为什么水分和盐分要控制得如此严格
黄油是按成分定义销售的。黄油 Codex 标准规定乳脂含量最低 80 % m/m、水分最高 16 % m/m、非脂乳固体最高 2 % m/m [1]；条例 (EU) No 1308/2013 规定了相同的水分和非脂限值，以及不低于 80 % 但低于 90 % 的乳脂含量 [2]。乳脂是昂贵的组分，因此乳品厂希望在过程波动允许的范围内尽可能接近水分上限运行 — 而这种波动并不小。Packard 调查了四个连续搅拌作业，发现在持续调节下搅拌引起的标准偏差为水分 ±0.087 %、盐分 ±0.058 %，而分析误差分别为 ±0.074 % 和 ±0.015 %，且包装机处黄油的水分平均比刚离开搅拌机的黄油低 0.11 % [3]。
连续式黄油机在何处设定成分
大多数连续式黄油机遵循 Fritz 原理：稀奶油在一台机器中完成搅拌、与酪乳分离以及压炼 [4]。在《利乐乳品加工手册》所描述的布局中，稀奶油进入冷却的搅拌筒；黄油粒和酪乳经过分离段和挤压脱水段；螺杆驱动的压炼段使水相分散；盐可通过高压注射器加入；最后一个压炼段装有用于最终调整水分含量的注射器 [4]。手册指出，一旦调节完成，只要稀奶油的特性保持不变，水分偏差小于约 0.1 %；出口处可安装水分、盐分、密度和温度变送器，并用于自动控制 [4]。
这些变送器正是采用在线分析仪的全部理由：注射器是计量点，而围绕它们的控制回路需要以足够的频率、在已知延迟下测得出口成分。“只要稀奶油保持不变”这一限定条件也说明了为什么需要控制回路，因为搅拌回收率全年都在变化 [4]。
参考方法
参考方法为重量法，且须按顺序进行。ISO 3727-1 | IDF 80-1 规定了黄油水分含量的参考方法 [5]，ISO 3727-2 | IDF 80-2 规定了非脂固形物的参考方法 [6]，ISO 3727-3 | IDF 80-3 规定了由这两项结果计算脂肪含量的方法 [7]；盐分按 ISO 1738 | IDF 12 测定 [8]。这些方法界定了标签用语的含义，任何快速方法都要以它们为依据进行定标和评判。它们是实验室程序，因此只能在事后确认一批产品，而无法调控注射器。
传感器和 NIR 文献显示了什么
Shiinoki 等在连续式加盐黄油生产过程中用微波透射法在线监测水分和盐分，在约 15.5–17.5 % 水分和 1.0–2.0 % 盐分范围内，通过线性回归将 3 GHz 下的相移和衰减与两种含量关联起来 [9]。近红外光谱通过水在 1,440 和 1,930 nm 附近的两个宽吸收带测量水分；Büning-Pfaue 指出，这使 NIR 适用于在线水分分析，但氢键和样品温度会影响结果的可靠性 [10]。
专门针对黄油，Hermida 等用改进偏最小二乘法在 102 个样品上对一台 NIR 仪器进行定标，在 24 个样品的独立集上得到水分、非脂固形物和脂肪的验证标准误差分别为 0.255、0.071 和 0.377（R² 分别为 0.83、0.94 和 0.72），配对 t 检验显示与参考方法无显著差异 [11]。脂肪统计结果较弱，但其影响没有看上去那么大：黄油中的脂肪是由水分和非脂固形物计算得出的 [7]，因此在线策略直接控制水分以及（在相关情况下）盐分，脂肪随之而定。
在线 NIR 已在一种密切相关的塑性脂肪涂抹酱上得到验证：Isaksson 等用漫透射光纤探头在 780–1,100 nm 区域测量了 36 批中试人造黄油，水分范围为 14.28–21.91 %，在线交叉验证误差为 0.13 % 水分，与离线获得的 0.14 % 基本相同 [12]。ISO 21543 | IDF 201 给出了将 NIR 应用于乳及乳制品的指南，其 2006 版将黄油中的水分、脂肪、非脂固形物和盐分列为其应用之一 [13]。
将分析仪纳入水分计量回路
以下三点决定这样的回路能否优于人工调节：
- 对照参考方法定标。NIR 模型会继承其训练值的误差；对所扫描样品进行的 ISO 3727-1、-2、-3 和 ISO 1738 分析是定标和验证的基础 [5][6][7][8]。
- 控制温度和样品呈现。水的吸收带会对温度和氢键作出响应 [10]，而离开最后压炼段的黄油带有一定的温度和密度，传感器会将其与成分一并“看到” [4]；应在分析仪生产中将面对的条件下建立定标。
- 将传感器噪声与过程波动区分开。Packard 发现水分的分析误差与搅拌引起的波动处于同一数量级 [3]；追逐传感器噪声的回路会针对噪声加水，因此控制限应来自在生产线上进行的重复性研究。
USTECH 的做法
对于连续式黄油机的出口，USTECH 使用 ProLine17EC，这是一款具有 316 不锈钢机身和蓝宝石窗口的坚固型 IP65 在线 NIR 分析仪；在需要更高测量速率时则使用 ProLine17ECS。定标在 caliX 中依据 ISO 3727 和 ISO 1738 参考结果开发 [5][6][7][8]，ProChem 将水分和盐分值传送至 PLC 或 SCADA，用于报警以及水和盐水注射器的设定值控制。在线模型在某一工厂的黄油上能达到何种准确度，以及盐分能否与水分一样建模，须通过使用您自己样品的可行性研究来确定。
参考文献
- [1] Codex Alimentarius Commission. Standard for Butter, CXS 279-1971 (formerly CODEX STAN A-1-1971; adopted 1971, revised 1999, amended 2003, 2006, 2010, 2018). FAO/WHO, Rome. codex.fao.org/codex-texts/find-a-codex-text
