایی برای تسهیل قابلیت ردیابی و ارائه اطلاعات فوری در مورد ردیابی و چرخش انبار و در نتیجه بهبود اثربخشی زنجیره‌‌های تامین و برای ارائه محصولات غذایی پایدار، ایمن و سالم در قفسه استفاده می‌شوند.

حسگرهای موجود در بسته بندی هوشمند گوشت می‌تواند به شناسایی پاتوژن‌ها، سموم و مواد شیمیایی کمک کنند. حسگرها همچنین برای شناسایی آلرژن از منابع غذایی مختلف مانند بادام زمینی، آجیل درختی و غذاهای دریایی که ممکن است برای سلامتی انسان خطرناک باشند، استفاده می‌شوند.

شاخص‌های مورد استفاده در صنعت بسته بندی هوشمند گوشت:

اندیکاتورها، دستگاه هایی هستند که با سیستم SP یکپارچه شده‌اند تا حضور، عدم وجود یا مقدار یک ماده خاص یا میزان واکنش بین 2 یا چند ماده را با تعیین تغییرات در ویژگی‌های محصول یا بسته بندی که منعکس کننده وضعیت کیفیت مواد غذایی است، شناسایی کنند.

شاخص‌های زمان و دما:

نوسانات دما در حین توزیع محصولات غذایی فاسد شدنی منجر به کاهش کیفیت و ایمنی می‌شوند. از دست دادن کیفیت‌های تغذیه ای، بهداشتی و حسی محصولات گوشتی به طور قابل توجهی به دما و زمان بستگی دارد. بنابراین، TTI‌ها برای نظارت و ثبت مداوم تاریخچه حرارتی به طور کامل یا جزئی، طراحی شده‌اند و ماندگاری باقیمانده محصولات فاسد شدنی را در طول کل زنجیره غذایی نشان می‌دهند.

محو شدن رنگ در نشانگر زمان-دمای رنگ سنجی در یک دوره زمانی معین در 25 درجه سانتیگراد
(اقتباس از Galagan و Su)

 شاخص‌های تازگی:

نشانگرهای تازگی، دستگاه‌هایی هستند که برای ارائه اطلاعات مستقیم در مورد کیفیت یا از بین رفتن تازگی غذاهای بسته بندی شده، در نتیجه تغییرات فیزیکی یا شیمیایی یا تکثیر میکروبی، استفاده می‌شوند که به اطلاعات موجود در مورد متابولیت‌های مشخص کننده کیفیت بستگی دارد که صریحاً با نوع غذاهای ماهیچه‌ای، میکروب‌ها، شرایط نگهداری و انواع بسته بندی مرتبط است. در طول ذخیره سازی، تغییرات در غلظت متابولیت‌ها مانند گلوکز، اتانول، اسید آلی، CO2 ،TVB-N، آدنوزین تری فسفات و آمین‌های زیست ژنیک، نشان دهنده فساد محصولات گوشتی است.

شاخص‌های یکپارچگی:

ترکیب گازها در سیستم‌های بسته بندی ممکن است بر اساس برهمکنش محصولات غذایی با محیط اطراف، متفاوت باشد. شاخص‌های یکپارچگی، وسیله مناسبی برای کنترل ترکیبات گازی حاصل از تجزیه مواد غذایی در ظرفی در نظر گرفته می‌شوند که می‌تواند خطرات سلامتی شدیدی را برای مصرف‌کنندگان نهایی به همراه داشته باشد.

شاخص‌های غیرتهاجمی به عنوان بخشی از بسته‌ بندی اتمسفر اصلاح‌ شده (MAP) استفاده می‌شوند. برای شناسایی نشتی بسته بندی، شاخص‌های یکپارچگی، اطلاعات را از طریق مقایسه با مراجع استاندارد یا از طریق تغییرات رنگ سنجی بصری ارائه می‌دهند. این سیستم‌ها برای آزمایش یکپارچگی بسته بندی توسعه یافته‌اند که پیش نیازهای ضروری برای حفظ استانداردهای کیفیت و ایمنی بسته بندی محصولات طیور و گوشت است. دلیل آسیب یکپارچگی در بسته‌های پلاستیکی انعطاف‌پذیر، به نشت آب‌ بندها مربوط می‌شود.

