استفاده طیف سنجی رامان بررسی غیرمخرب پارامترهای کیفی میوه گوجه فرنگی

لینک دریافت خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  قابل ویرایش پرینت

تعداد صفحات: 10

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

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

چکیده

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

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

مقدمه

مروری روشهای غیرمخرب سایر روشهای اپتیکی

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

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

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

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

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

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

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

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

استفاده امواج فراصوت یکی روش‌های مکانیکی غیر مخرب اندازه‌گیری کیفیت محصولات که توسعه‌ی چالش‌های جدی رو رو چراکه بکارگیری امواج فراصوتی کیفیت‌سنجی، نیازمند دانستن اندازه‌گیری خواص فراصوتی محصولات کشاورزی است.

یکی کاربردهای فراصوت، ازمایش سبزی‌ها میوه‌ها که دلیل غیرهمگن بودن بافت انها، بسامدهای زیاد میرایی زیادی دارند. اشکارسازی اسیب‌های داخلی بسامد کم مشکل است. علاوه ان، استفاده بسامد تحریک کم (کمتر kHz100) اشکارسازی اسیب‌های عمیق روش تپ بازتاب تقریبا غیر ممکن است. زیرا نوار امواج نمی‌توان صورت متمرکز تیز دراورد. طور خلاصه می‌توان کاربدهای روشهای فوق جدول 1، مشاهده نمود.

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

مبنای علمی

روش

خصوصیات قابل اندازه‌گیری

اپتیکی

پردازش تحلیل تصویر

سایز، شکل، رنگ، عیوب ظاهری

طیف‌سنجی عبوری، بازتابی جذبی

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

طیف سنجی لیزری

اشعه X

اشعه X

حفره‌های داخلی، ساختار درجه رسیدگی

مکانیکی

ارتعاشی

سفتی، رسیدگی، ویسکوالاستیسیته

صوتی فراصوتی

سفتی، رسیدگی، ویسکوالاستیسیته، حفره‌های داخلی، قند چگالی

الکترومغناطیس

MRI NMR

رطوبت، قند، حفره‌های داخلی

روش رامان عنوان روش جدید

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

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

طیف‌سنجی پراکندگی رامان نسبت طیف‌سنجی رایج IR (که کاربردهای وسیعی کشاورزی پیدا کرده است) مزایای برجسته‌ای دارد ان‌جمله:

پدیده رامان تکنیکی ایده‌ال مطالعات بیولوژیکی است، چراکه اب یک پخش‌کننده رامان ضعیف شمار می‌رود نتیجه تاثیر ایجاد خطا بسیار اندک است. مساله خصوص محصولات کشاورزی که بخش اعظمی مواد انها اب تشکیل دهد، اهمیت ویژه‌ای پیدا کند (برای مثال بیش 90% جرم گوجه فرنگی اب تشکیل شده است).

رامان تواند محدوده وسیعی نواحی طیفی (cm-1 10 cm-1 4000) یک بار ثبت طیفی پوشش دهد. حالیست که پوشش چنین محدوده‌ای تکنیک IR شبکه‌های پخش کننده، فیلترها اشکارسازهای متنوعی نیاز هست بایستی هر محدوده تجهیزات تغییر داد [3].

قطر اشعه لیزری که عنوان منبع نوردهی دستگاه طیف‌سنج رامان استفاده شود،‌ حدود 2/0 2 میلی‌متر است. عبارت دیگر می‌توان نمونه بسیار ریز حجم کم کار کرد مناطق کوچک میوه کاوش نمود [25].