کاربرد فلوئورسانس در صنایع غذایی

کاربرد فلوئورسانس در صنایع غذایی چیست؟ امروزه از روش ها و ابزارهای مختلفی برای کنترل کیفیت محصولات غذایی و بررسی ترکیبات مواد غذایی استفاده میشود. یکی از این روش‌ها، طیف سنجی فلورسانس است. همچنین در پست قبلی در مورد روش اسپکتروسکوپی مرئی-فرابنفش  که یکی دیگر از روش های بررسی مواد غذایی است،توضیح داده بودیم. در این مطلب قصد داریم درمورد روش ها و کاربرد فلوئورسانس در صنایع غذایی صحبت کنیم. تا پایان این مطلب با علم فود همراه باشید.

 

روش های لومینسانس مولکولی یا نورتابی چیست؟

روش های لومینسانس مولکولی، روش هایی هستند که در آن آنالیت را به مدل های مختلف حرارتی ، شیمیایی یا نوری برانگیخته می‌کنیم تا در اثر برانگیختگی، در زمان برگشت به حالت پایه، نوری را تولید، نشر یا بتابانند که از آن نور برای به‌دست آوردن اطلاعات کیفی و کمی برای شناسایی آنالیت استفاده کنیم. نوعی از روش های لومینساسن مولکولی، روش های فوتولومینسانس یا فوتونورتابی می‌باشد که به 2 دسته تقسیم می شوند:

• فلوئورسانس(fluorescence)
• فسفرسانس(phosphorescence)

در واقع در فلوئورسانس و فسفرسانس، از تابش فوتون یا نور برای تحریک گونه یا نمونه موردنظر استفاده می‌کنیم.

تئوری فلوئورسانس

فلوئورسانس قابل مشاهده در مایع، گاز و جامد است که رایج‌ترین  سیستم‌هایی که فلوئورسانس در آنها قابل مشاهده است، سیستم بخارات رقیق اتمی می باشد. برای مثال، دربخارات رقیق سدیم، اوربیتال‌های اکترون های 3s می توانند نوری با طول موج 589.6 و 589 نانومتر را جذب کنند و به حالت برانگیخته 3p منتقل شوند و در آنجا به اندازه 0.1 ثانیه عمر می‌کنند و سپس به حالت برانگیخته بر‌گردند که در این صورت خطی مشاهده می‌شود که که به آن فلوئورسانس می‌گویند.

برای سیستم های مولکولی،روش های جذبی مانند طیف سنجی مرئی-فرابنفش وجود دارد که در نمودار حاصل از آنها، نواری پهنی مشاهده می‌شود.  در این روش‌ها اگر نوار جذب در یک طول موج باشد،نوار نشر در یک طول موج بلندتر خواهد بود. به این نوع جابه‌جایی از طول موج کوتاه به بلندتر، shift stocks گفته می شود.

اما در سیستم های اتمی، در نمودار حاصل، خط خیلی باریکی مشاهده می‌شود که بیانگر این است که یک جذبی رخ داده و مولکول تحریک شده و به حالت برانگیخته منتقل می‌گردد و زمانی که به حالت پایه  برمی‌گردد، دقیقه همان طول موجی را ایجاد می‌کند که در حالت برانگیخته ایجاد شده بود که به این نوع فلورسانس‌های رزونانسی گفته می شود.

 

 

کاربرد فلوئورسانس در صنایع غذایی

در دهه های اخیر افزایش قابل توجهی در کاربرد فلوئورسانس در صنایع غذایی وجود داشته است. با توسعه و پیشرفت رایانه ها و ابزار دقیق طیف سنجی، طیف سنجی فلوئورسانس به بهبود کیفیت و امنیت غذایی میلیاردها انسان کمک کرده است. این رشته از دهه 1980 به بعد پیشرفت چشمگیری داشته است.

در آن دهه روش های تجزیه و تحلیل داده های چند متغیره استفاده و گزارش شد.غذا یک سیستم پیچیده است، با اجزای شیمیایی مختلف. به همین دلیل، از روش های اندازه گیری چند بعدی در مطالعات استفاده می شود.با استفاده از تکنیک های اندازه گیری چند بعدی، می توان اثر انگشتی از نمونه مواد غذایی ایجاد کرد.

