Применение приборов NIT (Near Infrared Transmission) для определения параметров качества пшеницы

Роль современных технологий в анализе пищевых продуктов

Знакомство

Одной из фундаментальных задач сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности является точное измерение качества и состава сельскохозяйственных культур. В случае пшеницы питательные параметры имеют первостепенное значение, поскольку они влияют на качество муки и, следовательно, на свойства конечных продуктов, таких как хлеб и макаронные изделия. Традиционные методы химического анализа требуют много времени и средств, поэтому все большее распространение получают быстрые и неразрушающие технологии, такие как приборы для передачи в ближнем инфракрасном диапазоне (NIT).

Основы спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне

Ближняя инфракрасная спектроскопия (NIR) — метод, основанный на взаимодействии света с веществом, широко используемый в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. Суть метода заключается в том, что разные молекулы материалов поглощают и рассеивают ближний инфракрасный свет определенным образом (в диапазоне длин волн 800-2500 нм). На основании характерных картин спектров поглощения можно сделать вывод о химическом составе вещества: параметры питания могут быть рассчитаны по поглощению света на разных длинах волн связями C–H, O–H, N–H и S–H молекул органических молекул.

Метод NIT (Near Infrared Transmission)

Приборы NIT реализуют специальное применение спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне. Во время метода инфракрасное излучение проникает во все поперечное сечение образца, поэтому при измерении учитываются характеристики не только поверхностного слоя, но и всего образца в целом. Это особенно важно для разнородных материалов, таких как зерна пшеницы.

Процесс измерения

Работа инструментов NIT состоит из следующих основных этапов:

• Подготовка образцов: Одним из важных преимуществ измерения пропускания NIR является то, что оно не требует подготовки образца, образец может быть измерен немедленно.
• Регистрация и анализ спектров: интенсивность проходящего света измеряется фотодиодом (детектором) и на основе полученных спектров осуществляется обработка данных.
• Определение питательных параметров: На основе информации, полученной из спектров, приборы рассчитывают количественные данные, характеризующие содержание пшеницы с помощью калибровочных моделей.

Преимущество метода NIT заключается в том, что он является быстрым и неразрушающим, поэтому за короткое время можно анализировать большое количество образцов.

Измеряемые параметры и измерительные характеристики в ближнем ИК-диапазоне

Влага

Содержание влаги является одним из наиболее важных параметров качества пшеницы, так как слишком высокое содержание влаги может сократить время хранения и увеличить риск появления плесени. С помощью спектроскопии NIR можно быстро и точно определить содержание влаги путем прямого измерения групп O-H, с высокой корреляцией между лабораторными результатами и результатами NIR.

Диапазон измерения NIR: ~9-20%

Ожидаемая точность измерения в ближнем ИК-диапазоне: максимальное стандартное отклонение ~0,2% (стандартное отклонение результата, оцененного прибором, по сравнению с эталонным результатом, измеренным в лаборатории)

Референс-лабораторный метод: печь

Белок

Содержание белка в пшенице рассчитывается непосредственно по абсорбции N-H связей, поэтому в основном это измерение содержания азота. Содержание белка в пшенице представляет собой общее содержание азота, измеренное в процентах от сухого вещества, умноженное на 5,7. Поскольку это «прямое» измерение, существует высокая корреляция между лабораторными результатами и результатами БИК.

Диапазон измерения NIR: ~8-18%

Ожидаемая точность измерения в ближнем ИК-диапазоне: максимальное стандартное отклонение ~0,25%

Метод референс-лаборатории: метод Кьелхдала (влажное сбраживание) или метод Дюма (сжигание)

Содержание белка в пшенице тесно связано с содержанием азота в почве. Форма и доступность азота в почве сильно влияют на поглощение азота растениями и, следовательно, синтез белка. Различные исследования показали, что оптимальное поступление азота увеличивает содержание белка в пшенице, поэтому достаточное поступление азота необходимо для производства пшеницы с высоким содержанием белка.

Глютен (глютен)

Глютен состоит из нерастворимых в воде компонентов белков пшеницы. По сути, это смесь двух белков, глиадина и глютенина.

Диапазон измерения ближнего ИК-диапазона: ~15-50%

Ожидаемая точность измерения в ближнем ИК-диапазоне: максимальное стандартное отклонение ~1,5%

Метод референс-лаборатории: влажная промывка глютеном

Содержание глютена не измеряется «непосредственно» с помощью приборов NIR, т.е. путем измерения содержания N, как и содержание белка, но благодаря сильной корреляции между сырым белком и содержанием глютена, для глютена может быть разработана относительно хорошая калибровка NIR. Однако, с одной стороны, корреляция глютена с результатами референсного метода слабее, чем корреляция белка, а с другой стороны, погрешность влажной промывки глютена, используемой в качестве референса, также больше, чем у методов Кьелдаля или Дюма, используемых для определения белка, поэтому стандартное отклонение результатов глютена, измеренных приборами NIR, также значительно выше, чем в случае белка.

Индекс Зеленого

Индекс осадконакопления Зеленого – это выраженный в миллилитрах объем осадка в растворе молочной кислоты, полученный из муки, полученной из пшеницы при определенных условиях. Измерение основано на набухании клейковины в растворе молочной кислоты. Его значение теоретически может составлять от 0 до 100 мл, чем выше значение, тем лучше качество пшеницы.

Диапазон измерения в ближнем ИК-диапазоне: ~10-70 мл

Ожидаемая точность измерения в ближнем ИК-диапазоне: максимальное стандартное отклонение ~5 мл

Референс-лабораторный метод: определение объема седиментования Зеленого

Вес гектолитра

Масса гектолитра измеряется не с помощью NIR-спектроскопии, а с помощью независимого встроенного модуля удельного веса. Модуль измеряет вес заданного объема образца пшеницы с помощью встроенной ячейки весов, по которой прибор рассчитывает результат.

Диапазон взвешивания: 65-86 кг/гл

Ожидаемая точность измерения: максимальное стандартное отклонение ~ 0,7 кг/гл

Метод референс-лаборатории: хондрометр

Параметры, которые не могут быть измерены с помощью NIR-спектроскопии или не могут быть измерены с достаточной точностью

Следующие параметры не могут быть измерены с помощью прибора ближнего ИК-диапазона:

• Водопоглощение: низкая (R2 < 0,9) корреляция с NIR
• W-значение (энергия): со слабой корреляцией (R2 ≤ 0,7), индикативно измеряемое в ближнем ИК-диапазоне
• Падение Хагберга: низкая корреляция (R2 ≤ 0,9) между результатами NIR и лабораторными результатами, не поддающаяся измерению с помощью NIR
• Содержание золы: измеряется в муке, низкая корреляция между результатами NIR и лабораторными результатами
• Содержание крахмала: низкая корреляция между результатами NIR и лабораторными результатами, не измеряется NIR
• Чистота (количество посторонних веществ, доля сломанных, зараженных зерен и т.д.)
• Вес тысячи семян
• Токсинов

Сводка

Приборы NIT позволяют быстро и неразрушающе измерять питательные параметры пшеницы, включая содержание влаги, содержание белка, содержание клейковины, индекс Зелени и массу гектолитра. Преимущество этого метода заключается в том, что за короткое время можно проанализировать большое количество образцов, а измерения показывают высокую корреляцию с лабораторными результатами. Тем не менее, некоторые параметры, такие как водопоглощение, W-значение, скорость падения по Хагбергу, содержание золы, содержание крахмала, чистота, масса тысячи семян и токсины, не могут быть измерены с достаточной точностью с помощью ближней ИК-спектроскопии.