کاربرد دستگاه اسپکتروفتومتر در صنایع غذایی

هنوز هم مهم ترین وسایل در مراکز صنعتی و پژوهشی، دستگاه های اسپکتروفتومتری هستند. امروزه روش های اسپکتروفتومتری به دلیل‌کاربری آسان و هزینه های اولیه و عملیاتی پایین به یکی از پر کاربردترین‌ روش های تجزیه ای در آزمایشگاه ها و صنایع مختلف تبدیل گردیده اند. طیف‌سنجی مرئی-فرابنفش در صنایع غذایی، رایج ترین دستگاه اسپکتروفتومتر درمراکز تشخیصی و آزمایشگاهی است.

در پست‌های قبلی درمورد روش‌های دیگر تجزیه آزمایشگاهی مانند انواع روش های کروماتوگرافی  از جمله کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا، کرومانوگرافی ستونی و کروماتوگرافی لایه نازک صحبت کردیم. در این پست قصد داریم کاربرد دستگاه اسپکتروفتومتر در صنایع غذایی را بررسی کنیم. تا پایان این مطلب با علم فود همراه باشید.

 

طیف سنجی یا اسپکتروسکوپی چیست؟

اتم‌ها و مولکول‌ها از راه‌های مختلفی با تابش الکترومغناطیسی برهمکنش می‌کنند که ممکن است آن را جذب، نشر و یا پراکننده کنند.  جذب تابش الکترومغناطیس باعث ایجاد انوع مختلف حرکت‌ها در اتم‌ها و مولکول‌ها می‌گردد. در ارتباط با پدیده جذب تابش الکترومغناطیس 3 اصطلاح را در اینجا تعریف می‌کنیم:

• طیف یا spectra : به الگوی جذب یا نشر( طول‌موج و شدت) طیف یا spectra گفته می‌شود.
• طیف‌بینی یا  spectroscopy :  به علمی که به‌صورت تئوری به مطالعه برهمکنش بین ماده و تابش می‌پردازد، گفته می‌شود.
• طیف‌سنجی یا spectrometry : به روش‌ها و تکنیک‌هایی که به‌طورعملی به اندازه گیری کمی طیف‌ها بپردازد،گفته می‌شود.

پرتو الکترومغناسی شامل 3 طیف زیر است :

• محدوده مرئی : طول موج 350- 700 نانومتر که این محدوده شامل یک طیف رنگی که به ترتیب از کوتاه ترین طول موج آن تا بلندترین طول موج این ناحیه شامل آبی، خاکستری، سبز، زرد و نارنجی است.
• محدوده فرابنفش :  طول موج های این ناحیه که داری کوتاه ترین طول موج می‌باشد از 200 تا 350 نانومتر می‌باشد.
• محدوده فروسرخ : طول موج های این ناحیه که دارای بلندترین طول موج ها می باشد از 635 تا 700 نانو متر است.

 

کاربرد دستگاه اسپکتروفتومتر در صنایع غذایی

تقلب در مواد غذایی یک مسئله اخلاقی و اقتصادی جدی است که صنایع غذایی را در سراسر جهان تحت تأثیر قرار می دهد. نگرانی زیادی در مورد کیفیت محصولات غذایی در بازار فعلی وجود دارد، زیرا تقلب در آنها می تواند منجر به خسارت مالی و آسیب به سلامت مصرف کننده شود. در این زمینه ، تکنیک های آنالیز مواد غذایی، به ویژه تکنیک های اسپکتروفتومتری در صنایع غذایی ، ابزار مفیدی هستند، زیرا آنها نمونه مورد آنالیز را از بین نمی برند و بقایای سمی نیز تولید نمی کنند.

یکی از موارد کاربرد دستگاه اسپکتروفتومتر در صنایع غذایی، طیف‌سنجی مرئی-فرابنفش است که برای خصوصیات کیفی و کمی ترکیبات نمونه استفاده می شود. روش تحلیلی UV-Vis به دلیل در دسترس بودن، سادگی، انعطاف پذیری و کاربرد گسترده در چندین زمینه ، از جمله بیوشیمی و شیمی تحلیلی ، در مناطق مختلف علمی در سراسر جهان بسیار مهم و گسترده شده است.

