DOI: https://doi.org/10.25259/ajc_244_2025
تاريخ النشر: 2026-03-06
المؤلف: Mahmoud Alkhatib وآخرون
الموضوع الرئيسي: الطيفية والتحليلات الكيميائية
نظرة عامة
الاقتصاد الفلسطيني يعتمد بشكل كبير على الزراعة، وخاصة في إنتاج التمور، التي غالبًا ما تعاني من فشل المحاصيل. للتخفيف من الخسائر، يمكن للمزارعين تحويل الفواكه ذات الجودة المنخفضة إلى منتجات قيمة مثل حمض الأسيتيك والإيثانول من خلال التخمر. تهدف هذه الدراسة إلى تطوير طريقة بسيطة وسريعة وفعالة من حيث التكلفة للتحليل الكمي لهذه المركبات باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه مع الانعكاس الكلي المخفف (ATR FTIR). تم إعداد حلول من حمض الأسيتيك والإيثانول في نطاق 0.5 إلى 30% وزن/وزن، وتم تسجيل أطيافها تحت الحمراء. تم إنشاء منحنيات المعايرة، مما أدى إلى المعادلات التالية لتحديد التركيزات:
– لحمض الأسيتيك:
$$ \text{نسبة الكتلة\% لحمض الأسيتيك} = 11.902R – 11.763 $$
حيث \( R \) هو نسبة الامتصاص عند 1703.0 سم\(^{-1}\).
– للإيثانول:
$$ \text{نسبة الكتلة\% للإيثانول} = 56.34R – 15.452 $$
حيث \( R \) هو نسبة الامتصاص عند 1087.8 سم\(^{-1}\) إلى 1636.0 سم\(^{-1}\).
تم التحقق من صحة الطريقة من حيث الدقة والموثوقية والخطية والخصوصية، مما يوضح قوتها في تحديد حمض الأسيتيك والإيثانول في منتجات التخمر بشكل متزامن.
في الختام، تقدم مطيافية ATR FTIR حلاً عمليًا للمنتجين على نطاق صغير والتعاونيات الزراعية في فلسطين، مما يمكّن من التحكم الفعال في جودة منتجات التخمر داخل المنزل. تسمح بساطة الطريقة للمنتجين بتقييم جودة منتجاتهم بسرعة دون الحاجة إلى معدات باهظة الثمن أو تدريب مكثف، مما يسهل اتخاذ القرارات في عمليات الإنتاج.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية التاريخية والثقافية للتخمر، الذي يعد ضروريًا لإنتاج وحفظ مجموعة متنوعة من الأطعمة والمشروبات، بما في ذلك الزبادي، والخبز، والبيرة، والخل. توضح الأنواع الرئيسية للتخمر: التخمر الكحولي، وتخمر حمض اللاكتيك، وتخمر حمض الأسيتيك، مع التأكيد على المشكلة العالمية لتلف الطعام، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية ومخاوف بيئية. في فلسطين، يتم فقد حوالي 20% من المنتجات الطازجة بسبب التلف، مما يبرز الحاجة إلى طرق حفظ فعالة.
تناقش هذه الفقرة تقنيات تحليلية مختلفة لتحديد منتجات التخمر، مثل الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) والكروماتوغرافيا الغازية (GC)، بالإضافة إلى مزايا مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR). تُعتبر FTIR، وخاصة ATR FTIR، معروفة بطبيعتها غير المدمرة ومتطلبات التحضير البسيطة، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات متنوعة، بما في ذلك تحليل الطعام. تهدف الدراسة إلى تطوير طريقة بسيطة وفعالة من حيث التكلفة وسريعة للتحليل الكمي لحمض الأسيتيك والإيثانول في منتجات التخمر باستخدام ATR-FTIR، لتلبية احتياجات المزارعين الفلسطينيين الذين يسعون لتعزيز قيمة المنتجات الزراعية ذات الجودة المنخفضة.
طرق
توضح فقرة “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. تتفصل في المواد المستخدمة، بما في ذلك الكواشف المحددة، والمعدات، وأي عينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية العمليات خطوة بخطوة المتبعة، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم تطبيقها لتفسير البيانات.
بالإضافة إلى ذلك، قد تصف الفقرة الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، والمدة، والضوابط المطبقة للتحقق من النتائج. من خلال تقديم نظرة شاملة على الطرق، تؤسس هذه الفقرة الأساس للنتائج المقدمة في الدراسة، مما يسمح بالتقييم النقدي وإمكانية التكرار من قبل باحثين آخرين في هذا المجال.
