नैनोसेल्युलोज़: कृषि को स्वस्थ, लाभप्रद एवं सक्षम करने के लिए एक संभावित समाधान
लेखक: मोनिका कुंडू, अनंता वशिष्ठ, बनवारी लाल, पी. कृष्णन, सुभाष नटराज पिल्लई, कृषि भौतिकी संभाग, आईसीएआर-आईएआरआई, नई दिल्ली, gkmk07@gmail.com
20 अगस्त 2024, नई दिल्ली: नैनोसेल्युलोज़: कृषि को स्वस्थ, लाभप्रद एवं सक्षम करने के लिए एक संभावित समाधान –
परिचय
नैनोसेल्युलोज़ नाम इस प्राकृतिक बहुलक के गैर-मीट्रिक-स्केल आयामों को संदर्भित करता है। नैनोसेल्यूलोज तीन प्रकार के होते हैं, जिन्हें उनके उत्पादन और निष्कर्षण के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है: क्रिस्टल के आकार का नैनोसेल्यूलोज (एनसीसी), नैनोसेल्यूलोज फाइबर (एनएफसी), और बैक्टीरियल नैनोसेल्यूलोज (एनसीबी)। नैनोसेल्यूलोज़ पर आधारित नई सामग्रियों का उत्पादन विकास का एक आकर्षक क्षेत्र बन गया है, क्योंकि इन नैनोमटेरियल्स में स्थिरता, बायोडिग्रेडेबिलिटी, गैर-विषाक्तता और आर्थिक उत्पादन की विशेषताएं हैं। नैनोमटेरियल के अनुप्रयोगों में कागज, भोजन, इलेक्ट्रॉनिक्स, फार्मास्युटिकल, बायोमेडिकल इंजीनियरिंग, निर्माण, पैकेजिंग आदि जैसे महत्वपूर्ण उद्योग शामिल हैं। इन नैनोमटेरियल का उपयोग खाद्य उत्पादों की गुणवत्ता में सुधार के लिए खाद्य उद्योग में किया जाता है। वे पैक किए गए खाद्य पदार्थों के सूक्ष्मजीवीय क्षरण को रोक सकते हैं, उनके रंग, स्वाद या बनावट में सुधार कर सकते हैं और विटामिन और खनिजों की जैवउपलब्धता बढ़ा सकते हैं।
1. नैनोसेल्यूलोज़ के संश्लेषण के तरीके
1.1 यांत्रिक प्रक्रिया
डिफाइब्रिलेशन के लिए सेल्यूलोसिक सामग्रियों को यांत्रिक उपचार से गुजरना आवश्यक है। प्रक्रिया को आसान बनाने के लिए यांत्रिक फाइब्रिलेशन से पहले रसायनों या एंजाइमों द्वारा पूर्व-उपचार प्रसंस्करण किया जाता है। रासायनिक उपचार हाइड्रॉक्सिल समूहों के बीच की जगह को चौड़ा करने, आंतरिक सतह को बढ़ाने, क्रिस्टलीयता को बदलने और सेलूलोज़ हाइड्रोजन बांड को तोड़ने में मदद करते हैं, इस प्रकार सतह क्षेत्रों को बढ़ाते हैं, जो फाइबर की प्रतिक्रियाशीलता को बढ़ावा देने में मदद करता है। सेल्युलोसिक फाइबर को नैन सेल्युलोज में परिवर्तित करने के लिए कई यांत्रिक तरीके हैं, जैसे होमोजेनाइजिंग, सूक्ष्म द्रवीकरण, पीसना, क्राई क्रशिंग और उच्च तीव्रता अल्ट्रा सोनिकेशन (एचयूआईएस)।
1.2 रासायनिक प्रक्रिया
नैनोसेल्यूलोज आम तौर पर एसिड हाइड्रोलिसिस, यांत्रिक उपचार, ऑक्सीकरण उपचार और एंजाइमी गिरावट जैसी रासायनिक प्रक्रियाओं का उपयोग करके उच्च पौधों, समुद्री शैवाल और सूक्ष्मजीवों द्वारा किण्वित प्राकृतिक सेलूलोज़ से तैयार किया जाता है।
