Метод анализа БИК. Введение

История метода

БИК — широко используемый термин для ближней инфракрасной спектроскопии, метода анализа, который использовался в пищевой и сельскохозяйственной промышленности с конца 1970-х годов. На протяжении многих лет он широко внедряется во всем мире, поскольку он предлагает преимущества по сравнению с методами химического анализа, на замену которых он пришёл.

Преимущества метода

• Скорость анализа – метод БИК даёт результаты за секунды, а не за часы.
• Более низкая стоимость — требуется гораздо меньше рабочей силы, не нужны реагенты и, самое главное, один анализатор может определять несколько параметров в образце одновременно.
• Простота использования — всего лишь несколько минут, чтобы узнать, как управлять прибором NIR, и анализ может быть уверенно выполнен персоналом завода и временными работниками.

Эти преимущества часто означают, что инвестиции в прибор на базе БИК возвращаются менее чем за один год за счёт повышенной эффективности и улучшения качества анализа.

Как это работает

БИК анализаторы используют инфракрасный свет для анализа материалов. Чтобы объяснить, как это работает, мы будем использовать аналогию с тем, как мы, люди, исследуем объекты, которые мы видим, глядя на их цвет. На картинке ниже мы видим, что женщина одета в голубой плащ и красную юбку. Чтобы отобразить эти цвета, художник использовал два разных химических пигмента, и, просто смотрю на эти цвета, мы можем идентифицировать их как отличные друг от друга. Точно так же и показатели, такие как влажность или жир, которые мы хотим определить при измерении с помощью инфракрасного света, имеют свой уникальный инфракрасный цвет. Человек не может видеть эти цвета, поскольку мы не можем видеть в инфракрасной области, но это может БИК анализатор, и он может определить, что в анализируемом материале есть влажность и жир.

Конечно, недостаточно знать, что в исследуемом образце есть жир или влажность. Мы уже знаем это, и мы хотим знать уровень жира и влаги. Чтобы объяснить, как прибор на базе БИК может видеть разницу между влажностью 10% и влажностью 10,5%, мы снова используем аналогию. Посмотрите на три стакана чая внизу. Какой из них содержит чай с самым сильным ароматом? Верно, самый правый. Он имеет самый интенсивный цвет, и из опыта мы знаем, что более интенсивный цвет соответствует более сильному вкусу и более высокой концентрации чая. Точно так же анализатор будет смотреть на интенсивность инфракрасных цветов влаги и других показателей, которые мы хотим определить, и судить о их концентрации в зависимости от интенсивности их инфракрасных цветов.

Используя более научный язык, инфракрасные цвета показателей — это не что иное, как факт поглощения определённых молекулярных связей соответствующих длин волн инфракрасного света. Чем выше концентрация показателя, тем больше поглощается инфракрасное излучение и меньше отражается на БИК анализаторе. Прибор измеряет долю света, которая отражается анализируемым материалом.

Так же, как мы научились распознавать слабые и крепкие чаи, просто глядя на их интенсивность цвета, нам нужно научить анализатор увидеть разницу между различными концентрациями. Мы научились распознавать насыщенность чая, дегустируя разные чаи и сопоставляя их интенсивность цвета с их ароматом. Другими словами, мы откалибровали наши глаза, чтобы предсказать, что будет испытывать наш язык. Для калибровки анализатора нам нужно показать несколько образцов, которые мы также проанализировали, используя контрольный метод мокрой химии. Затем мы извлекаем инфракрасные данные из прибора и сопоставляем их с соответствующими данными контрольного метода. Статистическое программное обеспечение используется для определения взаимосвязи между инфракрасными данными и данными контрольного метода. Результатом является математическое уравнение, уникальное для продукта и показателя, для которого он был рассчитан. Это уравнение часто называют калибровочной моделью или просто калибровкой. Чтобы использовать калибровку в приборе, он сохраняется в виде файла и импортируется в память прибора. Всякий раз, когда анализируются неизвестные образцы, калибровка, которую мы храним в приборе, используется для вычисления результата анализа на основе инфракрасного поглощения неизвестного образца.

Что может измерить с помощью БИК?

Не все соединения поглощают инфракрасное излучение, и только те, которые поглощают могут быть проанализированы с помощью метода БИК. Вода поглащает, а также органические соединения, такие как белок, жир, крахмал, сахар и многие другие. Эти соединения могут быть измерены с помощью БИК, если они присутствуют на уровне, который не является слишком низким. Во многих случаях предел для измерения метода БИК составляет около 0,1%, но существует ряд примеров приложений, в которых измеряются более низкие концентрации.