اجزای اصلی غذا معمولاً غیر فلورسنت هستند اما برعکس بسیاری از اجزای جزئی نیز وجود دارند. این اجزا بر عواملی مانند تغذیه و ترکیب تأثیر دارند. ترکیبات مشتق شده از فرآیند نیز می توانند مانند مواد آلوده کننده مواد غذایی، فلورسنت کنند. تمام این ترکیبات می توانند کیفیت و اصالت غذا را تحت تأثیر قرار دهند.

طی دهه‌های گذشته به دلیل ماهیت غیر مخرب، سریع و حساس فلوئورسانس در صنایع غذایی، در برنامه های طیف سنجی برای تجزیه و تحلیل کیفیت غذا مورد استفاده قرار گرفته است. این امر به دلیل کاربرد گسترده ابزارهای شیمیایی و بهبود در جنبه های فنی و نوری تجهیزات طیف سنجی بوده است.

کیفیت غذا یکی از مهمترین جنبه های صنایع غذایی است. جنبه های مغذی ، فیزیکی و شیمیایی نمونه مواد غذایی باید اندازه گیری و درک شود تا محصولی با کیفیت ارائه شود که به مصرف کنندگان در انتخاب آگاهانه کمک کند. کیفیت غذاهای فاسدشدنی (گوشت، تخم مرغ، لبنیات ، ماهی و غیره) به ویژه برای صنایع غذایی از اهمیت بالایی برخوردار است. این مواد غذایی به عنوان بخشی ذاتی از یک رژیم غذایی سالم در نظر گرفته می شوند ، ویتامین ها، مواد معدنی و روغن های اساسی مهمی را ارائه می دهند که به بدن و مغز کمک می کند تا عملکرد سالم داشته باشد.

غذای تازه ماندگاری محدودی دارد و تحت تأثیر زنجیره های تأمین محدود و فرآیندهای ذخیره سازی است، که به این معنی است که تجزیه و تحلیل دقیق اجزای آنها باعث بهبود طراوت، ایمنی و سود می شود. رشد میکروبی همچنین می تواند غذا را خراب کند که منجر به شیوع بیماری های مضر مانند لیستریا و سالمونلا شود.

مواد افزودنی و روش های نگهداری برای غذاهای فاسدشدنی و ماندگاری طولانی (به عنوان مثال، مواد غذایی کنسرو شده ، ترشی و خشک) نیز می توانند از نظر کیفیت با استفاده از تکنیک های طیف سنجی مورد بررسی قرار گیرند. کاربرد فلوئورسانس در صنایع غذایی در بهبود استاندارد کلی مواد غذایی کمک کرده است. مطالعات اخیر همچنین به بهبود روش های نگهداری مواد غذایی و کاهش تقلب شیمیایی و میکروبی مضر کمک کرده است. میتوان از طیف سنجی فلورسانس برای تجزیه و تحلیل اصالت مواد غذایی استفاده نمود.

یک رژیم غذایی سالم و ایمنی غذایی که مصرف می کنیم به بهبود سطح کلی زندگی ما کمک می کند. صنایع غذایی برای اطمینان از این امر به یک ابزار گسترده از تکنیک های تحلیلی نیاز دارند. طیف سنجی فلورسانس فقط یک بخش از این مجموعه ابزار است ، البته یکی از اهمیت های آن در صنعت است.

با حرکت به آینده، بدون شک طیف سنجی فلورسانس نقش مهمی در این زمینه خوهد داشت. با استفاده از فن آوری های جدید و مکمل مانند شبکه های عصبی، طیف سنجی فلورسانس نقش مهمی در اطمینان از بالاترین استانداردهای کیفیت مواد غذایی ادامه خواهد داد که از موارد کاربرد فلوئورسانس در صنایع غذایی است.

