Utilizarea instrumentelor NIT (Near Infrared Transmission) pentru determinarea parametrilor de calitate ai grâului

Rolul tehnologiei moderne în analiza alimentelor

Introducere

Una dintre provocările fundamentale ale producției agricole și ale industriei alimentare este măsurarea exactă a calității și compoziției culturilor. În cazul grâului, parametrii de conținut sunt deosebit de importanți, deoarece influențează calitatea făinii și, prin urmare, proprietățile produselor finale, cum ar fi pâinea și pastele. Metodele tradiționale de analiză chimică necesită mult timp și sunt costisitoare și, prin urmare, tehnologiile rapide și nedistructive, cum ar fi instrumentele de transmisie în infraroșu apropiat (NIT), sunt din ce în ce mai răspândite.

Principiile de bază ale spectroscopiei în infraroșu apropiat

Spectroscopia în infraroșu apropiat (NIR) este o tehnică bazată pe interacțiunea luminii cu materia și este utilizată pe scară largă în agricultură și industria alimentară. Modelele caracteristice ale spectrelor de absorbție permit deducerea compoziției chimice a substanței: absorbția luminii la diferite lungimi de undă de către legăturile C-H, O-H, N-H și S-H ale moleculelor organice poate fi utilizată pentru a calcula parametrii conținutului.

Metoda NIT (transmisie în infraroșu apropiat)

Instrumentele NIT implementează o aplicație specială a spectroscopiei în infraroșu apropiat. Metoda utilizează radiația infraroșie pentru a pătrunde în întreaga secțiune transversală a probei, astfel încât măsurarea ia în considerare caracteristicile întregii probe, nu doar ale stratului superficial. Acest lucru este deosebit de important pentru materialele eterogene, cum ar fi boabele de grâu.

Procesul de măsurare

Funcționarea instrumentelor NIT constă în următoarele etape principale:

• Pregătirea probei: un avantaj important al măsurării transmisiei NIR este că nu necesită pregătirea probei, o probă „curată” putând fi măsurată imediat.
• Înregistrarea și analiza spectrală: intensitatea luminii transmise este măsurată de o fotodiodă (detector), iar spectrele obținute sunt utilizate pentru prelucrarea datelor.
• Determinarea parametrilor conținutului de boabe: pe baza informațiilor obținute din spectre, instrumentele utilizează modele de calibrare pentru a calcula datele cantitative care caracterizează conținutul de boabe al grâului.

Avantajul metodei NIT este că este rapidă și nedistructivă, astfel încât se pot analiza cantități mari de probe într-un timp scurt.

Parametrii și caracteristicile de măsurare care pot fi măsurate cu NIR

Umiditatea

Conținutul de umiditate este unul dintre cei mai importanți parametri de calitate ai grâului, deoarece un conținut de umiditate prea ridicat poate reduce timpul de depozitare și crește riscul de dezvoltare a mucegaiului. Folosind spectroscopia NIR, conținutul de umiditate poate fi determinat rapid și precis prin măsurarea directă a grupurilor O-H, existând o corelație ridicată între rezultatele de laborator și rezultatele NIR.

Intervalul de măsurare NIR: ~9-20%

Precizia preconizată a măsurării NIR: variație maximă ~0,2% (variația rezultatului estimat de instrument în comparație cu rezultatul de referință măsurat în laborator)

Metoda de laborator de referință: cuptor de uscare

Proteine

Conținutul de proteine din grâu este calculat direct din absorbția legăturilor N-H de către instrumente, deci este practic o măsurare a conținutului de azot. Conținutul de proteine din grâu este conținutul total de azot măsurat, exprimat ca procent din substanța uscată, înmulțit cu 5,7. Deoarece este o măsurare „directă”, există o corelație ridicată între rezultatele de laborator și rezultatele NIR.

Intervalul de măsurare NIR: ~8-18%

Precizia preconizată a măsurării NIR: abatere standard maximă de ~0,25%

Metoda de laborator de referință: metoda Kjelhdal (distrugere umedă) sau metoda Dumas (ardere)

Conținutul de proteine din grâu este strâns legat de conținutul de azot din sol. Forma și disponibilitatea azotului din sol influențează în mare măsură absorbția azotului de către plante și, prin urmare, sinteza proteinelor. Diverse studii de cercetare au arătat că un aport optim de azot crește conținutul de proteine al grâului, astfel încât un aport adecvat de azot este esențial pentru producerea de grâu bogat în proteine.

