رمز خود را فراموش کرده اید ؟

اثر نمونه برداری دینامیک در آنالیز طیف سنجی مواد غذایی

  توصیف کاربرد  

·         کلید واژه ها: طیف سنجی فروسرخ، غلات، نمونه برداری

·         تکنیک مورد استفاده:

o        طیف سنجی فروسرخ

·         حوزه کاربردی:  

o        صنایع مواد غذایی

 

o        آزمایشگاه های کنترل کیفیت

شرح کاربرد

 طیف سنجی بازتابی NIR یک روش قابل اعتماد برای اندازه گیری کیفیت مواد غذایی است. مصرف کنندگان مواد غذایی همواره کیفیت و سازگاری  مواد غذایی را خواستار هستند. در صنایع مواد غذایی، پارامترهایی نظارتی نظیر رطوبت، پروتئین و چربی و نیز معیارهایی همچون میزان رسیدگی میوه، بخش مهمی از کنترل کیفیت در سراسر زنجیره تولید و عرضه مواد غذایی است. اندازه گیری با طیف سنجی NIR می تواند هدررفت این مواد، در پروسه تولید و عرضه را کاهش دهد و هماهنگی بین بخش های متفاوت در کنترل کیفی را بهبود بخشد و در نهایت به ارائه محصولاتی با کیفیت به دست حلقه نهایی که مشتریان هستند، منجر شود. در این پژوهش، ما بررسی اثر نمونه گیری دینامیک برای بهبود تکرارپذیری اندازه گیری های بازتابی در ناحیه طیفی NIR ذرت را بدون افزایش زمان کل یا فراوانی اندازه گیری ها انجام می دهیم.

مزیت کلیدی طیف سنجی NIR برای صنایع غذایی این است که به  آماده سازی نمونه نیازی ندارد. با طیف سنجی بازتابی NIR، میتوان اندازه گیری هایی سریع (همراه با بازده بالا)، غیر مخرب و بدون تماس با نمونه را به  انجام رساند. این به خصوص در مواردی که سیستم ها باید در مزرعه یا کارخانه مستقر شوند، بسیار ارزشمند است. سیستم طیف سنجی NIR مدرن، به خوبی از پس چنین کاربردهایی برمی آید، زیرا این سیستم ها با بهره گیری از آشکارسازهای آرایه ای، تمام طول موج ها را به طور همزمان اندازه گیری می کنند و هیچ بخش متحرکی ندارند، و به همین دلیل بسیار سیستم یکپارچه و محکمی را جهت تست های میدانی و در شرایط دشوار دارند.

اما طیف سنجی NIR نیز دارای چالش های خاص خودش نیز هست. به طور خاص، فرآیند نمونه گیری بخش مهمی از روش تست در این نوع طیف سنجی است. نمونه گیری دینامیکی یک تکنیک است که در آن حرکت چرخشی یا خطی به عنوان راهی برای حذف واریانس از نتایج دراین نوع از نمونه گیری  مورد استفاده قرار می گیرد. این روش یک روش ساده اما قدرتمند برای بهبود تکرارپذیری و دقت اندازه گیری در طیف سنجی بازتابی در ناحیه فروسرخ نزدیک است. این نوع از نمونه گیری همچنین برای ساخت مدل های کالیبراسیون NIR بسیار مفید است و کاربرد سیستم های NIR در تست های میدانی و شرایط دشوار را تا حد زیادی بهبود خواهد بخشید.

در طیف سنجی بازتابی، سیگنال NIR اندازه گیری شده به بسیاری از متغیرها، ازجمله متغیرهایی که ممکن است  در اندازه گیری مستقیم حضور نداشت باشند، وابسته است. به عنوان مثال طول مسیر بین ادوات اپتیکی نمونه برداری و خود نمونه، دمای محل اندازه گیری ( دما بر طیف آب نمونه تاثیر می گذارد)، شکل هندسی نمونه و همگنی نمونه در هر دو مقیاس بزرگ و میکرو، همگی از پارامترهای هستند که تاثیر قابل توجهی در خروجی طیف سنجی دارند .

آنالیز طیف سنجی مواد غذایی
شکل 1: نمونه ی ذرت تحت تابش فروسرخ

 

در شکل 1  نمونه ای از ذرت ها در یک ظرف نمونه گیری چرخشی را نشان می دهد. اگر چالش این باشد که یک اندازه گیری واقعی از نمونه ( یعنی اندازه گیری ای که ماهیت واقعی نمونه را نشان می دهد) به دست بیاید، آنگاه با چالش های زیر مواجه خواهیم شد. اولا، مرتب سازی دانه های ذرت به شکلی که همه آن ها فاصله ی ثابتی را  تا سیستم  اندازه  گیری داشته  باشند، غیرممکن است.  چراکه دانه ها دارای اندازه و ابعاد و جهت گیری های متفاوتی هستند. این به این معنی است که نور پراکنده شده باید با شدت و جهت های متفاوت جمع آوری شود، که این عملیاتی نخواهد بود.

همچنین در داخل هر دانه تنوع قابل توجهی در میزان غلظت چربی ها، پروتئین ها و کربوهیدرات ها وجود دارد. این تغییرات می تواند موجب خطایی قابل ملاحظه در اندازه گیری شود. مگر اینکه دقیقاً از همان قسمت مربوطه در هر اندازه گیری نمونه برداری شود (شکل 2).

