هسته‌ای در کشاورزی ــ ۲۰ | خشک‌کردن باکیفیت میوه‌جات و گیاهان دارویی با پرتودهی هسته‌ای

خبرگزاری تسنیم؛ گروه اقتصادی ــ خشک‌کردن میوه‌جات و گیاهان دارویی، امروزه گلوگاهی حیاتی محسوب می‌شود. سالانه میلیاردها دلار ارزش افزوده ناشی از ترکیبات ثانویه گیاهی بر اثر روش‌های خشک‌کردن ناکارآمد از بین می‌رود. تحقیقات مستقل نشان داده است که روش‌های سنتی (نظیر خشک‌کردن آفتابی یا هوای داغ) مقادیر قابل‌توجهی از ترکیبات فرّار و حساس مانند ترپن‌ها و آلکالوئیدها را تبخیر یا تجزیه می‌کنند، این اتلاف، هم چالش اقتصادی ایجاد می‌کند و هم اثربخشی تغذیه‌ای و درمانی فرآورده‌های نهایی را مخدوش می‌سازد، در این میان، بهینه‌سازی فرآیند با محوریت «کنترل پرتودهی»، پتانسیل آن را دارد که انقلابی در زنجیره ارزش گیاهان دارویی ایجاد کند، این فناوری با مهندسی دقیق انتقال انرژی، به‌دنبال حداکثر خروج رطوبت با حداقل آسیب به ماتریکس شیمیایی گیاه است.

در همین زمینه بیشتر بخوانید

«به‌نژادی جهشی» و تولید ارقام مقاوم

پایش کیفیت و آلودگی آب‌های زیرزمینی

تکنیک «عقیم‌سازی آفات نر» با پرتودهی

کاهش مؤثر ضایعات با پرتودهی هسته‌ای

رهگیری آب و تغذیه گیاه با پرتودهی هسته‌ای

«پرتودهی هسته‌ای» جایگزینی امن برای فناوری ناایمن «تراریخت»

پرتودهی خوراک دام؛ افزایش ایمنی زیستی و بهره‌وری دامپروری

پاستوریزه‌سازی مواد غذایی با فناوری هسته‌ای

امضای ایزوتوپی، برای تأیید اصالت مواد غذایی

مدیریت بیماری‌های ویروسی دام با پرتودهی هسته‌ای

بهبود تاب‌آوری در برابر تنش‌های اقلیمی با فناوری هسته‌ای

بهینه‌سازی فتوسنتز و افزایش کارایی گلخانه‌ها؛ با کنترل هسته‌ای

ارزش‌افزوده محصولات جانبی و ضایعات کشاورزی، با فناوری هسته‌ای

توسعه بسته‌بندی‌های مقاوم هسته‌ای برای صادرات ایمن مواد غذایی کشاورزی

«کنترل کپک‌ها و مایکوتوکسین‌ها در ذرت و بادام‌زمینی» با فناوری هسته‌ای

افزایش ماندگاری محصولات کشاورزی در زنجیره سرد،  با ترکیب فناوری پرتودهی

معرفی و اصول کلی فناوری

فناوری کنترل پرتودهی در خشک‌کردن، ریشه در اصول بنیادین انتقال جرم و حرارت و برهم‌کنش امواج الکترومغناطیسی با مواد بیولوژیک دارد. به‌خلاف روش‌های متعارف که انتقال حرارت از سطح به داخل است (Conduction/Convection)، در اینجا انرژی به‌صورت امواج (مادون قرمز، مایکروویو، رادیوفرکانسی یا حتی نور مرئی مهندسی‌شده) مستقیماً به درون بافت گیاه نفوذ می‌کند. این نفوذ عمقی منجر به گرمایش حجمی (Volumetric Heating) می‌شود. نکته کلیدی «انتخابی بودن» این فرآیند است. مولکول‌های آب به‌دلیل ساختار قطبی، تمایل بیشتری به جذب انرژی امواج خاص (به‌ویژه در محدوده مایکروویو و مادون قرمز) دارند. با تنظیم دقیق پارامترهایی چون فرکانس، توان، و الگوی تابش، می‌توان انرژی را عمدتاً به‌صورت مستقیم به مولکول‌های آب منتقل کرد و دمای کلی بافت گیاه را به‌گونه‌ای کنترل نمود که از آستانه تجزیه ترکیبات حساس دارویی پایین‌تر بماند. اساساً، این فناوری به‌جای خشک‌کردن کل گیاه، مستقیماً هدف را بر حذف آب متمرکز می‌کند، در حالی که ساختار سلولی و ترکیبات ارزشمند را تا حد امکان دست‌نخورده نگه می‌دارد.