نتائج
تظهر نتائج الدراسة فعالية مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) للتحليل الكمي لحمض الأسيتيك والإيثانول في المحاليل المائية، وخاصة في العينات المخمرة. تم التحقق من خصوصية الطريقة من خلال تأكيد قمم الامتصاص الفريدة للمحللات عند الأطوال الموجية المحددة، مع الإشارة إلى منحنيات المعايرة التي تشير إلى علاقة خطية قوية (معامل ارتباط مرتفع، $R^2$) بين الامتصاص ونسبة الكتلة لكل من المركبين ضمن نطاق 0-30% (وزن/وزن). تم تقييم دقة وموثوقية الطريقة باستخدام محلول قياسي بتركيزات معروفة، مما أسفر عن نتائج متسقة عبر قياسات متعددة، كما هو موضح في الجداول 6 و7.
بالنسبة لحمض الأسيتيك، كانت المعادلات الأكثر موثوقية (1 و2) تعتمد على الامتصاص عند 1703 سم$^{-1}$، والتي أظهرت تأثيرات مصفوفة طفيفة. بالمقابل، بينما كانت المعادلات للإيثانول (7 و9) دقيقة، إلا أنها تأثرت بالمصفوفة، حيث أثبتت المعادلة 7 أنها الأكثر دقة. تم التحقق من الطريقة أيضًا باستخدام عينات خل حقيقية، مما أسفر عن تركيز متوسط لحمض الأسيتيك قدره 3.80% (الانحراف المعياري = 0.079، النسبة المئوية للانحراف = 2.08%)، متماشياً مع نتائج المعايرة (3.79%). بالنسبة للإيثانول، أنتجت طريقة FTIR تركيزًا متوسطًا قدره 1.61% (الانحراف المعياري = 0.053، النسبة المئوية للانحراف = 3.26%)، متسقًا مع نتائج الكروماتوغرافيا الغازية (1.57%). تؤكد الأخطاء النسبية المنخفضة في كلا الحالتين (0.26% لحمض الأسيتيك و2.5% للإيثانول) على دقة وموثوقية الطريقة العالية في تحليل هذه المركبات في العينات الحقيقية.
مناقشة
تتناول فقرة المناقشة في ورقة البحث المنهجية والتحقق من صحة تقنية مطيافية ATR-FTIR للتحليل الكمي المتزامن لحمض الأسيتيك والإيثانول في المحاليل المائية، وخاصة في منتجات التخمر. استخدمت الدراسة مواد كيميائية عالية النقاء ومعدات متقدمة، بما في ذلك مطياف Bruker Tensor II ونظام Shimadzu GC Nexis GC-2030، لإنشاء منحنيات المعايرة لتركيزات حمض الأسيتيك والإيثانول تتراوح من 0.5% إلى 30% وزن/وزن. أظهرت الطريقة خصوصية ودقة عالية، مع تحديد قمة الامتصاص عند 1703.0 سم$^{-1}$ كأفضل نقطة لتحديد حمض الأسيتيك، بينما كانت القمم عند 1087.8 سم$^{-1}$ و1046.4 سم$^{-1}$ مناسبة لتحليل الإيثانول.
شمل التحقق من صحة الطريقة مقارنة النتائج من FTIR مع تقنيات معروفة مثل GC والمعايرة، مما يؤكد موثوقية وقابلية تكرار نهج ATR-FTIR. تؤكد الدراسة على مزايا هذه الطريقة مقارنة بالتقنيات الكروماتوغرافية التقليدية، مع تسليط الضوء على بساطتها وسرعتها وفعاليتها من حيث التكلفة، مما يجعلها مفيدة بشكل خاص للمنتجين على نطاق صغير والتعاونيات الزراعية في مناطق مثل فلسطين. تسهل المعادلات المستمدة لحساب التركيزات—نسبة الكتلة% لحمض الأسيتيك = 11.902R – 11.763 ونسبة الكتلة% للإيثانول = 56.34R – 15.452—التحكم السريع في الجودة داخل المنزل، مما يمكّن المنتجين من اتخاذ قرارات فورية بناءً على التحليل الطيفي الفوري.
DOI: https://doi.org/10.25259/ajc_244_2025
Publication Date: 2026-03-06
Author(s): Mahmoud Alkhatib et al.
Primary Topic: Spectroscopy and Chemometric Analyses
Overview
The Palestinian economy is heavily dependent on agriculture, particularly in the production of dates, which often suffer from crop failures. To mitigate losses, farmers can convert low-quality fruits into valuable products like acetic acid and ethanol through fermentation. This study aims to develop a simple, rapid, and cost-effective method for the quantitative analysis of these compounds using attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR FTIR) spectroscopy. Solutions of acetic acid and ethanol were prepared in the range of 0.5 to 30% w/w, and their infrared spectra were recorded. Calibration curves were established, leading to the following equations for determining concentrations:
– For acetic acid:
$$ \text{mass\% acetic acid} = 11.902R – 11.763 $$
where \( R \) is the absorbance ratio at 1703.0 cm\(^{-1}\).
