Fabrication of a colorimetric ammonia nitrogen indicator using ube peel-derived anthocyanins in a gellan gum/carboxymethyl cellulose matrix

غالباً ما تعتمد جودة المياه وسلامة الأغذية على مادة كيميائية واحدة غير مرئية: الأمونيا. توجد هذه المركب في كل شيء، بدءاً من الجريان السطحي الزراعي وصولاً إلى الهواء فوق اللحوم التي بدأت في التحلل، وهي ملوث قوي يمكن أن يضر بالأنظمة البيئية ويشير إلى أن الطعام لم يعد صالحاً للأكل. عادة ما يتطلب اكتشافها معدات مختبرية باهظة الثمن أو مواد كيميائية سامة تخلق نفاياتها الخاصة. لطالما بحث العلماء عن بديل أبسط، متوجهين نحو صبغات الطبيعة ذات الألوان المتغيرة. هذه الصبغات، المعروفة باسم الأنثوسيانين، هي نفس المركبات التي تمنح التوت والكرنب الأحمر والبطاطا الحلوة الأرجوانية ألوانها الزاهية. وهي تعمل كمؤشرات طبيعية للرقم الهيدروجيني (pH)، حيث يتغير لونها عند مواجهة بيئات حمضية أو قلوية. وبما أن الأمونيا تجعل الماء أكثر قلوية، يمكن لهذه الصبغات نظرياً أن تعمل كنظام تحذير بصري، حيث يتغير لونها من الأحمر إلى الأزرق أو البني مع ارتفاع مستويات الأمونيا. ومع ذلك، فإن هذه الصبغات الرقيقة هشة؛ فهي تتحلل بسرعة عند التعرض للضوء أو الهواء، مما يجعل من الصعب استخدامها في مستشعر عملي ومتين.

وضع فريق من الباحثين في جامعة دي لا سالي في الفلبين هدفاً لحل هذه المشكلة من خلال إنشاء مستشعر مسامي متين يمكنه تثبيت هذه الصبغات الهشة في مكانها. وقد اختاروا مصدراً محدداً لصبغتهم: قشور "الأوبي" (اليام الأرجواني)، وهو محصول أساسي في الفلبين ينتج كميات كبيرة من النفايات أثناء المعالجة. وبدلاً من التخلص من هذه القشور، استخلص الفريق الأنثوسيانين ودمجه في مصفوفة هلامية (جل) من نوع جديد. كانت هذه المصفوفة مزيجاً من بوليمرين طبيعيين: "صمغ الجيلان" الذي يوفر القوة الهيكلية، و"كربوكسي ميثيل السليلوز"، وهو مشتق من السليلوز يساعد المادة على امتصاص الماء. ولربط هذين المكونين معاً، استخدم الباحثون كلوريد الكالسيوم، وهو ملح شائع يعمل كجسر بين سلاسل البوليمر، مما يخلق شبكة مستقرة.

واجه الباحثون عملية توازن دقيقة؛ فقد احتاجوا إلى مادة قوية بما يكفي للحفاظ على شكلها، ولكنها مسامية بما يكفي للسماح للماء وغاز الأمونيا بالتدفق بسهما. فإذا كانت المادة كثيفة جداً، فلن تتمكن الأمونيا من الوصول إلى الصبغات بداخلها؛ وإذا كانت رخوة جداً، فسوف يتفكك المستشعر. ولإيجاد الوصفة المثالية، اختبروا تركيبات مختلفة من البوليمرين وتركيزات مختلفة من ملح الكالسيوم. واكتشفوا أن مزيجاً معيناً، يحتوي على ضعف كمية كربوكسي ميثيل السليلوز مقارنة بصمغ الجيلان ومعالج بتركيز منخفض من كلوريد الكالسيوم، خلق الهيكل الأكثر فعالية. هذا المزيج المحدد امتص أكبر قدر من الماء، حيث انتفخ ليصل إلى ما يقرب من أربعة وثلاثين ضعف وزنه الجاف، مما يشير إلى بنية داخلية مفتوحة وسهلة الوصول للغاية. وكان سعة الانتفاخ العالية هذه أمراً حاسماً لأنها سمحت للأمونيا بالانتشار بسرعة داخل المستشعر، مما يحفز تغير اللون.

بمجرد تحديد المصفوفة المثلى، قام الفريق بتغليف مستخلص قشور "الأوبي" داخلها. ثم اختبروا مدى استجابة هذا المستشعر الجديد للأمونيا. عرضوا المادة لتركيزات متفاوتة من غاز الأمونيا، تتراوح من عدم وجودها إلى مستويات عالية جداً، وراقبوا تحول اللون بمرور الوقت. كانت النتائج واضحة: مع زيادة تركيز الأمونيا، أصبح المستشعر داكناً، متحولاً من لونه الأصلي المائل للاحمرار إلى درجة بنية أعمق. حدث هذا لأن الأمونيا، كونها قلوية، تفاعلت مع الأنثوسيانين، مما غير بنيتها الكيميائية وكيفية عكسها للضوء. وجد الباحثون أن المستشعر يعمل بشكل أفضل عند إعطائه ساعة ونصف للتفاعل، وعند تلك النقطة تكون العلاقة بين تغير اللون وتركيز الأمونيا هي الأكثر قابلية للتنبؤ والموثوقية.

بعيداً عن قدرته على اكتشاف الأمونيا، أثبت المستشعر الجديد أنه سليم ميكانيكياً. أظهرت الاختبارات أن إضافة الصبغة لم تضعف المادة، وحافظ المنتج النهائي على قوة شد مماثلة للمصفوفة بدون الصبغة. كشفت الصور المجهرية التفصيلية أن المادة لها بنية مسامية تشبه الصفائح، مما يؤكد أن عملية التجفيف بالتجميد قد خلقت القنوات اللازمة لحركة الماء والغاز. وأكد التحليل الكيميائي أن الصبغات كانت محاصرة فيزيائياً داخل شبكة البوليمر من خلال روابط طبيعية، وليس تم تغييرها كيميائياً، مما يعني أن المستشعر احتفظ بالخصائص الطبيعية لمستخلص "الأوبي".

يُظهر هذا العمل طريقة عملية لتحويل النفايات الزراعية إلى أداة وظيفية لمراقبة سلامة الأغذية والبيئة. فمن خلال استخدام قشور اليام الأرجواني ومزيج من البوليمرات الطبيعية البسيطة، أنشأ الباحثون مستشعراً مستداماً وفعالاً في آن واحد. وهو يقدم بديلاً محتملاً لطرق الكشف المعقدة والمكلفة، مما يوفر طريقة بصرية ومنخفضة التكلفة لمراقبة مستويات الأمونيا. وتشير الدراسة إلى إمكانية تطوير مثل هذه المواد بشكل أكبر لتطبيقات في العالم الحقيقي، وتحويل منتج ثانوي شائع لمعالجة الأغذية إلى حارس للمياه النظيفة والغذاء الآمن.