- [2] Regulation (EU) No 1308/2013 of the European Parliament and of the Council of 17 December 2013 establishing a common organisation of the markets in agricultural products, Annex VII, Part VII, Appendix II (spreadable fats). Official Journal of the European Union, L 347, 20.12.2013 (as amended). eur-lex.europa.eu/eli/reg/2013/1308/oj
- [3] Packard, V.S. (1972). Composition control in continuous buttermaking operations. Journal of Milk and Food Technology, 35(5), 276–278. doi:10.4315/0022-2747-35.5.276
- [4] Tetra Pak Processing Systems AB. Dairy Processing Handbook, Chapter 14: Butter and dairy spreads (online edition). Lund, Sweden. dairyprocessinghandbook.tetrapak.com/chapter/butter-and-dairy-spreads
- [5] ISO 3727-1 | IDF 80-1:2001. Butter — Determination of moisture, non-fat solids and fat contents — Part 1: Determination of moisture content (Reference method). ISO, Geneva. iso.org/standard/35212.html
- [6] ISO 3727-2 | IDF 80-2:2001. Butter — Determination of moisture, non-fat solids and fat contents — Part 2: Determination of non-fat solids content (Reference method). ISO, Geneva. iso.org/standard/29474.html
- [7] ISO 3727-3 | IDF 80-3:2003. Butter — Determination of moisture, non-fat solids and fat contents — Part 3: Calculation of fat content. ISO, Geneva. iso.org/standard/29475.html
- [8] ISO 1738 | IDF 12:2004. Butter — Determination of salt content. ISO, Geneva. iso.org/standard/40470.html
- [9] Shiinoki, Y., Motouri, Y., Ito, K. (1998). On-line monitoring of moisture and salt contents by the microwave transmission method in a continuous salted butter-making process. Journal of Food Engineering, 38(2), 153–167. doi:10.1016/S0260-8774(98)00118-6
- [10] Büning-Pfaue, H. (2003). Analysis of water in food by near infrared spectroscopy. Food Chemistry, 82(1), 107–115. doi:10.1016/S0308-8146(02)00583-6
- [11] Hermida, M., Gonzalez, J.M., Sanchez, M., Rodriguez-Otero, J.L. (2001). Moisture, solids-non-fat and fat analysis in butter by near infrared spectroscopy. International Dairy Journal, 11(1–2), 93–98. doi:10.1016/S0958-6946(01)00039-5
- [12] Isaksson, T., Nærbø, G., Rukke, E.O., Sahni, N.S. (2001). In-line determination of moisture in margarine, using near infrared diffuse transmittance. Journal of Near Infrared Spectroscopy, 9(1), 11–18. doi:10.1255/jnirs.289
- [13] ISO 21543 | IDF 201:2020. Milk and milk products — Guidelines for the application of near infrared spectrometry. ISO, Geneva. iso.org/standard/77606.html