Минералы и большинство неорганических соединений не поглощают инфракрасный свет и, следовательно, не могут быть определены с помощью данного метода. Физические свойства, такие как плотность или текстура, также не могут поглощать инфракрасный свет. Однако есть исключения из этого правила, так как минералы иногда связаны с соединениями, которые можно измерить. Также физические свойства могут быть измерены в некоторых конкретных случаях, когда физическое свойство связано с некоторым изменением в образце, которое влияет на его поглощение инфракрасным излучением. Если вы сомневаетесь, обратитесь к специалистам нашей компании, чтобы узнать больше о том, что возможно измерить, а что нет.

Насколько точен метод БИК?

Поскольку метод БИК анализа откалиброван на базе контрольного метода, то он автоматически наследует погрешность данного контрольного метода. Основное правило состоит в том, что метод БИК имеет погрешность примерно в 1,5 раза выше от погрешности контрольного метода. Здесь важно признать, что все аналитические методы имеют определённую точность. Некоторые методы имеют очень низкую погрешность, тогда как другие имеют более высокий уровень погрешности. Более ручные методы обычно имеют более высокую погрешность, чем высокоавтоматизированные. Точность анализа также варьируется от лаборатории к лаборатории, и, хотя очень полезно ссылаться на опубликованные исследования по точности определённого аналитического метода, мы должны помнить, что точность конкретной лаборатории может быть ниже или выше опубликованных данных.

Также очень важно признать разницу между двумя обычно используемыми терминами: воспроизводимость и точность. Воспроизводимость — это способность повторять один и тот же результат несколько раз, тогда как точность — это возможность достичь правильных результатов.

Для иллюстрации этого мы используем пример метания дротика. В мишени слева, на изображении ниже, мы видим, что все три дротика попали точно в центр. Все они находятся в одном месте, что означает, что воспроизводимость была высокой. Они также находятся в центре, где мы на самом деле хотели, чтобы они были, поэтому точность также высока.

В мишени в середине три дротика находятся на одном месте, поэтому воспроизводимость очень высока. Однако они не там, где мы бы хотели их видеть, поэтому точность невелика. Это означает, что можно иметь очень хорошую воспроизводимость, но все же низкую точность.

Последний пример, мишень справа, показывает случай с плохой воспроизводимостью и низкой точностью. Дротики не находится в середине доски, точность невелика, и они распределены, поэтому воспроизводимость также плохая.

Это означает, что для определения точности метода, используемого в конкретной лаборатории, мы не можем полагаться на исследования повторяемости, поскольку они только изучают воспроизводимость. Лучшим способом изучения точности является участие в аттестационных тестах и сравнение результатов с результатами других лабораторий. Также можно проанализировать набор образцов во второй лаборатории и рассчитать стандартное отклонение между двумя лабораториями.

Специалист по применению, имеющий опыт анализа, который вы планируете выполнить, может сообщить вам, какая точность является нормальной для вашего конкретного приложения.

Неверное количество введённых вкусовых добавок – это самый распространённый источник жалоб клиентов, и основная причина расходов производителя. В поточном БИК анализаторе DA 7440 компании Пертен Инструментс используется современная технология на базе диодной линейки, обеспечивающая измерение содержания вкусовых добавок в режиме реального времени во многих видах снековой продукции, что помогает сократить как отходы, так и количество жалоб со стороны заказчиков.

Многие производители снеков периодически отбирают образец с производственной линии и отправляют его в лабораторию для анализа. Одним из распространённых методов анализа является титрование с использованием нитрата серебра для определения количества содержания соли. Соль, как правило, составляет фиксированный процент набора вкусовых добавок, поэтому её анализ коррелирует с общим количеством введённых добавок. Полная процедура от отбора проб до получения результата анализа составляет не менее 10 минут.

Это означает, что полученный результат отображает картину на линии 10 минут назад, а не ситуацию в текущий момент времени. Наибольшая вариативность получается при запуске производственной линии, и это запаздывание в получении результата анализа означает, что потребуется время для выхода на корректные технологические требования. В течение этого периода времени производство может быть потрачено впустую, т.е. полученный продукт будет утилизирован, что, в свою очередь, означает, что предприятие несёт значительные затраты каждый раз, когда производственная линия переключается на новый продукт. График ниже показывает измерение добавок в реальном времени. На графике ярко виден «провал» во время запуска. Измерения проводились с помощью поточного анализатора DA 7440, установленного на производственной линии картофельных чипсов, где производятся чипсы с разными вкусовыми добавками. Измерение вводимых добавок в режиме реального времени позволяет производителю быстро регулировать дозировку и проверять концентрации на протяжении всего цикла.

