تعيين عناصرموجوددربرخي گونه هاي برنج ايراني بااستفاده ليزر
دقیقه مطالعه
برنج يكي از اجزاي اصلي سبد غذايي مردم ايران
و حدود 4/2 ميليارد نفر از جمعيت جهان اسـت.
با مجله خبری ایشومر همراه باشید :
مطـابق (Food and Agriculture OrganizationFAO) گـزارش تقريبا 30 درصد
از انرژي و 20 درصـد از پروتئيـن مـردم مردم جهان از طريق مصرف برنج تامين مي شود
برنج تامين كننده عناصري مانند كلسيم، فسفر، پتاسـيم، فلـور، آهن و روي اسـت.
از طرفـي تركيبـات مضـر كـه همـان فلزات سنگين هستند،
مي تواننـد از طريـق خـاك جـذب بدن شده و وارد زنجيره غذايي انسان شوند.
فلزات سنگین
از اين دسـته فلزات ميتوان به كادميوم ، نيكل و جيوه اشـاره كـرد.
بررسي متون علمي معتبر دنيا دلالت بر عوارض سوء اين عناصر بر سيستم هاي بيولوژيكي
بدن انسـان دارد.
اثـرات فلزات سنگين روي انسان مختلف بوده و عمده تـرين آن مربوط به بروز اختلالات عصبي،
سرطانزايـي، تخريـب كليـه، مشـكلات ريـوي و سـرطان اسـت.
مطالعـات متنوعي بر پايه روشهاي آنـاليزي گونـاگون در سراسـر جهان براي تعيين محتواي فلزات
سنگين در برنج و تعيين ارتباط آن با عوامـل محيطـي و شـرايط اقليمـي صـورت گرفته است
بينابنمايي جذب اتمي،
بينـابنمـايي پلاسماي جفت شده القايي و بينابنمايي جرمـي برخـي
از اين روشها ميباشند.
در اغلـب ايـن روشهـا نيـاز بـه آماده سازي نمونه وجود داشته و نتايج
آنها بـا توجـه بـه چشمههاي نوري موجود در سيستمهاي انـدازه گيـري بـه تعـدادي خاصـي
از عناصـرمحـدود مـيباشـد در ضـمن امكـان كـاربرد آنهـا بـراي همـه حـالات مـاده وجـود ندارد.
روش آنالیز LIBS
در ايــران اقــداماتي بــه منظــور شناســايي عناصــر ســـنگين در انـــواع مختلـــف بـــرنج
انجـــام شـــده كـــه اغلب بـر تكنيـكهـاي شـيميايي و بينـابنمـايي جـذبي استوار است
در ايـن پـژوهش عـلاوه بـر معرفـ ي تكنيــك بينــاب نمــايي فروشكســت القــايي ليــزري
( Laser Induced Breakdown Spectroscopy) بـه عنـوان يـك روش جديـد آنـاليزعنصـري
كـه داراي مزاياي متعددي از قبيل عدم نياز بـه آمـادهسـازي نمونـه، قابليت آناليز همزمان
چند عنصري، سريع و غيـر مخـرب و قابل استفاده براي همه حالات ماده، عناصر فلزي مضر
و ضروري موجـود در تعـدادي از انـواع بـرنج ايرانـي بـا استفاده از آن مورد آناليز قـرار گرفـت.
در ايـن تكنيـك نمونهها بدون هيچگونه آمادهسازي خاصي تحـت تـابش ليزر قرار ميگيرند.
براي رساندن انـرژي ليـزر بـه مقـدار انرژي لازم بـراي تبخيـر نمونـه تحـت آنـاليز، معمـولا از
يكسري ادوات اپتيكي نظير عدسي براي كـانوني كـردن پرتو ليزر استفاده مـيشـود.
بـا تمركـز انـرژي ليـزر روي نمونــه مــورد آنــاليز، مــاده تبخيــر شــده و پلاســماي آن تشكيل ميشود.
اين پلاسما تركيبي از عناصر موجود در ماده، الكترونهـاي آزاد و مراتـب مختلـف يـوني نمونـه مورد نظر ميباشد.
پس از تبخير نمونه و تشكيل پلاسـما، اين پلاسما شروع به نشر كرده و با ثبت طيف نشـري آن مي توان بـه
تركيبـات نمونـه دسـت پيـدا كـرد.
برخـي از كاربردهاي اين روش آنـاليزي در صـنايع غـذايي شـامل
آناليز عناصر موجود در نان صبحانه، پوست سيب زميني، روغن سبزيجات،
رطوبت موجود در انواع مختلـف پنيـر و شناسايي برخي تركيبات موجود در ميوه ها نظير پرتقال
تاكنون گزارش شده اند.
