پایش کیفیت مواد غذایی با اسکنرهای قابل حمل – روش ها و نمونه مطالعه

بیماری‌های ناشی از مواد غذایی تقلبی و فاسد مشکل رایجی برای سلامت مصرف کنندگان به حساب می‌آید. کلاهبرداری غذایی، با آسیب رساندن به شهرت‌ تولیدکنندگان، آن‌ها را نیز تحت تاثیر قرار می‌دهد و منجر به کاهش سهم بازار و اعتماد مشتریان می‌شود. بنابراین، امنیت مواد غذایی برای کاربران و همچنین تولیدکنندگان به طور یکسان مشکلی جدی به حساب می‌آید. محصولات غذایی تقلبی معمولا حاصل فرصت‌هایی است که افراد طماع از آن استفاده می‌کنند تا سود اقتصادی را دستکاری و مغشوش ‌کنند. در بعضی از موارد، محتوای بسته‌بندی غذایی مطابق برچسب آن نیست. در موارد دیگر، برچسب‌گذاری صحیح ولی محصول جعلی است. بنابراین در بازار امروز که محصولات پیش از فروش به صورت صنعتی بسته‌بندی می‌شوند، بایستی حق مشتریان را در مورد محصولات اصل و ایمن در اولویت قرار دهیم. راه‌حل این چالش استفاده از سنجش‌های ایمنی گران قیمت که هزینه‌ی نهایی را بالا می‌برد نیست، بلکه توسعه‌ی ایمنی اقتصادی و قابل حمل، بیمه‌ی کیفیت و دستگاه‌های هویت سنجی مواد غذایی در تمام مراحل چرخه‌ی حیات محصول از تولید تا مصرف است. چنین دستگاه‌هایی حوزه‌ی امنیت غذایی را متحول می‌کنند. کلاهبرداری مواد غذایی به جعل عمدی و آگاهانه‌ی مواد غذایی، ترکیبات یا بسته‌بندی آن از طریق جایگزینی، مواد اضافی یا اشتباه برای اثر‌گذاری در ارزش اقتصادی، گفته می‌شود. همچنین با عنوان جعل با انگیزه‌ی اقتصادی نیز شناخته می‌شود. کلاهبرداری اقتصادی مشکلی قدیمی است که در حال حاضر به تکنیک‌های مدرن مختلفی بستگی دارد. این امر هم به تولیدکنندگان و هم به مصرف کنندگان مربوط است، تولیدکنندگان از نظر مالی تحت تاثیر قرار می‌گیرند و مصرف کنندگان به لحاظ سلامت. تعداد موارد اخیر کلاهبرداری غذایی قابل توجه بوده و تقاضای راه‌حل به منظور بهبود امنیت غذایی را بالا برده است. این موارد به شرح زیر است: ۱) نبود اسناد و شماره‌ی ثبت، ۲) جعل، ۳) برچسب گذاری اشتباه ترکیبات، تاریخ تولید، تاریخ انقضا، طبقه‌بندی، بیانات تغذیه‌ای، اطلاعات مربوط به بهداشت و سلامت، شرایط کیفی، ۴) تقلب در مواد افزودنی، ۵) استفاده از مواد غیرمجاز، ۶) جایگزینی و رقیق سازی ترکیبات، ۷) فرآوری با مواد شیمیایی غیرمجاز و آفت کش‌ها. زنجیره‌ی تامین غذایی از مدل ساده‌ی “مزرعه به میز” تغییر یافته و اکنون شامل چندین گام‌ پیچیده در مسیر تولید، توزیع و آماده‌سازی محصولات است. پیچیدگی حاصل، ردیابی کلاهبرداری در قسمت خاصی از زنجیره‌ی تامین را دشوار می‌کند. علاوه‌براین، با توجه به جهانی‌سازی، زنجیره‌ی تامین غذایی در کل سیاره گسترش یافته، از این رو احتمال کلاهبرداری و نیاز به دستگاه‌های هویت سنجی هوشمند افزایش پیدا کرده است. چند نوع از کلاهبرداری‌ها سلامت مردم را به طور مستقیم به خطر می‌اندازند. این کلاهبرداری‌ها در مراحل مختلف زنجیره‌ی تامین غذایی اتفاق می‌افتد و چندین نهاد را درگیر می‌کند ــ از تولیدکننده تا خرده فروش (شکل ۱). با توجه به این کلاهبرداری‌ها، ضروری است که تولیدکنندگان مواد خام را از ارائه‌دهندگان قابل اعتماد تهیه کنند تا از مشکلاتی نظیر تقلب، استفاده از مواد اولیه و مواد افزودنی غیر استاندارد و غیره، پیش از شروع فرآیند تولید جلوگیری کنند. دستکاری محصول در فرآیند تولید اتفاق می‌افتد. این امر ناشی از آن است که واحد تولید تنها روی تولید نظارت می‌کند و باعث امکان تولید بیش از حد می‌شود. به علاوه، زمانی که محصول تولید شده به محل توزیع می‌رود، دیگر فعالیت‌های کلاهبردارانه مانند برچسب گذاری نادرست، جعل، تقلب و فروش کالاهای منقضی اتفاق می‌افتد. فعالیت‌های کلاهبردارانه‌ی مشابهی نیز در فروشگاه‌ها اتفاق می‌افتد. ما این موقعیت‌ها را در گروه‌هایی دسته بندی کرده‌ و از این اطلاعات جهت استنتاج مناسب‌ترین تکنیک‌ها برای ابزارهای هویت سنجی که در شکل ۲الف نشان داده شده، استفاده کرده‌ایم.

