المراقبة المستمرة للرماد والبروتين في طحن دقيق القمح

لماذا يوجّه الرماد والبروتين عمل المطحنة

تجمع مطحنة الأسطوانات الدقيقَ الناتج عن كل مرحلة كسر ومرحلة تنعيم في تيار مستقل، ثم يخلط الطحّان هذه التيارات لإنتاج دقيق عادي (straight-grade) أو دقيق ممتاز (patent) أو دقيق من الدرجة الثانية (clear). والرماد هو المقياس الذي يُحكم به على هذه التيارات: فالمحتوى المعدني للنخالة يبلغ نحو 20 ضعفًا من محتواه في السويداء، ولذلك يُستخدم رماد الدقيق مؤشرًا على مدى اكتمال فصل النخالة عن السويداء [1]. وتؤكد تجارب إزالة النخالة هذا التدرج؛ فكلما طالت مدة كشط حبوب القمح انخفض رماد ما يتبقى منها [2]. أما البروتين فهو متغير التحكم الثاني في صناعة الأغذية والأعلاف، لأنه يحدد الاستخدام النهائي للدقيق وسعره، ولأن معظم معاملات جودة القمح الأخرى ترتبط به، كما وجد Dowell وآخرون [3].

يجعل منحنى الرماد التراكمي العلاقة بمعدل الاستخلاص واضحة. فقد رسم Sakhare وInamdar رماد الدقيق التراكمي مقابل حصيلة الدقيق التراكمية لتيارات الكسر الأربعة وتيارات التنعيم الخمسة في مطحنة تجريبية: ارتفع الرماد من الكسر الأول إلى الأخير ومن مراحل التنعيم الأمامية إلى الخلفية، باستثناء ارتفاعه في الكسر الأول (0.71 %) والتنعيم الثالث (0.76 %)، وأعطت مراحل التنعيم الأمامية أكبر كمية من الدقيق بأدنى رماد [4]. وكل تيار يُضاف إلى الخلطة يرفع الاستخلاص والرماد معًا، وقرار الطحّان هو تحديد نقطة القطع؛ ولذلك يوصف الرماد بأنه مؤشر رئيسي لمعدل استخلاص الدقيق ودرجته [5].

الطرائق المرجعية

يُحدَّد الرماد بترميد جزء اختبار موزون في فرن ترميد (muffle) ثم وزن المتبقي. وتحدد المواصفة ISO 2171 الطريقة للحبوب والبقول ومنتجات طحنها المعدّة للاستهلاك البشري، بما فيها الدقيق والسميد والمنتجات الغنية بالنخالة [6]؛ أما المواصفة ICC رقم 104/1 فترمّد العينة عند 900 °C حتى يصبح المتبقي أبيض أو شبه أبيض، وتُبلغ النتيجة على أساس المادة الجافة، ولذا تُحدَّد الرطوبة بشكل منفصل [7]؛ والطريقة AACC 08-01.01 هي الطريقة الأساسية في مجموعة AACC [8]. وتذكر طريقة الأشعة تحت الحمراء القريبة الصادرة عن AACC نفسها أن الترميد والتبريد هما الخطوتان المستهلكتان للوقت اللتان يُقصد بتنبؤ NIR تجنّبهما [1]. أما البروتين، فإن إجراء كيلدال وفق ISO 20483 يحدد النيتروجين الكلي ويحسب منه البروتين الخام، دون التمييز بين البروتين والنيتروجين غير البروتيني [9]. ولا يُعطي أي من الإجراءين نتيجة بينما التيار الذي أُخذت منه العينة لا يزال جاريًا.

ما الذي يقيسه NIR للرماد والبروتين — وما الذي لا يقيسه

تتألف أطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة للأغذية من حزم عريضة متداخلة من النغمات التوافقية والتركيبية لروابط CH وOH وNH؛ ولأن هذه الإشارة الكيميائية تتراكب معها تأثيرات فيزيائية مثل حجم الجسيمات، فإن NIR طريقة ثانوية تُعايَر مقابل طريقة مرجعية باستخدام نماذج متعددة المتغيرات (كيمومترية)، وتظل دقتها محدودة بدقة تلك الطرائق المرجعية [10]. وللبروتين بصمة مباشرة في NIR تتمثل في امتصاصات NH للرابطة الببتيدية، وتعيّر الطريقة AACC 39-11.01 تقديره في دقيق القمح بانعكاس NIR، مع معايرة مقابل مرجع كيلدال أو الاحتراق [11]. أما الرماد فليس له مثل هذه البصمة، لأن المعادن لا تمتص في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة. والطريقة AACC 08-21.01 صريحة في ذلك: يرتبط رماد الدقيق ارتباطًا وثيقًا جدًا بالمحتوى السليلوزي للنخالة، ومن المرجح أن ترتبط معايرات الرماد بـ NIR بالمكونات السليلوزية لشظايا النخالة في الدقيق لا بالرماد نفسه [1].

