بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
NMR و کاربرد آن در صنایع غذایی
چکیده:
NMR از جملــه تکنیــکهــای جدیــد مــورد اســتفاده در صــنایعغــذایی اســت. ایــن تکنیــک بــه طــور کلــی در ســال 6491 کشــف شــد و اولــین کــاربرد آن در صــنایعغــذایی کــه مربــوط بــه تشــخیص ترکیبــات موجــود در مــوادغــذایی اســـت، در ســـال 6491 گـــزارش شـــده اســـت. NMR قـــادر اســـت در ســـطح مولکـــولی خـــواص فیزیکـــوشـــیمیایی سیســتمهــای مختلــف را تجزیــه و تحلیــل نمایــد. اســاس کــار NMR تجزیــه و تحلیــل هســته اتــمهــایی اســت کــه بــه صـــورت ذاتـــی دارای خاصــیت مغناطیســـی هســـتند و مـــیتواننـــد هماننـــد آهـــنرباهـــای بســـیار کـــوچکی عمـــل نماینـــد. خــواص فیزیکـــی مــوادغـــذایی ماننــد نقطـــهی ذوب، بیــاتی نـــان، میــزان اتصـــال و تحــرک آب، تعیـــین نــوع آب، تعیـــین درجـــهی رســـیدگی میـــوههـــا و ... توســـط NMR مـــیتوانـــد مـــورد بررســـی قـــرار گیـــرد. همچنـــین NMR تحـــت شــرایط مطلــوب مــیتوانــد اثــر میکــروبکشــی داشــته باشــد و در فراینــدهای مختلــف مــوادغــذایی بــه کــار گرفتــه شــود. در این سمینار سعی میشود مکانیسم NMR و برخی از کاربردهای آن در صنایعغذایی ارائه گردد.
کلمات کلیدی
NMR، Gyro Frequency ، زمان آسایش (T2)
.1 مقدمه
NMR خلاصه شدهی عبارت Nuclear Magnetic Resonance است. برای اولین بار در سال6491 به طور مستقل توسط فلیکس بلوخ ازدانشگاه استانفورد و ادوارد پارسل از دانشگاه هاروارد کشف شد. آنها توانستند جذب تابش الکترومغناطیسی را که درنتیجه انتقال تراز انرژی هسته در یک میدان مغناطیسی قوی صورت میگیرد را نشان دهند .[1]ذراتی مثلH+ که دارای خاصیت مغناطیسی میباشند مانند آهنرباهای کوچکی عمل میکنند. این ذرات وقتی در میدان مغناطیسی قرار میگیرند. در جهت میدان قرار میگیرند، هم چنین این ذرات تحت تاثیر امواج رادیویی تغییر جهت میدهند، با قطع منبع جریان رادیویی این امواج شروع به حرکت به جای اولیهی خود میکنند. سرعت حرکت به جای اولیه، بستگی به پیوند این ذره به سایر عناصر دارد. اگر این ذره پیوند محکمی با سایر عناصر داشته باشد سرعت برگشت به حالت اولیه سریع و اگر پیوند محکمی با سایر عناصر نداشته باشد سرعت برگشت به حالت اولیه کند خواهد بود. در واقع در این سیستم از روی سرعت برگشت ذره به حالت اولیه، میتوان به خصوصیات فیزیکوشیمیایی ماده پیبرد.[10]
.2 اساس NMR
یک ذره باردار وقتی در میدان مغناطیسی قرار میگیرد، با فرکانس Gyro frequency (شکل شماره (6 به دور محور خود می-چرخد. که این فرکانس از رابطهی زیر به دست میآید.
