کاربرد اسپکتروفتومتر UV-Vis در کنترل کیفیت نوشیدنی ها

امروزه اسپکتروفتومتری، به ویژه اسپکتروفتومتر UV-Vis، یکی از رایج ترین و قابل اعتمادترین روش های کنترل کیفیت نوشیدنی ها در کارخانه ها و آزمایشگاه های صنایع غذایی است. نوشیدنی ها از ترکیبات گوناگونی تشکیل شده اند و علاوه بر مواد اصلی، افزودنی هایی برای رنگ، طعم و ماندگاری بیشتر دارند. کنترل دقیق این ترکیبات، به ویژه در نوشیدنی های انرژی زا و محصولات دارای رنگ افزوده، یک بخش ضروری از تولید است.

تولیدکنندگان نوشیدنی ها از روش ها و دستگاه های مختلفی برای کنترل کیفیت استفاده می کنند، اما اسپکتروفتومتر UV-Vis به دلیل سرعت، دقت، سادگی و هزینه کم هر آزمون یکی از محبوب ترین آنهاست. با اسپکتروفتومتر می توان ترکیب محصول را در طول تولید پایش کرد، ثبات رنگ و طعم را حفظ کرد و محصول نهایی را درجه بندی کرد. پایش مداوم تولید با آنالیزهای سریع و مکرر، به صرفه جویی در هزینه ها و افزایش کیفیت کمک می کند.

کاربردهای اسپکتروفتومتر در کنترل کیفیت نوشیدنی ها

در بسیاری از نوشیدنی ها برای دستیابی به رنگ و طعم مطلوب و افزایش ماندگاری، از کنسانتره ها و افزودنی ها استفاده می شود. استفاده از این مواد توسط قوانین ملی و بین المللی محدود شده است و هر کشور الزامات خاص خود را درباره نوع و مقدار افزودنی ها و برچسب گذاری دارد. در ایران نیز این الزامات توسط سازمان ملی استاندارد و سازمان غذا و دارو تعیین می شوند.

مهم ترین کاربردهای اسپکتروفتومتر UV-Vis در کنترل کیفیت نوشیدنی ها عبارت اند از:

• اندازه گیری کمی ترکیبات و افزودنی ها

• کنترل رنگ و یکنواختی محصول

• پایش فرایند تولید نوشیدنی ها

• شناسایی آلاینده ها و ناخالصی ها

• تشخیص تقلب

• درجه بندی کیفیت محصولات

میزان کارایی اسپکتروفتومتر در هر کاربرد متفاوت است و در برخی موارد، برای دقت بیشتر در کنار روش هایی مانند کروماتوگرافی استفاده می شود.

پارامترهای رایج قابل اندازه گیری

کنترل رنگ نوشیدنی ها

رنگ نخستین ویژگی ای است که مصرف کننده بر اساس آن درباره کیفیت یک نوشیدنی قضاوت می کند. مردم از روی رنگ، طعم یا میوه ای را که نوشیدنی از آن تهیه شده حدس می زنند. اگر رنگ با طعم همخوانی نداشته باشد، مصرف کننده محصول را نمی پسندد. رنگ های زنده معمولا با طعم قوی تر همراه دانسته می شوند، اما رنگ بیش از حد نیز می تواند مصرف کننده را دلسرد کند. برداشت از رنگ به سن و فرهنگ نیز بستگی دارد و تولیدکنندگان باید همه این عوامل را در نظر بگیرند.

رنگ های طبیعی: آنتوسیانین ها

بسیاری از آب میوه ها منبع غنی ویتامین ها، فیبر و آنتی اکسیدان هایی مانند آنتوسیانین ها هستند. آنتوسیانین ها از مهم ترین رنگدانه های طبیعی محلول در آب هستند که رنگ قرمز، بنفش و آبی میوه هایی مانند انار، آلبالو، انگور سیاه و توت ها را ایجاد می کنند. تاکنون صدها نوع آنتوسیانین شناسایی شده است.

آنتوسیانین ها ناپایدار هستند و نور، دما، اکسیژن، pH و آنزیم ها روی رنگ و پایداری آنها اثر می گذارند. به همین دلیل اندازه گیری مقدار آنها در آب میوه ها و نوشیدنی ها، هم برای کنترل کیفیت و هم برای تشخیص تقلب اهمیت دارد. آنتوسیانین ها معمولا با روش تفاضل pH و اندازه گیری جذب در حدود ۵۲۰ نانومتر اندازه گیری می شوند. برای آشنایی بیشتر، مقاله آنالیز رنگدانه های گیاهی با اسپکتروفتومتر را بخوانید.

