بررسی کاربرد طیف سنج در ارزیابی کیفیت مواد غذایی

آنالیز محصولات مواد غذایی چه اهمیتی دارد؟

غذا یک سیستم پیچیده است که به طور عمده از آب، چربی، پروتئین ها و کربوهیدرات ها تشکیل شده است. ویژگی های عملکردی این مؤلفه ها توسط ساختار مولکولی آن ها و برهمکنش های درون و بین مولکولی تعیین می شود. ظاهر، رنگ، طعم و بافت، جنبه های مهم کیفیت مواد غذایی هستند که متأثر از عوامل شیمیایی، بیولوژیکی و میکروبی است. به عنوان مثال، تاریخ انقضای مواد غذایی به واکنش های شیمیایی و آنزیمی غیر قابل بازگشت مرتبط است.

در دو دهه گذشته علاقه عمومی به انتخاب محصول با کیفیت افزایش یافته که علت آن مربوط به تغییر در عادات غذایی، رفتار مصرف کننده، افزایش رقابت و صنعتی شدن زنجیره های تأمین کننده مواد غذایی است. بدیهی است که کیفیت بالا و ایمنی در تولید مواد غذایی، نیاز به استانداردهای بالا برای کنترل کیفیت و فرایند دارد و این موضوع نیازمند ابزارهای تحلیلی مناسب برای آنالیز مواد غذایی است. در صنایع تولیدی مواد غذایی، بررسی مواد به صورت رندوم و روی خط تولید اهمیت بسیاری دارد. به همین دلیل دستگاه های آنالیزی که در این حوزه بیشتر طرفدار دارند، عموماً قابل حمل و اصطلاحاً کاربرپسند هستند. برای مثال می توان به طیف سنج رامان پرتابل اشاره کرده که کاربردهای بسیار زیادی در این بخش از صنعت دارد.

شکل ۱- آنالیز مواد غذایی در سلامت جامعه از اهمیت بالایی برخوردار است.

کاربرد طیف سنجی در تجزیه و تحلیل مواد غذایی

امروزه نگرانی های زیادی در مورد کیفیت محصولات غذایی در بازار فعلی وجود دارد، زیرا تخطی از حدود تعیین شده در تولید و فراوری مواد غذایی می تواند منجر به خسارات جانی و مالی فراوانی شود. کارشناسان آزمایشگاه های صنایع غذایی روش های مختلفی را برای شناسایی استفاده می نمایند که در کنوانسیون دارویی مواد شیمیایی مواد غذایی Codex مورد پذیرش است. تکنیک های طیف سنجی شاخه ای از این روش ها هستند. روش های طیف سنجی به نمونه آسیب نزده و بقایای سمی تولید نمی کنند. از طرفی سریع بودن و تکرارپذیری نیز عوامل مهمی در محبوبیت روش شناسایی هستند که طیف سنجی دارا است.

کلیه تکنیک های تحلیلی که برای جمع آوری اطلاعات فیزیکی و شیمیایی ماده به وسیله جذب، انتقال یا بازتابِ انرژی تابشی استفاده می شود، اسپکتروفتومتری نامیده می شود. طیف سنجی مرئی-فرابنفش یکی از این روش هاست که به دلیل در دسترس بودن، سادگی، انعطاف پذیری و گستردگی کاربرد به عنوان یکی از تکنیک های پرکاربرد برای آنالیز مواد غذایی شناخته شده است. از جمله این کاربردها می توان به تشخیص جعل، شناسایی مبدأ، شناسایی تنوع نوشیدنی ها و روغن ها و … اشاره نمود.

از جمله موارد بسیار پرکاربرد طیف سنجی در صنایع غذایی، تعیین رنگ‌هاست. اسپکتروفتومترها با قرار دادن یک نمونه در داخل دستگاه کار می کنند. نور  منعکس شده از نمونه به اجزای مختلف آن تجزیه و در طیف قابل مشاهده خواهد بود. داده های به دست آمده به راحتی تجزیه و تحلیل می شوند تا اندازه گیری کمّی از رنگ  نمونه انجام شود. این امر در صنایع غذایی بسیار حائز اهمیت است زیرا مواد غذایی دارای رنگ های خاصی هستند که برای مصرف آن ها می بایست پروتکل های ویژه ای رعایت شود.

