Feuchte- und Proteinanalyse in Milchpulver mit NIR-Spektroskopie

Warum die Zusammensetzung bei jeder Pulvercharge geprüft wird

Milchpulver werden nach ihrer Zusammensetzung gehandelt. Der Codex-Standard für Milchpulver und Rahmpulver (CXS 207-1999) legt für Rahm-, Vollmilch-, teilentrahmtes und Magermilchpulver gleichermaßen einen maximalen Wassergehalt von 5 % m/m fest, einen Mindestgehalt an Milchprotein von 34 % m/m in der fettfreien Milchtrockenmasse, einen Höchstgehalt an Milchfett von 1,5 % m/m für Magermilchpulver und einen Milchfettbereich von 26 % bis unter 42 % m/m für Vollmilchpulver [1]. Zwei Details desselben Standards sind für jeden Analysator wichtig: Der Wasserwert schließt das Kristallwasser der Lactose aus, der Wert der fettfreien Milchtrockenmasse schließt es ein [1]. Ein Molkereibetrieb braucht daher für jede Charge, die den Trockner verlässt, ein Feuchteergebnis, das der Codex-Definition entspricht, und ein Proteinergebnis, das er auf die fettfreie Trockenmasse beziehen kann.

Die Referenzmethoden

Die Feuchte wird mit dem Referenzverfahren der Ofentrocknung nach ISO 5537 | IDF 26 bestimmt, deren zweite Ausgabe (2023) die Ausgabe von 2004 ersetzt und für alle Arten von Trockenmilch und Trockenmilcherzeugnissen gilt [2]. Das Protein wird aus dem Gesamtstickstoff nach dem Kjeldahl-Verfahren ISO 8968-1 | IDF 20-1 abgeleitet, das auch die Berechnung des Rohproteins festlegt [3]. Fett in Trockenmilcherzeugnissen wird heute durch das gravimetrische Verfahren nach ISO 23318 | IDF 249:2022 abgedeckt, dessen Anwendungsbereich Vollmilch-, teilentrahmtes und Magermilchpulver, Molkenpulver und Säuglingsnahrungspulver auf Milchbasis umfasst und das die gesonderte Norm für Trockenmilch ISO 1736:2008 ersetzt hat [4]. Lactose wird mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie nach ISO 22662 | IDF 198:2024 bestimmt, deren Anwendungsbereich Trockenmilch einschließt [5]. Jedes dieser Verfahren erfordert Probenvorbereitung, chemische Reagenzien oder Chromatographie sowie qualifizierte Laborarbeit; die Ergebnisse liegen vor, wenn das Pulver, aus dem die Probe stammt, den Trockner längst verlassen hat.

Was die Nahinfrarotspektroskopie in einem Pulver sieht

Die Wasseranalyse war die erste erfolgreiche Anwendung der NIR-Spektroskopie; zwei starke, breite Absorptionsbanden bei etwa 1.440 und 1.930 nm treten in fast jedem NIR-Spektrum auf, und sowohl Wasserstoffbrückenbindungen als auch die Probentemperatur beeinflussen die Zuverlässigkeit von Wasserbestimmungen [6]. Protein, Fett und Lactose tragen sich überlagernde Ober- und Kombinationsschwingungsbanden bei, sodass eine multivariate Kalibrierung nötig ist, um sie zu trennen. Holroyds Übersicht zur NIR bei Milch und Milchprodukten beschreibt die Technik als gängig für grobe Zusammensetzungsparameter wie Fett, Protein und Feuchte, betont die Bedeutung einer geeigneten Probenvorbereitung und fasst die für Milchprodukte relevanten Wellenlängen zusammen [7].