 

دوره آموزشی متخصص آزمایشگاه مواد غذایی 

مجموعه علم فود با همکاری یکی از آزمایشگاه های همکار غذا و دارو و سازمان دامپزشکی، دوره آزمایشگاه میکروبی مواد غذایی و آزمایشگاه شیمی مواد غذایی را به صورت کاملا عملی و تحلیلی تهیه کرده است. در این دوره آزمایش های مهم شیمی مواد غذایی از جمله جدول تغذیه ای مواد غذایی که جزء آزمایشات مهم هستند به صورت کاملا عملی آموزش داده شده است. از مواردی که در دوره عملی آزمایشگاه شیمی آموزش داده شده میتوان به اندازه گیری پروتئین، چربی، قند، نمک، اسیدیته، خاکستر، دانسیته، رطوبت و آزمایشات مهم دیگر مانند اندازه گیری نشاسته در فراورده های گوشتی و اندازه گیری اسیدیته، پراکسید استخراجی روغن و اندازه گیری فیبر خام در مواد غذایی، اندازه گیری کلسیم در مواد غذایی و غیره اشاره کرد.

همچنین در دوره آزمایشگاه میکروبیولوژی مواد غذایی سعی شده چالش های احتمالی در آزمایشگاه میکروبی مواد غذایی بررسی و راه حل هایی برای آن ارائه گردد. نحوه رقت سازی، ساخت محیط کشت، بررسی استاندارد، نحوه افزودن مکمل ها و نحوه کشت و شمارش میکروارگانیسم های مهم و مشترک بین مواد غذایی در این دوره آموزش داده شده است. برای آشنایی با این دوره ها بر روی ثبت نام و شروع یادگیری دوره های شیمی و میکروب کلیک کنید (با امکان دریافت گواهینامه از آزمایشگاه همکار غذا و دارو و سازمان دامپزشکی).

بعد از گذراندن این دوره به آزمایشات مهم و اصلی که بین اکثر مواد غذایی مشترک است، مسلط میشوید. گواهینامه این دوره معتبر هست و برای استخدام شدن در جایگاه مسئول فنی و یا مسئول کنترل کیفیت میتونید مدرک این دوره رو به سازمان غذا و دارو ارائه بدید. همچنین این دوره برای افرادی که تمایل به یادگیری آزمایشات و یا گذراندن کارآموزی دارند بسیار مناسب است. گواهینامه این دوره دارای اعتبار و قابل ترجمه برای مهاجرت به خارج از کشور است.

طیف سنجی فلورسانس در تجزیه و تحلیل مواد غذایی

بررسی ترکیبات داخلی مانند:

• پروتئین ها، پپتیدها، آمینواسیدها و آمین ها
• آمین های بیوژنیک
• ویتامین ها
• سنجش ظرفیت آنتی اکسیدان

بررسی ترکیبات خارجی:

• عوامل آلوده کننده
• افزودنی های غذایی
• بررسی تقلبات و کیفیت مواد غذایی

 

بررسی مواد غذایی با طیف سنجی فلوئورسانس

محصولات لبنی

یکی از موارد کاربرد فلوئورسانس در صنایع غذایی، تشخیص ترکیبات محصولات لبنی می باشد. اسیدهای آمینه معطر، اسیدهای نوکلئیک، باقی مانده های تریپتوفان از پروتئین ها، ریبوفلاوین و ویتامین A بهترین مولکول های فلوئورسنت در محصولات لبنی هستند. طیف فلورسانس پس از تحریک در 290 نانومتر و 380 نانومتر و انتشار بین 400-600 بر روی نمونه پنیر ثبت شده است و ممکن است به عنوان یک اثر انگشت مشخص در نظر گرفته شود که اجازه می دهد نمونه شناسایی شود.

 

تخم مرغ

یکی از موارد کاربرد فلوئورسانس در صنایع غذایی، تعیین طراوت تخم مرغ است. طیف انتشار تخم مرغ‌های مختلف دو ماکزیمم واقع در 635 و 672 نانومتر را پس از تحریک در 405 ، 510 ، 540 و 557 نانومتر نشان می دهد که مربوط به رنگدانه های طبیعت پورفیرین و تخریب پورفیرین از فلورین و اکسوفلرین است. شدت طیف فلوئورسانس در 672 نانومتر از تخم مرغ تازه نسبت به تخم مرغ قدیمی بیشتر و قویتر است.