شکل ۲- رنگ‌سنجی از روش‌های آنالیز مواد غذایی است.

چگونه طیف سنج رامان سلامت مواد غذایی را آنالیز می کند؟

طیف سنجی رامان قادر است اطلاعات ساختاری مولکول های مواد غذایی را -که مانند اثر انگشت منحصر به فرد  است- در مدت زمان بسیار کمی استخراج نماید. طیف سنجی میکرو رامان روشی تأیید شده برای تشخیص آلودگی های شیمیایی و باکتریایی در مواد غذایی است. روش کار به این شکل است که ابتدا طیف رامان ماده اصیل و سالم و طیف ماده غذایی آلوده به باکتری یا ویروس مورد نظر گرفته و در دیتابیس (کتابخانه طیفی) نرم افزار ذخیره سازی می شود. سپس طیف ماده غذایی که قرار است آزمایش شود گرفته و با طیف های موجود در کتابخانه مقایسه می شود. قله هایی را که وجود باکتری یا آلودگی، ایجاد، کم و زیاد و یا حذف می کند مشخص است. طیف سنجی رامان روشی با دقت بسیار بالا در این حوزه است و امروزه مورد استقبال آزمایشگاه های سازمان های مرتبط با غذا است.

شکل ۳- طیف‌سنجی رامان از روش‌های آنالیز مورد استفاده سازمان حلال است.

تشخیص میزان رسیدگی میوه‌ها با استفاده از طیف‌سنجی

طی دو دهه اخیر با توسعه سریع اقتصاد و بهبود سطح زندگی، سرانه مصرف میوه به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. یکی از مسائل مهم در انتخاب مصرف کنندگان، میزان رسیده بودن میوه ها است؛ به این صورت که نه باید کال و نه له شده باشند. رویکردهای سنتی برای جداسازی میوه ها خطای بالا دارند و وقت گیر هستند. تکنیک های طیف سنجی برای این کار مناسب هستند چرا که اصولاً غیر تخریبی هستند و آسیبی به سطح میوه وارد نمی کنند. از طرفی سرعت در این روش ها بسیار بالا و میزان خطا پایین است.

برای تشخیص میزان رسیدگی میوه ها با استفاده از طیف سنجی Vis-NIR می بایست نرم افزار دستگاه مطابق هر گونه گیاهی خاص کالیبره شود و تبعیض میوه ها را بر اساس میزان مواد جامد محلول (SSC)، اسیدیته، ویتامین C، پلی فنول ها و رنگدانه ها انجام دهد.

شکل ۴- تعیین میزان رسیدگی میوه‌ها و سبزیجات با طیف‌سنجی

روش های تشخیص تقلب در مواد غذایی

به طور کلی تقلب در صنایع مرتبط با غذا از طرق زیر شکل می گیرد:

تعویض یک محصول با چیزی با ویژگی و کیفیت متفاوت: مانند استفاده از گوشت اسب به جای گوشت گاو مخلوط کردن سایر مواد یا عناصر و عدم اعلام آن ها روی برچسب محصول: مانند اضافه کردن شکر به عسل یا روغن آفتابگردان به روغن زیتون، اضافه کردن پرکننده به ادویه جات یا اضافه کردن آب سیب به آب انار ادعای تقلبی در مورد محصول: مانند زدن برچسب سیب ارگانیک به سیب معمولی ادعای دروغین در مورد مواد اضافه شده به محصول: مانند “این محصول عاری از مواد نگهدارنده یا عاری از سدیم است” برای تشخیص هر کدام از این تقلب ها در استانداردهای جهانی روش های ارزیابی مخصوصی تدوین شده است. روش های متداول، اندازه گیری حسی، PCR، سنجش آنزیم، روش های مبتنی بر DNA، روش های شیمیایی، کروماتوگرافی (HPLC و GC) و طیف سنجی هستند.

شکل ۵- طیف‌سنجی یکی از راه‌های تشخیص تقلب در حوزه مواد غذایی است.

