شیر به عنوان یکى از مهم ترین مواد غذایى در تامین مواد مغذى در زندگى روزمره، یک جزء اساسى از یک رژیم غذایى سالم براى تمام گروه هاى سنى است. شیر حاوى پروتئین، چربى، قند لاکتوز، مواد معدنى و ویتامین است. هر گونه افت در کیفیت شیر مى تواند سلامت گروه هاى حساس مصرف کننده را به شدت تهدید نماید. تازگى شیر توسط عواملى که مربوط به تولید و فرایندهاى توزیع است مشخص شده و کیفیت اولیه شیر توسط تولیدکنندگان کنترل مى گردد. در این مقاله کاربرد روش طیف نگارى توان دى الکتریک با یک حسگر صفحه موازى براى تشخیص تازگى شیر می پردازیم
آنچه در این مطلب می‌خوانید:
شیر تولید شده باید در یک مدت زمان مشخص فروخته و به مصرف برسد چرا که به راحتى در طى مدت نگه دارى فاسد مى شود. میکروارگانیسم هاى موجود در شیر، باعث تغییر در طعم، مزه و pHشیر در طول نگه دارى مى شوند. لذا pH یکى از متغیرهایى است که با ماندگارى و فساد شیر به شدت تغییر مى کند. شیر خالص و تازه داراى رنگ و بوى طبیعى و مطبوع، فاقد طعم ترشیدگى یا هرگونه طعم غیرطبیعى است.
روش سنتى مرسوم براى تعیین فساد در شیر مشاهده فولوکوله شدن (لخته شدن) شیر در اثر جوشاندن است که یک روش زمان بر و مخرب مى باشد. از دیگر روش هاى آزمایشگاهى تعیین تازگى شیر مى توان استفاده از الکل، آزمایش احیاى متین بلو، و یا استفاده از برخى شناساگرهاى رنگى را نام برد که این روش ها اساسا جز روش هاى مخرب مى باشند.
از آن جا که روش هاى سنتى و آزمایشگاهى متداول براى ارزیابى کیفیت و تازگى شیر زمان بر و پرهزینه هستند، چندین روش تحلیلى و الکتریکى براى تشخیص تازگى و تقلب شیر توسعه یافته اند. یکى از روش هاى غیر مخرب براى ارزیابى تازگى شیر خام استفاده از طیف سنجى FT-NIR است که وانگ و همکاران به بررسى تازگى شیر گاو با استفاده از این روش پرداختند.
طیف نگارى توان دى الکتریک
در مطالعه اى دیگر تازگى شیر پاستوریزه تحت شرایط نوسانى درجه حرارت با استفاده از RFID شناسایى فرکانس رادیویى و WSN شبکه هاى حسگر بى سیم و پیش بینى محتواى میکروبى مورد بررسى قرار گرفت. از دیگر روش هاى مورد استفاده براى بررسى تازگى شیر مى توان به روش هدایت الکتریکى توسط زبان هاى الکترونیکى بر اساس ولتامترى اشاره کرد. از جمله روش هاى ساده و کم هزینه براى تعیین کیفیت شیر مى توان به طیف سنجى دى الکتریک نیز اشاره نمود که امکان تجزیه تحلیل ساده و سریع ترکیبات و خواص مختلف محصولات غذایى را بدون آماده سازى نمونه هاى پیچیده فراهم مى کند.
بررسی روش طیف نگارى توان دى الکتریک
بررسى خواص دى الکتریک محصولات کشاورزى به عنوان یک روش ساده و غیر مخرب در ارزیابى کیفیت مواد غذایى مورد توجه بوده است. خواص دى الکتریک یا گذردهى، خواص ذاتى هستند که اثر متقابل میدان الکتریکى با ماده را تعیین مى کنند. خواص دى الکتریک مواد حاوى رطوبت مانند محصولات غذایى و کشاورزى به شدت به میزان آب مواد، هم چنین فرکانس میدان الکتریکى، درجه حرارت مواد، چگالى و ترکیب و ساختار مواد بستگى دارد.
