استفاده از طیف‌سنجی رامان برای بررسی غیرمخرب پارامترهای کیفی میوه گوجه‌فرنگی 11 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 10

استفاده از طیف‌سنجی رامان برای بررسی غیرمخرب پارامترهای کیفی میوه گوجه‌فرنگی (کد مقاله 301)

علی محمدنیکبخت ، تیمور توکلی هشتجین ، رسول ملک‌فر ، برات قبادیان4

چکیده

تنوع و فراوانی پارامترها و ویژگی های کیفی محصولات کشاورزی، مهمترین دلیل توسعه انواع روشهای غیر مخرب بوده است. در سالهای اخیر دید ماشین، روشهای اپتیکی چون اسپکتروسکوپی رامان، NMR و NIR ، انتشار صوت، روش فراصوت و غیره، در حال گسترش و توسعه می‌باشد که هر کدام برای اندازه‌گیری پارامتر کیفی خاصی کاربرد دارند. برای درجه بندی میوه‌ها روش های مختلفی به کار برده می‌شود که اغلب آن ها مخرب و یا کند می‌باشند ولی اندازه‌گیری سریع،‌ غیر مخرب و دقیق عامل های کیفی میوه‌ها از جمله میوه گوجه فرنگی نظیر میزان مواد جامد محلول،‌ pH و رنگ از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشد. برای همین منظور از روش‌های مختلفی می توان استفاده نمود. از مدرنترین روش‌های مذکور می توان به طیف‌سنجی لیزری رامان اشاره کرد. این روش با توجه به بکارگیری انواع لیزرها، بلورهای غیرخطی برای ایجاد طول موج‌های مختلف مورد نیاز، ابزار آشکار سازی و استفاده از نرم افزارهای مدرن به طور وسیعی در زمینه‌های مختلف علوم، مهندسی، پزشکی و کشاورزی کاربرد پیدا کرده است و با توجه به مزایای چشمگیر آن در قیاس با روش پرکاربرد NIR توانسته است جایگاه خاصی در تحقیقات حاضر در زمینه کشاورزی پیدا نماید. در تحقیق حاضر با استفاده از روش طیف‌سنجی رامان اندازه‌گیری غیر مخرب پارامترهای کیفی میوه گوجه‌فرنگی انجام شده است. نتایج حاصل نشان دادند که وجود کارتنوئیدهای لیکوپن و کاروتن به عنوان مهم ترین رنگدانه‌های موجود در گوجه فرنگی به خوبی توسط طیف‌های به دست‌آمده اثبات شد به طوری که هر سه منطقه مشخصه کارتنوئیدها در تمامی طیف‌ها قابل تمییز بود. همچنین طیف‌سنجی انجام شده در این تحقیق وجود کربوهیدرات‌ها را نیز با ارتعاش C-H بروز داد. بدین ترتیب با اطمینان می‌توان از روش مذکور جهت درجه‌بندی غیر مخرب پارامترهای خارجی (مانند رنگ میوه به عنوان مهمترین شاخص رسیدگی گوجه فرنگی) و داخلی (مانند میزان مواد جامد محلول) بهره جست.

کلیدواژه: طیف‌سنجی رامان، میوه گوجه‌فرنگی، ارزیابی غیر مخرب، پارامترهای کیفی

مقدمه

مروری بر روشهای غیرمخرب و سایر روشهای اپتیکی

آزمایشاتی غیرمخرب محسوب می‌شوند که اثرات مخرب فتوفیزیکی، حرارتی، شیمیایی، مکانیکی و فتوشیمیایی نداشته باشند [21]. روشهای متعددی تاکنون برای کیفیت سنجی غیر مخرب محصولات کشاورزی ابداع شده‌اند که تنها برخی از آنها توانسته شرایط فوق را برآورده ساخته و از لحاظ فنی و صنعتی توجیه داشته باشند. روشهای اپتیکی، مکانیکی، شیمیایی و امواج الکترومغناطیسی و صوتی در توسعه آزمونهای غیرمخرب نقش اساس داشته‌اند. اما روشهای بکار رفته قادرند پارامترهای محدودی از میوه‌ها را کاوش کنند. بنابراین لازم است شرایط حاکم در این روشها به دقت بررسی شده و در گزارش یا ثبت نتایج آزمایش لحاظ شوند. برای مثال اندازه‌گیری رنگ در گوجه‌فرنگی برای تخمین رسیدگی و زمان برداشت کافی است [4]، پس می‌توان با اندازه‌‌گیری یک پارامتر (رنگ) توسط طیف مرئی یا پردازش تصویر، تخمین مناسبی از وضعیت بیولوژیکی گوجه‌فرنگی حاصل نمود. همچنین در روشهای غیر مخرب ممکن است بیش از یک فاکتور بر داده بدست آمده تأثیر بگذارد که اندازه‌گیری را با خطا مواجه خواهد ساخت و به همین دلیل این سیستم‌ها نیاز به کالیبراسیون (واسنجی)‌ قوی خواهند داشت. در ذیل، سامانه‌های غیر مخرب رایج در کشاورزی به اختصار شرح داده می‌شوند.