:q شدت بار الکتریکی
:B شدت میدان مغناطیسی :m جرم ذره
هستههایی میتوانند از خود خاصیت NMR داشته باشند که دارای عدد جرمی فرد باشند (عدد جرمی برابر مجموع تعداد پروتون و نوترون است) و یا اینکه اگر عدد جرمی زوج دارند باید عدد اتمی (عدد اتمی برابر تعداد پروتون است) آنها فرد باشد. در حالت کلی عناصری دارای خاصیت NMR هستند که تعداد پروتون و نوترون آنها با هم برابر نباشد. به عنوان مثال ایزوتوب کربن 61 دارای عدد جرمی 61 و عدد اتمی 1 هست، پس چون تعداد پروتون و الکترون با هم برابر است، فاقد این خاصیت است. اما ایزوتوب 61 این عنصر دارای 1 پروتون و 9 نوترون است پس خاصیت NMR دارد. همانگونه که در مطالب بالا گفته شد، با قرار دادن ذرات در میدان مغناطیسی، این ذرات با فرکانس Gyro Frequency به دور محور خود می چرخند) .[13] شکل شماره 1 حالت اول) که این فرکانس از فرمول زیر قابل محاسبه است.
اگر با منبع دیگری (ژنراتور) امواج رادیویی را با فرکانس مشابه، فرکانس Gyro Frequency (که توسط فرمول فوق محاسبه می-شود) را به ذره بدهیم این انتقال باعث منتقل شدن انرژی به ذره میشود، ذره به حرکت درآمده و به اصطلاح خم میشود. (شکل شماره 1 حالت دوم) با قطع منبع امواج رادیویی، ذره به جای اولیهی خود برمیگردد (شکل شماره 1 حالت سوم) سرعت برگشت ذره به جای اولیهی خود بستگی به میزان استحکام ذره به اجزای غذا دارد. قبل از انجام تست یک Pre-test میگذارند و مدت زمانی را که لازم است ذره از حالت افقی به حالت عمودی درآید را اندازهگیری میکنند و در تست اصلی این مدت زمان را که دقت آن به میلیثانیه است را قرار میدهند. یعنی ذرات با فرکانس Gyro Frequency خود میچرخند و با امواج رادیویی (با همان چرخش قبلی) به حرکت در میآیند. که این موضوع به طور خیلی سادهایی در شکل 1 نشان داده شده است.[10]
چون عناصر H و C قسمت اعظم موادغذایی را تشکیل میدهند. در صنایعغذایی بیشتر از H NMR و C NMR استفاده میشود، در این مقاله تاکید اصلی روی H NMR است، در H NMR تجزیه و تحلیل بر اساس نحوهی برگشت H به جای اولیهی خود است. اگر H با مادهی غذایی محکم باند شده باشد، با سرعت بیشتری بعد از قطع ژنراتور (منبع امواج رادیویی) به جای اولیهی خود برمیگردد. اما اگر با سایر عناصر پیوند ضعیفتری داشته باشد، با سرعت کمتری به جای اولیهی خود برمیگردد. با خاموش کردن ژنراتور سیگنال در محور عمودی به مرور زمان کاهش مییابد تا به صفر برسد به همین دلیل به این نمودارها (Free FID Induction Decay) میگویند .[10]
.1.2 نمودار (Free Induction Decay) FID
همانگونه که در قسمتهای قبلی توضیح داده شد، در تکنیک NMR سیگنال به طور آزادانه تحلیل میرود. گرافهای حاصل از این تکنیک به FID (Free Induction Decay) مرسوم هستند. در گرافهای FID سیگنال به طور آزادانه تحلیل میرود. در این نمودار محور افقی زمان و محور عمودی شدت سیگنال است (شکل شماره .(1 در ابتدای گراف (حالت جامد) سرعت برگشت به حالت اولیه خیلی سریع است (شیب زیاد). این نشان دهندهی این است که این نوع هیدروژن اتصالات شدید و محکمی با سایر اجزا دارد. همچنین درصد هیدروژن در مادهیغذایی بر روی ارتفاع سیگنال تاثیر میگذارد. هر چه شدت سیگنال بیشتر باشد ذرات با سرعت بیشتری به محل اولیهی خود برمیگردند. شیبهای مختلف در نمودار FID نشان دهندهی انواع مختلف پروتون از لحاظ نوع پیوند و بافت است.[4]
.2.2 آنالیز اطلاعات NMR
مدلینگ اطلاعات FID با استفاده از فرمول M xy = M xy0 . e –t/ T2 امکانپذیر است. : M xy سیگنال در زمان t
: M xy0 سیگنال در زمان صفر
: T 2 زمان آسایش ( (T2=Relaxation constant زمانی است که نمونه به حالت اولیهی خود بر میگردد T2 را میتوان برای نمونههای مختلف از طریق Curve fitting به دست آورد. هر چه T2 بیشتر باشد سرعت افت سیگنال کمتر است در نتیجه تحرک و سیالیت بیشتر است. به عنوان مثال در گلوتن با افزایش کیفیت گلوتن T2 کاهش مییابد، چون هرچه کیفیت گلوتن افزایش یابد، خاصیت جذب آب بیشتر، در نتیجه آب آزاد کمتر و تحرک و سیالیت آب نیز کاهش مییابد. در واقع با افزایش پیوند مولکولهای آب T2 هم کاهش مییابد.[4]
.3 کاربرد NMR در صنایع غذایی
کاربرد NMR در صنایعغذایی به دو قسمت فرایند و آنالیز تقسیمبندی میشود.