شکل ۱– انواع کلاهبرداری غذایی و وقوع آن‌ها در مراحل مختلف زنجیره‌ی تامین غذایی

به مرور زمان چندین تکنیک تحلیلی برای هویت سنجی مواد مصرفی توسعه پیدا کرده است. این موارد را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: ۱) بازرسی‌های بصری، ۲) تکنیک‌های طیف سنجی و ۳) روش‌های نوری. بازرسی‌های بصری شامل ارزیابی رنگ و تحلیل رنگ سنجی است که روشنایی، رنگ و اشباع را مقایسه می‌کند تا بین محصول اصلی و تقلبی تمایز قائل شود. این تست‌ها مبتنی بر ترکیبات شیمیایی نیست؛ بنابراین، این روش‌ها تنها برای بازرسی‌های اولیه و سریع قابل استفاده اند. تکنیک‌های طیف سنجی موجود عبارتند از طیف سنجی فروسرخ نزدیک (IR)، فروسرخ متوسط، رامان، رزونانس مغناطیسی هسته‌ای و رزونانس هسته‌ای چهار قطبی. روش‌های نوری مانند پراش اشعه ایکس برای مطالعات بلورشناسی، میکروسکوب الکترونی روبشی و توموگرافی اشعه ایکس به کار می‌روند. این روش‌ها اغلب به تجهیزات گرانقیمت آزمایشگاهی نیاز داشته و چارچوب هویت سنجی خودکار مرکزی ندارند. از طرف دیگر رزونانس هسته‌ای چهار قطبی تکنیک هویت سنجی است که برای دستگاه‌های قابل حمل مناسب است. طیف سنجی رزونانس هسته‌ای چهار قطبی قبلا برای مطالعات طیفی، بررسی کیفی، شناسایی مواد منفجره و هویت سنجی داروها مورد استفاده قرار می‌گرفت. در این مقاله، هدف ما توصیف پتانسیل رزونانس هسته‌ای چهار قطبی برای تحقق دستگاه‌های قابل حمل دستی، مقایسه‌ی ویژگی‌ها آن‍ها، تشریح چالش‌های اساسی در ساخت، راه اندازی تکنولوژی امیدبخش مبتنی بر رزونانس هسته‌ای چهار قطبی به همراه یادگیری ماشین و استفاده از آن برای دستگاه‌های هویت سنجی قابل حمل مبتنی بر اینترنت اشیا است.

شکل ۲– الف) طبقه بندی کلاهبرداری غذایی، ب) انواع کلاهبرداری که با استفاده از طیف سنجی رزونانس هسته‌ای چهارقطبی قابل شناسایی است.