روش دى الکتریک در مطالعات متنوعى در مورد کیفیت مواد غذایى و کشاورزى استفاده شده است؛ از جمله آب انگور رسیدگى موز رسیدگى سیب کیفیت تخم مرغ کیفیت گوشت اندازه گیرى محتواى قند و آب عسل به طور کلى نتایج آزمایش ها، پتانسیل مؤثر روش دى الکتریک براى سنجش کیفیت مواد غذایى و محصولات کشاورزى را نشان داده است. دانش خواص دى الکتریک زمینه اى براى توسعه یک روش جدید براى ارزیابى کیفیت شیر ایجاد مى کند.
گیو و همکاران در مطالعه اي به بررسی اثر غلظت (بر حسب درصد وزنى شیر در اختلاط با آب) و تازگی شیر بر خواص دي الکتریک مایکروویو پرداختند. نتایج نشان داد که شیر تازه کم ترین ثابت دى الکتریک را در فرکانس هاى پایین و کم ترین ضریب اتلاف را در فرکانس کم تر از ۱۷۰۰مگاهرتز داشت، شیر نگه دارى شده به مدت ۷۲ساعت بالاترین ثابت دى الکتریک و پایین ترین ضریب اتلاف را نسبت به شیر تازه در تمامى فرکانس ها دارا بود و شیر نگه دارى شده به مدت ۱۴۴ساعت پایین ترین ثابت دى الکتریک و بالاترین ضریب اتلاف را نسبت به شیر تازه در فرکانس کم تر از ۱۷۰۰مگاهرتز داشت.
خواص دى الکتریک شیر تحت تاثیر پروتئین، لاکتوز و چربى در فرکانس ۲۴۵۰ MHzگزارش شد. نتایج نشان داد که تغییر در میزان گذردهى و فاکتور افت به دلیل هدایت یونى است که مى تواند بر اساس غلظت کاتیون و آنیون و یا بر اساس هم ارزى سدیم کلرید از هدایت الکتریکى محاسبه شود. نونس و همکاران خواص دى الکتریک شیر کامل و شیر کم چرب و پرچرب را در طى دوره دو هفته اى در دماى اتاق گزارش کردند.
ثابت دى الکتریک در فرکانس هاى پایین تر از ۵ GHzبا گذر زمان ابتدا کاهش و سپس شروع به افزایش مى-کند. در این مطالعه، ارتباطى بین ثابت دى الکتریک و pH که یک شاخص مهم براى ارزیابى تازگى شیر است گزارش نشد. به منظور بررسى تأثیر محتواى شیر بر هدایت الکتریکى، ترکیبات لاکتوز، چربى، کازئینات سدیم در شیر گاو براى هدایت الکتریکى شیر در فرکانس ۱۰۰ kHz اندازه گیرى شد. لاکتوز اثر کمى بر هدایت الکتریکى شیر داشته در حالى که افزایش چربى باعث کاهش هدایت الکتریکى شیر شد.
هدف استفاده از طیف نگارى توان دى الکتریک
استفاده از روش هاى دى الکتریک در ارزیابى تازگى شیر در ارتباط با تغییر pHشیر که مى تواند به عنوان شاخص فساد استفاده شود، کم تر گزارش شده است. هدف از انجام این مطالعه به طور کلى بررسى امکان پایش تازگى شیر با استفاده از طیف نگارى توان دى الکتریک مى باشد. اهداف جزئى مطالعه عبارتند از مطالعه و تشخیص تازگى و تغییر pHشیر در طول ۷روز ماندگارى در دماى ثابت با روش طیف نگارى توان دى الکتریک در محدوده فرکانسى ۰تا ۱۵۰مگاهرتز با استفاده از حسگر صفحه موازى، تعیین مشخصه هاى طیفى حساس به تغییرات فیزیکى-شیمیایى شیر در طى ماندگارى و توسعه مدل هاى پیش بینى براى pHو ماندگارى شیر از طیف هاى توان دى الکتریک.