در حال حاضر ، روشهای طیف سنجی و روشهای شیمیایی به طور گسترده ای در تجزیه و تحلیل مواد غذایی برای بهبود کنترل کیفیت غذاها و نوشیدنی ها استفاده می شود ، مانند:

• تشخیص تقلب در مواد غذایی مانند تشخیص تقلب در عسل
• تمایز قهوه کافئین دار و بدون کافئین
• تشخیص روغن زیتون اصل و تقلبی

از کاربرد دستگاه اسپکتروفتومتر در صنایع غذایی میتوان به بررسی روغن‌های گیاهی اشاره کرد، این را می توان با  مطالعه ای که توسط محققین بر روی تقلب در روغن زیتون فرابکر با روغن سویا انجام شده بود،تأیید کرد. نتایج نشان داد که روش اسپکتروفتومتری در صنایع غذایی بسیار امیدوارکننده است و می تواند سایر روشهای تحلیلی را که در حال حاضر برای شناسایی تقلبات در روغن استفاده می شود، پشتیبانی کند.

یکی از مهمترین نگرانیهای مربوط به تقلب در مواد غذایی خطر احتمالی برای سلامتی مصرف کننده یا سود اقتصادی است. روغن زیتون دارای ارزش غذایی بالا و ویژگی های حسی خوشایند و همچنین دارای ارزش تجاری بالاتری نسبت به روغن های معمولی است، بنابراین، در روغن زیتون با افزودن روغن های گیاهی با کیفیت پایین دائماً تقلب صورت میگیرد.

قهوه به دلیل ویژگی های ذاتی، خاصیت محرک و برخی فواید سلامتی، یکی از نوشیدنی های پرمصرف در جهان است. انواع قهوه ها نسبتاً زیاد است، به همین دلیل، دستورالعمل های برای جلوگیری از تقلبات در قهوه تعیین کرده است. در این زمینه، مطالعه ای برای شناسایی تقلب در عصاره های قهوه از طیف سنجی UV-Vis همراه با تجزیه و تحلیل توصیفی خطی استفاده کرد. به گفته محققان، این روش مزایایی را نسبت به سایر روش های معمول برای این نوع تجزیه و تحلیل ارائه می دهد، زیرا تجزیه و تحلیل ساده و سریع درمورد عصاره قهوه از این روش حاصل میشود. همه موارد گفته شده از کاربرد دستگاه اسپکتروفتومتر در صنایع غذایی است.

طیف سنجی مرئی-فرابنفش چیست؟

طیف‌سنجی مرئی-فرابنفش یا همان اسپکتروسکوپی جذبی UV-Visible از رایج ترین دستگاه اسپکتروفتومتر درمراکز تشخیصی و آزمایشگاهی است. در این نوع طیف سنجی، هدف اندازه‌گیری غلظت آنالیت مورد نظر در نمونه می‌باشد. برای مثال هدف اندازه گیری میزان لیکوپن در یک نمونه گوجه فرنگی است که در اینجا آنالیت مورد نظر لیکوپن و نمونه، گوجه‌فرنگی می‌باشد.

اساس کار در این طیف سنجی، اندازه‌گیری میزان نور جذب شده از پرتو نور عبوری از نمونه است. روش طیف‌سنجی مرئی-فرابنفش، در مورد حضور گروه‌های عاملی اشباع نشده اطلاعات مفیدی می‌دهد. همچنین اطلاعات حاصل از آن در کنار روش مادون قرمز(IR) می تواند به شناسایی بهتر ترکیبات کمک کند. اسپکتروسکوپی UV-Visible برای تعیین غلظت، به‌خصوص به‌عنوان آشکارساز در کروماتوگرافی نیز کاربرد دارد.