اجزای اصلی سیستم

یک سیستم بهینه‌سازی‌شده خشک‌کردن با کنترل پرتودهی، شبکه‌ای پیچیده از اجزای هماهنگ است:

الف. منبع تولید پرتو: قلب سیستم است. ژنراتورهای مایکروویو (مگنترون یا سلیترون)، لامپ‌های مادون قرمز (IR) با طیف‌های قابل تنظیم، یا سیستم‌های رادیوفرکانسی (RF) رایج‌ترین هستند. انتخاب منبع به خواص گیاه و مقیاس عملیات بستگی دارد.

ب. محفظه خشک‌کن (اُون): طراحی آن باید توزیع یکنواخت میدان انرژی را تضمین کند. از مواد بازتابنده مناسب (مثل استیل ضدزنگ پولیش‌خورده) استفاده می‌شود و اغلب مجهز به سیستم چرخش محصول برای یکنواختی بیشتر است.

ج. سیستم کنترل هوشمند: مغز متفکر عملیات. شامل سنسورهای دقیق رطوبت (آن‌لاین و غیرتماسی مانند NIR)، سنسورهای دما (فیبر نوری یا مادون قرمز)، و سنسورهای فشار است. یک PLC یا کامپیوتر صنعتی، داده‌ها را دریافت و با الگوریتم‌های از پیش تعیین‌شده (مبتنی بر مدل‌های ریاضی خشک‌کردن آن گیاه خاص)، توان و الگوی پرتودهی را در لحظه تنظیم می‌کند.

د. سیستم انتقال هوا (در برخی طرح‌ها): برای خارج کردن بخار آب تولید‌شده و جلوگیری از اشباع محیط. اغلب شامل فن‌ها، کانال‌ها و گاهی سیستم‌های رطوبت‌گیری است.

ه. پوشش‌های محافظ و فیلترها: جهت ایمنی پرسنل و جلوگیری از نشت پرتوها به محیط (به‌ویژه در مایکروویو و RF) و گاهی فیلترهای جاذب بو برای بخارات خروجی.

فرآیند کلی انجام

فرآیند بهینه‌سازی‌شده خشک‌کردن با کنترل پرتودهی، یک مسیر علمی دقیق است:

مرحله آماده‌سازی: گیاهان یا میوه‌ها پس از برداشت، شست‌وشو، سورتینگ و گاهی پیش‌تیمار (مثل بلانچینگ ملایم برای غیرفعال کردن آنزیم‌ها) می‌شوند. ضخامت برش‌ها به دقت کنترل می‌شود تا نفوذ پرتو یکنواخت باشد.
بارگذاری: محصول به‌صورت لایه‌ای با ضخامت مشخص و تراکم یکنواخت در محفظه خشک‌کن قرار می‌گیرد. عدم یکنواختی منجر به نقاط داغ (Hot Spots) و سوختگی می‌شود.

فاز خشک‌کردن اولیه (Constant Rate Period): در این مرحله که سطح محصول اشباع از آب است، پرتودهی با توان نسبتاً بالا (ولی کنترل‌شده) آغاز می‌شود. نرخ خروج آب بالا و تقریباً ثابت است. سنسورهای رطوبت سطحی به‌طور مداوم رصد می‌کنند.