آنالیز طیف سنجی مواد غذایی
شکل 2: ساختار مواد تشکیل دهنده دانه ذرت

 

در شکل۲ در سمت چپ، یک نمونه از دانه ذرت، نموداری از آرایش بسیار ناهمگن مواد را نمایش می دهد. این شماتیک توزیع اجزای موجود در هسته ذرت را نشان می دهد. این نشان دهنده واریانس غلظت های مورد انتظار در هنگام نمونه برداری از قسمت های مختلف ذرت است

با آهسته چرخاندن نمونه ها در زیر اپتیک نمونه برداری، (که یک روش ساده و بسیار عملی است)، ما می توانیم مقدار زیادی از واریانس را کاهش دهیم و اندازه گیری هایی قابل اطمینان و تکرار پذیر را به میزان قابل توجهی انجام دهیم. این نتایج در شکل 3 و ۴ مقایسه ای را که بین اندازه گیری های انجام شده در هفت نقطه مختلف از دانه های ذرت و  7 بار اندازه گیری با استفاده از ظرف نمونه گیری چرخان نشان  می دهد. در هر دو مورد، زمان کل اندازه گیری یکسان نگه داشته شده اند، و هر نتیجه ناشی از میانگین 50 اسکن در زمان  50 میلی ثانیه ( در مجموع 2.5 ثانیه) است.

شکل 3 : بدون استفاده از روش دینامیک
آنالیز طیف سنجی مواد غذایی
شکل 4: همراه با نمونه گیری دینامیک

 

همانطور که نمودار شکل 3 نشان می دهد، تغییرات قابل توجهی از یک اندازه گیری به اندازه گیری دیگر وجود دارد. مهمترین تفاوت در "دامنه" سیگنال است،که به نظر می رسد در هر اندازه گیری شکل طیف یکسان است  اما دامنه طیف ها متفاوت هستند. این اثر با توجه به تنوع در طول مسیر نمونه گیری، پراکندگی و جهت انعکاس بوجود می آید. یک بررسی دقیق تر می تواند تفاوت های سیگنال ها و شیب هر طیف را بررسی کند. و تغییرات در اجزای جذب کننده و تشکیل دهنده مانند چربی، پروتئین و رطوبت را در هر نمونه معین کند.

نمودار شکل۴ یک طیف ذرت را با استفاده از نمونه گیری دینامیکی نشان می دهد. تغییرات بسیار کمتر در خروجی دیده می شود، زیرا چرخش نمونه اجازه می دهد تا تغییرات در محل نمونه گیری به طور قابل اعتمادی معیاری از میانگین گیری در سیگنال باشد. در اینجا، نمونه گیری دینامیکی تا حد زیادی تکرارپذیری نتایج را بدون افزایش زمان اندازه گیری یا تعداد نمونه ها، تضمین می نماید.

 

این دو شکل، اندازه گیری های بازتابی از نمونه ی ذرت را نشان می دهند. تفاوت بین اندازه گیری های میانگین نقطه به نقطه از نمونه (شکل ۳) و نمونه گیری دینامیک (شکل ۴، چرخش ظرف نمونه گیری)

 نمونه گیری دینامیک به عنوان یک تکنیک تکمیلی

نکته نهایی در مورد نمونه گیری دینامیک این است که این روش یک جایگزین برای پیش پردازش روی داده ها نیست، بلکه یک روش مکمل برای گرفتن نتایج بهتر است. پیش پردازش ها روی داده های خروجی، اثر واریانس و دیگر متغیرهای پیچیده و تصادفی مربوط را از سیستم حذف می کند و فقط تغییرات در طیف ها را که از غلظت متفاوت نمونه ها و تغییرات سایر پارامترهاحاصل شده است را نتیجه می دهد - یعنی آن پارامترهایی که بیشترین اثر را در نتایج مورد نظر ما دارند.

 

شکل 5

 

شکل ۵ داده های پیش پردازش شده بدست آمده از شکل 3 را با استفاده از روش واریانس استاندارد نرمال (SNV)  و الگوریتم های متوسط گیری را مقایسه می کند. در نمودار در شکل۵، به شکل واضحی  تغییرات در قله های 1000-1300 نانومتر نشان داده شده است. که برخی از این تغییرات ناشی از میزان پروتئین و چربی موجود در نمونه ها می باشد، در حالی که تفاوت ها در طول موج 1450 نانومتر مربوط به تغییر رطوبت نمونه ها است.

 در نمودار در شکل۶، مشاهده می کنیم که نتایج حاصل از نمونه گیری کاملاً همسان هستند، و می توانیم تأثیر استفاده از نمونه گیری دینامیکی را برای بدست آوردن یک طیف نمونه ی قابل اعتماد و دقیق  بیشتر ببینیم. با چرخش نمونه ها و انجام عمل طیف گیری، ما قادر به ثبت یک اندازه گیری قابل اعتماد و  تکرارپذیر از کل نمونه های ذرت هستیم، که چالش تفاوت طیف ها از یک نمونه به نمونه دیگری را برای ما حل خواهد کرد.

شکل۶

استفاده از واریانس استاندارد نرمال (SNV) و الگوریتم های پیش پردازشی برای طیف های  NIR از دانه های ذرت، تفاوت های بین نمونه گیری استاندارد از 7 نقطه تک (در سمت چپ) و نمونه گیری دینامیک (چرخش نمونه ها) از نمونه های مشابه ذرت را مشاهده می کنیم.

 

شرکت تکسان به عنوان تولید کننده داخلی تجهیزات طیف سنجی پیشرو در استفاده و ترویج روش های طیف سنجی در کاربرد های روز دنیا جهت کیفیت سنجی محصولات کشاورزی و مواد غذایی استما با استفاده از تکنیک های UV-Vis، NIR و رامان سیستم هایی را برای شناسایی مواد و آلاینده ها، نظارت بر کیفیت و کنترل فرآیند و برنامه های تأیید اصالت و ضد جعل و تقلب، تولید می کنیماگر در زمینه کاری خود نیاز به طیف سنجی های نوری دارد با  ما در تماس باشید. 

 

 

بالا