رنگ های مصنوعی و رنگ های آزو

رنگ های طبیعی گران تر و ناپایدارتر هستند. به همین دلیل در بسیاری از نوشیدنی ها از رنگ های خوراکی مصنوعی، به ویژه رنگ های آزو مانند تارترازین (رنگ زرد) و سان ست یلو (رنگ نارنجی)، استفاده می شود.

رنگ های آزو ترکیبات آلی هستند که گروه عاملی R−N=N−R′ دارند. در این ساختار، R و R′ معمولا حلقه های آروماتیک هستند و پیوند دوگانه نیتروژن نیتروژن همراه با این حلقه ها، رنگ ترکیب را ایجاد می کند. این رنگ ها فقط برای رنگ دادن به غذا و نوشیدنی استفاده می شوند.

استفاده از رنگ های مصنوعی محدود و قانونمند است. برخی افراد حساس، به ویژه افرادی که به آسپرین حساسیت دارند، ممکن است به تارترازین واکنش نشان دهند. همچنین برخی پژوهش ها ارتباطی بین مصرف مخلوط برخی رنگ های مصنوعی همراه با نگهدارنده بنزوات سدیم و بیش فعالی در کودکان گزارش کرده اند. به همین دلیل در اتحادیه اروپا، محصولات حاوی تارترازین و چند رنگ آزوی دیگر باید برچسب هشدار درباره اثر احتمالی بر فعالیت و توجه کودکان داشته باشند. برخی رنگ های آزوی غیرمجاز، مانند رنگ های سودان، به دلیل خطر سرطان زایی، به طور کامل در مواد غذایی ممنوع هستند.

به همین دلیل، پایش مداوم غلظت رنگ های مصنوعی و اطمینان از اینکه مقدار آنها از حد مجاز بیشتر نیست، ضروری است. اسپکتروفتومتر UV-Vis روشی ساده و سریع برای این کار است؛ برای مثال، تارترازین با اندازه گیری جذب در حدود ۴۲۵ نانومتر در نوشیدنی ها و نوشابه ها اندازه گیری می شود. برای جداسازی و اندازه گیری همزمان چند رنگ در یک محصول، از روش های کروماتوگرافی یا اسپکتروفتومتری چندطول موجی همراه با محاسبات ریاضی استفاده می شود.

اندازه گیری ترکیبات نوشیدنی ها

کافئین

کافئین یکی از مهم ترین ترکیبات نوشیدنی های انرژی زا، نوشابه های کولا، چای و قهوه است و مقدار آن باید با مقدار درج شده روی برچسب مطابقت داشته باشد و از حد مجاز بیشتر نشود. کافئین در حدود ۲۷۳ نانومتر جذب قوی دارد. اما چون بسیاری از ترکیبات دیگر نوشیدنی ها نیز در ناحیه فرابنفش جذب دارند، معمولا پیش از اندازه گیری، کافئین با یک حلال استخراج می شود یا از روش های کروماتوگرافی استفاده می شود.

قند و نسبت مواد تشکیل دهنده

حفظ نسبت ثابت مواد تشکیل دهنده، مانند کنسانتره، شکر و پالپ میوه، برای یکنواختی محصول ضروری است. برای مثال، نوشابه های معمولی حدود ۹۰ درصد و نوشابه های رژیمی تا حدود ۹۹ درصد آب دارند و مقدار قند در نوشابه های معمولی حدود ۱۰ درصد است. مقدار قند باید به درستی روی برچسب درج شود و یکی از پارامترهای کلیدی است که نهادهای نظارتی بررسی می کنند.

نکته: در صنعت نوشیدنی، مقدار مواد جامد محلول و قند بیشتر با رفراکتومتر و بر حسب درجه بریکس اندازه گیری می شود، اما اسپکتروفتومتر برای اندازه گیری رنگ، کدورت و ترکیبات خاص استفاده می شود.

فسفات در نوشابه های کولا

در نوشابه های کولا، از اسید فسفریک برای ایجاد طعم ترش استفاده می شود. مقدار فسفات با روش آبی مولیبدن و اندازه گیری جذب در حدود ۸۸۰ نانومتر اندازه گیری می شود.

ویتامین C

ویتامین C (اسید اسکوربیک) در آب میوه ها با روش های اسپکتروفتومتری مستقیم در ناحیه فرابنفش یا روش های رنگ سنجی اندازه گیری می شود. چون ویتامین C در برابر نور، گرما و اکسیژن ناپایدار است، اندازه گیری آن برای ارزیابی کیفیت و ماندگاری آب میوه ها اهمیت دارد.