فاز خشک‌کردن نزولی (Falling Rate Period): با کاهش رطوبت سطحی، انتقال آب از عمق به سطح محدودیت‌ساز می‌شود. سیستم به‌طور خودکار توان پرتودهی را کاهش و گاه دوره‌های استراحت(Off Period) را اعمال می‌کند تا اجازه دهد رطوبت داخلی به سطح مهاجرت کند و از گرمایش بیش‌ازحد عمق جلوگیری شود.

فاز پایانی و خنک‌سازی: با نزدیک شدن به رطوبت نهایی مطلوب، توان به حداقل می‌رسد یا قطع می‌شود. اغلب یک جریان هوای ملایم (دمای محیط) برای خنک‌کردن محصول و خارج کردن آخرین ذرات بخار عبور می‌کند.

بازبینی و بسته‌بندی: محصول خشک‌شده سریعاً در شرایط کنترل‌شده (رطوبت و دمای پایین) و در بسته‌بندی‌های مقاوم به نور و رطوبت بسته‌بندی می‌شود.

انواع کاربردها

قابلیت‌های منحصربه‌فرد این فناوری، آن را برای طیف وسیعی از محصولات ارزشمند کشاورزی ایده‌آل ساخته است:

گیاهان دارویی حساس: گونه‌هایی با ترکیبات فرّار بالا مانند نعنا فلفلی (منتول)، بادرنجبویه (سیترال)، اسطوخودوس (لینالول)، اکالیپتوس (سینئول) و گل محمدی (سیترونلول) سود اصلی را می‌برند. حفظ اسانس‌ها تا 95درصد در مقایسه با 60 الی 70درصد در خشک‌کردن هوای گرم گزارش شده است.

میوه‌جات با ترکیبات فعال: کرنبری، بلوبری، انار، زردچوبه، زنجبیل و مرکبات خشک‌شده برای حفظ آنتوسیانین‌ها، کورکومین‌ها، ویتامین C و فلاونوئیدها.

سبزیجات برگ‌دار و معطر: جعفری، شوید، ریحان، ترخون. حفظ کلروفیل، ویتامین‌ها و عطر طبیعی.

قارچ‌های دارویی: گانودرما لوسیدوم، شیتاکه. حفظ پلی‌ساکاریدهای بتا-گلوکان و تری‌ترپن‌ها که به حرارت حساسند.

دانه‌ها و غلات جوانه‌زده: برای حفظ آنزیم‌ها و ریزمغذی‌های حساس به حرارت.

صنایع فرآوری: تولید چای‌های گیاهی (تی‌بگ) با عطر و رنگ برتر، تولید پودرهای میوه و گیاه با فعالیت آنتی‌اکسیدانی بالا برای صنایع غذایی، دارویی و آرایشی-بهداشتی.

مزایا نسبت به روش‌های سنتی

برتری‌های این فناوری از ابعاد مختلف قابل توجه است:

کیفیت بی‌نظیر: مهمترین مزیت، حفظ مواد موثره دارویی و ترکیبات معطر (اسانس‌ها) تا سطوح نزدیک به گیاه تازه است. رنگ، بافت و ظاهر محصول نیز اغلب برتر است.

سرعت و کارایی انرژی: نرخ خشک‌کردن می‌تواند تا چندین برابر روش‌های متعارف (هوای داغ) باشد. انتقال مستقیم انرژی به آب باعث کاهش تلفات حرارتی به محیط و صرفه‌جویی 30 الی 50 درصد در مصرف انرژی می‌شود.

یکنواختی و کنترل‌پذیری: امکان کنترل دقیق پارامترهای فرآیند (دما، رطوبت، توان) در لحظه، منجر به محصولی با کیفیت یکنواخت در تمامی نقاط بار می‌شود. حذف نقاط داغ (Hot Spots) و سوختگی.

امکان خشک‌کردن در دمای پایین‌تر: با تنظیم توان، می‌توان دمای متوسط محصول را پایین‌تر از آستانه تجزیه ترکیبات حساس نگه داشت، در حالی که سرعت خشک‌کردن بالا باقی می‌ماند.

