Continue samenstellingsbepaling van melkstromen met Vis/NIR spectroscopie: een kwestie van meten in reflectie?

Spectroscopische samenstellingsbepalingen: rechtstreeks toepasbaar in zuivelprocessen?  

De gemiddelde melk van hedendaagse melkkoeien bestaat uit 86.3% water, 4.4% vet, 3.5% ruw proteïne en 4.8% lactose. Deze samenstelling wordt naast de genetica, de pariteit, het lactatiestadium, het seizoen en het klimaat voornamelijk beïnvloed door de voeding en de gezondheid van de koe.  Dit resulteert in een ruime variatie in de samenstelling van rauwe melk.  Bijgevolg is het voor de zuivelindustrie belangrijk om zicht te hebben op de samenstelling van de aangeleverde melk en controle te houden op de samenstelling van de melkstromen in het verwerkingsproces.  Een continue terugkoppeling van de melksamenstelling in het hele proces zou een zeer interessant hulpmiddel zijn voor het optimaliseren van het productieproces en het garanderen van productkwaliteit door vroege probleemdetectie en gepaste procesbijsturing.

Vis/NIR spectroscopie biedt als snelle, goedkope en niet-destructieve methode die geen staalvoorbereiding vereist, potentieel om online metingen uit te voeren.  Bij deze spectroscopische methode wordt er gemeten hoeveel zichtbare en nabij-infrarode straling geabsorbeerd wordt door het onderzochte product (bv. melk).  Het gescande golflengtegebied omvat een range van stralen met golflengtes van 400 tot 2500 nanometer (nm).  In de analyse van melk wordt deze techniek typisch toegepast onder vorm van een ‘transmissie’ meting (waarbij straling die doorheen het product gaat wordt gedetecteerd).  Het nadeel is dat de doorgelaten straling beperkt wordt door enerzijds hoge absorptie door water en anderzijds verstrooiing door vetglobules in de melkemulsie.  De oplossing bestaat erin de optische padlengte erg klein te houden (0,5 tot 1 mm).  Dit principe kan toegepast worden in meetcellen van labotoestellen, maar niet in procesleidingen (waar de vernauwing het vacuüm in de melkstroom zou beïnvloeden).

Vis/NIR reflectiemetingen vormen een alternatieve staalpresentatietechniek voor transmissiemetingen.  Reflectiemetingen worden in de zuivelindustrie typisch gebruikt voor densere producten zoals kaas en melkpoeder.  Vis/NIR reflectiespectroscopie stelt geen kritische limieten aan de afmetingen van de meetcel.  Dit biedt een duidelijk voordeel en mogelijkheden voor het online toepassen van Vis/NIR spectroscopie in het processen van melk.   

Vis/NIR relectiespectroscopie: welke componenten kunnen betrouwbaar bepaald worden?  

In een studie van Aernouts et al. (2011) werd een vergelijking gemaakt tussen de mogelijkheden van Vis/NIR transmissie- en reflectiespectroscopie in het voorspellen van de gehaltes van: vet, ruw proteïne, lactose en ureum in rauwe melk. 

Concreet werden voor verschillende golflengteranges ’partial least square’ regressie modellen (PLS, zie STW 21/06/2012) opgesteld.  Hun betrouwbaarheid, accuraatheid en robuustheid kon afgeleid worden van verschillende statistische parameters (zie Tabel 1 en 2). 

Tabel 1: PLS regressie model statistieken voor het voorspellen van vetgehalte.  [Bron: Aernouts  et al., 2011]. 

Het vetgehalte bleek erg accuraat bepaald te kunnen worden via Vis/NIR reflectiemetingen bij 400-1700 nm en bij 1000-1700 nm.  De voorspellingskracht van deze twee modellen bleek uit de hoge  ‘ratio of performance to deviation’ (RPD) waarden (Tabel 1).  Deze zeer goede resultaten zijn vermoedelijk het gevolg van de verstrooiing van de NIR straling (1000-1700 nm) door vetglobules in combinatie met absorptie door C-H bindingen van triglyceriden bij 930 nm.  Hoe hoger het vetgehalte van een staal, hoe meer vetglobules aanwezig zijn en hoe sterker deze effecten spelen.

