Snelle Chemische kwaliteitsbepalingen met behulp van FTIR-spectroscopie!

Er bestaat een grote variëteit aan analytische technologieën die in de voedingsindustrie gebruikt worden voor het uitvoeren van kwaliteitscontroles. Traditionele chemische methoden, gebaseerd op chromatografie, hebben een aantal nadelen zoals een hoge instrumentele kost, een zeer tijdrovende staalvoorbereiding en ook de noodzaak voor getrainde operatoren. Er is dus nood aan alternatieve technologieën die snel, eenvoudig en betrouwbaar zijn. Fourier getransformeerde infrarood (FTIR) spectroscopie is een veelbelovende technologie met een minimale staalvoorbereidingstijd die voldoet aan deze vereisten. Deze techniek is gebaseerd op de absorptie van IR licht door de chemische componenten, aanwezig in een staal. Het IR spectrum is uniek voor elke moleculaire structuur én de intensiteit van de absorptie is direct gerelateerd aan de concentratie van de op te meten component.

Verschillende staalanalyse technieken

Veel verschillende staalanalyse technieken zijn mogelijk bij FTIR spectroscopie en afhankelijk van de toepassing, kan steeds een geschikte manier gevonden worden voor het uitvoeren van een correcte analyse. Kennis over de manier waarop het staal opgemeten wordt, is bijgevolg belangrijk voor de ontwikkeling van de methodologie en de implementatie ervan in de praktijk. In een doctoraatsonderzoek aan de MeBioS-biosensor onderzoeksgroep (Katholieke Universiteit Leuven), werden verschillende FTIR staalanalyse technieken (Figuur 1) in detail bestudeerd met betrekking tot chemische analyses op bier- en melkstalen: de attenuatie (afname) van de totale reflectie (ATR)-methode en een nieuwe hogedoorvoer screenings (HTS)-methode. Bij de ATR-methode wordt de evanescente (uitdovened) IR golf geproduceerd door transmissie van de IR straal doorheen een kristal met een hoge refractie index. Om een signaal te genereren wordt de geproduceerde straal vervolgens in contact gebracht met het staal.

Twee types kristallen werden in dit onderzoek gebruikt: een horizontaal ATR-kristal (HATR-kristal) en een micro ATR-kristal (µATR-kristal). Laatstgenoemde methodologie, waar het contactoppervlak sterk gereduceerd is t.o.v. het HATR-kristal, biedt als voordeel dat staalname- en reinigingsprotocols veel eenvoudiger zijn. Bij de HTS-methode wordt de IR straling via transmissie geleid naar de detector doorheen een microplaat, waarop de stalen gepositioneerd zijn. Zo kunnen simultaan 96 verschillende stalen geanalyseerd worden met deze methode. Deze techniek resulteert in de analyse van een groot aantal stalen in een korte tijdsspanne. Het potentieel van zowel de ATR- als de HTS-methode bij FTIR spectroscopie werd geëvalueerd door middel van chemische kwaliteitsbepalingen op twee verschillende voedingsproducten: bier en melk.

Figuur 1: Verschillende staalanalyse technieken voor FTIR spectroscopie: horizontaal ATR-kristal (A), micro ATR-kristal (B) en hogedoorvoer screeningsmethode (C).

Opmeten kwaliteitsparameters bierstalen

Met betrekking tot de analyse op de bierstalen, werden 50 verschillende bieren geanalyseerd, uit het volledige kleurrijke spectrum van de biertypes, zoals de donkere en blonde ales, de lagers, de tarwebieren, de lambiekbieren, en de trappistbieren. Zo kunnen zeer robuuste modellen gebouwd worden, noodzakelijk voor het opmeten van onbekende bierstalen. De verschillende bieren werden opgemeten met de drie verschillende staalanalyse technieken in combinatie met referentiemetingen op een 12-tal fysicochemische kwaliteitsparameters, bepaald door het centrum van mouterij en bierbrouwerij (Katholieke Universiteit Leuven). Figuur 2 toont de absorptiespectra van de bierstalen, opgemeten met de HTS-methode. Uit deze spectra kunnen zeer duidelijk een aantal regio’s 
onderscheiden worden die de verschillende chemische verbindingen karakteriseren.

Figuur 2: Absorptiespectra van de bierstalen, bekomen via de hogedoorvoer screeningsmethode. De regio’s aangeduid in kleur duiden de verschillende chemische verbindingen aan met de specifieke golfgetallen.