کاهش آلودگی میکروبی: پرتوها (به‌ویژه مایکروویو و مادون قرمز) اثر ضدعفونی‌کنندگی دارند و بار میکروبی محصول نهایی را کاهش می‌دهند.

کاهش ضایعات: زمان کوتاه‌تر خشک‌کردن و شرایط کنترل‌شده، ریزش برگ‌ها، تغییر رنگ قهوه‌ای (Browning) و رشد قارچ را به حداقل می‌رساند.

اتوماسیون بالا: قابلیت یکپارچه‌سازی با خطوط تولید صنعتی و کنترل هوشمند.

چالش‌ها و محدودیت‌ها

علی‌رغم پتانسیل بالا، موانعی برای توسعه همه‌جانبه وجود دارد:

سرمایه‌گذاری اولیه بالا: هزینه خرید و نصب سیستم‌های پیشرفته پرتودهی (به‌ویژه مایکروویو و RF صنعتی) به‌مراتب بیشتر از خشک‌کن‌های هوای گرم متعارف است که می‌تواند برای کشاورزان خرده‌پا یا واحدهای کوچک توجیه‌ناپذیر باشد.

پیچیدگی مهندسی و نیاز به تخصص: طراحی، بهره‌برداری و نگهداری این سیستم‌ها نیازمند نیروی انسانی متخصص در حوزه‌های مهندسی برق (امواج)، کشاورزی، و کنترل فرآیند است.

محدودیت در ضخامت بار: نفوذ پرتوها (به‌خصوص مایکروویو) محدود است. بارگذاری با ضخامت زیاد منجر به خشک‌شدن ناهمگن و ایجاد نقاط داغ در لایه‌های سطحی می‌شود.

خطر سوختگی موضعی: اگر کنترل توان به دقت انجام نشود یا توزیع میدان نامنظم باشد، امکان سوختگی موضعی بخش‌هایی از محصول وجود دارد که کیفیت را کاهش می‌دهد.

واکنش‌های نامطلوب احتمالی: در برخی مواد خاص یا در شرایط خاص پرتودهی، امکان ایجاد ترکیبات جدید ناخواسته (مثل محصولات قهوه‌ای‌شدن پیشرفته) یا تغییر نامطلوب بافت وجود دارد که نیاز به تحقیق بیشتر دارد.

مقاومت فرهنگی و ناآشنایی: جایگزینی روش‌های سنتی دیرینه با فناوری‌های پیچیده جدید، نیازمند آموزش و توجیه اقتصادی برای بهره‌برداران دارد.

وابستگی به انرژی الکتریکی: عملکرد این سیستم‌ها کاملاً وابسته به برق پایدار است که می‌تواند در مناطق محروم چالش‌برانگیز باشد.

استانداردها و دستورالعمل‌های بین‌المللی

جهت تضمین کیفیت، ایمنی و قابلیت رقابت جهانی، رعایت استانداردها الزامی است:

استانداردهای کیفیت محصول نهایی:

• USP/EP/JP: فارماکوپه‌های معتبر جهانی (آمریکا، اروپا، ژاپن) حداکثر مجاز باقیمانده حلال‌ها، فلزات سنگین، آفت‌کش‌ها و معیارهای خلوص و قدرت (Potency) مواد مؤثره را تعیین می‌کنند که خشک‌کردن باید به گونه‌ای انجام شود که این معیارها محقق شوند.
• ISO 927: 2009 (Spices and condiments - Vocabulary): تعاریف و اصطلاحات پایه.
• ISO 3632 (برای زعفران): استاندارد ویژه کیفیت که روش خشک‌کردن بر پارامترهایی مانند رنگ (کروسین) و عطر (سافرانال) تأثیر مستقیم دارد.
  استانداردهای فرآیند و ایمنی:
• ISO 23764: 2021: استاندارد جدید و اختصاصی برای "روش‌های خشک‌کردن گیاهان دارویی و معطر - راهنمای فنی" که به روش‌های مدرن مانند خشک‌کردن با پرتودهی نیز می‌پردازد.
• IEC 60705  (برای ایمنی مایکروویوهای خانگی و صنعتی): تضمین می‌کند نشت پرتوها از دستگاه در حد مجاز و ایمن برای پرسنل و محیط باشد.
• استانداردهای HACCP و GMP: الزامات سیستم‌های مدیریت ایمنی مواد غذایی و شیوه‌نامه‌های تولید خوب، که کنترل دقیق پارامترهای خشک‌کردن بخشی حیاتی از آن است. مستندسازی کامل فرآیند ضروری است.
• دستورالعمل‌های FDA (ایالات متحده) و EFSA  (اروپا): در مورد استفاده از فناوری‌های جدید خشک‌کردن در زنجیره غذایی و دارویی و ارزیابی ایمنی محصول نهایی.