Tabel 2: PLS regressie model statistieken voor het voorspellen van ruw proteïnegehalte.  [Bron: Aernouts  et al., 2011]. 

Het ruw proteïnegehalte bleek minder krachtig voorspeld te worden, gezien de lagere RPD waarden.  Doch, de PLS modellen op basis van de 400-1700 nm en de 1000-1700 nm reflectiespectra bleken robuust (met lage aantallen latente variabelen) en accuraat (R² > 0.95) genoeg om ruw proteïnegehalte te monitoren (Tabel 2). Deze positieve resultaten zijn waarschijnlijk het gevolg van het feit dat beide golflengteranges de amide B absorptiebanden van 1640-1670 nm bevatten. 

Wat betreft het lactosegehalte, bleek er slechts een ruwe indicatie (RPD = 1.85) mogelijk  op basis van reflectiespectra.  Dit gold meer bepaald voor reflectiemetingen bij 400-1700 nm, terwijl metingen bij 400-1000 nm en 1000-1700 nm ontoereikend waren.  Vis/NIR transmissiespectroscopie leverde daarentegen bij golflengteranges van 400-1700 en 1000-1700 nm voorspellingsmodellen op die bruikbaar zijn voor een ruwe screening van het lactosegehalte in rauwe melk. 

Het bepalen van ureum (een maat voor veevoederbenutting door de koe) bleek noch door Vis/NIR reflectie of transmissie mogelijk.

Deze studie toont aan dat Vis/NIR reflectiespectroscopie kan worden gebruikt om 2 van de belangrijkste melkcomponenten (vet en ruw proteïne) betrouwbaar te monitoren. 

Leer NIR spectroscopie praktisch toepassen in een ééndaagse opleiding en hands-on workshop

Op 21 september 2012 organiseert Sensors For Food (een lopend VIS-traject van Flanders’ FOOD)  een opleiding en aansluitende workshop met betrekking tot NIR spectroscopie en meer bepaald over hoe metingen moeten uitgevoerd worden en welke aspecten in rekening gebracht moeten worden om tot betrouwbare resultaten te komen.

In een theoretisch luik wordt ingegaan op:

• Het werkingsprincipe van NIR
• Aandachtspunten voor het uitvoeren van correcte metingen
• Het verwerken van de metingen tot een correcte resultaten  

De toegelichte principes worden in de namiddag toegepast in een praktische sessie waarbij de deelnemers in groepjes een kalibratie en validatie zullen uitvoeren op state-of-the-art NIR toestellen. Verschillende voedingsproducten.(melk, bloem, vlees) worden geanalyseerd naar proteïne- of vetgehalte met de daaraan gekoppelde dataverwerking. Na afloop van de workshop wordt tijd voorzien om de resultaten van deze oefening te bespreken en evalueren.

Inschrijven kan via deze link

Nuttige links

• ISO 9622:2000 : Whole milk -- Determination of milkfat, protein and lactose content -- Guidance on the operation of mid-infrared instruments
• STW artikel (02/04/2009) Toepassen van NIR-spectroscopie in de voedingsindustrie
• NIR-spectroscopie: neem de validatie- procedure eens onder de loep

Bronnen

• Aernouts B.  Melk: Er zit meer in dan je denkt!  Landbouw&Techniek 0I, 4-7 (14 januari 2011)
• Aernouts B, Polshin E, Lammertyn J, Saeys W.  Visible and near-infrared spectroscopic analysis of raw milk for cow health monitoring: reflectance or transmittance?  J. Dairy Sci. 94,5315-5329 (2011).