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

जल की गुणवत्ता और खाद्य सुरक्षा अक्सर एक ही, अदृश्य रसायन पर टिकी होती है: अमोनिया। कृषि अपवाह से लेकर सड़ते हुए मांस के ऊपर की हवा तक, सब कुछ में पाया जाने वाला यह यौगिक एक शक्तिशाली प्रदूषक है जो पारिस्थितिक तंत्र को नुकसान पहुँचा सकता है और यह संकेत दे सकता है कि भोजन अब खाने के लिए सुरक्षित नहीं है। इसे पहचानने के लिए आमतौर पर महंगे प्रयोगशाला उपकरणों या जहरीले रसायनों की आवश्यकता होती है जो अपना स्वयं का कचरा पैदा करते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से एक सरल विकल्प की तलाश में रहे हैं, और उन्होंने प्रकृति के अपने रंग बदलने वाले पिगमेंट (वर्णक) की ओर रुख किया है। ये पिगमेंट, जिन्हें एंथोसायनिन (anthocyanins) के रूप में जाना जाता है, वही यौगिक हैं जो ब्लूबेरी, लाल पत्ता गोभी और बैंगनी शकरकंद को उनके जीवंत रंग देते हैं। वे प्राकृतिक pH संकेतक के रूप में कार्य करते हैं, और जब वे अम्लीय या क्षारीय वातावरण का सामना करते हैं, तो अपना रंग बदलते हैं। चूंकि अमोनिया पानी को अधिक क्षारीय बनाता है, इसलिए ये पिगमेंट सैद्धांतिक रूप से एक दृश्य चेतावनी प्रणाली के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो अमोनिया का स्तर बढ़ने पर लाल से नीले या भूरे रंग में बदल जाते हैं। हालांकि, ये नाजुक पिगमेंट नाजुक होते हैं; प्रकाश या हवा के संपर्क में आने पर ये जल्दी खराब हो जाते हैं, जिससे उन्हें एक व्यावहारिक, टिकाऊ सेंसर के रूप में उपयोग करना कठिन हो जाता है।

फिलीपींस के डे ला साले यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं के एक दल ने इन पिगमेंट को अपनी जगह पर बनाए रखने के लिए एक मजबूत, छिद्रपूर्ण सेंसर बनाने के उद्देश्य से इस समस्या को हल करने का प्रयास किया। उन्होंने अपने पिगमेंट के लिए एक विशिष्ट स्रोत चुना: उबे (ube), या बैंगनी रतालू के छिलके, जो फिलीपींस की एक प्रमुख फसल है और प्रसंस्करण के दौरान काफी मात्रा में कचरा उत्पन्न करती है। इन छिलकों को फेंकने के बजाय, टीम ने एंथोसायनिन को निकाला और उन्हें एक नए प्रकार के जेल मैट्रिक्स में समाहित किया। यह मैट्रिक्स दो प्राकृतिक पॉलिमर का मिश्रण था: गellan gum (गेलन गम), जो संरचनात्मक मजबूती प्रदान करता है, और carboxymethyl cellulose (कार्बोक्सीमिथाइल सेलुलोज), जो सेलुलोज का एक व्युत्पन्न है और सामग्री को पानी सोखने में मदद करता है। इन दोनों सामग्रियों को एक साथ बांधने के लिए, शोधकर्ताओं ने कैल्शियम क्लोराइड का उपयोग किया, जो एक सामान्य नमक है और पॉलिमर श्रृंखलाओं के बीच एक सेतु के रूप में कार्य करता है, जिससे एक स्थिर नेटवर्क बनता है।