 

قانون بیر-لامبرت چیست؟

در  روش طیف ‌سنجی مرئی-فرابنفش با استفاده از قانون بیر-لامبرت(Beer & Lambert) می توان غلظت نمونه مورد آنالیز را اندازه گیری نمود.
طبق قانون بیر _ لامبرت، شدت نور عبوری ار محیط نمونه جاذب نور با عمق و غلظت نمونه رابطه عکس دارد. بنابراین :

• برای یک محیط جاذب نور، شدت نور فرودی با افزایش عمق نمونه کاهش می‌یابد.
• برای یک محیط جاذب نور، شدت نور به‌صورت نمایی با افزایش غلظت نمونه کاهش می‌یابد.

قانون بیر بیان می کند هنگامی که نور تک رنگی(تک‌فام) از داخل محلول عبورنماید، میزان نور جذب شده متناسب با غلظت مولکول هایی است که در مسیر اشعه نورانی قرار گرفته و نور را جذب می کنند. طبق قانون لامبرت، تحت شرایط مساوی شدت نور خارج شده با افزایش طول
مسیری که نور از محلول عبور می کند کاهش می یابد. بنابراین براساس قوانین بیر و لامبرت رابطه بین غلظت محلول و نور جذب‌شده به‌صورت خطی است و معمولا در محدوده ای که جذب با غلظت رابطه خطی دارد تعیین غلظت مواد انجام می شود.

 

دوره آموزشی متخصص آزمایشگاه مواد غذایی 

مجموعه علم فود به عنوان همکار آموزشی سازمان غذا و دارو، 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 فیبر خام 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 گواهی مورد تایید غذا و دارو با مجموعا 20 امتیاز).

فرضیات قانون بیر

زمانی قانون بیر صادق خوهد بود که فرضیات زیر صحت داشته باشد:

• تابش نور تکفام است
• هر مولکول یا اتم به‌طور مجزا و مستقل نور را جذب می کنند
• تابش فرودی به‌صورت اشعه‌های موازی و عمود برسطح محیط جاذب می‌تابد.
• مسیر پیموده شده درون محلول نمونه یکنواخت است
• محیط جاذب هموژن است و نور را پراکنده نمی‌کند
• پرتو نور فرودی به‌اندازه کافی بزرگ نیست که منجر به اثرات اشباع شود

 

انحرافات از قانون بیر

در صورتی‌که انحرافات زیر اتقاق بیفتد دیگر نمی‌توان بر اساس این قانون در روش طیف سنجی مرئی-فرابنفش، غلظت آنالیت موردنظر را اندازه‌گیری کرد. عوامل انحراف از قانون بیر و لامبرت شامل انحرافات فیزیکی،انحرافات دستگاهی و انحرافات شیمیایی می باشد.

انحرافات فیزیکی :

• محدودیت در غلظت ماده جاذب (قانون بیر در غلظتهای پایین صادق است)
• در صورت تغییر ضریب شکست محلول و ثابت نبودن آن قانون بیر صادق نخواهد بود.

انحرافات دستگاهی :

• دستگاه اسکتروفتومتر دارای رزولوشن مشخص نباشد
• نسبت سیگنال به نویز غیرقابل قبول داشته باشد
• دارای مقدار زیادی نویز و پرتوهای سرگردان باشد
• تک‌فام نبودن نور عبوری از سل‌های نمونه
• آلوده بودن سل‌ها

انحرافات شیمیایی :

• وجود برهمکنش‌های مولکولی با یکدیگر و با حلال
• تجمع مولکول‌ها و ایجاد پیوندهای هیدروژنی
• انجام واکنش درون محلول نمونه که باعث تولید محصول جدید و ایجاد رسوب می‌گردد

روش کار در اندازه‌گیری جذبی براساس منحنی‌های کالیبراسیون

در اندازه‌گیری‌های جذبی، 2روش برای کالیبراسیون داریم:

