Wstęp

Spektroskopia bliskiej podczerwieni (Near-Infrared spectroscopy, NIR) jest techniką stosowaną do wielu lat do analiz jakościowych i ilościowych produktów spożywczych. Głównymi argumentami przemawiającymi za jej zastosowaniem są prostota obsługi aparatury, szybkie wyniki z analiz oraz analiza nieinwazyjna. Dzięki zastosowaniu spektroskopii NIR w różnych obszarach laboratoryjnych i produkcyjnych uzyskuje się natychmiastowe i spójne wyniki pomiarowe.

Spektroskopia NIR wykorzystywana jest w formie laboratoryjnej oraz procesowej (bezobsługowej), dając możliwość kontroli produkcji na bieżąco. Analizy laboratoryjne bądź magazynowe zaś ułatwiają i skracają standardowe analizy. Należy jednak pamiętać, że techniki spektroskopowe są technikami drugorzędowymi, co oznacza że aby korzystać z urządzenia NIR w rutynowej pracy, należy zbudować bazę kalibracyjną bądź skorzystać z gotowych kalibracji oferowanych przez producenta.

W przypadku gdy użytkownik decyduje się na własną kalibrację, firma Büchi jest w stanie dostarczyć kompletne portfolio urządzeń niezbędnych do analiz. W przypadku analiz podstawowych parametrów, takich jak białko, tłuszcz czy zawartość wilgoci Büchi oferuje analizatory NIR do rutynowych prac oraz aparaturę do oznaczania zawartości białka i tłuszczu technikami Kjeldahl’a i ekstrakcja.

Znaczenie ryżu

Ryż jest podstawowym pożywieniem dla prawie połowy światowej populacji. W zastosowaniu przemysłowym ryż zyskuje na znaczeniu w produkcji żywności dla niemowląt, przekąsek, płatków śniadaniowych, piwa, produktów fermentowalnych i oleju z otrębów ryżowych.

Grube i bogate w krzemionkę ziarno ryżu znajduje zastosowanie w materiałach budowlanych. Słoma ryżowa używana jest do produkcji papieru i lin, ale także jako pasza w żywieniu bydła w całej Azji. Ponieważ mąka ryżowa jest prawie czystą skrobią i pozbawioną alergenów, jest głównym składnikiem pudrów do twarzy oraz preparatów dla niemowląt.

Metodyka

Proces produkcji ryżu od jego zbiorów do zapakowanego ryżu w sklepie został przedstawiony na Wykresie 1. Opracowanie to skupiało się na pakowanym ryżu, zakupionym w lokalnych sklepach. 120 różnych rodzajów próbek ryżu z Azji, Europy, USA i Ameryki Południowej (Rysunek 1) zostało wykorzystanych do stworzenia modelu kalibracyjnego dla analiz tłuszczu, białka i wilgoci.

 Wykres 1. Proces produkcyjny ryżu

Rysunek 1. Różnorodność ryżu na półkach sklepowych

Analiza spektroskopowa

Widma bliskiej podczerwieni w zakresie 1000-2500 nm (Rysunek 2) zostały otrzymane dzięki zastosowaniu analizatora Büchi NIRFlex N-500. Każda próbka analizowana była w trzech powtórzeniach na szalce Petriego w trybie odbicia rozproszonego. Obracająca się komora pomiarowa zwiększyła powtarzalność wyników. Każda próbka skanowana była 64 razy a uzyskane wyniki zostały uśrednione.

Rysunek 2: 3 widma NIR ryżu zebranego w Azji, Ameryce Południowej i Europie

Aparatura

Büchi NIRFlex N-500 (Rysunek 3) to spekrometr FT-NIR zapewniający ilościowe pomiary próbek żywności i pasz dla zwierząt. Urządzenie pracuje w zakresie bliskiej podczerwieni 1000-2500 nm (10 000 – 4000 cm-1). N-500 charakteryzuje się doskonałą powtarzalnością długości fali, co ma kluczowe znaczenie szczególnie przy zapewnieniu stabilności kalibracji oraz jej przenoszeniu między urządzeniami.