Die quantitativen Ergebnisse reichen Jahrzehnte zurück. Baer et al. korrelierten Daten der Grobanalyse von 82 Magermilchpulverproben mit der NIR-Reflexion eines Filtergeräts und berichteten für Feuchte einen Korrelationskoeffizienten von 0,971 bei einem Standardvorhersagefehler von 0,274, für Fett 0,961 und 0,099, für Lactose 0,887 und 0,594 und für Kjeldahl-Protein 0,905 und 0,438 [8]. Wu et al. nutzten den kurzwelligen Bereich (800–1.050 nm) mit PLS und Least-Squares-Support-Vector-Machines, bewerteten die Vorbehandlung mit Standard Normal Variate, schlugen eine Wellenlängenzuordnung für Milchpulver vor und erhielten Bestimmtheitsmaße der Vorhersage von 0,981, 0,984 und 0,982 für Fett, Protein und Kohlenhydrate [9]. In jüngerer Zeit kombinierten Peng et al. ein miniaturisiertes NIR-Spektrometer mit Random-Forest-Regression an Yakmilchpulver und berichteten Korrelationskoeffizienten von 0,9846, 0,9642 und 0,9915 für Protein, Fett und Feuchte [10]. Das übereinstimmende Bild: Feuchte, Fett und Protein werden gut vorhergesagt, Lactose etwas weniger gut, und jede Zahl gilt nur für die Pulverpopulation und die Referenzdaten, auf denen sie beruht.

At-line oder inline: Kalibrierung und Validierung

NIR ist eine Sekundärmethode: Eine Kalibrierung setzt Spektren mit Referenzwerten in Beziehung, die mit den oben genannten Verfahren gewonnen wurden, und ihre Genauigkeit kann deren Genauigkeit nicht übertreffen. ISO 21543 | IDF 201:2020 enthält die Leitlinien für die Anwendung der NIR-Spektrometrie auf Milch und Milchprodukte in flüssiger, halbfester oder fester Form mittels Transmission, diffuser Reflexion oder Transflexion und behandelt die Auswahl der Kalibrierproben, die Referenzanalysen, die Kalibrierung und den Umgang mit Ausreißern [11]. Für den Prozess selbst haben Holroyd et al. eine Reihe von In-line- und On-line-NIR-Installationen für Milchpulver ausgewertet und gefolgert, dass Fourier-Transform-NIR-Systeme Feuchte, Fett und Protein von Milchpulver in-line zuverlässig messen können [12]. Drei Praktiken halten beide Konfigurationen belastbar:

• Feuchte so definieren wie die Spezifikation. Der Codex-Grenzwert für Wasser schließt das Kristallwasser der Lactose aus [1], und das Ofenverfahren nach ISO 5537 ist die Referenz, gegen die ein NIR-Feuchtemodell kalibriert wird [2]; ein Modell, das auf eine andere Wasserdefinition trainiert wurde, misst gegen einen anderen Grenzwert.
• Temperatur und Probenpräsentation kontrollieren. Probentemperatur und Wasserstoffbrückenbindungen verschieben die Wasserbanden [6], und die Probenvorbereitung wird in der NIR-Literatur zu Milchprodukten als bestimmender Faktor für die Genauigkeit hervorgehoben [7]; die At-line-Schale oder das Inline-Fenster sollte das Pulver unter denselben Bedingungen sehen wie der Kalibriersatz.
• Je Produkt validieren, dann überwachen. Magermilch-, Vollmilch- und Fettpulver sind unterschiedliche Populationen; ISO 21543 beschreibt aus diesem Grund Validierung und Ausreißerbehandlung [11], und der regelmäßige Vergleich mit Referenzergebnissen sollte fortgesetzt werden, nachdem das Modell in Gebrauch ist.

Wie USTECH dabei vorgeht

Für At-line-Prüfungen neben dem Trockner oder im Werkslabor misst der NIR-Tischanalysator USTECH MasterLine17EC Pulver in einer Probenschale; für die kontinuierliche Messung an einer Übergabestelle wird der Inline-FT-NIR-Analysator ProLine2550 in einer Konfiguration für Pulver und Granulate angeboten. Die Chemometrie-Suite caliX stellt die SNV-Vorbehandlung und die PLS-Regression bereit, die in den oben zitierten Studien verwendet wurden [9], und ProChem übergibt die Ergebnisse an das Leitsystem des Werks. Welche Parameter die Genauigkeit erreichen, die eine Pulverspezifikation verlangt, und ob Lactose bei einem bestimmten Produkt dazugehört, wird in einer Machbarkeitsstudie mit Ihren eigenen Proben und Referenzanalysen gemäß ISO 21543 ermittelt [11].