مراقبة حمض اللاكتيك ودرجة الحموضة في تخمير الزبادي

لماذا تهمّ نقطة نهاية التخمير

في تصنيع الزبادي، يُلقَّح الحليب المعالَج حراريًا بـ Streptococcus thermophilus وLactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus، اللتين تعملان تآزريًا على تحويل اللاكتوز إلى حمض اللاكتيك وخفض الرقم الهيدروجيني للحليب؛ ويقوم تكوّن خثرة الزبادي على الترسيب عند نقطة التعادل الكهربائي للكازين مع انخفاض الرقم الهيدروجيني [1]. وتعرّف مواصفة Codex للألبان المخمرة الزبادي بهذه المزرعة التكافلية، وتحدد حدًا أدنى للحموضة القابلة للمعايرة قدره 0.6 % (m/m) معبّرًا عنه بحمض اللاكتيك [2]. ولذلك فإن تحديد موعد إيقاف التحمّض لدى مصنّعي الألبان مسألة تتعلق بالقوام وبالتركيب في آن واحد.

يُنهى التخمير بالتبريد. وتصف مراجعة لعمليات تصنيع الزبادي التبريد إلى نحو 5 °C بمجرد بلوغ الرقم الهيدروجيني نحو 4.7–4.3، مما يثبّط مزرعة البادئ ويمنع مزيدًا من ارتفاع الحموضة؛ ويعطي التبريد السريع أحادي المرحلة إلى ما دون 10 °C لزوجة أقل من التبريد ثنائي المرحلة، الذي يحدّ أيضًا من انفصال المصل [1]. وللظروف السابقة أهميتها كذلك: فقد وجد Lee وLucey أن نفاذية هلامات الزبادي وحجم مسامها وانفصال المصل فيها ازدادت مع انخفاض معدل التلقيح وارتفاع درجة حرارة الحضن (نحو 46 °C مقابل 40 °C) [3]، وتربط مراجعتهما اللاحقة قوام الزبادي بالمواد الصلبة الكلية والمعالجة الحرارية ودرجة حرارة الحضن [4].

القياسات المرجعية: الرقم الهيدروجيني والحموضة القابلة للمعايرة

تصف التحمّضَ كميتان مرجعيتان. فالرقم الهيدروجيني هو قيمة العملية التي يُبدأ عندها التبريد [1]، وهو في الإنتاج الصناعي للزبادي عادةً القياس الوحيد المطبَّق في الخط إشارةً للمراقبة في الزمن الحقيقي [6]. أما الحموضة القابلة للمعايرة فهي المعيار التركيبي: إذ يُعبَّر عن حد Codex بنسبة مئوية من حمض اللاكتيك [2]، وتحدد ISO/TS 11869 | IDF/RM 150 طريقة جهدية لتعيين الحموضة القابلة للمعايرة في الزبادي الطبيعي والمنكّه وبالفاكهة وزبادي الشرب والجبن الطازج واللبن الرائب وغيرها من منتجات الحليب المخمرة [5]. غير أن الحموضة القابلة للمعايرة معايرةٌ مختبرية على عينة تُسحب من الخزان.

ويشير Svendsen وآخرون إلى أن المنتجين سيستفيدون من تقنية في الخط تقدّم أكثر من الرقم الهيدروجيني، كالتركيب أو القوام أو التلوث [6].

ما الذي تذكره دراسات الأشعة تحت الحمراء القريبة في الخط

دمج Cimander وآخرون أنفًا إلكترونيًا ومطياف أشعة تحت حمراء قريبة (NIR) ومجسّات المفاعل الحيوي القياسية في عمليات تخمير مختبرية للزبادي؛ وتنبأت شبكة عصبية باللاكتوز والغالاكتوز واللاكتات، وبحالات العملية مثل بدء التخثر أو موعد الحصاد، بدقة مماثلة لاختبار المرجع خارج الخط [7]. وقارن Grassi وآخرون أطياف NIR بتحويل فورييه (FT-NIR)، المحلَّلة بتحليل المكونات الرئيسية، بالريولوجيا والرقم الهيدروجيني والحموضة القابلة للمعايرة وتراكيز السكريات وحمض اللاكتيك، ووجدوا أن FT-NIR مفيدة لتقييم تطور الخثرة في الزمن الحقيقي [8]. وفي دراسة متابعة شملت 18 عملية تخمير بثلاث مزارع بادئة عند 37 و41 و45 °C، أفضى تحليل الحل المنحني متعدد المتغيرات (MCR-ALS) لأطياف FT-NIR في الخط إلى ثلاثة منحنيات تقابل مراحل التخثر، واعتمدت منحنيات التركيز على البادئ ودرجة الحرارة بما يتفق مع نتائج الرقم الهيدروجيني والريولوجيا [9].