Rysunek 3: Büchi NIRFlex N-500

Oprogramowanie

Oprogramowanie Büchi NIRWare (Rysunek 4) stanowi jednostkę centralną do kreowania baz danych i analiz.  Oprogramowanie jest intuicyjne, a dzięki podłączeniu go do sieci LIMS daje możliwość elastycznej i bezpiecznej wymiany
danych.

• Wielojęzykowy – występuje w wielu językach, m.in. angielskim, niemieckim, hiszpańskim, francuskim, koreańskim, japońskim czy chińskim
• Funkcja SOP – z instrukcjami krok po kroku

Rysunek 4: Büchi NIRWare Software

Büchi NIRCal (Rysunek 5) to oprogramowanie chemometryczne stosowane do obliczeń kalibracyjnych. Wyposażone jest w wiele możliwości obliczeniowych do analiz jakościowych i ilościowych, m.in. regresję głównych składników (PCR, Principle Components Regression) czy metodę najmniejszych kwadratów (PLS, Partial Least Squares Regression), które mogą być połączone z wieloma innymi metodami do obróbki danych dostępnych w oprogramowaniu.

Rysunek 5: Büchi NIRCal Software

Wyniki referencyjne

Aby uzyskać wyniki do kalibracji NIR należy wcześniej uzyskać próbki referencyjne o znanych parametrach. Do wartości
referencyjnych do NIR przeanalizowano próbki w dwóch powtórzeniach. Tabela 1 przedstawia metody pomiarowe stosowane dla każdego parametru, jak również standardowe odchylenie metody referencyjnej (SD).

Tabela 1: Wyniki referencyjne

Chemometryczna obróbka danych

Kalibracja i walidacja danych została uzyskana dzięki oprogramowaniu NIRCal. Do kalibracji zastosowano metodę najmniejszych kwadratów (PLS). Aby poprawić wyniki kalibracyjne zastosowano dodatkowo obróbkę danych
stosując MSC (Multiplicative Scatter Correction), normalizację i pierwszą pochodną. Uzyskane dla każdego zbioru danych modele kalibracyjne oceniono na podstawie statystyk i reguł dostarczonych przez NIRCal oraz wyliczono standardowy błąd przewidywania (SEP) i standardowy błąd oszacowania (SEE), Rysunki 6-8.

Rysunek 6: Zależność między rzeczywistą zawartością wilgoci w ryżu a wartościami przewidywanymi NIR

Rysunek 7: Zależność między rzeczywistą zawartością tłuszczu w ryżu a wartościami przewidywanymi NIR

Rysunek 8: Zależność między rzeczywistą zawartością białka w ryżu a wartościami przewidywanymi NIR

Wyniki i dyskusja

Kalibracje dla białka i wilgoci wykazują dobre predykcje w ocenie wartości SEP i SEE (Tabela 2). Kalibracja dla tłuszczu również wykazuje odpowiedni stopień precyzji. Możliwe jest zwiększenie dokładności i precyzji wyników poprzez zastosowanie do kalibracji próbek zmielonego ryżu. Jednakże celem tego badania było uzyskanie kalibracji o największej użyteczności dla potencjalnych użytkowników.

Korzystanie z niezmielonych próbek ryżu powoduje łatwiejszą i tańszą analizę, a tym samym, większą akceptację techniki NIR. 

Tabela 2: Wyniki z analiz NIR

Wyniki uzyskane za pomocą Büchi NIRFlex N-500 wykazują, że urządzenie jest idealnym do redukcji kosztów, czasu i odczynników chemicznych niezbędnych do oszacowania parametrów jakościowych ryżu w codziennym zastosowaniu.

Obracanie się próbki w trakcie analizy NIR maksymalizuje powierzchnię testowanej próbki, co ma wpływ na lepszą powtarzalność pomiarów oraz jednoczesne zmniejszenie ryzyka zafałszowania wyników.

Dowiedz się więcej o rozwiązaniach technologii NIR -> Rozwiązania NIR