– For ethanol:
$$ \text{mass\% ethanol} = 56.34R – 15.452 $$
where \( R \) is the absorbance ratio at 1087.8 cm\(^{-1}\) to 1636.0 cm\(^{-1}\).
The method was validated for accuracy, precision, linearity, and specificity, demonstrating its robustness for simultaneous determination of acetic acid and ethanol in fermentation products.
In conclusion, ATR FTIR spectroscopy presents a practical solution for small-scale producers and agricultural cooperatives in Palestine, enabling efficient in-house quality control of fermentation products. The method’s simplicity allows producers to quickly assess the quality of their products without the need for expensive equipment or extensive training, facilitating timely decision-making in production processes.
Introduction
The introduction highlights the historical and cultural significance of fermentation, which is essential for producing and preserving various foods and beverages, including yogurt, bread, beer, and vinegar. It outlines the primary types of fermentation: alcoholic, lactic acid, and acetic acid fermentation, emphasizing the global issue of food spoilage, which leads to economic losses and environmental concerns. In Palestine, approximately 20% of fresh produce is lost to spoilage, underscoring the need for effective preservation methods.
The section discusses various analytical techniques for quantifying fermentation products, such as High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) and Gas Chromatography (GC), as well as the advantages of Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy. FTIR, particularly Attenuated Total Reflection (ATR) FTIR, is noted for its non-destructive nature and minimal sample preparation requirements, making it suitable for diverse applications, including food analysis. The research aims to develop a straightforward, cost-effective, and rapid method for the quantitative analysis of acetic acid and ethanol in fermentation products using ATR-FTIR, addressing the needs of Palestinian farmers seeking to enhance the value of low-quality agricultural products.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the materials used, including specific reagents, equipment, and any biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the step-by-step processes followed, including any statistical analyses applied to interpret the data.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and controls implemented to validate the results. By providing a comprehensive overview of the methods, this section establishes the foundation for the findings presented in the study, allowing for critical evaluation and potential replication by other researchers in the field.
Results
The results of the study demonstrate the effectiveness of Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy for the quantitative analysis of acetic acid and ethanol in aqueous solutions, particularly in fermented samples. The method’s specificity was validated by confirming unique absorption peaks for the analytes at designated wavelengths, with calibration curves indicating a strong linear relationship (high correlation coefficient, $R^2$) between absorbance and mass percentage of both compounds within the 0-30% (w/w) range. The accuracy and precision of the method were assessed using a standard solution of known concentrations, yielding consistent results across multiple measurements, as detailed in Tables 6 and 7.
For acetic acid, the most reliable equations (1 and 2) were based on absorbance at 1703 cm$^{-1}$, which exhibited minimal matrix effects. Conversely, while the equations for ethanol (7 and 9) were precise, they were affected by the matrix, with equation 7 proving to be the most accurate. The method was further validated with real vinegar samples, yielding a mean acetic acid concentration of 3.80% (SD = 0.079, RSD = 2.08%), closely aligning with titration results (3.79%). For ethanol, the FTIR method produced a mean concentration of 1.61% (SD = 0.053, RSD = 3.26%), consistent with gas chromatography results (1.57%). The low percent errors in both cases (0.26% for acetic acid and 2.5% for ethanol) underscore the method’s high accuracy and precision for analyzing these compounds in real samples.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the methodology and validation of an ATR-FTIR spectroscopy technique for the simultaneous quantitative analysis of acetic acid and ethanol in aqueous solutions, particularly in fermentation products. The study utilized high-purity chemicals and advanced instrumentation, including a Bruker Tensor II spectrometer and a Shimadzu GC Nexis GC-2030 system, to establish calibration curves for acetic acid and ethanol concentrations ranging from 0.5% to 30% w/w. The method demonstrated high specificity and accuracy, with the absorption peak at 1703.0 cm$^{-1}$ identified as optimal for acetic acid quantification, while the peaks at 1087.8 cm$^{-1}$ and 1046.4 cm$^{-1}$ were suitable for ethanol analysis.
Validation of the method involved comparing results from FTIR with established techniques such as GC and titration, confirming the reliability and reproducibility of the ATR-FTIR approach. The study emphasizes the advantages of this method over traditional chromatographic techniques, highlighting its simplicity, speed, and cost-effectiveness, making it particularly beneficial for small-scale producers and agricultural cooperatives in regions like Palestine. The derived equations for calculating concentrations—mass% acetic acid = 11.902R – 11.763 and mass% ethanol = 56.34R – 15.452—facilitate rapid in-house quality control, enabling producers to make real-time decisions based on immediate spectral analysis.