Кроме того, периодический отбор проб часто упускает из виду кратковременные проблемы. График №2 взят у производителя картофельных чипсов и показывает общую картину вводимых добавок в течение более длительного периода времени на основании анализа прибором DA 7440. Провал на кривой указывает на блокировку на станции добавок. Такая блокировка приведёт к большому количеству мешков с очень низким содержанием вкусовых добавок, что, в свою очередь, приведёт к жалобам со стороны клиента. Исследования показали, что даже один такой негативный опыт может заставить потребителя прейти на другого производителя. DA 7440 помогает выявлять такие проблемы, как блокировка дозирующих станций и защищает сам бренд при высочайшей текущей конкуренции на рынке.

В течение десятилетий снековая индустрия использовала фильтровые поточные БИК анализаторы. Эта технология была разработана ещё в конце 1970-х годов и, хотя она работает, но имеет ограничения, включая неспособность определить количество вводимых добавок. Данная технология измеряет всего несколько длин волн ближнего инфракрасного света – этого недостаточно для анализа вводимых добавок при производстве снеков.

Более сложная технология диодной линейки, используемая в анализаторе DA 7440, собирает весь спектр ближнего инфракрасного света, и она уже доказала свою способность точного анализа в режиме реального времени.

На рисунке справа показано, как отличаются две технологии: фильтровая и диодная линейка. Две черные линии демонстрируют, какие длины волн анализирует прибор на базе фильтров — всего две точки из спектра. Синяя кривая демонстрирует спектральную информацию, которую собирает прибор на базе диодной линейки — непрерывный спектр с данными на каждой длине волны. Непрерывный спектр обеспечивает более точную информацию об исследуемом образце и позволяет использовать передовые алгоритмы.

DA 7440 можно заказать с заводской калибровкой для измерения добавок. Та же калибровка может использоваться для различных видов добавок. Наши клиенты часто измеряют 10-15 различных вкусовых рецептур, используя одну и ту же калибровку. Заводская калибровка должна быть откорректирована для местных продуктов с использованием небольшого набора образцов, проанализированных в лаборатории контрольными методами.

Компания Пертен Инструментс разработала глобальные калибровки для БИК анализатора DA 7250. Они позволяют производить анализ любого мяса и мясных продуктов на следующие показатели: жир, влага, белок, коллаген, соль и зола. Калибровки универсальны и могут использоваться на очень широком спектре образцов, от сырого мяса и мясных продуктов на любой стадии производственной переработки до готовых продуктов.

Содержание жира и других показателей значительно варьируется в сыром мясе, в зависимости от разреза и от какого животного оно происходит. Таким образом, быстрый композиционный анализ мясных продуктов имеет очень важное значение.

• При покупке и дальнейшей переработке мяса очень полезно иметь возможность быстро его проанализировать, чтобы определить, соответствует ли оно заявленным требованиям, что в дальнейшем позволит разделить продукт по качеству для оптимального использования.
• Во многих производственных процессах быстрый анализ позволяет приблизиться к технологическим требованиям и достичь более стабильного качества конечного продукта путём изменения мясной массы, основываясь на содержание жира.
• И последнее, но не менее важное: быстрый анализ соответствия готовой продукции заявленным требованиям может избежать дорогостоящих возвратов и жалоб со стороны клиентов.

При использовании технологии БИК требуется всего несколько секунд для анализа образца на содержание в нем жира, влаги, белка, коллагена, соли и золы, а не нескольких часов, необходимых в случае традиционного химического анализа. Но использование метода БИК для анализа мясных продуктов часто требовало время затратных работ по настройке калибровочных моделей и использования различных калибровок для каждого вида мясного продукта. Чтобы облегчить использование метода БИК анализа, Пертен приступил к разработке глобальных и универсальных калибровок. Несколько тысяч образцов мяса и мясных продуктов были собраны по всему миру на нескольких инструментах DA 7250. Образцы охватывали очень большой диапазон значений всех показателей - от сырой говядины, мяса птицы и свинины, до промежуточных и готовых мясных продуктов, таких как сырая ветчина, сосиски, салями, варёная ветчина и мясные шарики.