تکنیک‌های تحلیل امنیت مواد غذایی

روش‌های علمی برای محافظت از یکپارچگی غذایی بایستی قابل اعتماد (دقیق و تکرارپذیر)، مقرون به صرفه، سریع و با استفاده‌ی آسان باشند. به علاوه، این روش‌ها بایستی نمونه‌های موادغذایی را به حالتی غیرمخرب بررسی کنند. این بخش شامل مرور کوتاهی بر روش‌های طیف سنجی است که پتانسیل رفع این نیازها را دارند.

طیف سنجی ارتعاشی

اتم‌های داخل مولکول‌ها جرم دارند و با پیوندهای الاستیکی به هم متصل هستند. این اتم‌ها حرکات انتقالی، چرخشی و ارتعاشی دارند. مولکول‌های چند ‌اتمی با اتم نیتروژن سه درجه آزادی داشته و در میان آن‌ها، شش درجه مختص حرکات انتقالی و چرخشی در سه جهت فضایی هستند. دیگر درجه‌های آزادی ۳N−۶  به عنوان حالت‌های ارتعاشی شناخته می‌شوند. هر حالت را می‌توان به صورت تقریبی و با استفاده از جرم‌های بهم پیوند خورده به وسیله‌ی فنرهای بی وزن که از قانون هوک پیروی می‌کنند مدل سازی نموده، و در نتیجه به فرکانس رزونانس ارتعاشی خاص دست پیدا کرد. طیف سنجی ارتعاشی به شناسایی این فرکانس‌ها (که به عنوان حالت‌های بنیادی یا نرمال شناخته می‌شوند)، هارمونیک آن‌ها یا ترکیبی از آن‌ها بستگی دارد. حالت‌های ارتعاشی مولکول خاص منحصر به آن است، چراکه این حالت‌ها به جرم اتمی، ساختار فضایی و انرژی پیوند بستگی دارد.این حالت‌ها را می‌توان به وسیله‌ی نمونه‌های تابش دهنده با تابش دهی رزونانس الکترومغناطیس، مانند نور فروسرخ، شناسایی کرد. در رزونانس، گشتاور دوقطبی اتم‌ها با تابش‌دهی اندرکنش می‌دهد و به حرکتی خاص (کشش متقارن و نامتقارن، انقباض یا کشش) می‌انجامد که به  حالت خاص موجود بستگی دارد. این فرآِیند را می‌توان به منظور شناسایی اتمی خاص یا یک گروه عاملی حاضر در آن مولکول به صورت دقیق اعمال کرد. تعداد بسیار زیادی تکنیک طیف سنجی و ابزار برای مشاهده‌ی  طیف ارتعاشی وجود دارد. بخش‌های زیر مقدمه‌ی کوتاهی برای تعدادی از این روش‌ها ارائه می‌کند.

طیف سنجی فروسرخ متوسط

گستردگی عدد موج طیف سنجی فروسرخ متوسط بین ۴۰۰۰ تا ۴۰۰ است. این گستردگی شامل باندهای جذب پایه می‌باشد که مانند اثر انگشت مولکولی عمل می‌کند. مشخصات طیفی در این محدوده به ترکیبات شیمیایی بسیار حساس است و حتی مولکول‌های مشابه نیز طیف بسیار متفاوتی تولید می‌کنند، از این رو بسیار اختصاصی است. یکی از مزیت‌های اصلی فروسرخ متوسط این است که گروه‌های عاملی آلی به دلیل باندهای جذب مشخص‌شان در این محدوده به خوبی شناسایی می‌شوند. این ویژگی را می‌توان برای اجزاء متفاوت حاضر در مخلوط نیز به صورت جداگانه به کار برد، چراکه اجزاء متفاوت اثر انگشت‌های منحصربفردی در طیف جذبی دارند. علاوه بر این، انتقال داده‌های کالیبراسیون در میان ابزارهای مختلف تولید نتایج را آسان می‌کند.