مواد و روش ها در طیف نگارى توان دى الکتریک
روش تهیه نمونه ها
براى انجام این مطالعه، از سه برند شیر موجود در بازار با نام هاى تجارى پاك، کاله و دامداران شیرهاى تازه با تاریخ تولید یکسان تهیه شد. هم چنین یک نمونه شیر گاو تازه از محل دامدارى دانشگاه شهرکرد تهیه شد. نمونه اى از هر شیر جهت آنالیز ترکیبات به آزمایشگاه کیفیت مواد غذایى ارسال شد و با استفاده از دستگاه لاکتواستار مورد تحلیل ترکیبات قرار گرفت. نمونه هاى ۱۰۰گرمى از هر شیر براى اندازه گیرى در هفت روز متوالى با سه تکرار در هر روز )مجموعا ۲۱نمونه ۱۰۰گرمى از هر شیر( در بطرى هاى پلاستیکى استریل ذخیره و در یخچال (در دماى ۳˚C) نگه دارى شد.
روش کار
براى مطالعه تاثیر فساد شیر بر رفتار دى الکتریک، قبل از هر اندازه گیرى، شیر در بطرى هم زده شد. شیر ذخیره شده در یخچال دو ساعت قبل از انجام آزمایش از یخچال بیرون آورده شد تا با دماى محیط متعادل شود. جهت اطمینان از عدم وجود تفاوت زیاد دما در زمان اندازه گیرى، دماى نمونه ها در هر اندازه گیرى توسط ترمومتر دیجیتالى مشخص شد. براى انجام اندازه گیرى هاى دى الکتریک، ۷۰میلى لیتر شیر درون حسگر ریخته شد. حسگر قبل از ریختن نمونه با آب شسته و با دماى محیط خشک گردید. سپس پس از اتصال کابل ها به دستگاه هاى مولد تابع و تحلیل گر طیف اطلاعات مربوط به توان دى الکتریک حسگر در بازه فرکانس ۰-۱۵۰ MHzبه رایانه منتقل و ثبت گردید. پس از آن pHشیر توسط دستگاه pH متر اندازه گیرى شد.
تجزیه و تحلیل داده ها و مدل هاى پیش بینى
در این مطالعه پیش بینى روز ماندگارى و pH از اندازه گیرى هاى دى الکتریک مد نظر بود. شایان ذکر است که اندازه گیرى pH ابزار اندازه گیرى خاص خود را داشته که البته به روش تماسى این اندازه گیرى را انجام مى دهد. روش ارائه شده در این مطالعه با مدل هاى پیش بینى دقیق مى تواند براى اندازه گیرى pHبدون نیاز به تماس مستقیم با نمونه (براى مثال از روى پاکت شیر) نیز توسعه داده شوند. هم چنین در این مطالعه امکان توجیه تغییرات دى الکتریک شیر با تغییرات pH در طى ماندگارى مورد بررسى بود.
در ساده ترین حالت، با استخراج مشخصه اى از طیف به عنوان متغیر و با استفاده از رگرسیون خطى تک متغیره امکان پیش بینى روز ماندگارى و pH بررسى شد. هم چنین با تحلیل همبستگى، قوى ترین فرکانس ها در توجیه تغییرات روز ماندگارى و pH تعیین شد. براى اعتبارسنجى مدل هاى پیش بینى از روش برون گذارى دسته اى ۱با k =7 استفاده شد.
در این روش هر بار با برون گذارى داده هاى یکى از شیرها )با هفت مشاهده در طى هفت روز ماندگارى(، مدل پیش بینى توسعه و با داده هاى دسته برون گذاشته شده اعتبارسنجى شد. تحلیل هایى نیز جهت توسعه مدل هاى پیش بینى خطى چند متغیره و کاهش خطاى پیش بینى انجام شد. در انتخاب متغیرهاى مدل در تحلیل خطى چند متغیره از روش انتخاب پیشرو استفاده شد. معیار انتخاب متغیرها داشتن کوچک ترین مقادیر Pبا معیار P<0/05 تعیین شد. براى اجتناب از بیش برازش مدل به دلیل هم راستایى خطى متغیرها از فاکتور ضریب تورم واریانس (VIF) 1در انتخاب متغیرها استفاده شد.
VIF چیست؟
VIFشاخصى است که میزان هم راستایى خطى براى هر متغیر مستقل پیش بینى کننده را در ارتباط با دیگر متغیرهاى مستقل بیان مى کند. در صورتى که هیچ گونه همبستگى بین یک متغیر و دیگر متغیرهاى مستقل وجود نداشته باشد، شاخص VIF برابر یک و در صورت وجود همبستگى صد در صد این ضریب به بى نهایت میل مى نماید.