براساس اطلاعات انتشار يافته تاكنون، گزارشي مبني بر استفاده از اين روش بـراي آناليز مواد غذايي
در كشور منتشرنشده است.
مواد و روش ها
براي انجام اين پژوهش شش نـوع بـرنج پرمصـرف توليـدي در سـال 1392 كـه
در نـواحي مختلـف زراعـي ايران كشت شده بودند، انتخاب و از هـر كـدام بـه طـور
تصادفي سـه نمونـه از بـازار خريـداري شـد.
پراكنـدگي نواحي جغرافيايي كشت بهمنظور بهدست آوردن تحليلي از مقـدار ايـن
تركيبـات مضـردر آب و خـاك نـواحي مختلف يكي از دلايل انتخاب اين نوع برنج هابود.
همانطوركه اشاره شد، بـراي آنـاليز نمونـههـا هـيچ آمادهسازي خاصي لازم نبود.
براي انجام آناليز ازسيسـتم Applied Photonics شـركت سـاخت LIBSCAN100 استفاده شد.
اين سيستم مجهز به ليزر YAG:Nd با انرژي خروجي 100mJ ،پهناي پالس 2±7 نانوثانيه و نرخ تكرار
متغير 1 تا 20 هرتز مي باشد.
پرتـو خروجـي ليـزر توسـط عدسي روي نمونه كانوني شده كه اين امـرباعـث توليـد پلاسما ميگردد.
اين پلاسما توسط هشت طيفسنج كـه با يكديگر سري شده و قابليت ثبت طيف در ناحيـه 180 تا 1157
نانومتر با دقـت 04/0 نـانومتر را دارا مـيباشـند، ثبـت گرديـد.
طيـفهـاي ثبـت شـده توسـط نـرمافـزار Specline Plasus مورد تجزيه وتحليل قرار گرفت.
اين نرم افزار قابليت شناسايي تمـامي عناصـر و اغلـب مراتـب يوني موجود در پلاسماي
تشكيل شـده را دارا مـيباشـد.
طرح واره شماتيكي روش آناليزي فوق درتصوير شماره 1 نشان داده شده است.
كلسيم، فسـفر، آهـن، روي، فلـور، منيزيم و كروم سه ظرفيتي عناصر ضـروري هسـتند كـه در
اين پـژوهش مـورد بررسـي قـرار گرفتـه انـد.
آرسـنيك، نيكل، سرب، جيوه، كادميوم و كروم كه بخشـي ازفلـزات مضر موجود در مواد غذايي ميباشند،
نيز مـورد بررسـي قرار گرفتند.
طيفهاي ثبـت شـده ازنمونـه هـاي مختلـف بــرنج در نمــودار شــماره 1 آورده شــده اســت.
از روش كاليبراسيون آزاد براي بهدسـت آوردن غلظـت نمونـه هـا استفاده شد.
براي اين كار يكي از عناصر موجـود در نمونه كه اطلاعات طيفي آن استخراج شده انتخـاب و بـا استفاده از
اطلاعات تئوري مربوط به ترازهاي طيفـي كـه از سايت استاندارد مواد استخراج شد.
منحني شـدت برحسـب انـرژي ترازهـاي متنـاظررسـم وبـا اسـتفاده از نرم افـزار Matlab بهتـرين خـط
بـا كمتـرين خطـا بـر آن بـرازش شـد.
در ايـن مطالعـه بـراي كـاليبره نمـودن داده ها،
عنصر آهن
انتخاب گرديد.
بـا اسـتفاده از نتـايج حاصـل از كاليبراسـيون، غلظت عناصر در نمونه هاي مختلف برنج محاسبه شده است.
طول موج هاي مربوط به عناصر ضروري كلسيم، پتاسـيم، آهـن، منيـزيم، روي، كـروم سـه ظرفيتـي،
فسـفر و فلـور به وضوح ثبت گرديد.
همچنين قله هـاي طيفـي مربـوط بـه فلزات مضركروم شش ظرفيتي، سرب، جيوه، آرسـنيك و نيكل نيز مشـاهده شـد.
از روش كاليبراسـيون آزاد براي محاسبه غلظت تركيبها استفاده شد.
غلظت
كلسيم در نمونه ها از34 تا 873 ميليگرم بر كيلـوگرم بـا ميانگين kg/mg 666/343 متغير بود.
بيشترين غلظـت در برنج خوزستان kg/mg 873 و كمتـرين آن kg/mg 34 در برنج هاشمي مشاهده شد.
غلظت پتاسيم در نمونه ها از 72 تـــا 903 ميلـــيگـــرم بـــر كيلـــوگرم وبـــا ميـــانگين kg/mg 166/379 متغيـربـود.