از سال 1980، روش غیر مخرب NIRS در تعیین برخی خصوصیات میوه‌ها مانند سفتی، میزان مواد جامد محلول، رنگ، نشاسته و اسیدیته بکار رفته است. طیف NIRS طول موجهای بین 750 تا 2500 نانومتر(1-cm 4000، 12500) را پوشش می‌دهد. این روش برای تعیین ترکیبات شیمیایی شامل گروههای OH- ، CH-، NH- مناسب است. امروزه استفاده از این فن‌آوری در بررسی خصوصیات داخلی میوه‌ها به حالت صنعتی نیز رسیده است و به عنوان مثال برای هلو، مرکبات و هندوانه سامانه‌های جداسازی طراحی شده است که مبنای درجه‌بندی و یا جداسازی آنها، طیف سنجی عبوری و یا بازتابی NIR است. منبع نور اغلب طیف سنجهای NIR، لامپ‌های هالوژن می‌باشد. مشکل اصلی، نفوذ کم این نور در داخل میوه عنوان شده است. یک راه حل این مشکل استفاده از لامپ‌هایی با توان بالاست که ایجاد تأثیرات فتوشیمیایی و فتوفیزیکی بر روی میوه مشکل اصلی آن خواهد بود. اما استفاده از دیودهای لیزری راه‌حل دیگری است که در دست مطالعه است. از طرفی استفاده از طیف سنج‌های قابل حمل نیز رایج شده و حتی به صورت تجاری عرضه شده است که واسنجی (کالیبراسیون) و استاندارد کردن آنها موضوع مورد مطالعه سالهای اخیر بوده است [11]. مقالات متعددی در زمینه کاربرد NIRS در میوه‌ها چاپ شده است.

تاکنون کاربردهای زیادی از تکنیک NMR و MRI در کشاورزی گزارش شده است. کارآیی این تکنیک در محصولات آبدار بیشتر می‌باشد. زیرا هسته‌های هیدروژن پاسخ خوبی به میدانهای مغناطیسی نشان می‌دهند [8]. اختلالات موجود در توزیع آب، صدمات ناشی از سرد شدن، لهیدگی، فساد، حضور حشرات و غیره را می‌توان باNMR کاوش نمود. به طور کلی روشهای MRI و NMR به دلیل گران بودن و پیچیدگی استفاده وسیعی نداشته و در کشاورزی توجیه صنعتی نداشته است. اما در علم پزشکی به خصوص در کاوش تومورها، تجهیزات ارزان قیمت و ساده نیز عرضه شده‌اند که تصویر‌برداری NMR و MRI کاربردهای تجارتی فراوانی داشته‌اند و در نتیجه به روش رایج تبدیل گشته‌اند [10].

در بین روشهای غیر مخرب، روش MRI دارای بیشترین دقت است، ولی یکی از معایب مهم آن تأثیر مهم زیاد سرعت اندازه‌گیری بر دقت دستگاه است. بنابراین سرعت اندازه‌گیری، پایین خواهد بود. همچنین برای میوه‌های با درصد رطوبت پایین روش مناسبی توصیه نشده است. با این حال، روش MRI و NMR توانایی زیادی در ارزیابی کیفیت درونی میوه‌جات و سبزیجات به خصوص اندازه‌گیری رطوبت و روغن دارند [4].

تکنیک دید ماشین (Machine Vision) یکی از نخستین روشهای ارزیابی محصولات کشاورزی بوده است و عمده کاربرد گستردة آن با پیشرفت و توسعه سامانه‌های سخت‌افزاری پردازش تصویر توام شده است. در حال حاضر، دید ماشین به طور وسیعی در کشاورزی و ارزیابی محصولات استفاده می‌شود. در مجموع می‌توان گفت بیشترین کاربرد این تکنیک در سیستم‌های درجه‌بندی محصولات کشاورزی، تشخیص رنگ، عیوب ظاهری و بافت بوده است.