به طور عملى مقادیر VIF کوچک تر از ۱۰مى تواند در انتخاب متغیرها با پرهیز از بیش برازش مدل استفاده شود. تحلیل هاى آمارى با استفاده از نرم افزار SAS اجرا شد.
نتایج و بحث
مقایسه طیف هاى توان دى الکتریک طیف هاى توان دى الکتریک بر حسب فرکانس در بازه ۰-۱۵۰مگاهرتز را براى چهار نمونه شیر در هفت روز ماندگارى نشان مى دهد. توان دى الکتریک را به طور معمول با واحد هاى میکرو وات و یا دسى بل (dB) مى توان نشان داد که خروجى دستگاه تحلیل گر طیف با واحد دسى بل مى باشد.
مشاهده شد که طیف هاى با واحد دسى بل وضوح و تفکیک بهترى بین روز هاى ماندگارى شیر نشان مى دهند در حالى که با تبدیل واحد توان به میکرووات طیف ها آشفتگى زیادى نشان دادند. لذا در این مطالعه توان دى الکتریک با واحد دسى بل مورد تحلیل قرار گرفت.
در بازه ۰تا ۳۰مگاهرتز با افزایش فرکانس توان افزایش مى یابد و پس از آن روندى تقریبا کاهشى دارد. در ناحیه بین ۷۵تا ۱۰۰مگاهرتز تغییراتى به شکل دره در طیف اتفاق افتاده که مى تواند در ارتباط با روز ماندگارى و یا تغییرات فیزیکى-شیمیایى شیر باشد. مشخص است که با افزایش ماندگارى تا روز هفتم فرکانس دره افزایش و توان آن به مرور کاهش یافته است. روندى نسبتا مشابه براى هر چهار نمونه شیر مشاهده مى شود.
نتایج دیگر محققین
نتایج دیگر محققین در خصوص روند تغییرات ضریب دى الکتریک و فاکتور افت شیر نیز نشان دهنده رفتارى تقریبا مشابه بوده است. نونس و همکاران گزارش کردند که تا روز هفتم ماندگارى شیر در دماى اتاق، ضریب دى الکتریک در فرکانس هاى کوچک تر از ۵ GHz کاهش یافته و پس از آن شروع به افزایش نموده است که علت این افزایش را در دو فازى شدن محیط به آب و سایر محتویات شیر توجیه نمودند. فاکتور افت در همین محدوده فرکانسى به طور پیوسته با زمان ماندگارى افزایش یافت که علت آن افزایش غلظت یون هاى موجود در شیر و پیرو آن افزایش هدایت یونى با فساد شیر بیان شد.
نتایج گیو و همکاران نشان داد که ضریب دى الکتریک و فاکتور افت در بازه فرکانسى کم تر از یک گیگاهرتز تا ۳۶ساعت از ماندگارى شیر افزایش داشته است که نتیجه اى به نسبت متفاوت در مقایسه با نتایج نونس و همکاران مى باشد.
در واقع آب موجود در مواد غذایى از جمله اثرگذارترین اجزا بر رفتار دى الکتریک ماده مى باشد. آب به خاطر ضریب گذردهى بالا (حدودا ۸۰) نسبت به سایر مواد اثر غالب دى الکتریک را دارد. تا محدوده فرکانس میدان ۱۰۹هرتز مولکول هاى دو قطبى آزاد آب با قابلیت چرخش و همسو شدن با میدان الکتریکى قابلیت ذخیره سازى انرژى را دارد. پیوند مولکول هاى دو قطبى آب با سایر ترکیبات مى تواند منجر به کاهش مولکول هاى دو قطبى آب در ماده و لذا کاهش ضریب گذردهى دى الکتریک شود. فساد شیر در اثر ماندگارى و اسیدى شدن محیط آن مى تواند با کاهش مولکول هاى دو قطبى آب نیز همراه باشد.