استانداردهای اندازه‌گیری:

• ISO 665: 2020 (Oilseeds - Determination of moisture and volatile matter content): روش استاندارد تعیین رطوبت که برای تعیین نقطه پایان خشک‌کردن حیاتی است.
  رعایت این استانداردها نه تنها کیفیت را تضمین می‌کند، بلکه پاسپورت محصول برای ورود به بازارهای جهانی و کسب اعتماد مصرف‌کننده است.

پیشرفت‌های نوین

مرزهای این فناوری به سرعت در حال گسترش است:

سیستم‌های ترکیبی (Hybrid): تلفیق هوشمندانه پرتودهی (مثلاً مادون قرمز یا مایکروویو) با روش‌های دیگر مانند خشک‌کردن اسمزی (Osmotic Dehydration) پیش‌تیمار، خشک‌کردن انجمادی (Freeze Drying) یا جریان هوای ملایم. این ترکیب‌ها مزایای هر روش را تقویت و معایب را کاهش می‌دهند (مثلاً کاهش زمان خشک‌کردن انجمادی با پیش‌تیمار مایکروویو).

پرتودهی پالسی (Pulsed Irradiation): به جای تابش مداوم، انرژی به‌صورت پالس‌های کوتاه و پرتوان اعمال می‌شود. این روش گرمایش حجمی را بهبود بخشیده، مصرف انرژی را کاهش داده و از گرمایش بیش‌ازحد موضعی جلوگیری می‌کند.

سنسورینگ پیشرفته و هوش مصنوعی (AI): استفاده از طیف‌سنجی NIR/Hyperspectral Imaging آنلاین برای پایش هم‌زمان رطوبت و غلظت ترکیبات هدف در حین خشک‌کردن. الگوریتم‌های یادگیری ماشین (ML) قادر به پیش‌بینی بهینه‌ترین پارامترهای پرتودهی بر اساس داده‌های لحظه‌ای و مدل‌های پیش‌بین هستند.

منابع پرتوی تطبیق‌پذیر: توسعه LEDهای مادون قرمز با طیف‌های کاملاً قابل تنظیم برای تطبیق دقیق‌تر با پیک جذب آب و ترکیبات خاص گیاهی.

مدل‌سازی چندفیزیکی (Multiphysics Modeling): شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیشرفته (COMSOL, ANSYS) که برهمکنش امواج الکترومغناطیس، انتقال حرارت، انتقال جرم (رطوبت) و تغییرات مکانیکی بافت گیاه را به‌طور همزمان مدل می‌کنند. این مدل‌ها بهینه‌سازی طراحی دستگاه و فرآیند را تسریع می‌کنند.

تمرکز بر پایداری: طراحی سیستم‌هایی با بازیابی حرارت از هوای خروجی و ادغام با منابع انرژی تجدیدپذیر (خورشیدی).