بيشـترين غلظـت در بـرنج هاشمي kg/mg 903 و كمتـرين آن kg/mg 72 در بـرنج خوزستان بود.
حداكثر غلظت آهن با مقدار kg/mg 900 براي طارم محلي و حـداقل مقـدارkg/mg 23
بـراي پـنج ســتاره فــلاح ثبــت گرديــد.
بيشــترين غلظــت منيــزيم kg/mg 2100 در برنج لنجان و كمتـرين آن kg/mg 730 درنوع طارم محلي ديده شـد.
بـرنج پـنج سـتاره فـلاح از نظـرروي kg/mg 380 ازهمـه غنـي تـر، طـارم نـاب بـا kg/mg 13 از همه فقيرتر بود.
غلظت كروم سـه ظرفيتـي در نمونـههـا از 010/0تـا 72 ميلـيگـرم بـر كيلـوگرم بـا
ميانگين kg/mg 848/24 متغير بود كه بيشترين مقـدارآن در برنج طارم محلي و كمترين آن در طارم ناب مشاهده شد.
حداقل غلظت فسفر kg/mg 36 متعلق بـه هاشـمي و حداكثر آن بـا مقـدار kg/mg 200 متعلـق
بـه بـرنج طـارم محلـي بـود.
بيشـترين غلظـت فلـور kg/mg 43 در بـرنج خوزستان و كمترين آن kg/mg 13 در نوع لنجـان ثبـت گرديـد.
در ميـان عناصـرمضـر خوشـبختانه كـادميوم در نمونه هـا مشـاهده نشـد.
غلظـت كـروم شـش ظرفيتـي در نمونه ها از 004/0تا 416/6 ميلـيگـرم بـر كيلـوگرم و
بـا ميانگين آن kg/mg 391/2 متغير بود.
بيشترين غلظت در بـرنج هاشـمي برابـربـا kg/mg 416/6 و كمتـرين آن بـا kg/mg 004/0
در طـارم محلـي مشـاهده شـد.
حـداكثر غلظت سرب با مقدار kg/mg 35 براي بـرنج طـارم نـاب مازندران و كمترين آن در نوع
طـارم محلـي ديـده شـد.
برنج هاشمي با kg/mg 3 از نظر آرسنيك از همـه آلـوده تر وبرنج طارم محلي از همه سالمتر بـود.
غلظـت نيكـل در نمونهها از 001/0 تا 411/2 ميلـيگـرم بركيلـوگرم بـا ميـانگين kg/mg 963 متغيـربـود.
بـيشتـرين غلظـت در برنج هاشمي و كمترين آن در برنج طارم محلي مشاهده گرديد.
بحث
روشهاي آناليزي مرسوم در صـنايع غـذايي اغلـب متكي بر بينابنمايي جذب اتمـي و
روشهـاي شـيميايي مــيباشــند.
ايــن روشهــاي آنــاليزي بواســطه روش عملكردي آنها دقت بالايي دارند لـيكن اغلـب توانـايي
شناسـايي دسـته محـدودي از عناصـر را دارنـد.
از سـوي ديگر نياز به آماده سازي، غيـر قابـل اسـتفاده بـودن بـرا ي تمامي حالات
ماده و در برخي موارد غير مخـرب بـودن از محدوديت هاي عملكردي اغلب اين روشها مي باشد.
روش آناليزي LIBS با توجه به ساختار عملكردي خـود كه مبتنـي بـر نشـر پلاسـماي
گسـيلي از مـاده مـي باشـد،
محدوديت هاي فوق را نداشـته و از لحـاظ آنـاليز كيفـي
شناسايي عناصر و يونهـاي موجـود در نمونـه تـاكنون گزارشـي مبنـي بـر شناســايي
وانـدازه گيـري تركيبــات ضروري در برنج توليـدي كشـور گـزارش نشـده اسـت .
كروم سه ظرفيتي يك عنصر ضروري بـراي بـدن انسـان اســـــت كـــــه
درمكانيســـــم انســـــولين ومتابوليســـــم چربي،كربوهيدرات و پروتئين موثر است.
مصـرف لجـن فاضلاب و كودهاي فسفاته در زمـينهـاي كشـاورزي و
باقيمانده هاي ناشي ازمصرف سوخت هاي فسيلي ازعوامل آلودگي برنج به كادميوم است.
اين عنصـر پـس از ورود به بدن در كليه ها تجمع يافته و باعث عـوارض نـامطلوبي مانند اسهال،
استفراغ شديد، شكسـتگي اسـتخوان، عقـيم شدن و آسيب به سيستم ايمني بدن ميشـود.
در ايـن مطالعــه كــادميوم در نمونــه هــا مشــاهده نشــد،
ولــي در مطالعهاي كه توسط ززولي و همكـاران روي بـرنجهـاي هندي وارداتـي بـه ايـران انجـام شـد،
ميـانگين محتـوايي كادميوم kg/mg 4/0اعلام گرديد.