همان طور که پیش تر بحث شد، توان دى الکتریک تحت تاثیر ضریب دى الکتریک مختلط (ضریب دى الکتریک به عنوان بخش حقیقى و فاکتور افت به عنوان بخش موهومى) مى باشد. لذا توجیه تغییرات توان با توجه به بحث هاى اشاره شده در خصوص تغییرات ضریب دى الکتریک و فاکتور افت با زمان ماندگارى امر ساده اى به نظر نمى رسد و نیاز به مطالعات بیش ترى خواهد داشت. به طور کلى مى توان انتظار داشت که با کاهش ضریب دى الکتریک با ماندگارى شیر، توان دى الکتریک نیز کاهش یابد چرا که فاکتور افت معمولا تغییرات بسیار کوچک ترى در مقایسه با ضریب دى الکتریک دارد. به هر حال، طیف هاى توان دى الکتریک در محدوده ۷۵تا ۱۰۰ مگاهرتز نشان دهنده تغییرات فیزیکى و شیمیایى است که با فساد شیر اتفاق افتاده است.
در تکرارهاى روزانه هر شیر، طیف هاى دى الکتریک کاملا مشابه بود که بیانگر این حقیقت است که طیف توان دى الکتریک یک اثر انگشت منحصر به فرد از حالت فیزیکى و شیمیایى شیر به دست مى دهد. لذا تا زمانى که ماده مورد آزمون دچار تغییر حالت فیزیکى و یا ترکیب شیمیایى نشود این اثر انگشت یکسان مى ماند.
تفاوت هایى جزئى در طیف براى شیرهاى مختلف در ابتدا و انتهاى دوره نگه دارى مشاهده مى شود که اساسا به خاطر تفاوت هاى محتواى ترکیبات این چهار نوع شیر مى باشد. نکته حائز اهمیت این که روند تغییرات دى الکتریک شیرهاى مختلف با زمان یکسان بوده طورى که دره موجود در فرکانس ۷۵مگاهرتز در روز اول تقریبا به فرکانس ۸۷مگاهرتز در روز هفتم براى هر چهار نوع شیر جابه جا شده است.
تغییرات pH
سه نوع شیر تجارى داراى روند تغییرات کاملا مشابه در pH مى باشند، ولى شیر فله دامدارى تفاوت اندکى را نشان مى دهد. در کل بعد از روز چهارم روند اسیدى شدن محیط شیر شدید مى شود.
اسیدى شدن شیر با گذشت زمان با نتایج دیگر پژوهش ها همخوانى دارد. شیر ترکیب پیچیده اي از آب، لاکتوز، چربی، پروتئین و مواد معدنی و ویتامین ها مى باشد که در فاز محلول و کلوئیدي توزیع شده است. میکروارگانیسم هاى موجود در شیر آن را در طول نگه دارى و طى زمان ابتدا به آرامى و پس از آن با سرعت بیش ترى فاسد مى کنند. با رشد میکروارگانیسم ها، اجزاى موجود در شیر مانند لاکتوز، پروتئین، چربى به اسید هاى مختلف به خصوص اسید لاکتیک و دیگر مواد معدنى با مولکول هاى کوچک تجزیه مى شوند.
این امر منجر به کاهش قابل توجهى در pHشیر مى شود.
پیش بینى روز ماندگارى و pH از فرکانس دره
طیف توان دى الکتریک
با ملاحظه تغییرات طیف هاى توان دى الکتریک همان طور که اشاره شد فرکانس دره واقع در ناحیه فرکانسى ۷۵-۱۰۰مگاهرتز افزایش مى یابند. خطوط رگرسیون بر همه داده هاى انواع شیرهاى آزمون شده برازش شده است. مشاهده مى شود که روز ماندگارى همبستگى قوى با فرکانس دره طیف دارد.
با استفاده از این مشخصه طیف و روش اعتبارسنجى برون گذارى دسته اى پیش بینى روز ماندگارى از فرکانس دره طیف بررسى شد. خطاى این پیش بینى حدود یک روز (RMSE= 0/8) تعیین شد.