علاوه بر میوه‌ها، انواع گوشت، پیتزا و لاشه‌های حیوانات نیز مورد مطالعه بوده است [12]. از مهمترین مزایای این روش می‌توان سرعت تولید دادهای توصیفی از محصول، کاهش حجم کاری توسط کاربر، اقتصادی بودن و آسانی، غیر مخرب و بی‌زیان بودن، دارای سیستم کنترلی پایدار را نام برد. اما در مقابل معایبی نیز دارد. برای مثال، سیستم نورپردازی در این روش بایستی بسیار دقیق بوده و باالطبع در محیط‌های مختلف، متفاوت خواهد بود. همچمنین در نورپردازی غیرساختاری، تشخیص شی با مشکلاتی مواجه می‌باشد. علاوه براین، کار در شرایط کم‌نور و تاریک بسیار دشوار خواهد شد [7].

با وجود اینکه می‌توان توصیف کیفی درونی محصولات با استفاده از دید ماشین را به صورت غیرمستقیم امکان‌پذیر ساخت، این روش قادر به اندازه‌گیری خصوصیات داخلی محصولات نمی‌باشد، چرا که تنها از تصویر بدست آمده از شی استفاده می‌کند [10].

تابش‌های با طول موج کوتاه مانند اشعه x و گاما قادرند به اغلب محصولات کشاورزی نفوذ کنند. میزان نفوذ بستگی به چگالی و ضریب جذب محصول دارد. بنابراین هر دو پرتو مذکور برای اندازه‌گیری آن دسته از پارامترهای کیفی مناسب است که وابسته به تغییرات جرم هستند، برای مثال قسمت سر کاهو با افزایش رسیدگی، چگالتر می‌شود. استفاده از اشعه x در بازرسی روی خط محصولات کشاروزی در ابعاد محدود گزارش شده است، زیرا این روش به چگالی جرمی ماده حساس است نه ترکیبات شیمیایی [4]. تعیین رطوبت سیب،تغییرات چگالی در مراحل مختلف رسیدگی گوجه‌فرنگی و آلودگی به حشرات مواردی هستند که با اشعه x اندازه‌گیری و یا آزمایش شده‌اند [8]. مهمترین معایب این روشها، محدودیت و مشکلات تولید این اشعه‌ها و اثرات بهداشتی آن است. اشعه گاما جزء امواج الکترومغناطیسی است که منبع تبدیل آن چشمه‌های هسته‌ای است. بنابراین تولید پیوسته‌ای دارد. اما اشعه x توسط دستگاه تولید می‌شود. گران بودن و پیچیدگی تجهیزات بکار رفته، عیب قابل توجهی است. استفاده از دوزهای بالا باعث محدودیت ‌های فیزیولوژیکی و بهداشتی می‌شود. به عبارت دیگر این اشعه، باعث یونیزه شدن برخی مولکولهای محصولات کشاورزی می‌شود که به احتمال، بیماری مصرف کنندگان به دنبال خواهد داشت.

استفاده از امواج فراصوت نیز یکی از روش‌های مکانیکی غیر مخرب برای اندازه‌گیری کیفیت محصولات است که توسعه‌ی آن با چالش‌های جدی رو به رو است چراکه بکارگیری امواج فراصوتی برای کیفیت‌سنجی، نیازمند دانستن و یا اندازه‌گیری خواص فراصوتی محصولات کشاورزی است.

یکی از کاربردهای فراصوت، آزمایش سبزی‌ها و میوه‌ها است که به دلیل غیرهمگن بودن بافت آنها، در بسامدهای زیاد میرایی زیادی دارند. آشکارسازی آسیب‌های داخلی در بسامد کم مشکل است. علاوه بر آن، استفاده از بسامد تحریک کم (کمتر از kHz100) برای آشکارسازی آسیب‌های عمیق در روش تپ بازتاب تقریباٌ غیر ممکن است. زیرا نوار امواج را نمی‌توان به صورت متمرکز و تیز درآورد. به طور خلاصه می‌توان کاربدهای روشهای فوق را در جدول 1، مشاهده نمود.