کنترل کیفیت روغن زیتون با طیف سنجی

روغن زیتون به دلیل داشتن محتوای بالای اسیدهای چرب غیر اشباع، ویتامین E و آنتی اکسیدان ها به عنوان روغن سالم شناخته می شود. در بین روغن های زیتون، روغن زیتون با فراوری سرد (بکر)، بالاترین کیفیت را دارد. روغن های زیتون با کیفیت پایین تر حاوی dien و trien هستند که در نتیجه فرایند تخریب اکسیداتیو در روغن تشکیل می شوند. این مواد نور ماوراءبنفش را در طول موج های بین ۲۰۰ تا ۳۰۰ نانومتر جذب می کنند و موادی مانند اسیدهای چرب غیر اشباع که در روغن های بکر وجود دارند، در این ناحیه جذب نور ندارند. این یعنی اسپکترومتری فرابنفش روشی مناسب برای تشخیص کیفیت و اصالت روغن زیتون است. بسیاری از روش های تحلیلی برای تشخیص کیفیت روغن زیتون مانند طیف سنجی جرمی، کروماتوگرافی گازی، آنالیز شیمیایی و … ابزار مناسبی برای این کار نیستند، چرا که فرایندهای زمانبری دارند.

شکل ۶- تمییز روغن اصل و تقلبی با اسپکترومتری

تجزیه و تحلیل محصولات شیر ​​و لبنیات با طیف سنجی

سه فاکتور مهم در تعیین کیفیت محصولات لبنی، میزان چربی، کربوهیدرات و پروتئین است. شیر تقریباً حاوی ۳.۴ درصد وزنی چربی است. چربی شیر پیچیده ترین ترکیب اسیدچرب را در بین چربی های خوراکی دارد. تاکنون بیش از ۴۰۰ اسید چرب در چربی شیر شناسایی شده که ممکن است اشباع یا غیر اشباع باشد. با توجه به اهمیت چربی شیر روش های مختلفی برای تعیین محتوای آن در محصولات لبنی معرفی شده است.

میزان پروتئین و کربوهیدرات محصولات لبنی نیز به نژاد، تغذیه و شرایط آب و هوایی محل زندگی دام وابسته و از عوامل مهم تعیین قیمت و کیفیت شیر و محصولات لبنی زیرمجموعه آن هستند. با توجه به اینکه طیف سنجی میکرو رامان قادر است چربی، پروتئین و کربوهیدرات موجود در شیر را غلظت سنجی نماید، وجود میکروسکوپ رامان در کارخانه های تولید محصولات لبنی می تواند به تعیین کیفیت و قیمت گذاری مواد ورودی کارخانه کمک به سزایی نماید. طیف سنجی رامان به دلیل سرعت بالا می تواند در این زمینه بسیار کمک کننده باشد.

شکل ۷- تجزیه و تحلیل محصولات لبنی با طیف‌سنجی رامان

آنالیز میزان ساکارز عسل چگونه است؟

عسل یکی از با ارزش ترین مواد غذایی در دسترس بشر محسوب می شود. این کالا به دلیل داشتن طعم خوب، مواد مغذی و در دسترس بودن از ارزش بالایی برخوردار است که هم به عنوان خوراکی و هم به عنوان دارو (به دلیل خاصیت ضدمیکروبی، ضد ویروسی، ضدعفونی کنندگی و آنتی اکسیدانی) مورد استفاده قرار می گیرد. عسل بیشتر از قند، فروکتوز و گلوکز تشکیل شده است. سایر مواد تشکیل دهنده آن آنزیم ها، اسیدهای آمینه، اسیدهای آلی، کاروتنوئیدها، ویتامین ها، ساکاروز، مواد معدنی، مواد معطر و ترکیبات فنولیک هستند.

با توجه به اهمیت تغذیه ای و درمانی عسل و ارزش بالای تجارت آن، تقلب در تولید و عرضه آن بسیار زیاد است. در واقع عسل نباید هیچ گونه افزودنی مانند عطر و طعم دهنده یا رنگدانه های حاصل از فراوری و ذخیره سازی داشته باشد. در غیر این صورت سلامت آن مورد تأیید نیست. به عنوان مثال برای سود بیشتر به آن شربت ذرت با محتوای فروکتوز بالا، شربت مالتوز و شکر (ساکاروز) اضافه می کنند. برای مثال میزان ساکاروز عسل می بایست بین ۲ تا ۸ درصد باشد و مقدار بیش از این نشان دهنده تقلب است. طیف سنجی رامان روشی بسیار سریع است که قادر است محتویات قندی عسل را شناسایی و غلظت سنجی نماید.

