کاربرد اسپکتروفتومتری در آنالیز رنگدانه گیاهان

اسپکتروفتومتری یک تکنیک تحلیلی قدرتمند است که می تواند برای مطالعه ترکیب شیمیایی گیاهان مورد استفاده قرار گیرد و از طریق برهمکنش بین تابش نور و ماده انجام می شود که می تواند اطلاعاتی در مورد ساختار شیمیایی و ترکیب یک نمونه ارائه دهد.

کاربردهای اسپکتروفتومتری در آنالیز گیاهان شامل ارزیابی بافت های گیاهی، تشخیص محصولات زراعی، مطالعه پاسخ گیاه به تنش های محیطی، ارزیابی بهره وری گیاه و مطالعه تاثیر گونه های گیاهی بر تنوع زیستی و پایداری اکوسیستم می باشد.

اسپکتروفتومتری می تواند برای تجزیه و تحلیل طیف گسترده ای از اجزای گیاهی از جمله پروتئین ها، متابولیت ها و انواع رنگدانه گیاهان استفاده شود.

در این مقاله، به طور اختصاصی به کاربرد اسپکتروفتومتری در تعیین رنگدانه های مختلف موجود در گیاهان می پردازیم. با ما همراه باشید.

عملکرد گیاهان در فوتوسنتز به چه شکل است؟

گیاهان و برخی از باکتری­ ها و جلبک­ ها، غذای خود را با استفاده از انرژی خورشید به جهت تبدیل دی­ اکسید کربن و آب به گلوکز تأمین می­ کنند.

در این فرآیند فوتوسنتز، گیاهان انرژی خورشید (امواج الکترومغناطیسی) را به انرژی شیمیایی تبدیل می­ کنند که در پیوند های مولکول های گلوکز موجود در آنها ذخیره می­ شود.

انرژی شیمیایی حاصل، فرآیند های متابولیک سلول­ ها را تأمین می­ کند و برای زندگی بر روی زمین و ادامه حیات بسیار ضروری است.

گلوکز یک کربوهیدرات ساده است که سوخت فوری سلول­ ها را فراهم می­ کند و همچنین بلوک ساختمانی پایه برای کربوهیدرات­ های پیچیده ­تر نیز هست.

در عمل فوتوسنتز، برای تبدیل انرژی نور از خورشید به انرژی شیمیایی (انرژی پیوند)، مولکول­ های رنگدانه گیاهان، امواج  الکترومغناطیسی (معمولاً در محدوده طیف مرئی) را جذب می ­کنند تا واکنش ­های شیمیایی را تقویت کنند.

در حقیقت رنگدانه ­های گیاهان، درشت مولکول­ هایی هستند که توسط گیاه تولید می­ شوند و طول موج­ های مشخصی از نور مرئی را جذب می­ کنند تا انرژی مورد نیاز برای فوتوسنتز را تأمین کنند.

اگر چه رنگدانه­ گیاهان نور را جذب می­ کنند، اما برخی طول موج­ های نوری نیز توسط آنها جذب نمی ­شود.

این طول موج ها به چشم منعکس شده و رنگ گیاهان را تعیین می­ کنند. در حقیقت، این طول موج­ های منعکس شده رنگ­ گیاهانی است که مشاهده می­ کنیم.

انواع رنگدانه گیاهان

رنگ یکی از اصلی ترین ویژگی های حسی در گیاهان است. در همین راستا، بسیاری از گیاهان به عنوان منابع رنگدانه های طبیعی نشان داده شده اند.

توضیح ساختار شیمیایی آنها امکان شناسایی چندین ترکیب را فراهم کرده است که محبوبیت آنها به دلیل مزایای سلامتی مرتبط با مصرف آنها افزایش یافته است.

علاوه بر نقش رنگدانه ها در عمل فوتوسنتز، به عنوان رنگ های طبیعی نیز در بسیاری از حوزه ها، به ویژه صنایع غذایی و دارویی نیز مورد استفاده قرار می گیرند و نیاز به کنترل کیفیت دارند.

از مهم ترین انواع رنگدانه گیاهان می توان موارد زیر را نام برد:

• کلروفیل (سبز)
• کاروتنوئید (زرد، نارنجی قرمز)
• آنتوسیانین (قرمز تا آبی، بسته به pH)
• بتالاین (قرمز یا زرد)

نسبت این رنگدانه­ ها در برگ، در فصل پاییز تغییر می­ کند و در نتیجه درجات مختلفی از تخریب کلروفیل و کاروتنوئید و سنتز آنتوسیانین خواهیم داشت که زیبایی­ های فوق­ العاده­ ای را رقم می­ زنند.

کلروفیل

کلروفیل، از مهم‌ترین گروه رنگدانه‌ های دخیل در فوتوسنتز، فرآیندی است که طی آن انرژی نور از طریق سنتز ترکیبات آلی به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود.