جدول 1: روشهای مختلف اندازه‌گیری غیر مخرب پارامترهای کیفی محصولات کشاورزی

مبنای علمی

روش

خصوصیات قابل اندازه‌گیری

اپتیکی

پردازش و تحلیل تصویر

سایز، شکل، رنگ، عیوب ظاهری

طیف‌سنجی عبوری، بازتابی و جذبی

رنگ، عیوب داخلی، قند، اسیدیته، SSC، عیوب ظاهری، سفتی

طیف سنجی لیزری

اشعه X

اشعه X

حفره‌های داخلی، ساختار و درجه رسیدگی

مکانیکی

ارتعاشی

سفتی، رسیدگی، ویسکوالاستیسیته

صوتی و فراصوتی

سفتی، رسیدگی، ویسکوالاستیسیته، حفره‌های داخلی، قند و چگالی

الکترومغناطیس

MRI و NMR

رطوبت، قند، حفره‌های داخلی

روش رامان به عنوان روش جدید

همانطور که دیده شد، استفاده از نور بازتابی، عبوری و پراکنده شده به منظور اندازه‌گیری خواص داخلی و خارجی میوه‌جات از دیر باز مطرح بوده ‌است. به تازگی طبقه‌بندی میوه‌ها و برحی سبزیجات بر حسب رنگ آنها رواج پیدا کرده‌است و چون با تغییر رنگ قابلیت بازتابش و عبوردهی نور از یک محصول تغییر می‌کند، می‌توان از طیف‌سنجی‌های مختلف برای اندازه‌گیری برخی خواص مختلف از جمله رنگ آنها استفاده نمود [2]. این روش به همراه روشهای دیگر در دو دهه اخیر، مبنای آزمایشهای غیرمخرب جهت تعیین و اندازه‌گیری عاملهای کیفی محصولات کشاورزی بوده و اهمیت بالایی را از نظر زمینه‌های تحقیقی کسب کرده‌اند. آزمون غیرمخرب در کشاورزی، آزمونی است که اثرات سوء شیمیایی، فتوشیمیایی، گرمایی و فتوفیزیکی یر روی میوه به جای نگذارد [20]. تعداد کمی از روشهای تحلیلی که تاکنون معرفی شده‌اند،‌ قادر به ارضاء شرایط فوق بوده و از حساسیت لازم برای آشکارسازی ترکیبات و جزئیات ساختاری میوه‌ها برخوردار می‌باشند مانند طیف‌سنجی NMR، طیف‌سنجی IR و طیف‌سنجی رامان [21]. اما در بین روشهای یاد شده،‌ طیف‌سنجی پراکندگی رامان جذابیت فوق‌العاده‌ای در میان محققان علوم پزشکی،‌ دارویی و علوم زیستی پیدا نموده است، بطوریکه قویترین روش از بین روشهای فوق قلمداد می‌شود [13 و 21].

به دلیل اینکه ارتعاشات اتمها در ملکول‌ها به تغییرات و ترکیبات شیمیایی ماده حساس است، طیف ارتعاشی می‌تواند اطلاعات بسیار مفیدی راجع به خواص شیمیایی و ترکیبات تشکیل‌دهنده مواد ارائه‌دهد [3].

طیف‌سنجی پراکندگی رامان نسبت به طیف‌سنجی رایج IR (که کاربردهای وسیعی در کشاورزی پیدا کرده است) مزایای برجسته‌ای دارد از آن‌جمله:

پدیده رامان تکنیکی ایده‌آل برای مطالعات بیولوژیکی است، چراکه آب یک پخش‌کننده رامان ضعیف به شمار می‌رود و در نتیجه تأثیر آن در ایجاد خطا بسیار اندک است. این مسأله به خصوص در مورد محصولات کشاورزی که بخش اعظمی از مواد آنها را آب تشکیل می دهد، اهمیت ویژه‌ای پیدا می کند (برای مثال بیش از 90% از جرم گوجه فرنگی از آب تشکیل شده است).

رامان می تواند محدوده وسیعی از نواحی طیفی را (cm-1 10 تا cm-1 4000) در یک بار ثبت طیفی پوشش دهد. این در حالیست که برای پوشش چنین محدوده‌ای با تکنیک IR به شبکه‌های پخش کننده، فیلترها و آشکارسازهای متنوعی نیاز هست و بایستی برای هر محدوده این تجهیزات را تغییر داد [3].

قطر اشعه لیزری که به عنوان منبع نوردهی در دستگاه طیف‌سنج رامان استفاده می شود،‌ در حدود 2/0 تا 2 میلی‌متر است. به عبارت دیگر می‌توان با نمونه های بسیار ریز و با حجم کم هم کار کرد و یا مناطق کوچک روی میوه را هم کاوش نمود [25].