 

گوشت

فلوئورسانس برای تجزیه و تحلیل گوشت اولین بار در سال 1986 به عنوان روشی برای کنترل کیفیت گوشت و فرآورده های ماهی بر اساس خصوصیات فلوئورسانس ذاتی آنها ارائه شد (Jensenet al. 1986). این روش بر اساس تحریک در 340 نانومتر و این واقعیت است که استخوان، غضروف، بافت های همبند و گوشت دارای خواص مختلف فلورسنت هستند.

گوشت خالص فقط سیگنال‌های فلورسانس ضعیف در این طول از خودش ساطع می کند، در حالی که مواد نامطلوب (چربی، استخوان، غضروف و بافت همبند) همگی سیگنال انتشار فلورسانس قابل توجهی از خودشان ساطع می کنند. در نتیجه بررسی کیفیت گوشت از دیگر موارد کاربرد فلوئورسانس در صنایع غذایی است.

 

 

ماهی

در طی انجماد، نگهداری و دیفراست، ماهیچه های ماهی ممکن است تحت تجزیه پروتئین و اکسیداسیون لیپید قرار بگیرند. از طیف سنجی فلورسانس برای اندازه گیری محصولات اکسیداسیون لیپیدها در هنگام ذخیره ماهی منجمد استفاده شده است. (Aubourg & Medina 1999؛ Dufloset al. 2002)

فلوروفورهای مهم عضله ماهی شامل اسیدهای آمینه معطر و اسیدهای نوکلئیک (تحریک 250 نانومتر ، انتشار 280-480 نانومتر) ، بقایای تریپتوفان (تحریک 290 نانومتر ، انتشار 305-400 نانومتر) پروتئین ها و NADH (تحریک 336 نانومتر، 360-600 نانومتر) است. بنابراین یکی دیگر از موارد کاربرد فلوئورسانس در صنایع غذایی تشخیص ترکیبات ماهی است.

روغن های خوراکی

طیف های انتشار فلورسانس روغن زیتون به ترکیب و پایداری آن مربوط است. روغن های زیتون ویرجین به دلیل فعالیت آنتی اکسیدانی ترکیبات فنلی و ویتامین E در برابر اکسیداسیون کاملاً پایدار هستند. علاوه بر این، کلروفیل ها از روغن در تاریکی محافظت می کنند. بنابراین، طیف های فلورسنت روغن های زیتون بکر در طول موج تحریک 365 نانومتر، به دلیل کلروفیل ها و سه قله دیگر، قله ای در حدود 681 نانومتر را نشان می دهد (دو شدت کم در 445 نانومتر و 475 نانومتر و یک شدت در 525 نانومتر) که به ویتامین E نسبت داده شده است.

 فرآیندهای تصفیه کننده باعث کاهش محتوای ویتامین E و کلروفیل ها می شوند، بنابراین روغن‌های تصفیه شده (روغن  تفاله زیتون) بیشتر تحت تأثیر فرآیندهای اکسیداسیون قرار دارند. این تغییرات در طیف سنجی فلورسانس انتشار آنها منعکس می شودآنها مشخص میشود، که در آن این محصولات اکسیداسیون یک قله گسترده بین 400 نانومتر و 500 نانومتر (تحریک در 365 نانومتر) را می دهند. قله کلروفیل بسیار شدیدتر از قله های بقیه گونه ها در روغن است (Kyriakidis & Skarkalis 2000). این هم یکی دیگر از موارد کاربرد فلوئورسانس در صنایع غذایی می باشد.

 

 

رابطه ساختار با فلوئورسانس

در این قسمت می خواهیم بررسی کنیم که چه ترکیباتی فلوئورسانس دارند. به عبارتی دیگرچه ترکیباتی را به کمک فلوئورسانس می‌توانیم شناسایی کنیم :

• ترکیبات آروماتیک : این نوع ترکیبات دارای گذارهای کم انرژی π  و п استار می باشند که هنگام برگشت از  π استار به π فلورسانس یا تابش تولید می‌شود.