اتصال سنسور یا نشانگر نشتی به بسته بندی، به حفظ یکپارچگی بسته در طول زنجیره تولید، حمل و نقل و توزیع کمک می‌کند. چندین محقق بر روی یکپارچگی بسته بندی محصولات MAP کار کرده‌اند و اندازه نشت بحرانی و فاکتورهای کیفیت مرتبط را تعیین کرده‌اند.

سنسورهای مورد استفاده در صنعت بسته بندی هوشمند گوشت:

حسگرها، دستگاه‌هایی هستند که برای شناسایی، مکان‌یابی یا محاسبه انرژی یا ماده با ارائه سیگنال‌هایی برای تشخیص یا تعیین کمیت خواص فیزیکی یا شیمیایی که دستگاه‌ها به آنها پاسخ می‌دهند، استفاده می‌شوند. انواع مختلفی از سنسورها در صنعت گوشت به منظور بهبود کیفیت و ایمنی گوشت با نظارت بر شاخص‌های کیفی محصولات در طول ذخیره سازی و زنجیره تامین استفاده می‌شود.

بینی الکترونیکی:

بینی الکترونیکی، سیستمی است که برای تقلید از سیستم بویایی پستانداران استفاده می‌شود و برای اولین بار در سال 1982 توسط Dodd و Persuad طراحی شد. بوهای ساده یا پیچیده توسط مجموعه‌ای از حسگرهای شیمیایی الکترونیکی با سیستم تشخیص الگوی مناسب و ویژگی جزئی شناسائی می‌شوند.

قبل از آن، بینی انسان برای انجام آنالیز حسی بر اساس عوامل بویایی مختلف استفاده می‌شد. با وجود اینکه این کار مصلحتی است اما خیلی دقیق نیست و دستیابی به نتایج قابل تکرار دشوار بود. علاوه بر این، بینی انسان تحت تأثیر بسیاری از عوامل محیطی یا سلامت جسمی و روانی انسان است. بینی e-nose برای دستیابی به کمیت‌های تکرارپذیر برای شناسایی و طبقه بندی اجزای معطر موجود در محصولات غذایی استفاده می‌شود.

اجزای اصلی بینی‌های الکترونیکی شامل آرایه‌های حسگر شیمیایی، مکانیسم کنترل نمونه، پردازش سیگنال، شرطی‌ سازی و همچنین آرایه‌های تشخیص الگو، برای شناسائی VOCهای ساده یا پیچیده است.

حسگرهای زیستی استفاده شده در بسته بندی هوشمند گوشت:

حسگرهای زیستی، قادر به نظارت بر تازگی محصولات گوشتی به طور خاص در مقایسه با شاخص‌های تازگی هستند. از 2 بخش اولیه تشکیل شده است: از گیرنده‌های زیستی و مبدل‌ها. گیرنده زیستی برای هر متابولیت خاص است و مبدل سیگنال‌های بیوشیمیایی را به پاسخ الکتریکی قابل اندازه گیری تغییر می‌دهد.

گیرنده‌های زیستی برای تشخیص، ثبت و انتقال اطلاعات مربوط به واکنش‌های بیولوژیکی استفاده می‌شوند. آن‌ها ممکن است مواد بیولوژیکی یا آلی مانند آنتی ژن‌ها، آنزیم‌ها، هورمون‌ها، اسیدهای نوکلئیک یا میکروب‌ها باشند. با این حال، مبدل‌ها ممکن است نوری، کالریمتری، الکتروشیمیایی یا پیزوالکتریک باشند. یک بیوسنسور ایده آل باید بسیار حساس، دقیق، کوچک، مقرون به صرفه و دارای کارکرد آسان باشد.

حسگرهای زیستی در بسته‌بندی‌های گوشت برای تشخیص آمین‌های بیوژنیک استفاده می‌شوند. دی آمین‌ها، آمین‌های بیوژنیک و هیستامین‌های موجود در طیور و ماهی و گوشت قزل‌آلای رنگین کمان را می‌توان با استفاده از یک راکتور پوترسین اکسیداز همراه با الکترودهای پراکسید هیدروژن آمپرومتریک شناسایی کرد.

پوسپیسکووا و همکارانش یک حسگر زیستی برای شناسایی آمین‌های بیوژنیک و ترکیبات نیتروژنی ساختند که به دلیل دکربوکسیله شدن اسیدهای آمینه یا به دلیل ترانس آمیناسیون، آمیناسیون کتون‌ها و آلدئیدهای ایجاد شده در طی متابولیسم‌های میکروبی ایجاد شده‌اند. در حالی که Umuhumuza و Sun یک حسگر گلوکز را با اصلاح الکترود طلا با محلول نانوگلد و L-سیستئین و پوشاندن کمپلکس پلی گلوتامات-گلوکز اکسیداز روی الکترود اصلاح شده برای تشخیص سریع تازگی گوشت خوک توسعه دادند.