کلروفیل برای فوتوسنتز ضروری است، اما رنگدانه­ های دیگری نیز وجود دارند که در جمع آوری و انتقال انرژی به آنها کمک می­ کنند.

کلروفیل عمدتاً میزان فوتوسنتز و بهره ­وری اولیه در گیاه را تعیین می­ کند و به طور کلی به عنوان پاسخی به استرس محیطی و کاربرد کود نیتروژن استفاده می­ شود.

محتوای کلروفیل با تغییر محیط خارجی تغییر می کند و بنابراین، می تواند منجر به تغییر ظرفیت فوتوسنتزی گیاه شود.

به همین دلیل است که محتوای کلروفیل می ­تواند به عنوان یک شاخص تشخیصی مهم برای مطالعه رشد گیاه مورد استفاده قرار می گیرد.

تنوع رنگ و میزان کلروفیل تا حدی توسط ژن­ ها کنترل می­ شود و با برنامه­ های اصلاح ژنتیکی می ­توان به اطمینان از کیفیت و رنگ ثابت برگ دست یافت.

با این حال، اصلاحات ژنتیکی معمولاً به حجم بزرگی از نمونه برای آزمایش متکی است و امروزه بیشتر از روش های اسپکتروفتومتری و کالریمتری برای آنالیز استفاده می شود.

کاروتنوئید

کاروتنوئیدها دسته ای از مواد شیمیایی گیاهی هستند که در سلول های طیف گسترده ای از گیاهان، جلبک ها و باکتری ها یافت می شوند و به گیاهان کمک می کنند تا انرژی نور را برای استفاده در فتوسنتز جذب کنند.

کاروتنوئیدها، رنگدانه هایی ضروری در اندام های فتوسنتزی هستند که همراه با کلروفیل ها عمل می کنند و رنگ های زرد، نارنجی، قرمز و بنفش را به نمایش می گذارند.

همچنین، آنها به عنوان محافظ نور، آنتی اکسیدان، جذب کننده رنگ و پیش ساز هورمون های گیاهی در اندام های غیر فتوسنتزی گیاهان عمل می کنند.

حیوانات قادر به سنتز کاروتنوئیدها نیستند، بنابراین مواردی که در حیوانات یافت می شود یا مستقیماً از طریق غذا جذب شده اند و یا از طریق واکنش های متابولیکی اصلاح شده اند.

دو طبقه بندی کلی از کاروتنوئید ها وجود دارد:

1. کاروتن ها
2. زانتوفیل ها

زانتوفیل ها حاوی اکسیژن هستند، در حالی که کاروتن ها هیدروکربن هستند و بنابراین، حاوی اکسیژن نیستند.

همچنین، این دو رنگدانه، طول موج های مختلف نور را در طول فرآیند فتوسنتز گیاه جذب می کنند، زانتوفیل ها زردتر هستند، در حالی که کاروتن ها نارنجی هستند.

آنتوسیانین

آنتوسیانین ها ترکیبات پلی فنول هستند که رنگ های مختلفی از جمله صورتی، قرمز، بنفش و آبی را در گل ها، سبزیجات و میوه ها ایجاد می کنند و همچنین نقش مهمی در تکثیر گیاهان، اکوفیزیولوژی و مکانیزم های دفاعی گیاه دارند.

در اصل این رنگدانه ها از نظر ساختاری، آنتوسیانیدین هایی هستند که توسط قندها و اسیدهای آسیل اصلاح شده اند و نقش عمده ای در صنایع دارویی، مواد غذایی و رنگ آمیزی، طعم دهنده و نگهداری مواد غذایی دارند.

رنگ های آنتوسیانین به pH، نور، دما و یون های فلزی حساس هستند و پایداری آنها توسط عوامل مختلفی از جمله کمپلکس های بین مولکولی و درون مولکولی کنترل می شود.

روش های کروماتوگرافی و اسکتروفتومتری به طور گسترده برای استخراج، جداسازی و شناسایی آنتوسیانین ها استفاده شده است و رو به افزایش است.

بتالاین

بتالاین ها خانواده ای از رنگدانه های طبیعی گیاهی محلول در آب و شبیه به آنتوسیانین ها هستند که در اکثر گیاهان راسته کاریوفیلال ها وجود دارند.

آنها معمولاً رنگ هایی از زرد تا بنفش و همچنین ساختارهایی را ارائه می دهند که در گیاهان دیگر توسط آنتوسیانین ها رنگ می شوند و نه تنها میوه ها و ریشه های خوراکی بلکه گل ها، ساقه ها و براکت ها را نیز شامل می شوند.

گزارش شده است که طول موج حداکثر جذب بتالاین در بازه طول موج مرئی 536 تا 540 نانومتر است و علاوه بر آن، باند جذب دیگری در محدوده طول موجی بین 490 و 460 نانومتر نیز مشاهده شده است که مربوط به هیدروژن زدایی مولکول بتانین است.