كروم بـه صـورت شش ظرفيتي بـراي انسـان سـمي اسـت.
كـروم اغلـب از پساب كارگاههاي فلزكاري، رنـگسـازي و بـه صـورت كرومـات و بـيكرومـات وارد خـاك مـيشـود.
در مطالعهاي كه توسط ملكوتيان و همكاران روي برنجهاي هنــدي وارداتــي بــه
ايــران انجــام شــد، ميــانگين كــروم kg/mg 653/0 تعيين مقدار گرديد.
در اين پـژوهش ميـانگين غلظـت ايـن عنصـر kg/mg 963/0 تعيـين شـد. آرسنيك به 3 فرم فلـزي، 3 ظرفيتـي
و 5 ظرفيتـي وجـود دارد و ميـزان سـميت آن بـه سـرعت دفـع آن از بـدن و درجــه تجمــع آن
در بافــتهــاي ســلول
بســتگي دارد.
فشـارخون، سـرطان پوسـت، سـرطان مثانـه و مشـكلات تنفســي از عــوارض ورود آرســنيك
دربــدن اســت.
در تحقيقي كه توسـط صـالحيپـور و همكـاران انجـام شـده بود، ميانگين غلظت آرسنيك در برنج
توليـدي اصـفهان kg/mg 25/0 گزارش شـده اسـت.
ميـانگين غلظـت اين عنصر در ايـن پـژوهش بـراي بـرنج نـواحي مختلـف تعيين گرديد 0/940 mg/kg ايران
سرب به طور طبيعي در محيط زيست وجود دارد و يكي از چهار فلزي است كه بيشترين عـوارض را روي
ســلامتي انســان دارد.
اخــتلال در ميــزان هموگلــوبين،كمخـوني، افـزايش فشـارخون، آسـيب بـه كليـه،
سـقط جنــين، اخــتلال در سيســتم عصــبي و كــاهش قــدرت يادگيري
از عوارض منفي افزايش سرب در بـدن اسـت.
بيشــترين راه جــذب ســرب بــه بــدن
از طريــق دســتگاه گــوارش بــوده و برحســب ســن افــراد متفــاوت اســت،
به طوريكه جذب سرب خورده شده در يـك فـرد بـالغ حدود 10 درصد و در كودكان 40 درصد اسـت.
در مطالعهاي كه توسط ززولي و همكاران برروي برنجهـاي ايراني توليدي در شمال كشور صورت گرفت، ميزان سرب
برابر با kg/mg 5/11 به دست آمـد.
در ايـن پـژوهش ميانگين سرب موجود kg/mg 096/6 اندازه گيري شد.
جيوه يكي ديگر از عناصر مضـر بـراي بـدن اسـت،
به طوريكه وجود هر مقدار آن در بدن نشانگر آلـودگي بدن به اين عنصر است.
تاكنون گزارشي مبني بـر انـدازه گيري غلظت جيوه و نيكل در انـواع مختلـف بـرنجهـاي ايراني
انتشار نيافته، وليكن در اين تحقيق ميانگين غلظـت mg/kg جيــوه غلظــت ميــانگين
و0/963 mg/kg نيكــل 773/0تعيين گرديد.
در ايـن مطالعـه روشـي جديـد جهـت آنـاليزمـواد غذايي با قابليتهاي عدم نياز به آماده سازي نمونه،
سريع و غيرمخرب بودن و قابليت كـاربرد بـراي همـه حـالات ماده (جامد، مـايع، گـاز) معرفـي گرديـد.
عناصـر فلـزي مضر و ضروري موجود در انواع مختلف برنج ايرانـي بـا استفاده ازاين روش بررسي شد.
درميان عناصـر ضـروري، انواع مختلف برنج ايراني به طور ميانگين بيشتر از همـه از نظر منيزيم غني تر بود
و پتاسيم، آهـن، كلسـيم، روي، فسفر، كروم(3 ظرفيتي) وفلوردرمرتبههاي بعدي هسـتند.
كروم (6 ظرفيتي) درميان عناصرمضردرنمونه ها بيشـتر از همه وجود داشت.
سـرب، آرسـنيك، جيـوه و نيكـل در مراتب بعدي قرارداشته و كادميوم درنمونه ها مشاهده نشد.
سپاسگزاري
اين تحقيق در پژوهشكده علوم و فنـاوري اپتيـك و ليزر دانشگاه صـنعتي مالـك اشـتر انجـام شـده اسـت .
از تمامي همكاراني كه انجام اين تحقيق را ممكـن و ميسـر نمودند،
سپاسگزاري مي شود.