• روش کالیبراسیون با استاندارد خارجی :
  بیشتر اوقات زمانی‌که ماتریکس نمونه موردنظر ساده باشد از این روش استفاده می‌کنیم.
• روش افزایش استاندارد :
  • زمانی که ماتریکس نمونه پیچیده باشد  و یا غلظت نمونه افزایش یابد و نتوانیم محلول نمونه را به‌‌طور دقیق بسازیم، از این روش استفاده می‌کنیم.
  • در این روش برای ‌مثال 5 بشر برمی‌داریم و در هرکدام به‌اندازه 5میلی لیتر از نمونه‌ای که میخواهیم اندازه‌گیری کنیم را اضافه می‌نماییم.
  • به اولین بشر حاوی نمونه محلول استاندارد اضافه نمی‌کنیم.
  • به بشر دوم برای مثال 5میلی لیتر هم محلول استاندارد اضافه می‌کنیم و این مقدار را به‌ترتیب در بشرهای بعدی بیشتر می‌نماییم یعنی در بشر سوم این مقدار را می‌توانیم به 10میلی‌لیتر، بشر چهارم به 15میلی‌لیتر و در بشر پنجم به 20میلی‌لیتر برسانیم.
  •   سپس به‌وسیله بالن‌های حجمی، بشرها را به حجم می‌رسانیم.
  • سپس جذب آنها را به وسیله دستگاه اسپکترومتر می خوانیم. اگر نمودار حاصل از جذب را در روش افزایش استاندارد، برون‌یابی نماییم، به عددی می‌رسم که در واقع غلظت ماده مجهول است.

اما دلیل اینکه با افزایش غلظت و پیچیده شدن ماتریکس نمونه از روش افزایش استاندارد استفاده می‌کنیم، این است که با این روش انحرافات از قانون بیر اصلاح میگردد.

 

انواع دستگاه‌های طیف‌سنجی مرئی-فرابنفش

• دستگاه تک‌پرتویی :

در این مدل یک منبع نور داریم مثل لامپ‌های معمولی. همچنین قطعه‌ای به نام  مونوکروماتور  در این نوع دستگاه وجود دارد که یکی از طول موج‌ها را انتخاب می‌کند و نور با طول موج انتخابی از سل نمونه که در مسیر منبع نور قرار دارد عبور کرده و به آشکار ساز می‌رسد. به‌وسیله آشکار ساز، شدت جذب را قرائت می‌کنیم.

• دستگاه دوپرتویی:

این نوع دستگاه، نور مونوکروماتور را به دو پرتو با استفاده از آینه ها مانند یک آینه چرخشی و یک آینه نیمه شفاف تقسیم می کند تا دوپرتو، پرتو نمونه و پرتو شاهد را ایجاد کند. یکی از تفاوت‌های دستگاه تک پرتویی و دو پرتویی در این است که در مدل تک پرتویی، یک بار سل شاهد(مرجع) را در دستگاه قرار داده وسپس سل نمونه را قرار می دهیم و شدت جذب را می‌خوانیم.

به دلیل وجود یک فاصله زمانی بین خواندن شدت جذب سل شاهد و نمونه ممکن است در این فاصله نوسانات دستگاهی و یا نویز وجود داشته باشد که باعث می‌شود زمانی‌که می‌خواهی اصلاح نماییم، تفاوت بین نمونه و مرجع مشخص نباشد چون نوسانات دستگاهی باعث ایجاد خطا میگردد.

اما در سیستم دو پرتویی اگر نوسان یا نویز وجود داشته باشد همزمان روی سل مرجع و نمونه اعمال می‌گردد. این به‌ما کمک می‌کند که در لحظه بتوانیم تغییرات را اندازه‌گیری کنیم. البته توجه به این نکته ضروری است که در این حالت باید سل نمونه و مرجع از یک جنس، یک برند و دارای وضعیتی مشابه باشند. به‌همین دلیل معمولا سل‌ها در سسیتم دوپرتویی به‌صورت جفت خریداری می‌گردند تا از ایجاد خطا جلوگیری شود.