نقش اسپکتروفتومتری

یکی از روش های مطمئن و سریع ارزیابی محتویات کلروفیل و سایر رنگدانه ها، بر اساس استخراج آنها با حلال­ ها، از برگ مخرب و به دنبال آن تعیین مشخصات با استفاده از دستگاه های اسپکتروفوتومتری است.

روش مرسوم برای به دست آوردن میزان رنگدانه­ ها در برگ با تعیین مقدار سه متغیر L (روشنی)، a (قرمزی) و b (زردی) از سیستم رنگ آزمایشگاهی CIELAB است.

این روش ­ها زمان­ بر و پر هزینه ­هستند و نیاز به نیروی کار بیشتری در آزمایشگاه دارند و برای انتخاب ژنتیکی مناسب نیستند.

از طرفی این رنگدانه‌ های گیاهی طبیعی، از جمله آنتوسیانین‌ ها، بتالاین‌ ها و کاروتنوئید ها، همگی ارزش سلامتی دارند که عمدتاً به دلیل توانایی‌ های آنتی‌اکسیدانی آنهاست.

با این حال، ناپایداری رنگدانه های طبیعی گیاهی، از جمله تخریب و تغییر رنگ، تا حد زیادی مانع از کاربرد آنها می شود، استفاده از آنها را بسیار محدود می کند و نیاز به کنترل سریع فرایندی دارند.

امروزه اسپکتروفتومتری، همراه با روش‌ های مدل‌ سازی شیمی‌ تجزیه، بعنوان روشی سریع و مؤثر برای تخمین اجزای شیمیایی و رنگدانه‌ ای در برگ ها استفاده می­ شود.

اسپکتروفتومتری با تعیین سریع و غیر مخرب میزان این ترکیبات در برگ‌ های زنده در محل، می‌ تواند روشی مؤثر برای کاهش نیاز به تعداد زیادی نمونه در مزرعه، صرفه جویی در زمان و هزینه صرف شده در آنالیز باشد.

اسپکتروفتومتری مادون قرمز نزدیک (NIR)، یک تکنیک طیف سنجی انعکاسی رایج است که اغلب در تخمین شیمیایی گیاه استفاده می‌ شود.

این تکنیک عمدتاً بر مبنای تحریک ارتعاشی پیوند های مولکولی اصلی اجزای بیوشیمیایی، از جمله پیوند های C-H، N-H و O-H متکی است، که منجر به جذب متغیر در محدوده­ های مختلف طول موجی امواج الکترومغناطیسی می ­شود.

در این روش، ابتدا برای اعتبارسنجی مدل از نمونه‌ های مستقل استفاده می‌ شود. سپس مدل می‌ تواند برای پیش‌ بینی نمونه‌ های مجهول با طیف بازتاب آنها استفاده شود.

اسپکتروفتومتری NIR با کالیبراسیون قوی و توانایی غربالگری نمونه­ های بزرگ، توانایی قابل اعتماد و امیدوار کننده ­ای را در برنامه­ های اصلاح نژاد نشان داده است.

اسپکتروفتومتر های جذبی نیز نور جذب شده توسط عصاره­ ی حاوی رنگدانه را اندازه ­گیری می­ کنند و در خروجی، اطلاعاتی را ارائه می­ دهند که در یک نمودار با عنوان طیف جذب رنگدانه گیاهان ترسیم می­ شود.

سخن پایانی

برای آنالیز انواع رنگدانه گیاهان از بافت های گیاهی و اندازه گیری غلظت آنها، روش اسپکتروفتومتری تکنیکی سریع است که به آسانی نیز در دسترس می باشد.

اندازه گیری های اسپکتروفتومتری، نیاز به استخراج رنگدانه از طریق حلال دارد که معمولاً از اتانول برای تعیین کلروفیل ها و کاروتنوئیدها و از استون برای تعیین فلاونوئیدها (آنتوسیانین) استفاده می شود.

یک دستگاه اسپکتروفتومتر، جذب نور توسط عصاره حاوی رنگدانه را اندازه گیری می کند و اطلاعاتی را ارائه می دهد که در یک نمودار رسم می شود که طیف جذب رنگدانه را نشان می دهد.

منابع و مراجع

1. Spectroscopic determination of leaf chlorophyll content and color for genetic selection on Sassafras tzumu. 
2. Quantitative visualization of photosynthetic pigments in tea leaves based on Raman spectroscopy and calibration model transfer. 
3. Determination of Pigments in Virgin and Extra-Virgin Olive Oils
4. Biological Activities of Plant Pigments Betalains.
5. https://doi.org/10.3390/Molecules27165120
6. wikipedia
7. ScienceDirect