Análisis de humedad y proteína en leche en polvo mediante espectroscopia NIR

Por qué se comprueba la composición de cada lote de polvo

Las leches en polvo se comercializan por su composición. La Norma del Codex para las leches en polvo y la nata (crema) en polvo (CXS 207-1999) fija un contenido máximo de agua del 5 % m/m por igual para la nata en polvo y para la leche en polvo entera, parcialmente desnatada y desnatada, un contenido mínimo de proteína láctea del 34 % m/m en el extracto seco magro, un máximo de grasa láctea del 1,5 % m/m para la leche desnatada en polvo y un intervalo de grasa láctea de 26 % a menos de 42 % m/m para la leche entera en polvo [1]. Dos detalles de la misma norma importan para cualquier analizador: la cifra de agua excluye el agua de cristalización de la lactosa, y la del extracto seco magro la incluye [1]. Una planta láctea necesita por tanto, para cada lote que sale del secador, un resultado de humedad que corresponda a la definición del Codex y un resultado de proteína que pueda relacionar con la base del extracto seco magro.

Los métodos de referencia

La humedad se determina con el método de referencia de secado en estufa ISO 5537 | IDF 26, cuya segunda edición (2023) anula y sustituye a la edición de 2004 y se aplica a todos los tipos de leche en polvo y productos lácteos en polvo [2]. La proteína se obtiene a partir del nitrógeno total mediante el procedimiento Kjeldahl ISO 8968-1 | IDF 20-1, que especifica también el cálculo de la proteína bruta [3]. La grasa de los productos lácteos en polvo se rige ahora por el método gravimétrico ISO 23318 | IDF 249:2022, cuyo ámbito incluye la leche en polvo entera, parcialmente desnatada y desnatada, el suero en polvo y las fórmulas infantiles en polvo a base de leche, y que sustituyó a la norma específica para leche en polvo ISO 1736:2008 [4]. La lactosa se determina por cromatografía líquida de alta resolución según ISO 22662 | IDF 198:2024, que incluye la leche en polvo en su ámbito [5]. Cada uno de estos métodos implica preparación de muestra, reactivos químicos o cromatografía y trabajo de laboratorio cualificado; sus resultados llegan cuando el polvo del que procede la muestra hace tiempo que ha salido del secador.

Qué ve la espectroscopía de infrarrojo cercano en un polvo

El análisis del agua fue la primera aplicación con éxito de la espectroscopía NIR; dos bandas de absorción intensas y anchas cerca de 1.440 y 1.930 nm aparecen en casi todos los espectros NIR, y tanto los puentes de hidrógeno como la temperatura de la muestra afectan a la fiabilidad de las determinaciones de agua [6]. La proteína, la grasa y la lactosa aportan bandas solapadas de sobretonos y combinaciones, por lo que se necesita una calibración multivariante para separarlas. La revisión de Holroyd sobre el NIR en la leche y los productos lácteos describe la técnica como de uso habitual para parámetros generales de composición como la grasa, la proteína y la humedad, subraya la importancia de una preparación de muestra adecuada y resume las longitudes de onda relevantes para los productos lácteos [7].

El historial cuantitativo se remonta a décadas atrás. Baer et al. correlacionaron los datos del análisis inmediato de 82 muestras de leche desnatada en polvo con la reflectancia NIR de un instrumento de filtros y obtuvieron un coeficiente de correlación de 0,971 con un error estándar de predicción de 0,274 para la humedad, 0,961 y 0,099 para la grasa, 0,887 y 0,594 para la lactosa y 0,905 y 0,438 para la proteína Kjeldahl [8]. Wu et al. utilizaron la región de onda corta (800–1.050 nm) con PLS y máquinas de vectores de soporte por mínimos cuadrados, evaluaron el pretratamiento de variable normal estándar, propusieron una asignación de longitudes de onda para la leche en polvo y obtuvieron coeficientes de determinación de predicción de 0,981, 0,984 y 0,982 para grasa, proteína y carbohidratos [9]. Más recientemente, Peng et al. combinaron un espectrómetro NIR miniaturizado con regresión de bosque aleatorio en leche de yak en polvo y obtuvieron coeficientes de correlación de 0,9846, 0,9642 y 0,9915 para proteína, grasa y humedad [10]. El panorama coherente es que la humedad, la grasa y la proteína se predicen bien, la lactosa algo peor, y que cada cifra es específica de la población de polvos y de los datos de referencia que la respaldan.

At-line o en línea: calibración y validación

El NIR es un método secundario: una calibración relaciona los espectros con valores de referencia obtenidos con los métodos anteriores, y su exactitud no puede superar la de estos. ISO 21543 | IDF 201:2020 establece las directrices para aplicar la espectrometría NIR a la leche y los productos lácteos en forma líquida, semisólida o sólida por transmitancia, reflectancia difusa o transflectancia, y abarca la selección de las muestras de calibración, los análisis de referencia, la calibración y el tratamiento de valores atípicos [11]. Para el propio proceso, Holroyd et al. revisaron varias instalaciones NIR in-line y on-line para leche en polvo y concluyeron que los sistemas NIR por transformada de Fourier pueden medir de forma fiable en línea la humedad, la grasa y la proteína de la leche en polvo [12]. Tres prácticas mantienen defendible cualquiera de las dos configuraciones:

• Definir la humedad como lo hace la especificación. El límite de agua del Codex excluye el agua de cristalización de la lactosa [1], y el método de estufa ISO 5537 es la referencia frente a la que se calibra un modelo NIR de humedad [2]; un modelo entrenado con otra definición de agua se leerá frente a otro límite.
• Controlar la temperatura y la presentación. La temperatura de la muestra y los puentes de hidrógeno desplazan las bandas del agua [6], y la literatura NIR sobre productos lácteos señala la preparación de la muestra como un factor determinante de la exactitud [7]; la cápsula at-line o la ventana en línea deben ver el polvo en las mismas condiciones que el conjunto de calibración.
• Validar por producto y después monitorizar. Los polvos desnatados, enteros y con grasa vegetal añadida son poblaciones distintas; por ello ISO 21543 describe la validación y el tratamiento de valores atípicos [11], y la comparación periódica con resultados de referencia debe continuar una vez que el modelo esté en uso.

Cómo lo aborda USTECH

Para controles at-line junto al secador o en el laboratorio de la planta, el analizador NIR de sobremesa USTECH MasterLine17EC mide los polvos en una cápsula de muestra; para la medición continua en un punto de transferencia, se ofrece el analizador FT-NIR en línea ProLine2550 en una configuración para polvos y gránulos. La suite quimiométrica caliX proporciona el pretratamiento SNV y la regresión PLS utilizados en los estudios citados [9], y ProChem transmite los resultados al sistema de control de la planta. Qué parámetros alcanzan la exactitud que exige una especificación de polvo, y si la lactosa figura entre ellos para un producto determinado, se establece en un estudio de viabilidad con sus propias muestras y análisis de referencia, conforme a ISO 21543 [11].