 

اجزای دستگاه اسپکتروسکوپی UV-Visible

   1.منابع تابش :

در طیف سنجی مرئی-ماوراءبنفش معمولا دو منبع نور داریم :  تولید کننده نور مرئی _ تولیدکننده نور ماوراءبنفش

• تولیدکننده نور مرئی :

  • لامپ تنگستن : نوعی فیلامنت است که وقتی حرارت ببیند، طول موج‌هایی را از خودش ایجاد می کند که در محدوده طول موج 350 -2500 نانومتر می‌باشد.

• • لامپ دوتریم و  هیدروژن : یک فیلامنت درون یک محفظه است که در آن گاز تولید می‌شود. با تولید گاز، یک جرقه الکتریکی ایجاد شده که باعث برانگیخته شدن دوتریم یا هیدروژن می‌گردد و در اثر این، تابش ایجاد می‌گردد. طول موج تولید شده بین 160 تا 380نانومتر می‌باشد.
    برای اکثر دستگاه‌های مرئی-فرابنفش، لامپ دوتریم برای ایجاد تابش و طول موج وجود دارد.

2. محفظه نمونه(Cell)

این قسمت برای نگهداری نمونه مورد آزمایش است، مدل های مختلفی در شكل و حجم های متفاوت برای انواع اسپکتروفتومترها و به نام هایکووت، میکروسل، میکروپلیت، لوله آزمایش و غیره موجود است. دراسپکتروفتومترهای مرئی-فرابنفش، محفظه نگهدارنده نمونه، کووت
به شکل مکعب مستطیل است.
کووت باید نور تابشی را جذب نکند.کووت های شیشه ای در محدودة ٣۴٠ نانومتر تا ١٠٠٠ نانومتر برای امواج مرئی استفاده می شوند و نوع دیگر کووت که از جنس سیلیکا یا کوارتز ساخته شده اند در محدودة نور مرئی ٢٢٠ نانومتر تا ٣۴٠ نانومتر قابل استفاده هستند و برای ناحیه فرابنفش کاربرد دارند.

در اینجا باید دقت کرد که در ناحیه مرئی می‌توانیم از سل‌هایی از جنس پلاستیکی، بورسلیکات و کوارتز استفاده کنیم اما در ناحیه فرابنفش تنها می‌تواینم از سل‌هایی با جنس کوارتز استفاده کنیم. دلیل اینکه در ناحیه فرابنفش نمی توانیم از سل‌های پلاستیکی یا شیشه‌ای استفاده کنیم این است که شیشه و پلاستیک در ناحیه UV طول موج‌های دیگر را نیز که در فضا وجود دارند و بالاتر از طول موج فرابنفش می باشد را جذب می‌کنند و این باعث می‌شود که به دلیل وجود سیگنال‌های مزاحم، سیگنال واقعی مربوط به نمونه مشاهده نشود.

 3. مونوکروماتور(تک‌فام‌ساز)

نقش مونوکروماتور دستگاه اسپکتروفتومتر جداسازی طول موج مورد نظر و خارج کردن موج های ناخواسته می باشد و باعث ایجاد نور تک رنگ می گردد.
انواع مونوکروماتور شامل :

• منشور: وقتی نور سفیدی به یک ضلع آن تابیده شود ازضلع دیگر تمام طیف‌های رنگی ازهم جدا می‌شود. در واقع منشور، نورتابیده شده را به طول موجهای مختلف تفکیک میکند که بعد می توانیم به کمک فیلتر، طول موج موردنظر را جداسازی کنیم.

 

 

• فیلتر: این مدل، وقتی مجموعه ای از طول‌موج‌ها به آن تابیده می‌شود، یکی از آنها را جذب کرده و بقیه را عبور می‌دهد یا همه را جذب کرده و یکی را عبور می‌دهد.

• شبکه یا Grating : یکی از پیچیده‌ترین و کارآمدترین تک‌فام ساز می‌باشد که طول موج های مختلف را حتی با دقت 0.1 نانومتر می‌تواند از هم تفکیک کند.