• ترکیباتی که دارای گروه های کربونیل هستند

• ترکیبات دارای پیوند دوگانه مزدوج

• وقتی هتروکسیل‌ها به یک حلقه کاملا کربنی مثل بنزن متصل شوند دارای فلوئورسانس خوبی خواهند بود.
  • دلیل : ضریب جذب مولی افزایش می‌یابد که باعث برانگیخته شدن تعداد الکترون ها از n یه پی استار می‌‌گردد.

 

 

اثر استخلاف بر پدیده فلوئورسانس ترکیبات مختلف

• گروه های هیدروکسیل، متوکسیل و آمین :

افزودن این گروه‌ها به یک مولکول یا ترکیب، شدت  فلوئورسانس را افزایش می‌دهد. زیرا الکترون‌ها در ابر الکترونی تراز π در حلقه بنزنی غنی‌تر می‌شوند و در واقع بهره کوانتومی افزایش می‌یابد.

• گروه کربوکسیلیک اسید :

افزودن این گروه‌ها فلوئورسانس را مهار می‌کند. زیرا در این حالت انتقالات n به پی استار که دارای بهره کوانتومی کمی می‌باشد، درگیر خواهد شد.

• گروه نیتریل :

افزودن این گروه‌ها، شدت فلوئورسانس را افزایش می‌دهد. زیرا الکترون‌ها در ابر الکترونی تراز π در حلقه بنزنی غنی‌تر می‌شوند و در واقع بهره کوانتومی افزایش می‌یابد.

• گروه نیتروآمین :

افزودن این گروه‌ها به شدت فلورسانس را کاهش می دهند.

 

مزایای فلوئورسانس در صنایع غذایی

  1) حساسیت بالا

روش فلورسانس می‌تواند غلظت‌های خیلی کم را نیز اندازه‌گیری نماید. برای مثال وجود جیوه و آفلاتوکسین در غلظت های پایین نیز می تواند در مواد غذایی سمی باشد. غلظت این مواد آنفدر کم است که دستگاهی مثل  UV-Visible هم نمی تواند ان را اندازه‌گیری نماید  زیرا حساست دستگاه آنقدر بالا نیست.

  2) دامنه بزرگ

فلورسانس روشی است که دامنه بزرگی دارد و می‌توان در غلظت‌های بزرگ هم جذب را به‌دست آورد.

3) گزینش پذیری

در آنالیزهای کمی، گزینش پذیری اهمیت دارد و به این معنا است که در حضور مواد مزاحم( ترکیباتی به غیر از ترکیب مورد نظر ما)، فقط ماده موردنظر ما سیگنال تولید کند. این گزینش پذیری صرفا برای ترکیباتی است که سیگنال فلورسانس تولید می‌کنند. در روش طیف سنجی مرئی-فرابنفش، تمام ترکیبات توانایی جذب نور دارند که این هم مزیت و هم عیب آن می‌باشد.

مزیت آن این است که به‌عنوان آشکارساز عمومی  می‌توان برای همه ترکیبات استفاده کرد و عیب آن این است که گزینش پذیری ندارد. زمانی که بخواهیم تنها برخی از ترکیبات جذب داشته باشند، می‌توانیم از آشکارسازهای فلوئورسانس استفاده کنیم.

دوست عزیز علم فودی اگر می خوای از دوره های تخصصی که علم فود برگزار میکنه باخبر بشی و کلی مطلب علمی در زمینه صنایع

غذایی یاد بگیری علم فود رو در اینستاگرام هم دنبال کن (کافیه روی عکس زیر کلیک کنی تا وارد پیج علم فود بشی):

منابع:

Light-induced changes in semi-hard cheese determined by fluorescence spectroscopy and chemometrics

Fluorescence Spectroscopy and Chemometrics in the Food Classification

Using Fluorescence Spectroscopy to Assess Food Quality

علم فود