शोधकर्ताओं को एक संतुलन बनाने की चुनौती का सामना करना पड़ा। उन्हें एक ऐसी सामग्री की आवश्यकता थी जो आकार बनाए रखने के लिए पर्याप्त मजबूत हो लेकिन इतनी छिद्रपूर्ण भी हो कि पानी और अमोनिया गैस आसानी से प्रवाहित हो सके। यदि सामग्री बहुत घनी हुई, तो अमोनिया मैट्रिक्स के भीतर के पिगमेंट तक नहीं पहुँच पाएगा; यदि यह बहुत ढीली हुई, तो सेंसर बिखर जाएगा। सटीक नुस्खा खोजने के लिए, उन्होंने दोनों पॉलिमर के विभिन्न संयोजनों और कैल्शियम नमक की विभिन्न सांद्रताओं का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट मिश्रण, जिसमें गेलन गम की तुलना में दोगुना कार्बोक्सीमिथाइल सेलुलोज था और जिसे कैल्शियम क्लोराइड की कम सांद्रता के साथ उपचारित किया गया था, सबसे प्रभावी संरचना बनाता है। इस विशिष्ट मिश्रण ने सर्वाधिक पानी सोखा, जो अपने शुष्क वजन से लगभग चौंतीस गुना तक फूल गया, जो एक अत्यधिक खुली और सुलभ आंतरिक संरचना का संकेत देता था। यह उच्च सूजन क्षमता महत्वपूर्ण थी क्योंकि इसने अमोनिया को सेंसर के भीतर तेजी से फैलने (डिफ्यूज होने) की अनुमति दी, जिससे रंग परिवर्तन सक्रिय हुआ।

एक बार इष्टतम मैट्रिक्स की पहचान हो जाने के बाद, टीम ने उबे के छिलके के अर्क को इसके भीतर समाहित किया। इसके बाद उन्होंने परीक्षण किया कि यह नया सेंसर अमोनिया के प्रति कितनी अच्छी तरह प्रतिक्रिया करता है। उन्होंने सामग्री को शून्य से लेकर बहुत उच्च स्तर तक, अमोनिया गैस की विभिन्न सांद्रताओं के संपर्क में रखा और समय के साथ रंग परिवर्तन को देखा। परिणाम स्पष्ट थे: जैसे-जैसे अमोनिया की सांद्रता बढ़ती गई, सेंसर गहरा होता गया, अपने मूल लाल रंग से गहरे, भूरे रंग की ओर बदल गया। यह इसलिए हुआ क्योंकि अमोनिया, जो कि क्षारीय है, एंथोसायनिन के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिससे उनकी रासायनिक संरचना और उनके द्वारा प्रकाश को परावर्तित करने के तरीके में बदलाव आता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि सेंसर एक और आधा घंटा प्रतिक्रिया देने के बाद सबसे अच्छा काम करता है, जिस बिंदु पर रंग परिवर्तन और अमोनिया की सांद्रता के बीच का संबंध सबसे अधिक अनुमानित और विश्वसनीय होता है।

अमोनिया का पता लगाने की अपनी क्षमता के अलावा, नया सेंसर यांत्रिक रूप से भी सक्षम सिद्ध हुआ। परीक्षणों से पता चला कि पिगमेंट जोड़ने से सामग्री कमजोर नहीं हुई, और अंतिम उत्पाद ने बिना पिगमेंट वाले मैट्रिक्स के समान तन्य शक्ति (tensile strength) बनाए रखी। विस्तृत सूक्ष्मदर्शी छवियों ने खुलासा किया कि सामग्री की एक शीट जैसी, छिद्रपूर्ण संरचना थी, जिससे पुष्टि हुई कि फ्रीज-ड्राइंग प्रक्रिया ने पानी और गैस के माध्यम से गुजरने के लिए आवश्यक चैनल बना दिए थे। रासायनिक विश्लेषण ने पुष्टि की कि पिगमेंट प्राकृतिक बंधों के माध्यम से पॉलिमर नेटवर्क के भीतर भौतिक रूप से फंसे हुए थे, न कि रासायनिक रूप से परिवर्तित किए गए थे, जिसका अर्थ है कि सेंसर ने उबे के अर्क के प्राकृतिक गुणों को बनाए रखा।

यह कार्य कृषि अपशिष्ट को पर्यावरणीय और खाद्य सुरक्षा निगरानी के लिए एक कार्यात्मक उपकरण में बदलने का एक व्यावहारिक तरीका प्रदर्शित करता है। बैंगनी रतालू के छिलकों और सरल, प्राकृतिक पॉलिमर के मिश्रण का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा सेंसर बनाया जो टिकाऊ और प्रभावी दोनों है। यह जटिल, महंगी पहचान विधियों के लिए एक संभावित विकल्प प्रदान करता है, जो अमोनिया के स्तर की निगरानी के लिए एक दृश्य, कम लागत वाला तरीका प्रदान करता है। अध्ययन सुझाव देता है कि ऐसे पदार्थों को वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए और विकसित किया जा सकता है, जिससे खाद्य प्रसंस्करण के एक सामान्य उपोत्पाद को स्वच्छ जल और सुरक्षित भोजन के संरक्षक में बदला जा सके।