تغییرات pHدر مقابل فرکانس دره براى انواع شیر نشان مى دهد که در روزهاى اول تا چهارم ماندگارى که pHتغییر چندانى نداشته است فرکانس دره ها تغییرات نسبتا زیادى داشته است. این نتیجه نشان مى دهد که تغییرات واقع شده در فرکانس دره به طور کامل با تغییرات pH توجیه نمى شود و احتمالا تغییرات شیمیایى دیگرى نیز در شیر اتفاق افتاده است که بر pH تاثیرى نداشته ولى بر فرکانس دره طیف هاى توان دى الکتری اثر گذار بوده است. با کاهش pHبعد از روز چهارم مشاهده مى شود که فرکانس دره افزایش داشته است. به نظر مى رسد که ارتباط بین pH و فرکانس دره با دو تابع خطى بهتر بیان شود.
هر چند خطاى قسمت تابع روز هاى اول ماندگارى مطلوب نمى باشد. لذا فرکانس دره طیف به عنوان مشخصه مطلوبى براى پیش بینى pHپیشنهاد نمى شود قوى ترین فرکانس هاى توجیه کننده روز ماندگارى pH و تحلیل همبستگى بین روز ماندگارى و pHو توان دى الکتریک در فرکانس هاى مختلف نشان داد که دو فرکانس ۲/۷و ۸۹/۴ مگاهرتز به ترتیب قوى ترین فرکانس ها در توجیه این دو متغیر وابسته مى باشند. شکل هاى ۷و ۸آزمون هاى اعتبارسنجى پیش بینى روز ماندگارى و pHرا از فرکانس هاى مذکور نشان مى دهد که ضرایب تبیین ۰/۹۵و ۰/۹۴و خطاهاى ۰/۴و ۰/۲۲ به دست داده اند. لذا با استفاده از توان دى الکتریک در این تک فرکانس ها به نحو مطلوبى مى توان روز ماندگارى و pH شیر را پیش بینى نمود.
اگرچه دقت پیش بینى مدل هاى تک متغیره بحث شده در بالا مطلوب به نظر مى رسد، با استفاده از مدل هاى چند متغیره خطى خطاى پیش بینى تا حد بسیار ناچیزى کاهش یافت.
مدل رگرسیون خطى چند متغیره با فرکانس هاى انتخاب شده توسط معادله بیان مى شود پارامترهاى مدل رگرسیون خطى چند متغیره با فرکانس هاى مؤثر انتخاب شده براى pHو روز ماندگارى گزارش شده اند. همان طور که قبلا اشاره شد، متغیرها با کم ترین مقادیر Pو فاکتور VIFکوچک تر از ۱۰انتخاب شدند.
در کل چهار فرکانس براى روز ماندگارى و پنج فرکانس براى پیش بینى pHانتخاب شدند. نتایج اعتبارسنجى این مدل ها نشان مى دهد که خطاى پیش بینى روز ماندگارى و pH به ۶ و ۰/۱۱ کاهش یافته اند.
نتیجه گیرى
در این مطالعه از روش طیف نگارى توان دى الکتریک به عنوان یک روش غیرمخرب و سریع براى برآورد میزان ماندگارى شیر استفاده شد. با گذشت زمان میزان pHشیر کاهش یافت و تغییراتى در طیف هاى توان دى الکتریک مشاهده شد که در ارتباط با تغییرات فیزیکى و شیمیایى شیر با ماندگارى است. قوى ترین فرکانس ها در توجیه روز ماندگارى و pH شیر فرکانس هاى ۲/۷و ۸۹/۴مگاهرتز انتخاب شدند که خطاى پیش بینى ۰/۴و ۰/۲۲را به ترتیب براى روز ماندگارى و pHبه دست داد.
تحلیل هاى رگرسیون چند متغیره خطى با انتخاب چهار فرکانس ۳/۹ ،۷۵/۳ ،۲/۷و ۸۱/۶مگاهرتز در برآورد روز ماندگارى شیر و پنج فرکانس ۸۴/۶ ،۴/۸ ،۸۱/۹ ،۸۹/۴ و ۸۱/۳مگاهرتز در برآورد میزان pHریشه میانگین مربعات خطا را به ۰/۲۶و ۰/۱۱کاهش دادند. نتایج این تحقیق تایید مى کند که روش دى الکتریک یک روش توانمند و دقیق در اندازه گیرى میزان تازگى شیر مى باشد. این مطالعه اطلاعات مفیدى را براى توسعه روشى سریع و ساده براى ارزیابى تازگى شیر در صنایع غذایى فراهم مى نماید.