طیف سنجی فروسرخ نزدیک

تکنیک طیف سنجی فروسرخ نزدیک محدوده‌ی ۱۴۰۰۰ تا ۴۰۰۰ را تحلیل می‌کند که شامل هارمونیک ها و ترکیبات باندهای فروسرخ متوسط پایه است. ماهیت غیرمخرب (نمونه‌ها برای آزمایشات بعدی نیز قابل استفاده هستند) و زمان کوتاه آماده‌سازی نمونه در فروسرخ نزدیک، این روش را به بهترین انتخاب برای آنالیز ترکیبات، جامد، مایع و گاز تبدیل می‌کند. هزینه‌ی ابزار برای آزمایش‌های فروسرخ نزدیک معمولا کمتر از آزمایش‌های فروسرخ متوسط و اجزاء نیز از نظر ساختاری قدرتمندتر  هستند. با این حال طیف فروسرخ نزدیک از جهت باندهای ترکیبی و هارمونیک های چندگانه برهم‌نهی بیشتری دارد که نسبت به فروسرخ متوسط خطوط طیفی گسترده‌تری دارد و به طور کلی کمتر اختصاصی است.

طیف سنجی رامان

طیف سنجی رامان رویکردی مبتنی بر پراکندگی رامان است که حاصل تعامل میان فوتون‌ها و گشتاور دوقطبی الکتریکی مولکول‌ها است. زمانیکه منبع نور تک رنگ (از جمله لیزر) به مولکولی تابیده می‌شود، بیشتر نور بدون تغییری در فرکانس یا طول موج پراکنده می‌شود. با این حال بخش اندکی از نور (تقریبا یک در ۱۰۷ فوتون) با انرژی (طول موج) متفاوت از فوتون اولیه پراکنده می‌شود. در این فوتون ها فرکانس بعد از برخورد میان فوتون و اتم تغییر می‌کند و به پراکندگی غیرالاستیکی شناخته می‌شود، این پدیده اثر رامان نامیده می‌شود. طیف رامان را می‌توان در محدوده‌ی گسترده‌ی ۴۰۰۰ تا ۱۰ مشاهده کرد. این یک مزیت نسبت به تکنیک‌های طیف سنجی مبتنی بر فروسرخ حساب می‌شود، که در محدوده‌ی کمتر از ۴۰۰ قابل دسترسی نیست. این ویژگی طیف سنجی رامان را به تکنیکی ایده‌آل برای ترکیبات آلی و غیر آلی تبدیل می‌کند.

 

تکنیک رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR)

طیف سنجی ارتعاشی غیرمخرب است و به ترکیبات محفظه‌ی نمونه بستگی ندارد. هرچند، نمونه بایستی از نظر نوری شفاف باشد و نمونه‌های بسیار مات آزمایش‌ها را کند می‌کنند. روش‌های طیف سنجی مانند NMR را می‌توان برای آنالیز چنین نمونه‌ به کار برد. روش NMR برای تعیین ویژگی‌های ساختاری و عملکردی ترکیبات آلی و غیرآلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. گونه‌های هسته‌ای خاص مانند مگنت‌های کوچک عمل می‌کنند، چراکه هم بار و هم اسپین دارند. این هسته‌های دارای ویژگی‌های مشابه شامل آن‌هایی می‌شوند که تعداد پروتون‌ها، نوترون‌ها و یا مجموع هردوی آن‌ها عددی فرد باشد، مثلا ۱۳۱۹۱۵N و ۳۱P. این ذرات بدون میدان مغناطیسی خارجی، اسپین‌های جهت‌دار تصادفی دارند. در طیف سنجی رزونانس هسته‌ای مغناطیسی، میدان مغناطیسی خارجی اعمال می‌شود تا اسپین‌های هسته را جهت‌دهی کند. سپس فراوانی تابش‌های تصادفی لازم برای تنظیم شدن با اسپین‌ها و تداخل در جهت‌گیری آن‌ها اندازه‌گیری می‌شود. طیف‌های حاصل را می‌توان به منظور شناسایی گروه‌های عاملی خاص در مولکول‌ها به کار گرفت. محدوده‌ی طیفی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای با قدرت مگنت در دسترس محدود به ۹۰۰ مگاهرتز است. ویژگی‌های غیرمخرب و غیرتهاجمی طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای آن را تبدیل به بهترین انتخاب برای آزمایش‌های بیولوژیکی کرده است. هرچند این روش به میدان مغناطیسی یکپارچه و قدرتمندی نیاز دارد که با استفاده از دستگاه‌های قابل حمل و کم هزینه، به سختی ایجاد می‌شود.

