تحليل الرطوبة والبروتين في الحليب المجفف بمطيافية NIR

لماذا يُفحص التركيب في كل دفعة من البودرة

يُتاجَر بمساحيق الحليب على أساس تركيبها. فمواصفة الدستور الغذائي (Codex) لمساحيق الحليب ومسحوق القشدة (CXS 207-1999) تحدد حدًا أقصى لمحتوى الماء قدره 5 % m/m لمسحوق القشدة ومسحوق الحليب كامل الدسم وجزئي نزع الدسم ومنزوع الدسم على السواء، وحدًا أدنى لمحتوى بروتين الحليب قدره 34 % m/m في المواد الصلبة اللادهنية للحليب، وحدًا أقصى لدهن الحليب قدره 1.5 % m/m لحليب البودرة منزوع الدسم، ومدى لدهن الحليب من 26 % إلى أقل من 42 % m/m لحليب البودرة كامل الدسم [1]. وثمة تفصيلان في المواصفة نفسها مهمان لأي محلل: رقم الماء يستثني ماء تبلور اللاكتوز، ورقم المواد الصلبة اللادهنية للحليب يتضمنه [1]. ولذلك يحتاج مصنع الألبان إلى نتيجة رطوبة تطابق تعريف الدستور الغذائي، وإلى نتيجة بروتين يمكنه ربطها بأساس المواد الصلبة اللادهنية، لكل دفعة تغادر المجفف.

الطرائق المرجعية

تُحدَّد الرطوبة بالطريقة المرجعية للتجفيف في الفرن ISO 5537 | IDF 26، التي تلغي طبعتها الثانية (2023) طبعةَ 2004 وتحل محلها، وتنطبق على جميع أنواع الحليب المجفف ومنتجات الحليب المجففة [2]. ويُستمد البروتين من النيتروجين الكلي بإجراء كيلدال ISO 8968-1 | IDF 20-1، الذي يحدد أيضًا طريقة حساب البروتين الخام [3]. أما الدهن في منتجات الحليب المجففة فتغطيه الآن الطريقة الوزنية ISO 23318 | IDF 249:2022، التي يشمل نطاقها حليب البودرة كامل الدسم وجزئي نزع الدسم ومنزوع الدسم، ومسحوق مصل اللبن، ومسحوق تركيبات الرضّع القائمة على الحليب، والتي حلّت محل المواصفة المستقلة للحليب المجفف ISO 1736:2008 [4]. ويُحدَّد اللاكتوز بالكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء وفق ISO 22662 | IDF 198:2024، التي تشمل الحليب المجفف في نطاقها [5]. وتنطوي كل من هذه الطرائق على تحضير العينة أو كواشف كيميائية أو كروماتوغرافيا، وعلى عمل مخبري ماهر؛ وتصل نتائجها بعد أن تكون البودرة التي أُخذت منها العينة قد غادرت المجفف منذ زمن طويل.

ما الذي تراه مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة في البودرة

كان تحليل الماء أول تطبيق ناجح لمطيافية NIR؛ إذ تظهر حزمتا امتصاص قويتان عريضتان قرب 1,440 و1,930 nm في كل طيف NIR تقريبًا، ويؤثر كلٌّ من الترابط الهيدروجيني ودرجة حرارة العينة في موثوقية تحديد الماء [6]. ويُسهم البروتين والدهن واللاكتوز بحزم متداخلة من النغمات التوافقية والتركيبية، ولذا يلزم معايرة متعددة المتغيرات للفصل بينها. وتصف مراجعة Holroyd حول NIR في الحليب ومنتجاته التقنيةَ بأنها تُطبَّق عادةً على معاملات التركيب الإجمالي مثل الدهن والبروتين والرطوبة، وتشدد على أهمية التحضير المناسب للعينة، وتلخص الأطوال الموجية ذات الصلة بمنتجات الحليب [7].