نوشیدنی های پروبیوتیک

در نوشیدنی های پروبیوتیک مانند دوغ و نوشیدنی های تخمیری، باکتری های مفید مانند لاکتوباسیلوس ها اهمیت زیادی دارند. اسپکتروفتومتر با اندازه گیری کدورت در طول موج ۶۰۰ نانومتر (OD600)، برای پایش رشد کشت های آغازگر در فرایند تولید استفاده می شود. البته تعیین تعداد باکتری های زنده در محصول نهایی معمولا با روش کشت میکروبی انجام می شود.

برای آشنایی با کنترل کیفیت آب آشامیدنی، مقاله کاربرد اسپکتروفتومتر در آب و فاضلاب را بخوانید.

کنترل کیفیت ماءالشعیر

ماءالشعیر یکی از پرمصرف ترین نوشیدنی های تولید داخل است. دو پارامتر مهم کیفیت آن با اسپکتروفتومتر اندازه گیری می شوند:

• رنگ: رنگ ماءالشعیر با اندازه گیری جذب نمونه صاف شده در ۴۳۰ نانومتر و محاسبه واحد EBC (یا واحد SRM) تعیین می شود. این اندازه گیری برای یکنواختی رنگ محصول در تولیدهای مختلف ضروری است.

• تلخی: ترکیبات تلخ ناشی از رازک با یک حلال استخراج می شوند و جذب عصاره در ۲۷۵ نانومتر اندازه گیری شده و به واحد تلخی بین المللی (IBU) تبدیل می شود.

کنترل کیفیت چای

چای یکی از محصولات مهم و استراتژیک کشور است و کیفیت آن نقش اصلی در بازار دارد. عوامل زیادی بر کیفیت چای اثر می گذارند:

• نوع و رقم چای

• روش کاشت و داشت

• نحوه برداشت

• نحوه فرآوری

• شرایط نگهداری

نقش فرآوری در کیفیت چای سیاه

فرآوری نقش بسیار مهمی در کیفیت چای سیاه دارد. مهم ترین مرحله فرآوری، اکسیداسیون (که در صنعت چای گاهی «تخمیر» نامیده می شود) است. در این مرحله، ترکیبات پلی فنولی برگ چای اکسید می شوند و بسیاری از ویژگی های کیفی مانند رنگ، عطر و طعم ایجاد می شوند.

دو گروه اصلی ترکیبات تشکیل شده در این مرحله عبارت اند از:

• تئافلاوین ها: ترکیبات زرد طلایی که درخشندگی و تندی طعم چای را ایجاد می کنند.

• تئاروبیژین ها: ترکیبات قرمز قهوه ای که در رنگ کلی و غلظت دم کرده چای نقش اصلی دارند.

عواملی که بر تشکیل و تجزیه این ترکیبات اثر می گذارند، کیفیت نهایی چای را تعیین می کنند. اسپکتروفتومتری یکی از روش های رایج برای اندازه گیری مقدار تئافلاوین ها و تئاروبیژین ها است. در روش کلاسیک رابرتز و اسمیت، این ترکیبات با حلال ها از دم کرده چای جدا شده و جذب آنها در طول موج هایی مانند ۳۸۰ و ۴۶۰ نانومتر اندازه گیری می شود. نتایج این آزمون برای کنترل رنگ و طعم و درجه بندی کیفیت چای استفاده می شود.

تشخیص آلاینده ها و تقلب

تشخیص تقلب

به دلیل سودآوری، تقلب در بازار نوشیدنی ها رایج است. برای مثال، آب میوه های گران قیمت با آب میوه های ارزان تر، آب، شکر یا رنگ مصنوعی رقیق یا مخلوط می شوند و تشخیص آن با چشم دشوار است. طیف جذبی هر محصول مانند یک اثر انگشت است. با مقایسه طیف نمونه با طیف محصولات اصل و استفاده از روش های شیمی سنجی، می توان تقلب را شناسایی کرد. همچنین اندازه گیری ترکیباتی مانند آنتوسیانین ها، که در آب میوه طبیعی مقدار مشخصی دارند، نشانه مهمی از اصالت محصول است.

باقی مانده آفت کش ها

در کشاورزی، برای کنترل آفات و بیماری های گیاهی از آفت کش ها استفاده می شود. بسته به زمان سم پاشی و نوع سم، ممکن است باقی مانده آفت کش ها روی میوه ها یا برگ های چای باقی بماند و در فرآوری وارد نوشیدنی شود. تشخیص این آلاینده ها برای حفظ سلامت مصرف کنندگان ضروری است.