طیف سنجی رزونانس هسته‌ای چهار قطبی

این تکنیک طیف سنجی به دلیل شباهت زیادش به رزونانس مغناطیسی هسته‌ای، گاهی با عنوان رزونانس مغناطیسی هسته‌ای میدان صفر نیز نام برده می‌شود، با این تفاوت که این روش به میدان مغناطیسی خارجی  نیازی ندارد. پدیده‌ی رزونانس هسته‌ای چهار قطبی زمانی اتفاق می‌افتد که تنسور گرادیان میدان الکتریکی در نزدیکی هسته تقارن کروی نداشته باشد. اولین بار دِمِلت و کروگر در سال ۱۹۵۱ با استفاده از سیگنال‌های ۳۵Cl، رزونانس هسته‌ای چهار قطبی یک جامد را اندازه‌گیری کردند. با توسعه‌ی تبدیل فوریه‌ی سریع، توجه‌های بیشتری به رزونانس هسته‌ای چهار قطبی معطوف شد و در بسیاری از شاخه‌ها از مطالعات بنیادی ساختار و دینامیک حالت جامد تا شناسایی مواد منفجره، مواد مخدر و معدن‌های زمینی مورد استفاده قرار گرفته است.

هر هسته با بیش از یک ذره‌ی هسته‌ای جفت نشده (پروتون و نوترون) توزیع باری دارد که فاقد تقارن کروی است و گشتاور چهار قطبی الکتریکی غیرصفر را حاصل می‌دهد. اثر رزونانس هسته‌ای چهار قطبی از تعامل میان این گشتاور چهارقطبی با گرادیان میدان الکتریکی که توسط دانسینه‌ی الکترون غیریکنواختی در نزدیکی هسته ایجاد می‌شود که چندین سطح انرژی کمی تولید می‌کند. تابش الکترومغناطیسی تصادفی در فرکانس صحیح می‌توان بین این سطوح حالت‌های تشدیدی تولید کرده و در نتیجه خطوط رزونانس مغناطیسی چهار قطبی حاصل می‌شود. فرکانس‌های این خطوط به گشتاور چهارقطبی هسته و ویژگی‌های تقارنی تنسور گرادیان میدان الکتریکی بستگی دارد. از آنجاییکه این تکنیک به طبیعت پیوند در اطراف هسته بسیار حساس است، روشی پیشرفته برای بررسی ویژگی‌های ساختاری، دینامیک مولکولی و پیوندهای شیمیایی به حساب می‌آید. رایج‌ترین هسته‌هایی که در این تکنیک مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از: ۱۴N،  ۱۷۳۵Cl و ۶۳Cu.

در ادبیات اخیر این رشته، کاربردهای بالقوه‌ی تکنیک رزونانس مغناطیسی چهارقطبی در آنالیز دارویی مورد بحث قرار گرفته است. این روش در این رشته‌ی خاص چند مزیت دارد: ۱۴N، که ایزوتوپ رایج نیتروژن است، هسته‌ای چهارقطبی است که در بیشتر ترکیبات فعال دارویی و مکمل‌های غذایی موجود در بازار حضور دارد. بنابراین، ما از لحاظ نظری می‌توانیم برای تایید انواع محصولات مصرفی از رزونانس هسته‌ای چهارقطبی ۱۴N استفاده کنیم. از آنجاییکه طیف‌های رزونانس مغناطیسی هسته‌ای به وسیله‌ی ترکیب ساختار کریستالی و مولکول تعیین می‌شوند، برای زیرلایه‌های خاص بسیار ویژه هستند، برای مثال ویژگی‌های نقطه ای و کلی. در نتیجه ۱) فیلرها و رقیق کننده‌های دارویی تداخلی با نتایج اندازه‌گیری ندارد، و ۲) محصولات جعلی از واقعی قابل شناسایی هستند. علاوه‌براین، رزونانس مغناطیسی چهارقطبی روشی حجمی است و از آن می‌توان برای کمی سنجی تعداد کل مولکول‌های گونه‌های خاص حاضر در نمونه استفاده کرد. این امر با تعیین ترکیبات دقیق نمونه در تست، احتمال برچسب گذاری اشتباه را حذف می‌کند. رزونانس مغناطیسی چهار قطبی نیز غیرتهاجمی و غیرمخرب است، به این معنی که آزمایش‌ها را می‌توان از طریق چندلایه بسته‌بندی و بر روی محصول دست نخورده انجام داد تا از آلودگی غیرضروری اجتناب کرد.