سنسورهای گازی استفاده شده در بسته بندی هوشمند گوشت:

سنسورهای گاز] دستگاه‌هایی هستند که برای تشخیص گازها در بسته بندی هوشمند استفاده می‌شوند. دو مورد از رایج‌ترین سنسورهای گاز (سنسور O2 و سنسور CO2) در زیر مورد بحث قرار گرفته‌اند.

سنسورهای اکسیژن:

اخیراً تعدادی حسگر برای تشخیص O2 در محصولات گوشتی ساخته شده است. سنسورهای O2 برای ارزیابی کیفیت محصولات بسته بندی شده، توسعه محصول جدید و بهینه سازی فرآیند از اهمیتی حیاتی برخوردار هستند. اینها پیچیدگی کمتری دارند و می‌توانند به راحتی در صنعت بسته‌بندی گوشت در مقایسه با سایر ابزارهای جایگزین استفاده شوند که امکان نظارت سریع، برگشت‌پذیر، کمّی و در زمان واقعی، سطوح O2 باقی‌مانده در محصولات بسته‌بندی شده را به‌طور غیر مخرب گزارش می‌دهند.

وجود O2 در داخل بسته بندی به رشد میکروب‌های هوازی کمک می‌کند. اکثر سنسورهای O2 در غلظت 0 تا 100 کیلو پاسکال یا حداقل 0 تا 21 کیلو پاسکال (0٪ -21٪) کارآمد هستند و محدودیت‌های تشخیص 0.01 تا 0.1 کیلو پاسکال دارند. به طور کلی، این محدوده‌ها برای بسیاری از کاربردهای بسته بندی گوشت مناسب هستند.

از سوی دیگر، مواد حسگر مانند پلیمرها، رنگ‌ها، مواد افزودنی و حلال‌های باقی‌مانده، گاهی اوقات اثرات سمی بالقوه‌ای دارند. در بیشتر موارد، مقدار کل مورد نیاز برای ایجاد یک سنسور تک بسته، کمتر از 1 میلی گرم است، در حالی که پلیمر کپسوله کننده بیش از 95٪ را نشان می دهد تا از خطرات مرتبط با حلال‌های باقیمانده جلوگیری شود. حلال‌ها باید در ساخت حسگر به جای استفاده از آن در صنایع غذایی استفاده شوند.

سنسورهای دی اکسید کربن:

حسگرهای CO2 برای تشخیص فساد اولیه و همچنین اندازه‌گیری سطوح CO2 در MAP و سایر ساختارهای ذخیره‌سازی مواد غذایی مورد توجه قرار گرفته‌اند. بنابراین، به نظر می‌رسد پتانسیل بازار برای سنسورهای CO2، کم‌هزینه و قابل‌اعتماد در صنایع کشاورزی-غذایی، عالی است. حسگرهای نوری CO2 برای نظارت بر یکپارچگی بسته‌های MA توسعه یافته‌اند.

تکنیک‌های سنجش اپتوشیمیایی شامل سنجش رنگ‌سنجی مبتنی بر جذب و سیستم مبتنی بر فلورسانس از طریق یک نشانگر حساس به pH و رویکرد انتقال انرژی از طریق تشخیص فاز فلوئوری متریک است. از نظر تجاری، حسگرهای نوع Severinghaus و مادون قرمز غیر توزیعی (NDIR)، به ترتیب برای شناسایی CO2 محلول و گازی استفاده می‌شوند. با این حال، دستگاه NDIR، پرهزینه، حجیم و مستعد آلودگی و نفوذ بخار آب است. از این رو، سنسورهای ارزان و فشرده بیشتر ترجیح داده می‌شوند.

سنسور CO2 Severinghaus شامل یک محلول بی کربنات است که با الکترود شیشه‌ای پوشیده شده توسط یک غشای نازک قابل نفوذ CO2، ترکیب شده است. با این حال، غشاء به الکترولیت‌ها و آب نفوذ ناپذیر است. این سنسور بر اساس یک اصل کار می‌کند که CO2 در محلول آبی به اسید کربنیک تبدیل می شود و به پروتون و آنیون بی کربنات تجزیه می‌شود.