روش مرجع اندازه گیری باقی مانده آفت کش ها، کروماتوگرافی همراه با طیف سنجی جرمی است. اما برای غربالگری سریع، کیت هایی بر پایه مهار آنزیم وجود دارند که بر اساس تغییر رنگ کار می کنند و نتیجه آنها با اسپکتروفتومتر خوانده می شود. این کیت ها حضور آفت کش های ارگانوفسفره و کاربامات را در زمان کوتاهی نشان می دهند.

مزایای اسپکتروفتومتر در کنترل کیفیت نوشیدنی ها

• سرعت: نتایج بیشتر آزمون ها در چند دقیقه

• سادگی: آموزش آسان کاربران و روش های قابل برنامه ریزی

• هزینه کم هر آزمون نسبت به روش های دستگاهی پیچیده تر

• دقت و تکرارپذیری مناسب برای کنترل کیفیت روزمره

• تنوع کاربرد: اندازه گیری رنگ، کدورت و ترکیبات مختلف با یک دستگاه

برای بهترین نتایج، باید اسپکتروفتومتر مناسب با محدوده طول موج کافی و روش اندازه گیری مناسب را برای هر نوشیدنی انتخاب کرد. برای اندازه گیری ترکیباتی مانند کافئین و تلخی که در ناحیه فرابنفش جذب دارند، به اسپکتروفتومتر UV-Vis با کووت کوارتز نیاز است.

اسپکتروفتومترهای بلورآزما برای صنایع غذایی

اسپکتروفتومترهای AURORA و OPAL بلورآزما با پوشش محدوده فرابنفش تا فروسرخ نزدیک، امکان اجرای همه آزمون های این مقاله را در آزمایشگاه های کنترل کیفیت صنایع غذایی و نوشیدنی فراهم می کنند. برای آشنایی با یک کاربرد دیگر در صنایع غذایی، مقاله آنالیز زعفران با اسپکتروفتومتر را بخوانید و برای مشاهده مشخصات دستگاه ها و دانلود کاتالوگ، به بخش محصولات مراجعه کنید.

سوالات متداول

کاربرد اسپکتروفتومتر در صنایع نوشیدنی چیست؟

اندازه گیری رنگ های طبیعی و مصنوعی، کافئین، فسفات، ویتامین C، کیفیت چای، رنگ و تلخی ماءالشعیر و تشخیص تقلب در آب میوه ها.

تارترازین چگونه اندازه گیری می شود؟

با اندازه گیری جذب نوشیدنی در حدود ۴۲۵ نانومتر و مقایسه آن با منحنی کالیبراسیون محلول های استاندارد تارترازین.

کیفیت چای با اسپکتروفتومتر چگونه بررسی می شود؟

با اندازه گیری مقدار تئافلاوین ها و تئاروبیژین ها که رنگ، درخشندگی و طعم چای سیاه را تعیین می کنند.

رنگ ماءالشعیر چگونه اندازه گیری می شود؟

با اندازه گیری جذب نمونه صاف شده در ۴۳۰ نانومتر و تبدیل آن به واحد EBC.

آیا اسپکتروفتومتر می تواند تقلب در آب میوه را تشخیص دهد؟

بله، با مقایسه طیف جذبی و اندازه گیری ترکیباتی مانند آنتوسیانین ها می توان بسیاری از تقلب ها را شناسایی کرد.

جمع بندی

اسپکتروفتومتر UV-Vis ابزاری سریع، دقیق و مقرون به صرفه برای کنترل کیفیت نوشیدنی هاست. با این دستگاه می توان رنگ های طبیعی مانند آنتوسیانین ها و رنگ های مصنوعی مانند تارترازین را اندازه گیری کرد، مقدار ترکیباتی مانند کافئین، فسفات و ویتامین C را کنترل کرد، کیفیت چای را بر اساس تئافلاوین ها و تئاروبیژین ها ارزیابی کرد، رنگ و تلخی ماءالشعیر را تعیین کرد و تقلب را تشخیص داد. انتخاب دستگاه و روش اندازه گیری مناسب برای هر نوشیدنی، کلید دستیابی به نتایج دقیق و محصولی با کیفیت ثابت است.

منابع

• Spectrophotometric Determination of Tartrazine in Some Selected Beverages: A Case Study of Katsina Town, Nigeria, FUDMA Journal of Sciences, 2020. https://doi.org/10.33003/fjs-2020-0403-307

• Spectrophotometric Determination of Phosphate in Sugarcane Juice, Fertilizer, Detergent and Water Samples by Molybdenum Blue Method