جدول ۱. مقایسه‌ی ویژگی‌های اصلی میان تکنیک‌های طیف سنجی مناسب برای آنالیز مواد غذایی

  فروسرخ نزدیک فروسرخ متوسط رامان رزونانس هسته‌ای چهارقطبی رزونانس هسته‌ای مغناطیسی
اصل ارتعاشات و چرخش‌های مولکولی ارتعاشات و چرخش‌های مولکولی ارتعاشات مولکولی بار هسته‌ای اسپین هسته‌ای
مورد استفاده برای تعیین ساختار مولکولی ساختار مولکولی ساختار مولکولی دینامیک و ساختار مولکولی دینامیک و ساختار مولکولی
محدوده‌ی طیفی ۱۴۰۰۰ تا ۴۰۰۰ ۴۰۰۰ تا ۴۰۰ ۴۰۰۰ تا ۱۰ یک تا ۳۰ مگاهرتز ۱۰ تا ۹۰۰ مگاهرتز
رزولوشن طیفی تقریبا ۰.۷ نقریبا ۰.۴ ۰.۰۱ تا ۲۰ یک تا ۳۰ کیلوهرتز یک تا ۹۰ کیلوهرتز
حساسیت کم زیاد متوسط کم متوسط
هزینه‌ی ابزارسازی ارزان گران گران ارزان گران
سرعت سریع نسبتا سریع نسبتا سریع نسبتا کند نسبتا کند
نوع نمونه جامدات، مایعات، پودری، آبکی و پلیمری جامدات، لایه‌های پلیمری، مایعات و گازها جامدات، مایعات، پودری، آبکی و گازها جامدات و پودری جامدات دوتریوم دار و مایعات

 

چالش‌ها

امنیت محصولات غذایی نگرانی رو به افزایشی است که می‌توان از دو جنبه آن را بررسی کرد. یکی از جنبه‌ی سیاست‌گذاری و استراتژی‌های دقیق جهت جلوگیری از فعالیت‌های کلاهبردارانه، و دیگری از جنبه‌ی پژوهشی با کشف تکنیک‌های جدید برای شناسایی کلاهبرداری غذایی است که در مراحل مختلف زنجیره‌ی تامین غذایی قابل استفاده باشد. با تمرکز بر روی جنبه‌ی دوم، چندین ویژگی وجود دارد که انتظار می‌رود دستگاه هویت سنجی قابل حمل دارا باشد. بعضی از این ویژگی‌های حیاتی عبارتند از: هزینه‌ی کم، اندازه‌ی فیزیکی کوچک، عملکرد قوی، استفاده‌ی آسان، آمادگی محصول جزئی یا عدم نیاز به آمادگی محصول، آنالیز سریع و غیرمخرب، حساسیت بالا، اختصاصی بودن و اندازه‌گیری دقیق.

این ویژگی‌ها نقش مهمی در ساخت ابزاری مناسب برای هویت سنجی مواد غذایی در طول زنجیره‌ی تامین ایفا می‌کنند. دستگاه هویت سنجی غذایی ایده‌آل به عنوان محصول مصرفی از نظر اقتصادی و فنی پایدار است. هزینه‌ی تولید چنین ابزاری را می‌توان با تعیین اجزاء و مواد استفاده شده براورد کرد، درحالیکه قابلیت استفاده به اندازه‌ی فیزیکی و رابط کاربری بستگی دارد. همچنین اگر برای استفاده در مراحل مختلف زنجیره‌ی تامین ساخته شده بایستی قدرتمند باشد. این چالش مهمی است چراکه بیشتر تکنیک‌های تحلیل به ابزار وابستگی دارند. افزون‌براین، این دستگاه بایستی بتواند پاسخ‌های دقیق با رزولوشن و حساسیت بالا در حضور نویزها و مداخلات محیطی اجتناب ناپذیر، تولید کند.