راقب Svendsen وآخرون عمليات تخمير من نوع الزبادي بمطيافية NIR في الخط، ووجدوا أن تغير اللزوجة يؤثر بقوة في تشتت الضوء؛ إذ تعكس إشارة NIR كلًا من التشتت المرتبط بالقوام، والامتصاص المرتبط بتكوّن الكتلة الحيوية وتحويل السكر إلى حمض اللاكتيك [6]. وسجّل Muncan وآخرون أطياف NIR (830–2500 nm) كل 15 دقيقة على مدى 8 ساعات من التخمير، مع قياس الرقم الهيدروجيني كل 30 دقيقة، وربطوا تغيرات خط الأساس والميل المصاحبة للتحمّض ببنية الماء وتغيرات البروتين والتخثر [10]. وطابق Aktas وآخرون معادلة Gompertz مع بيانات FT-NIR في الخط لتحديد النقاط الحرجة الحركية لتخمير الزبادي، والتي جاءت في المتوسط أبكر بنحو 18 % من تلك المستمدة من الريولوجيا [11].

تتتبّع معظم هذه الدراسات مسار التخمير — بدء التخثر ومراحله ونقاطه الحرجة — في عمليات تخمير مختبرية أو تجريبية [8][9][10][11]. ولا يزال النموذج الكمي الخاص بالموقع للرقم الهيدروجيني أو الحموضة القابلة للمعايرة بحاجة إلى معايرة وتحقق من الصلاحية على حليب المصنع ومزارعه ووصفاته.

الأشعة تحت الحمراء المتوسطة ورامان

قارن Sivakesava وآخرون مطيافية FT-MIR وNIR وFT-Raman للقياس بجوار الخط للكتلة الحيوية والغلوكوز وحمض اللاكتيك في عينات المرق الكامل من تخمير Lactobacillus casei؛ وكان أداء نماذج FT-MIR الأفضل، في حين كانت أخطاء التنبؤ لـ NIR وFT-Raman مرتفعة [12]. غير أن ذلك كان مرق عملية حيوية لا هلام حليب في طور التخثر، ولذلك لا ينتقل هذا الترتيب مباشرة إلى الزبادي. ولم تُحدَّد لهذا المقال أي دراسة محكّمة لتخمير الزبادي بمطيافية رامان في الخط.

نقاط عملية لإشارة التحمّض

• اربطوا النموذج بالطرائق المرجعية. افحصوا أي نموذج طيفي مقابل الرقم الهيدروجيني والحموضة القابلة للمعايرة وفق ISO/TS 11869 | IDF/RM 150 [5]، لأن الحد التركيبي للزبادي معرَّف على أساس الحموضة القابلة للمعايرة [2].
• افصلوا القوام عن الكيمياء. لأن التهلّم يغيّر تشتت الضوء [6] ولأن حركية التخمير تعتمد على البادئ ودرجة الحرارة [9]، ينبغي أن تغطي مجموعة المعايرة المزارع والوصفات ودرجات حرارة الحضن المستخدمة في الإنتاج.
• اتبعوا إرشادات NIR الخاصة بالألبان. تقدّم ISO 21543 | IDF 201 إرشادات لتطبيق مطيافية NIR على منتجات الحليب، بما في ذلك المعايرة والتحقق من الصلاحية [13].

نهج USTECH

للقياس في الخط، صُمّم محلّل FT-NIR العملياتي ProLine2550 للسوائل والملاط، أما ProLine17EC فمحلّل NIR متين في الخط بدرجة حماية IP65 وجسم من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 ونافذة من الياقوت. ويوفر برنامج caliX أدوات PCA وPLS المستخدمة في الدراسات المذكورة أعلاه [8][12]، ويربط ProChem مخرجات المحلّل بأنظمة PLC/SCADA مع لوحات معلومات وإنذارات. أما ما إذا كانت إشارة NIR قادرة على دعم قرار نقطة النهاية لمنتج معيّن، فيُحسم في دراسة جدوى باستخدام عيناتكم، ولا يُفترض انطلاقًا من النتائج المنشورة.