شکل ۸- طیف‌سنجی رامان روشی برای تشخیص اصالت عسل

تعیین تأثیر فرایند انجماد، نگهداری و یخ زدایی بر محصولات پروتئینی با طیف سنجی

ماهی، مرغ و گوشت فراورده های غذایی بسیار قابل فساد هستند و کیفیت آن ها پس از انجماد و نگهداری نیز تغییر می کند. این تغییر کیفیت در همه اجزای آن ها مانند پروتئین ها، اسیدهای چرب اشباع یا اشباع نشده، ویتامین ها و مواد معدنی رخ می دهد. به همین دلیل نیاز به روشی که بتواند با شناسایی دقیق، میزان تغییر کیفیت را قبل و بعد از فرایندهای نگهداری تشخیص دهد احساس می شود.

روش های سنتی مانند ارزیابی حسی، آنالیز میکروبی، کروماتوگرافی و اندازه گیری های شیمیایی به دلایل متفاوت از جمله غیر دقیق بودن، زمانبر بودن و هزینه بر بودن قابل اتکا نیستند. طیف سنجی رامان قادر است اطلاعات ساختاری در مورد سیستم های جامد پیچیده مانند پروتئین های غذایی ارائه دهد.  این تکنیک طیف سنجی یک روش قدرتمند و غیر تهاجمی برای مطالعه تغییرات در ساختار، تجزیه و تحلیل آمید، تغییرات پیوند CC و تغییر در پروتئین (تریپتوفان، میوفیبیلر، بافت همبند، تیروزیل و باند آمینوئیدهای آلیفاتیک) است. این تغییرات ممکن است در نتیجه فرایند حفاظت مانند انجماد، بسته بندی، نمک سود کردن و … رخ دهد و پس از ذوب شدن برگشت ناپذیر هستند.

شکل ۹- تشخیص اثر انجماد بر کیفیت مواد پروتئینی

مزیت طیف سنج رامان نسبت به دیگر روش ها در صنایع غذایی

طیف سنج نوری اطلاعاتی در مورد ساختار (به عنوان مثال ساختار ثانویه پروتئین ها) ارائه می دهد. تعیین پارامترهای فناوری (مقدار آنیزیدین، پراکسید و رنگ) و اصالت (نوع و سطح تجاوز از حدود مجاز) روغن های خوراکی، تمایز کلاس های غلات، تعیین کیفیت آردها، تعیین محتوای مؤلفه های اصلی مواد غذایی (آب، پروتئین، لیپید و کربوهیدرات ها) و …  گوشه‌ای از کاربردهای دستگاه‌های طیف‌سنجی در این حوزه است.

روش های نظارت بر فراوری مواد غذایی اکثراً کند، گران قیمت و تهاجمی هستند. تنوع کاربردها، سرعت، توانایی شناسایی نمونه های حاوی آب و محتوای ارزشمند اطلاعات ساختار مولکولی مرتبط با طیف سنجی رامان، آن را به یک روش ایده آل در شناسایی و کنترل مواد غذایی تبدیل کرده است. به این ترتیب اجزای غذایی، مواد افزودنی، فرایندها و تغییرات، آلودگی ها مانند میکروارگانیسم ها، مواد شیمیایی و سموم و … می توانند با یا بدون کمک روش های شیمیایی شناسایی شوند. از طرفی دستگاه رامان پرتابل به دلیل قابلیت حمل در بین صنایع مرتبط با غذا بسیار محبوب است؛ چرا که اکثر دستگاه های مورد استفاده در این حوزه بزرگ و رومیزی هستند و به دلیل حساس بودن فقط در فضای آزمایشگاه قابلیت استفاده دارند.

شکل ۱۰- طیف‌سنجی رامان روشی سریع و قابل اعتماد برای بررسی کیفیت مواد غذایی است.