وتعكس النتائج المنشورة هذا الفرق. فقد تنبأ Dowell وآخرون، في عملهم على 100 عينة من القمح الأحمر الشتوي الصلب و98 عينة من القمح الأحمر الربيعي الصلب باستخدام أربعة أجهزة NIR، بالبروتين والرطوبة بقيمة R² تتجاوز 0.97، وهي دقة وصفوها بأنها مناسبة للتحكم في العملية، في حين لم يتجاوز R² لرماد الدقيق 0.56 في أي تركيبة من الأجهزة ومجموعات العينات [3]. ويذكر Osborne أن زمن قياس NIR النموذجي يتراوح بين 15 و90 s، ويشير إلى إمكانية إجراء التحليل على الخط [10]. وأفاد عمل حديث استخدم التصوير الطيفي الفائق في المنطقتين المرئية والقريبة من تحت الحمراء مع نماذج الشبكات العصبية أو PLS بدقة تنبؤ للرماد تراوحت بين 92.27 % و99.55 % لنوعين من دقيق الخبز المسطح الإيراني [5]. وعليه فإن قيمة الرماد المقيسة بـ NIR تقدير غير مباشر لجسيمات النخالة، صالح للقمح والمطحنة اللذين عُويِر عليهما. أما فرز القمح الوارد فمعايرة مستقلة: فقد تنبأ Miralbés ببروتين القمح الكامل ورطوبته بنفاذية NIR بقيمة r² بلغت 0.99 لكليهما، وعدّ النماذج كافية للفرز في مرحلة الاستلام في المطاحن والصوامع [12].

مراقبة تيارات الدقيق عمليًا

تقدم المواصفة ISO 12099 الإرشادات الخاصة بتطبيق NIR على الحبوب ومنتجات طحنها، بدءًا من المعايرة ومرورًا بالتحقق وانتهاءً بالمراقبة المستمرة مقابل الطريقة المرجعية [13]. وبالنسبة إلى مطحنة تريد الحصول على قيم الرماد والبروتين من تياراتها أثناء جريانها، تترتب على ذلك ثلاث نقاط:

• المعايرة لكل مجموعة تيارات والتحقق مقابل الترميد. لأن نموذج الرماد بـ NIR يتتبع جسيمات النخالة لا المعادن [1]، لا يمكن افتراض أن نموذجًا مبنيًا على الدقيق العادي يصلح لتيار تنعيم خلفي أو لخلطة قمح مختلفة؛ ويُتحقق من كل مجموعة مقابل نتائج ISO 2171 أو AACC 08-01.01 [6][8].
• التعامل مع رماد NIR بوصفه إشارة فرز ومع البروتين بوصفه قيمة تحكم. في مجموعة بيانات Dowell وآخرين كانت دقة البروتين بمستوى التحكم في العملية، ولم تكن دقة الرماد كذلك [3]؛ فاتجاه رماد NIR يكشف الانجراف في تيار ما، أما تغيير درجة الدقيق فيُؤكَّد بالترميد.
• إبقاء المرجع تحت السيطرة. لا يمكن لقيمة NIR أن تكون أدق من نتيجة الفرن التي دُرّبت عليها [10]؛ ويحافظ بروتوكول ترميد ثابت مثل ICC 104/1 [7] وأساس رطوبة مُعلَن على ثبات المعايرة.

نهج USTECH

صُمّم محللا NIR المضمّنان في الخط ProLine17EC وProLine17ECS في حاويات IP65 للتركيب على تدفقات المنتج، ويُستخدم المحلل MasterLine17EC بجانب الخط للحبوب عند الاستلام، وتوفر حزمة caliX أدوات معايرة PLS والتحقق والمراقبة التي تصفها ISO 12099 [13]، ويربط ProChem مخرجات المحللات بنظام PLC أو SCADA في المطحنة بحيث يمكن لاتجاه رماد تيار ما أن يُطلق إنذارًا أو يغذي نقطة ضبط. أما تحديد التيارات والمعاملات التي تبلغ الدقة التي تتطلبها مواصفة الدقيق في مطحنة معينة، فيتم في دراسة جدوى بعينات تلك المطحنة وتحاليلها المرجعية، لا افتراضًا من الأرقام المنشورة.