Tabel 1: Resultaten van de validatie-analyse op de opgemeten bierstalen. Met de HTS-methode werden, in vergelijking met de ATR-methode, minder nauwkeurige resultaten bekomen.

Na toepassing van multivariate statistische data-analyse technieken werden de 12 parameters gereduceerd tot een 6-tal parameters (aangezien een aantal initiële fysicochemische parameters sterk gerelateerd waren aan elkaar). Vervolgens werden validatie-analyses uitgevoerd op onbekende stalen en de kwaliteitsparameters voorspeld op basis van de opgemeten calibratiestalen. De correlatiecoëfficiënten tussen de opgemeten en de voorspelde kwaliteitsparameters voor de twee ATR-kristal staalanalyse technieken staan weergegeven in Tabel 1. Uit deze tabel blijkt dat het mogelijk was om met een grote nauwkeurigheid het suikergehalte, het alcoholgehalte, de fermentatiegraad en de energetische waarde te bepalen met beide FTIR analysetechnieken. Analyse met de HTS-methode bleek minder nauwkeurig dan met de ATR-methodes, met enkel goede resultaten voor het suikergehalte (R²=0.80) en de fermentatiegraad (R²=0.83). Toch biedt deze methode heel wat voordelen met betrekking tot snelheid van staalname en -analyse wanneer enkel deze parameters onderzocht moeten worden.

Opmeten kwaliteitsparameters melkstalen

In analogie met de bierstalen werden 120 melkstalen, geanalyseerd met de µATR- en de HTS staalanalyse technieken. Referentiemetingen werden uitgevoerd (door het melkcontrolecentrum Vlaanderen) op volgende kwaliteitsparameters: vetgehalte, ruwe proteïne gehalte, lactose-concentratie, ureum-concentratie en het celgetal (aantal somatische cellen in de melk). In dit onderzoek werd ook specifiek nagegaan of er een verschil zou zijn tussen de ruwe en gehomogeniseerde melkstalen. In Tabel 2 staan de resultaten weergegeven voor de validatie-analyse op de onbekende stalen. Uit deze tabel blijkt duidelijk dat betere resultaten werden bekomen met de µATR-methode dan met de HTS-methode (hoewel hier ook goede resultaten werden bekomen voor het vetgehalte en het ruwe proteïne gehalte). Echter, voor de bepaling van het vetgehalte met µATR is het noodzakelijk om de stalen te homogeniseren. Een mogelijke reden voor dit verschil ligt in de non-uniformiteit van de vetglobulen (in de ruwe stalen) die veel scattering veroorzaken waardoor de reflectie verhoogt en de absorptie verlaagt.

Conclusie

Met behulp van geavanceerde data-analyse methoden, was het mogelijk om een groot aantal chemische kwaliteitsparameters in bier- en melkstalen te voorspellen op basis van de opgemeten FTIR-spectra. Deze technologieën hebben dus ook een zeer groot potentieel om gebruikt te worden in een industriële omgeving. Alhoewel de resultaten, bekomen met de HTS-methode, iets minder accuraat waren dan met de ATR-methode, kan deze methode toch gebruikt worden voor het opmeten van een aantal belangrijke componenten in een hogedoorvoer context.

Nuttige links

• BIOSYST-MeBioS Biosensor onderzoeksgroep (www.biosensors.be)
• Sensors For Food Dienstverlening:  bent u op zoek naar informatie over sensoren die toegepast worden in de voedingssector of heeft u een specifiek probleem dat aangepakt kan worden met sensoren? Laat het dan weten via het Sensors For Food aanspreekpunt of contacteer Steven Vermeir,steven.vermeir@biw.kuleuven.be

Bronnen

• Polshin E. (2012) Sample presentation strategies for FT-IR spectroscopy in food applications. Ph.D dissertation. https://lirias.kuleuven.be/handle/123456789/368681.
• Polshin E., Aernouts B., Saeys W., Delvaux F., Delvaux F. R., Saison D., Hertog M., Nicolaï B.M., Lammertyn J. (2011) Beer quality screening by FT-IR spectrometry: Impact of measurement strategies, data pre-processings and variable selection algorithms. Journal of Food Engineering, 106, 188–198. DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2011.05.003.
• Aernouts B., Polshin E., Saeys W., Lammertyn J. (2011) Mid-infrared spectrometry of milk for dairy metabolomics: a comparison of two sampling techniques and effect of homogenization. Analytica Chimica Acta, 75, 88-97. DOI 10.1016/j.aca.2011.04.018.