नैनोसेल्यूलोज संश्लेषण के लिए विभिन्न हरित तकनीकें प्रस्तावित की गई हैं जैसे कि एंजाइमैटिक हाइड्रोलिसिस, आयनिक तरल, इत्यादि। यद्यपि नैनोसेल्यूलोज सेल्यूलोज से प्राप्त होता है, लेकिन इसमें मूल सामग्रियों से पूरी तरह से विविध विशेषताएं होती हैं।
चित्र 1.: 1नैनोसेल्युलोज संश्लेषण की विभिन्न विधियाँ और विविध अनुप्रयोग क्षेत्र
2. नैनोसेल्युलोज के गुण
नैनोसेल्यूलोज के मूल गुण सामान्य सेल्यूलोज के समान हैं, जिनमें विभिन्न भौतिक, रासायनिक और जैविक उपचारों के तहत विभिन्न सूक्ष्म-आकारिकी के बावजूद कमजोर पानी में घुलनशीलता और रासायनिक संशोधन में आसानी शामिल है। हालाँकि, वे उत्कृष्ट यांत्रिक गुण, उत्कृष्ट थर्मल स्थिरता, बड़े विशिष्ट सतह क्षेत्र, अद्वितीय रियोलॉजिकल और ऑप्टिकल गुण दिखाते हैं। सामान्य नैनोसेल्यूलोज को उनकी तैयारी के तरीकों, सूक्ष्म-आकृति विज्ञान और विशेषताओं के आधार पर दो प्रमुख प्रकारों, सेल्यूलोज नैनोक्रिस्टल (सीएनसी) और सेल्यूलोज नैनोफाइब्रिल्स (सीएनएफ) में वर्गीकृत किया जा सकता है। नैनोसेल्यूलोज की विशिष्ट संरचनाएं, गुण और पैदावार सेल्यूलोज के स्रोत और अलगाव स्थितियों से निकटता से संबंधित हैं। यह बढ़ी हुई क्रिस्टलीयता, उच्च सतह क्षेत्र, रियोलॉजिकल गुण, संरेखण और अभिविन्यास, बायोडिग्रेडेबिलिटी, बायोकम्पैटिबिलिटी, कम विषाक्तता आदि को दर्शाता है। नैनोसेल्यूलोज ने अपने उल्लेखनीय भौतिक गुणों, असाधारण सतह रसायन विज्ञान और शानदार जैविक गुणों के कारण विभिन्न जैव रासायनिक अनुप्रयोगों के लिए बहुत ध्यान आकर्षित किया है।
3. नैनोसेल्यूलोज के अनुप्रयोग
भोजन:- खाद्य स्टेबलाइजर्स, आहार फाइबर, गाढ़ेपन, स्वाद वाहक, निलंबन स्टेबलाइजर्स और भोजन के कैलोरी मूल्य को कम करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। यह फिलिंग, क्रश, बिस्कुट क्रीम, आइसक्रीम, चिप्स, वेफर्स, सूप, पुडिंग आदि के उत्पादन के लिए भी उपयोगी हो सकता है।
चित्र 2.: भोजन में नैनोसेल्यूलोज के विभिन्न अनुप्रयोग
संवेदन: नैनोसेल्युलोज (एनसी) एकत्रीकरण को रोककर ग्राफीन-आधारित कंपोजिट की संवेदन क्षमता को बढ़ा सकता है। सीएनसी और कंडक्टिंग पॉलिमर ने ग्लूकोज बायो सेंसिंग, वॉटर डीफ्लोरिनेशन, स्ट्रेन सेंसिंग, फ्लेम रेजिस्टेंस, सुपरकैपेसिटर और कैंसर थेरेपी में सहक्रियात्मक प्रभाव बढ़ाया है।
पैकेजिंग: खाद्य पैकेजिंग सामग्री खाद्य प्रसंस्करण उद्योग का एक अत्यंत महत्वपूर्ण हिस्सा है और खाद्य क्षेत्र में हमेशा अनुसंधान का केंद्र बिंदु रहा है। आदर्श खाद्य पैकेजिंग सामग्री के रूप में, उन्हें वस्तुओं की रक्षा करनी चाहिए, खाद्य गुणवत्ता स्थिरता बनाए रखनी चाहिए, वाणिज्यिक खाद्य मूल्य बढ़ाना चाहिए, बिक्री को बढ़ावा देना चाहिए और भंडारण और रसद की सुविधा प्रदान करनी चाहिए। जीवाश्म ईंधन से प्राप्त गैर-बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर खाद्य पैकेजिंग में सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली सामग्री हैं