در سطح مصرف‌کننده، فرایند تحلیل داده‌ها بایستی خروجی‌هایی را تولید کند که ساده هستند و به راحتی فهمیده می‌شوند و در عین حال پیچیدگی محاسباتی را به حداقل می‌رساند (برای مثال، با جلوگیری از به کارگیری مدل‌های شیمیایی پیچیده). در آخر، فرایند تحلیل نیز بایستی غیرمخرب باشد، چراکه محصولات غذایی فناپذیر و نسبت به بسته‌بندی حساس هستند. هیچ ابزار موجودی تمامی الزامات را براورده نمی‌کند. تکنیک‌های طیف سنجی که پیشتر تشریح شد، از جهت شایستگی‌شان در ساخت دستگاه‌های هویت سنجی مواد غذایی کم هزینه‌ی قابل حمل مورد بررسی قرار گرفتند و نتایج در شکل ۲ب و جدول ۱ ارائه شده است. تحلیل‌ها نشان می‌دهد که رزونانس مغناطیسی چهارقطبی برای تحقق چنین دستگاهی از بالاترین پتانسیل برخوردار است. ما با استفاده از این تکنیک مجموعه‌ای از آزمایشات طراحی شده را روی مکمل‌های غذایی انجام دادیم تا این تحلیل را اعتبارسنجی کنیم.

متدولوژی پژوهش

ساختار تجهیزات آزمایش ما یک بویین سیم لوله ای و شبکه‌ای انطباقی بود که داخل جعبه‌ی آلومینیومی نصب شده بود تا تداخل فرکانس رادیویی خارجی را کاهش دهد (شکل ۳الف). شبکه‌ی انطباقی به طیف سنج رزونانسی مغناطیسی تجاری مناسبی متصل است که شامل تقویت کننده‌ی توان، تقویت کننده‌ی نویز پایین، سوییچ ارسال-دریافت (دوپلکسر) می‌باشد. دوپلکسر سیم پیچ و شبکه‌ی انطباقی را بین حالت‌های ارسال و دریافت تغییر می‌دهد. این طیف سنج را می‌توان از طریق کامپیوتر شخصی و با استفاده از رابط کاربر گرافیکی به نام پروسپا کنترل کرد. این رابط به کاربراجازه می‌دهد توالی پالسی تولید کند و داده‌های اندازه‌گیری شده را ذخیره کند. داده‌های ذخیره شده روی کامپیوتر شخصی تحلیل شده و اطلاعاتی در زمینه‌ی هویت سنجی ارائه می‌دهد. یکی از مهمترین بخش‌های این تنظیمات نگهدارنده‌ی نمونه است که سیم پیچ روی آن می‌چرخد. این سیم پیچ برای تحریک و تشخیص به کار می‌رود، برای مثال، با تولید میدان مغناطیسی با فرکانس رادیویی برای انتقال بین سطوح انرژی هسته‌ای در حالت ارسال و شناسایی شار مغناطیسی متغیر با زمان در حالت دریافت. از قفس فارادی نیز برای کاهش تداخل فرکانس رادیویی از محیط اطراف و همچنین سازگاری شبکه‌ی انطباق استفاده می‌شود.