.1 .3 کاربرد NMR در فرایند صنایع غذایی
اثر نابودکنندگی NMR بر روی میکروارگانیسمها[8]
1.1.3 اثر نابود کنندگی NMR بر روی میکروارگانیسمها
در سال 6491 این خاصیت NMR توسط Hoffman کشف گردید. Hoffman به این خاصیت پیبرد که اگر مادهیغذایی در مرکز مگنت قرار داده شود، میکروارگانیسمهای آن نابود میشوند. برای این کاربرد NMR از میدان oscilating (شدت میدان به صورت سینوسی) استفاده میکنند. با استفاده از دستگاهی که میدان مغناطیسی 1 تا 611 تسلا ایجاد میکند. در این شرایط از فرکانس 111-1 کیلوهرتز استفاده میشود با یک پالس حدود 1 سیکل لگاریتمی از جمعیت میکروارگانیسمها را کم میکند. چون در این سیستم تغییر دمای کمی داریم (حدود 1 - 1 درجهی سانتیگراد) پس مکانیسم نابودی میکروارگانیسمها گرمایی نیست.[8] مکانیسم این عمل هنوز نامشخص است. اما دو مکانیسم اصلی برای اثر نابود کنندگی NMR بر روی میکروارگانیسمها پیشنهاد شده [11]، که عبارتند از:
▪ انرژی وارد شده توسط امواج مغناطیسی به اجزای که خاصیت مغناطیسی دارند وارد میشود، یعنی اتمهایی که خاصیت مغناطیسی دارند و میتوانند به حالت رزونانس درآیند (مثل DNA، پروتئینها، میکروارگانیسمها و ...) به عنوان مثال باعث تغییر یک باند پپتیدی میشود و آن قسمت دیگر نمیتواند و ظیفهی اصلی خود را انجام دهد.
▪ ممکن است تحرک یونها در سلولها را تحت تاثیر قرار دهد، و ورود و خروج یونهای مختلف را تغییر دهد.
برخی از آنزیمها برای فعالیت به یونها نیاز دارند (کوفاکتور) اگر اتصال این یونها با آنزیم تغییر کند فعالیت آنزیم کاهش مییابد و از بین میرود.
.2.3 کاربرد NMR در آنالیز مواد غذایی
-6تعیین درجهی رسیدگی میوهها [12]
-1تشخیص نقطهی ذوب چربی [5] -3تعیین درصد و نوع آب مواد غذایی [2] -4تعیین سرعت بیاتی نشاسته [6]
-5تشخیص ترکیبات و ساختار اجزای موادغذایی [14]
.1.2.3 تشخیص ترکیبات و ساختار اجزای مواد غذایی
فرحناکی و همکاران (1119) با مقایسهی فروکتوز و گز انگبین به این نکته پیبردند که با وجود اینکه فروکتوز در