ऊर्जा: इस सामग्री का एक दिलचस्प अनुप्रयोग पेपर बैटरी है। शोधकर्ता नैनोसेल्यूलोज़ और एक प्रवाहकीय पॉलिमर के बीच मिश्रण का उपयोग करके असाधारण ऊर्जा भंडारण क्षमता वाले विभिन्न उपकरणों को विकसित करने पर काम कर रहे हैं।
अपशिष्ट जल उपचार: नैनो सेल्युलोज सतह पर मौजूद हाइड्रॉक्सिल समूहों की भारी मात्रा भारी धातुओं और कार्बनिक यौगिकों जैसे मेथिलीन ब्लू डाई के साथ सेल्यूलोज नैनो फाइब्रिल और ग्राफीन ऑक्साइड-सिलिका से बने हरे एयरजेल का उपयोग करके, संशोधित नैनोसेल्यूलोज के साथ कांगो लाल डाई के साथ बातचीत स्थापित करने की अनुमति देती है। पॉलीप्रोलाइन और पीला रंग फैलाएं। साथ ही, सेलूलोज़ नैनोमटेरियल्स दूषित पानी से सूक्ष्मजीवों और अतिरिक्त प्रदूषकों को हटाने के लिए फ़िल्टरिंग झिल्ली के रूप में कार्य कर सकते हैं।
बायोमेडिकल: नैनोसेल्युलोज-आधारित कंपोजिट को अत्यधिक जैव-संगत और कम विषाक्त होने की विशेषता है, जो कई बायोमेडिकल अनुप्रयोगों में इसके उपयोग के प्रमुख कारण हैं। दवा वितरण प्रणालियों में नैनोसेल्यूलोज को शामिल करने से दवाओं के जारी होने के तरीके और लक्ष्य अणुओं के साथ बातचीत दोनों को नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे दवा प्रशासन की प्रभावशीलता बढ़ जाती है। दवाओं, हाइड्रोफोबिक चरित्र वाले गैर-आयनिक रसायनों को नैनोपॉलिमर से जोड़ने के लिए नैनोसेल्यूलोज सतह पर परिवर्तन किए जाने चाहिए
कपड़ा: आणविक संरचना और इसकी बड़ी सक्रिय सतह के कारण, नैनोसेल्यूलोसिक सामग्रियों को कपड़ा क्षेत्र में, विशेष रूप से चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए महान अनुप्रयोग मिले हैं। विशेष विशिष्ट विशेषताओं को इसके एंटीस्टेटिक व्यवहार, अशुद्धियों और आर्द्रता के निम्न स्तर और अच्छे यांत्रिक और तरल सोखने के गुणों में संक्षेपित किया जा सकता है।
निष्कर्ष
नैनोसेल्युलोज़ के कई फायदे हैं जैसे बायोडिग्रेडेबिलिटी, पर्यावरण की दृष्टि से सुरक्षित, नवीकरणीयता, सस्ता, कम वजन, उच्च शक्ति और कठोरता। नैनोसेल्युलोज आधारित पारदर्शी फिल्मों का उपयोग कोटिंग प्रौद्योगिकियों, खाद्य पैकिंग के लिए किया जा सकता है, इसमें उत्कृष्ट अवरोधक गुण होते हैं। मोटी फिल्में ऑक्सीजन अवरोधक के रूप में कार्य कर सकती हैं जो भोजन और परिरक्षक में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं। अनगिनत फायदों के मामले में नैनोसेल्युलोज की बाजार में व्यापक संभावनाएं हैं, लेकिन संभावित जोखिम और खतरे, यदि कोई हों, का भी बड़े पैमाने पर अध्ययन किया जाना चाहिए।
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