آینده‌نگاری و توصیه‌ها

افق پیش‌ِرو این فناوری امیدبخش و نیازمند اقدامات راهبردی است:

پیش‌بینی‌ها:

• فروکاست (Miniaturization) و مقرون‌به‌صرفه‌سازی: توسعه خشک‌کن‌های پرتودهی کوچک‌مقیاس و مقرون‌به‌صرفه برای کشاورزان خرده‌پا و عطاری‌های محلی.
• فناوری‌های پرتو نوظهور: تحقیقات جدی روی استفاده از پلاسمای سرد (Cold Plasma) به عنوان یک روش غیرحرارتی برای خشک‌کردن و استریلیزاسیون همزمان گیاهان حساس.
• ادغام عمیق با زنجیره بلاک‌چین: ثبت غیرقابل تغییر پارامترهای خشک‌کردن (دما، توان، زمان، رطوبت نهایی) روی بلاک‌چین برای ایجاد شفافیت و قابلیت ردیابی کامل (Traceability) از مزرعه تا مصرف‌کننده، به‌ویژه برای محصولات ارگانیک و با منشأ خاص.
• شخصی‌سازی فرآیند: بانک‌های اطلاعاتی از مدل‌های بهینه خشک‌کردن برای گونه‌ها و حتی اکوتیپ‌های (Ecotypes) خاص گیاهی.

توصیه‌های کلیدی:

• حمایت دولتی: تسهیلات مالی (وام‌های کم‌بهره، یارانه) و معافیت‌های مالیاتی برای تشویق صنایع و کشاورزان به نوآوری و جایگزینی تجهیزات فرسوده.
• توسعه زیرساخت تحقیقاتی: ایجاد آزمایشگاه‌های ملی مجهز به سیستم‌های خشک‌کردن پیشرفته و سامانه‌های آنالیز سریع (مانند NIR پرتابل) برای تحقیق روی گیاهان بومی هر منطقه.
• ظرفیت‌سازی و آموزش: برگزاری دوره‌های تخصصی برای مهندسان، تکنیسین‌ها و کشاورزان پیشرو در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقات کشاورزی.
• تدوین استانداردهای ملی: متناسب با اقلیم و گونه‌های گیاهی بومی، مبتنی بر تحقیقات داخلی و هم‌خوان با استانداردهای بین‌المللی.
• تشکیل کنسرسیوم‌های صنعت ـ دانشگاه: برای حل چالش‌های فنی خاص، توسعه مدل‌های بومی و تجاری‌سازی یافته‌ها.
• توجه به انرژی تجدیدپذیر: توسعه خشک‌کن‌های پرتودهی مجهز به پنل‌های خورشیدی یا سایر منابع تجدیدپذیر برای مناطق دورافتاده.

جمع‌بندی

بهینه‌سازی فرآیند خشک‌کردن میوه‌جات و گیاهان دارویی با کنترل پرتودهی، دیگر یک حوزه پژوهشی صرف نیست؛ بلکه به سرعت به یک فناوری تحول‌آفرین و ضروری در کشاورزی مدرن و صنایع وابسته تبدیل شده است. این روش با به‌کارگیری هوشمندانه اصول فیزیک امواج و مهندسی کنترل پیشرفته، پاسخگوی دو نیاز حیاتی است: سرعت و کارایی اقتصادی از یک سو، و حفظ حداکثری کیفیت، مواد مؤثره دارویی و ارزش تغذیه‌ای از سوی دیگر. چالش‌های موجود، به‌ویژه هزینه اولیه و نیاز به تخصص، واقعی هستند اما غیرقابل‌حل نیستند. راه‌حل در سرمایه‌گذاری هدفمند، توسعه تحقیقات کاربردی متناسب با نیازهای منطقه‌ای و گونه‌های بومی، تدوین استانداردهای شفاف، و مهم‌تر از همه، در ظرفیت‌سازی و آموزش نهفته است. آینده متعلق به سیستم‌های ترکیبی هوشمندتر، دقیق‌تر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و پایدارتر است که در آن، فناوری‌های نوین پرتودهی در کنار داده‌کاوی و هوش مصنوعی، حداکثر ارزش را از "طلای سبز" طبیعت استخراج می‌کنند. برای کشورهای غنی از تنوع زیستی گیاهی مانند ایران، اتخاذ و بومی‌سازی این فناوری‌ها نه یک انتخاب، که یک ضرورت استراتژیک برای ارتقای زنجیره ارزش گیاهان دارویی، افزایش صادرات و تثبیت جایگاه در بازارهای جهانی است.

انتهای پیام/