Cicoare (gluten)

Cicoarea constă în componentele insolubile în apă ale proteinelor din grâu. Este practic un amestec de două proteine, gliadina și glutenina.

Intervalul de măsurare NIR: ~15-50%

Precizia de măsurare NIR preconizată: abatere standard maximă de ~1,5%

Metoda de laborator de referință: spălarea umedă a cicoarei

Instrumentele NIR nu măsoară conținutul de proteine „direct”, adică prin măsurarea conținutului de N, ca și conținutul de proteine, dar, deoarece există o corelație strânsă între proteina brută și conținutul de proteine, se poate dezvolta o calibrare NIR relativ bună pentru conținutul de proteine. Cu toate acestea, pe de o parte, corelația rezultatelor cicoarei cu metoda de referință este mai slabă decât corelația cu rezultatele proteinelor și, pe de altă parte, eroarea spălării umede a cicoarei utilizate ca referință este mai mare decât eroarea metodei Kjelhdal sau Dumas utilizate pentru determinarea proteinelor și, prin urmare, abaterea standard a rezultatelor cicoarei măsurate cu instrumente NIR este mult mai mare decât pentru proteine.

Indicele Zeleny

Indicele de sedimentare Zeleny este volumul în mililitri al sedimentului produs de făina de grâu într-o soluție de acid lactic în condiții specificate. Măsurarea se bazează pe umflarea cicoarei în soluție de acid lactic. Valoarea sa este teoretic cuprinsă între 0 și 100 ml, cu cât valoarea este mai mare, cu atât calitatea grâului este mai bună.

Interval de măsurare NIR: ~10-70 ml

Precizia de măsurare NIR preconizată: abatere standard maximă de ~5 ml

Metoda de laborator de referință: determinarea volumului de sedimentare Zeleny

Greutatea hectolitrului

Greutatea hectolitrului este măsurată de instrumentele cu infraroșu nu prin spectroscopie NIR, ci printr-un modul de greutate specifică independent, încorporat. Modulul măsoară greutatea unui eșantion de grâu cu un volum dat folosind o celulă de cântărire încorporată, din care instrumentul calculează rezultatul.

Domeniul de măsurare: 65-86 kg/hl

Precizia preconizată: variație maximă ~ 0,7 kg/hl

Metoda de laborator de referință: condrometru

Parametri care nu pot fi măsurați cu spectroscopia NIR sau cu precizie insuficientă

Următorii parametri nu pot fi măsurați cu NIR:

• Absorbția apei: poate fi măsurată cu o corelație scăzută (R2 < 0,9) cu ajutorul NIR
• Valoarea W (energie): corelație slabă (R2 ≤ 0,7), poate fi măsurată indicativ cu NIR
• Numărul de cădere Hagberg: corelație scăzută (R2 ≤ 0,9) între rezultatele NIR și rezultatele de laborator, nu poate fi măsurat prin NIR
• Conținut de cenușă: măsurabil în făină, corelație scăzută între rezultatele NIR și cele de laborator în ochii întregi
• Conținutul de amidon: corelație scăzută între rezultatele NIR și rezultatele de laborator, nu poate fi măsurat prin NIR
• Claritate (cantitate de corpuri străine, procent de boabe sparte, contaminate etc.)
• Greutatea boabelor la mie
• Toxine

Rezumat

Instrumentele NIT permit măsurarea rapidă și nedistructivă a parametrilor conținutului de grâu, inclusiv conținutul de umiditate, conținutul de proteine, conținutul de gluten, indicele Zeleny și greutatea pe hectolitru. Metoda are avantajul că cantități mari de probe pot fi testate într-un timp scurt, iar măsurătorile prezintă o corelație ridicată cu rezultatele de laborator. Cu toate acestea, anumiți parametri precum absorbția de apă, valoarea W, precipitarea Hagberg, conținutul de cenușă, conținutul de amidon, puritatea, greutatea argintului și toxinele nu pot fi măsurați cu suficientă precizie prin spectroscopia NIR.