يمتد السجل الكمي لعقود. فقد ربط Baer وآخرون البيانات التقريبية لـ 82 عينة من الحليب المجفف الخالي من الدسم بانعكاس NIR بجهاز مرشحات، وأفادوا بمعامل ارتباط قدره 0.971 مع خطأ معياري للتنبؤ قدره 0.274 للرطوبة، و0.961 و0.099 للدهن، و0.887 و0.594 للاكتوز، و0.905 و0.438 لبروتين كيلدال [8]. واستخدم Wu وآخرون المنطقة قصيرة الموجة (800–1,050 nm) مع PLS وآلات المتجهات الداعمة بالمربعات الصغرى، وقيّموا المعالجة المسبقة بالمتغير الطبيعي المعياري، واقترحوا تخصيصًا للأطوال الموجية لحليب البودرة، وحصلوا على معاملات تحديد للتنبؤ قدرها 0.981 و0.984 و0.982 للدهن والبروتين والكربوهيدرات [9]. ومؤخرًا، جمع Peng وآخرون بين مطياف NIR مصغّر وانحدار الغابات العشوائية على بودرة حليب الياك، وأفادوا بمعاملات ارتباط قدرها 0.9846 و0.9642 و0.9915 للبروتين والدهن والرطوبة [10]. والصورة المتسقة هي أن الرطوبة والدهن والبروتين يُتنبأ بها جيدًا، واللاكتوز أقل قليلًا، وأن كل رقم خاص بمجموعة البودرة والبيانات المرجعية التي يستند إليها.

بجانب الخط أو في الخط: المعايرة والتحقق

NIR طريقة ثانوية: فالمعايرة تربط الأطياف بقيم مرجعية تُحصَّل بالطرائق المذكورة أعلاه، ولا يمكن أن تتجاوز دقتُها دقةَ تلك الطرائق. وتقدم ISO 21543 | IDF 201:2020 إرشادات تطبيق مطيافية NIR على الحليب ومنتجاته في صورتها السائلة أو شبه الصلبة أو الصلبة بالنفاذية أو الانعكاس المنتشر أو الانعكاس النافذ (transflectance)، وتغطي اختيار عينات المعايرة والتحاليل المرجعية والمعايرة ومعالجة القيم الشاذة [11]. وبالنسبة إلى العملية نفسها، استعرض Holroyd وآخرون عددًا من تركيبات NIR في الخط وعلى الخط لحليب البودرة، وخلصوا إلى أن أنظمة NIR بتحويل فورييه قادرة على قياس تركيب حليب البودرة من الرطوبة والدهن والبروتين في الخط بشكل موثوق [12]. وثلاث ممارسات تجعل كلا الترتيبين قابلًا للدفاع عنه:

• عرِّف الرطوبة كما تعرّفها المواصفة. يستثني حد الماء في الدستور الغذائي ماء تبلور اللاكتوز [1]، وطريقة الفرن ISO 5537 هي المرجع الذي يُعايَر مقابله نموذج الرطوبة بـ NIR [2]؛ والنموذج المدرَّب على تعريف مختلف للماء سيُقرأ مقابل حد مختلف.
• اضبط درجة الحرارة وطريقة عرض العينة. تُزيح درجة حرارة العينة والترابط الهيدروجيني حزم الماء [6]، وتُبرز أدبيات NIR في الألبان تحضير العينة بوصفه عاملًا حاسمًا في الدقة [7]؛ وينبغي أن يرى كوب القياس بجانب الخط أو النافذة في الخط البودرةَ في الظروف نفسها التي كانت عليها مجموعة المعايرة.
• تحقق لكل منتج، ثم راقب. البودرة منزوعة الدسم وكاملة الدسم والمدعّمة بالدهن مجموعات مختلفة؛ ولهذا السبب تصف ISO 21543 التحقق ومعالجة القيم الشاذة [11]، وينبغي أن تستمر المقارنة الدورية مع النتائج المرجعية بعد بدء استخدام النموذج.

نهج USTECH

للفحوص بجانب الخط قرب المجفف أو في مختبر المصنع، يقيس محلل NIR المكتبي USTECH MasterLine17EC المساحيق في طبق عينة؛ وللقياس المستمر عند نقطة نقل، يُقدَّم محلل FT-NIR في الخط ProLine2550 بتهيئة مخصصة للمساحيق والحبيبات. وتوفر حزمة الكيمومترية caliX المعالجة المسبقة SNV وانحدار PLS المستخدمين في الدراسات المذكورة أعلاه [9]، ويمرر ProChem النتائج إلى نظام التحكم في المصنع. أما المعاملات التي تبلغ الدقة التي تتطلبها مواصفة البودرة، وما إذا كان اللاكتوز من بينها لمنتج معين، فيُحدَّد في دراسة جدوى بعيناتكم وتحاليلكم المرجعية، وفقًا لـ ISO 21543 [11].