 

4. آشکارساز(detector)

آشکارسازها برای اندازگیری شدت امواج به کار می روند، دارای خواص فتوالکتریک بوده که انرژی نورانی را به الکتریکی تبدیل می کنند.
سه نوع آشکارساز در طیف سنجی مرئی-فرابنفش کاربرد دارد :

• فتو ولتایی(Photovoltaic)

در این آشکارساز تابش فوتون به سطح نیمه هادی باعث خروج الكترون ها شده و الكترون ها توسط یك الکترود نقره جمع شده و پتانسیل تولید می نمایند.

• فتو لوله(Tube Photo)

در فتو لوله ها جریان الكترون ها در اثر برخورد فوتون به وجود می آید. لوله خلاء است كه دارای یك فتوكاتد پوشیده شده از Cs میباشد. فوتون های پرانرژی به كاتد ضربه می زنند و سبب نشر الكترون می شوند الکترون ها به سمت آند رانده می شوند و بدین ترتیب جریان الکتریکی به‌وجود می‌آید.

•  فتومالتی پلایر یا چند لایه ساز نوری (Photo multiplier)

برخورد نور به کاتد سبب تولید الکترون می‌شود. الکترون به سمت الکترودها که نسبت به‌هم 90 ولت مثبت‌تر هستند، کشیده شده و در هر برخورد هر الکترون چندین الکترون تولید می‌کند.

 

 4.صفحه نمایشگر(device display)

اسپکتروفتومترها می توانند خروجی خود را به صورت های مختلف نمایش دهند اما متداول تر است که آن را به کامپیوتر وصل کرده و
برای آنالیز داده ها از نرم افزار استفاده کنند و آن را به صورت نموداری از مقدار عبور یا مقدار جذب برحسب طول موج نمایش می دهند.

 

مزایای روش طیف سنجی مرئی-فرابنفش

• کاربرد وسیع
• حساسیت بالا
• گزینش پذیری متوسط تا بالا
• صحت خوب
• راحت و آسان
• استفاده برای ترکیبات جاذب نور
• استفاده برای ترکیبات غیرجاذب نور
• حتی می توان برای محصولاتی که خودشان هم جذب ندارند استفاده کرد( به این صورت که می توانیم با انجام واکنش، محصولاتی از این مواد تولید کنیم که جاذب نور باشند و در واقع به طور غیرمستقیم جذب نور را اندازه بگیریم)

 

نتیجه گیری

اسپکتروفتومتری در صنایع غذایی یک روش بسیار مفید برای مطالعات کیفی و کمی مربوط به توصیف ترکیبات آلی و غیر آلی در ماتریس های غذایی است. در این زمینه، جامعه علمی از این روش در چندین زمینه تحقیقاتی در بخش علوم و فناوری غذایی استفاده کرده است. کاربرد دستگاه اسپکتروفتومتر در صنایع غذایی بسیار مهم است، زیرا این امر هم از نظر اقتصادی و هم از نظر بهداشت عمومی دارای اهمیت است، زیرا امکان تأیید کیفیت محصولات مختلفی را که به طور گسترده در سراسر جهان تجاری و مصرف می شوند را در زمان کوتاهی فراهم می کند.

دوره بدو استخدام مسئولین فنی صنایع غذایی

در دوره بدو استخدام مسئولین صنایع غذایی که در سایت علم فود به صورت ویدیویی و در بستر اپلیکشین ارائه شده است تمامی مباحث مهمی که مسئولین صنایع غذایی در بدو ورود به واحد تولیدی باید بدانند آموزش داده شده است. بعد از گذراندن دوره گواهی مورد تایید سازمان غذا و دارو با ۵ امتیاز ارائه میشود. برای آشنایی با دوره بر روی عکس زیر کلیک کنید:

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:

The Importance of UV-Vis Spectroscopy: Application in Food Products Characterization

علم فود