Comprehensive Optimization of Nitric Acid and Hydrogen Peroxide in Microwave-Assisted Digestion for Simultaneous Multi-Mineral Extraction in Diverse Food Matrices

لفهم ما نأكله، يجب على العلماء أولاً أن ينظروا إلى ما وراء الطعام نفسه. فكل لقمة تحتوي على خليط معقد من البروتينات والدهون والكربوهيدرات التي تعمل كقفص، يحبس المعادن الأساسية مثل الحديد والكالسيوم والزنك. ولقياس هذه العناصر الغذائية بدقة، يجب على الباحثين كسر ذلك القفص وإذابة المادة العضوية، تاركين المعادن فقط في محلول سائل. وتُعد هذه العملية، المعروفة باسم الهضم، خطوة أولى حاسمة في تحليل الأغذية. لعقود من الزمن، اعتمد النهج المعياري على تسخين العينات باستخدام أحماض قوية، وهي طريقة تعمل بشكل جيد ولكنها قد تكون قاسية، ومستهلكة للوقت، وصعبة الإدارة بأمان في المختبرات الحديثة. مؤخراً، توجه العلماء إلى الهضم بمساعدة الميكروويف، وهي تقنية تستخدم الموجات الدقيقة لتسخين الحمض داخل أوعية محكمة الإغلاق. هذه الطريقة أسرع وأكثر أماناً، لكنها تثير سؤالاً عملياً: ما هي كمية الحمض المطلوبة فعلياً؟ فاستخدام الكثير منها يعد هدراً ويخلق المزيد من النفايات الخطرة، بينما قد يؤدي استخدام القليل جداً إلى ترك بعض المعادن محبوسة، مما يؤدي إلى ملصقات غذائية غير دقيقة.

وضع فريق من الباحثين في المعهد الوطني للابتكار الطبي الحيوي والصحة والتغذية في اليابان هدفاً لإيجاد التوازن المثالي. أرادوا تحديد المزيج الأمثل من حمض النيتريك وبيروكسيد الهيدروجين لاستخراج مجموعة واسعة من المعادن من أنواع مختلفة جداً من الأطعمة. وقد اختاروا ثلاثة أطعمة تمثل الطرق المتنوعة التي تعبئ بها الطبيعة العناصر الغذائية: الشوكولاتة، الغنية بالدهون والسكر؛ والجبن، المليء بالبروتين والدهون؛ والنوري، وهو أعشاب بحرية مجففة عالية في البروتين والكربوهيدرات. ولضمان دقة قياساتهم، اختبروا أيضاً قرصاً من الفيتامينات المتعددة، وهو معيار معروف يعمل كنقطة مرجعية موثوقة. لم يكن هدفهم مجرد استخراج المعادن، بل القيام بذلك باستخدام مجموعة واحدة من الظروف التي تعمل بشكل جيد لجميع أنواع الأطعمة المختلفة هذه في آن واحد، بدلاً من طلب وصفة فريدة لكل صنف على رفوف المتاجر.

وضع الباحثون عينات صغيرة من كل طعام في أوعية خاصة وأضافوا كميات متفاوتة من حمض النيتريك وبيروكسيد الهيدروجين. ثم أخضعوا هذه المخاليط لحرارة شديدة داخل نظام ميكروويف، حيث وصلت درجات الحرارة إلى 220 درجة مئوية. ومن خلال تغيير تركيز الحمضين بشكل منهجي عبر تسعة إعدادات تجريبية مختلفة، تمكنوا من مراقبة كيفية استجابة كل معدن. وقاموا بقياس ثلاثة عشر عنصراً مختلفاً، بما في ذلك العناصر الغذائية الشائعة مثل المغنيسيوم والبوتاسيوم، وكذلك المعادن النادرة مثل السيلينيوم والموليبدينوم، بل وراقبوا الرصاص، وهو ملوث شائع. واستخدم الفريق أدوات إحصائية متقدمة لرسم العلاقة بين مستويات الحمض وكمية المعدن المستخلص، مما خلق خريطة مفصلة لما يعمل بشكل أفضل لكل عنصر محدد في كل طعام محدد.

كشفت النتائج عن نمط واضح ومفاجئ نوعاً ما. فبالنسبة للعديد من المعادن الشائعة مثل الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم، لم يشكل مقدار الحمض المستخدم فرقاً كبيراً؛ إذ كانت هذه العناصر سهلة التحرر بغض النظر عن الظروف. ومع ذلك، بالنسبة للمعادن الأكثر استعصاءً مثل الحديد والكروم والرصاص، كان تركيز حمض النيتريك هو العامل الأكثر أهمية. وبشكل عام، أدت التركيزات الأعلى من حمض النيتريك إلى استخراج أفضل. أما دور بيروكسيد الهيدروجين، الذي كان يُعتقد غالباً أنه بديل مفيد لحمض النيتريك، فقد تبين أنه أكثر تعقيداً. فبينما ساعد في بعض الحالات، إلا أنه كان يعيق العملية في حالات أخرى، لا سيما بالنسبة للحديد، حيث أدى إضافة المزيد من البيروكسيد في الواقع إلى تقليل كمية الحديد المستخلصة. وقد تحدى هذا الاكتشاف الفكرة القائلة بأن بيروكسيد الهيدروجين يمكنه ببساطة استبدال حمض النيتريك لجعل العملية أكثر رفقاً بالبيئة وأقل خطورة.

ربما كان الاكتشاف الأكثر أهمية هو أن الظروف المثالية لأحد المعادن غالباً ما تتعارض مع ظروف معدن آخر. فعلى سبيل المثال، كان المزيج المثالي لاستخراج الرصاص من الشوكولاتة مختلفاً عن المزيج المطلوب لاستخراج الحديد من نفس الشوكولاتة. وهذا يعني أن العثور على وصفة واحدة "مثالية" لجميع المعادن في جميع الأطعمة كان مستحيلاً من الناحية الرياضية. وبدلاً من ذلك، استخدم الباحثون طريقة التحسين متعدد الأهداف لإيجاد حل وسط عملي. فقد حسبوا مجموعة موحدة من الظروف التي تستخلص أعلى متوسط لكمية جميع المعادن معاً، حتى لو لم تكن هي الحد الأقصى المطلق لكل منها على حدة. وتوصلوا إلى أن مزيجاً يحتوي على حوالي 47.4% من حمض النيتريك و5.8% من بيروكسيد الهيدروجين قدم أفضل أداء إجمالي.

تحت هذه الظروف الموحدة، وجد الباحثون أنهم يستطيعون استخراج حوالي 94% من المعادن المستهدفة عبر مختلف المصفوفات الغذائية التي اختبروها. وهذا المستوى من الاستعادة مرتفع بما يكفي لاعتباره موثوقاً لتحليل سلامة الأغذية والتغذية الروتيني. وتشير الدراسة إلى أنه بينما يجب على العلماء أن يظلوا حذرين لضبط الطرق بدقة للحالات المحددة والصعبة، فإن نهجاً واحداً تمت معايرته جيداً يمكن أن يعمل كقاعدة قوية لتحليل مجموعة واسعة من الأطعمة. يوفر هذا الاكتشاف مساراً عملياً للمختبرات، مما يسمح لها بتقليل الحاجة المستمرة لتعديل الطرق مع ضمان بقاء المعلومات الغذائية على ملصقات طعامنا دقيقة وجديرة بالثقة.