ما در کار قبلی از تکنولوژی رزونانس هسته‌ای چهارقطبی به منظور شناسایی زیرلایه‌های مختلف حساس به رزونانس هسته‌ای چهارقطبی استفاده کردیم. همچنین آزمایش‌های رزونانس هسته‌ای چهارقطبی را روی مکمل‌های غذایی و داروهای مختلف مانند هیستیدین، پرولین و تایلنول انجام دادیم تا امضای طیفی‌شان را استخراج کنیم. سپس از این امضاها برای هویت سنجی استفاده کردیم. سه ویژگی که از تحلیل طیف سنجی مبتنی بر رزونانس هسته‌ای چهارقطبی به دست آمد شامل دامنه (A)، عرض خط در حوزه فرکانس (Δf) شکل ۳ب و ثابت زمانی فساد (T۲,eff) شکل ۳ج. ما مکمل‌های غذایی یکسان از تولیدکنندگان متفاوت را به صورت اسمی آنالیز کردیم تا امضای مخصوص تولیدکننده را شناسایی کنیم. به طور ویژه، ما از هر نمونه چندین اندازه‌گیری انجام دادیم و برای تولید امضا، پارامترهای یکسان را استخراج کردیم. این سه پارامتر به ویژگی‌های دقیق محیط شیمیایی حالت جامد حساس هستند، به طوریکه تحت تاثیر فرآیند تولید قرار می‌گیرند، بنابراین واترمارک مخصوص تولیدکننده یا برچسب ذاتی محصول را تولید می‌کنند. ما از این امضاها برای آموزش ماشین بردار پشتیبانی (SVM) جهت طبقه بندی استفاده کردیم.

شکل ۳ – الف) تنظیمات آزمایشی، ب) اندازه‌گیری پارامترهای دامنه و عرض خطی، ج) اندازه‌گیری زمان فساد، د) طبقه‌بندی تایلنول بر اساس تولید کننده، هـ) طبقه‌بندی ل-هیستیدین بر اساس تولید کننده، ی) طبقه‌بندی ل-پروتین بر اساس تولید کننده. تمام طبقه‌بندی‌ها هم نقاط داده و هم بردارهای پشتیبانی را نشان می‌دهند. سه پارامتر برای ساخت امضا عبارتند از دامنه (A)، زمان فساد (T 2,eff) و عرض خطی (Δf).

الگوریتم ماشین بردار پشتیبانی مدلی می‌سازد که مثال‌های جدید را به یک تولید کننده یا دیگری نسبت می‌دهد و به یک طبقه بندی کننده‌ی خطی دوتایی غیراحتمالاتی می‌انجامد. نقشه‌ی پراکنده‌ی سه بعدی مجموعه‌ی نمونه‌ها به همراه بردارهای پشتیبانی مطابق در شکل ۳د-هـ نشان داده شده است. برای ارزیابی کیفیت پاسخ الگوریتم، دقت طبقه بندی کننده را با پیش بینی مجموعه‌ای جدید از اندازه‌گیری‌ها محاسبه کردیم و آن‌ها در دسته‌بندی‌های مختلف تولیدکنندگان قرار دادیم. در این مورد خاص، طبقه بندی کننده برای هیستیدین، پرولین و تایلنول، به ترتیب دقتی برابر با ۹۷.۵%، ۹۷.۸% و ۹۵% دارد. این نتایج امیدبخش نشان می‌دهد که این روش می‌تواند انواع محصولات غذایی جامد را هویت سنجی کرده و همچنین آن‌ها در زنجیره‌ی غذایی ردیابی کند.

پیامدهای پژوهش و پیاده سازی

ممکن است شناسایی کلاهبرداری یا تقلبی بودن محصول غذایی راه‌حلی کامل برای کلاهبرداری غذایی ارائه نکند. سیاست گذاران بایستی بدانند که زنجیره‌ی تامین غذایی، نهاد جهانی پیچیده‌ای است و برای بهبود شفافیت و قابلیت اطمینان کلی آن قوانین سفت و سخت‌تری را تصویب کنند. به طور ویژه، شفافیت در زنجیره‌ی تامین در جلب اعتماد مصرف کنندگان محصول نقشی کلیدی ایفا می‌کند. این امر را می‌توان با توسعه‌ی توانایی ردیابی محصول در زنجیره‌ی تولید تا منبع آن (مثلا، تولید کننده یا ترکیبات)تحقق بخشید. این مقاله با پیشنهاد دستگاهی اقتصادی و غیرتهاجمی که انواع محصولات غذایی جامد را با استفاده از طیف سنجی رزونانس هسته‌ای چهارقطبی آنالیز می‌کند، راه حلی ممکن برای مشکلات شناسایی و ردیابی ارائه می‌کند.

 

فایل پیوست :

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

4 × 1 =