43 Infrapunaspektroskopia nopea menetelmä elintarvikkeiden analysoinnissa

Elintarviketeollisuus ja -tutkimus käyttävät koostumusmäärityksissä eniten lähi-infrapunaspektroskopiaa (NIR, Near Infrared) ja FT-infrapunaspektroskopiaa (FTIR, Fourier Transform Infrared ). Niiden etuina ovat määritysten nopeus ja esikäsittelyn helppous.

Yleensä näytteen esikäsittelyä ei tarvita lainkaan. Lisäksi näytteen koostumus säilyy muuttumattomana, joten menetelmää voidaan soveltaa myös on-line-mittauksena. Huonona puolena on se, että laitteet vaativat kalibrointityötä. Tosin kalibrointi tehdään laajasti vain käyttöönottovaiheessa.
Infrapunaspektroskopia otettiin ensimmäiseksi käyttöön viljan analysoinnissa noin 30 vuotta sitten. Se on yhä eniten käytössä oleva viljan kosteuden ja proteiinipitoisuuden määritysmenetelmä. Kemometristen laskentaohjelmien ja tietokoneiden kehityksen myötä infrapunaspektroskopian laitteet ovat muuttuneet tutkijoiden työkaluista laboratorio- ja prosessiympäristössä jokapäiväisiksi apuvälineiksi.
Infrapunaspektri jaetaan yleensä kolmeen alueeseen: kauko-, keski- (MIR) ja lähi-infrapuna (NIR). Kaukoinfrapuna-alue sijoittuu alueelle < 400 cm-1 ja keski-infrapuna-alue välille 4000—400 cm-1. Tämä aaltolukualue on yleensä käytössä tutkittaessa yhdisteiden rakennetta. Varsinainen NIR-alue on spektrissä näkyvän valon ja MIR-alueen välimaastossa.
Tällöin puhutaan aaltolukualueesta 14 000—4000 cm-1, mikä vastaa aallonpituuksina aluetta 700—2 500 nm. Yleensä NIR-analytiikassa käytetäänkin aallonpituutta toimintayksikkönä, eli puhutaan absorptiokaistoista nanometreina tai mikrometreina.
Jotta tuote voidaan analysoida NIR- menetelmällä, sen pitää sisältää esim. C-H-, O-H- tai N-H-sidoksia, jotka värähtelevät ja joiden voimakkuuksia voidaan havaita. NIR -analyysimenetelmä soveltuukin hyvin erilaisille orgaanisille yhdisteille, kuten alkoholeille, sokereille ja elintarvikkeille, kuten lihalle, maidolle ja rehuille.

Laajin käyttöalue viljan ja rehun analysoinnissa

Uusissa NIR-laitteissa näyte mitataan monella eri aallonpituudella, eli spektristä saadaan paljon enemmän tietoa kuin aikaisemmin. NIR-analysaattorit mittaavat näytteen kahden nanometrin välein, joten yhden tuloksen aikaansaamiseksi tehdään satoja mittauksia lyhyessä ajassa, useimmiten alle minuutissa. Tyypillisiä NIR- menetelmällä määritettäviä parametreja ovat rasva, kosteus ja proteiini, mutta usein analysoidaan myös mm. tuhkaa, tärkkelystä, kuitua, sokereita ja alkoholeja sekä erilaisia happoja.
Laajin NIR-tekniikan käyttöalue suomalaisessa elintarviketeollisuudessa on viljan ja rehujen analysointi. Laitteita on käytössä kymmeniä viljan vastaanottopisteissä, myllyissä ja viljakauppaa harjoittavissa liikkeissä.
Edellytyksenä onnistuneelle analyysille on mitattavien näytteiden tasalämpöisyys. Lisäksi mitattavaa komponenttia pitäisi olla näytteessä vähintään 1 %. Tästä on poikkeuksiakin, sillä mm. NIR-tekniikalla voidaan analysoida rasvatonta maitojauhetta, vaikka rasvatasot ovat alle 0,1 %. FTIR ei ole yhtä herkkä näytteen lämpötilan suhteen kuin NIR. Monissa laitesovellutuksissa laite lämmittää näytteen mittauslämpötilaan, yleensä 37—40- asteeseen.
FTIR -laitteilla tehdään elintarviketeollisuudessa enimmäkseen maitotuotteiden analytiikkaa sekä viinin ainesosien määrityksiä. Yleisimmät mittausparametrit ovat mm. rasva, proteiini, laktoosi, kuiva-ainepitoisuus, urea, jäätymispiste ja kaseiini. Laite tulostaa kaikki parametrit hyvin lyhyessä ajassa, yleensä alle minuutissa, jos menetelmät ja parametrit on kalibroitu.

Näytteen käsittely helppoa

NIR- ja FTIR-tekniikkaa käytettäessä näyte ei yleensä vaadi esikäsittelyä ja puhdistusta.
Poikkeuksia kuitenkin on. Esimerkiksi kovien juustojen analysoinnissa näyte joko raastetaan hienoksi ja mitataan NIR-analysaattorilla tai raastetaan, uutetaan ja homogenisoidaan nestemäiseksi FTIR-määritystä varten.
Kiinteät näytteet mitataan NIR-tekniikalla joko transmissio- tai heijastustekniikalla. Epähomogeeniset näytteet jauhetaan syklonimyllyllä, jolloin näytteen hiukkaskoko on tasainen. Tyypillisiä epähomogeenisia näytteitä ovat mm. rehunäytteet ja eläinten ruokanäytteet.
Monissa NIR-laitteissa näytettä ei aina tarvitse siirtää mittauskyvettiin, vaan näyte voidaan mitata suoraan pakkauksesta antureiden avulla. Laboratorio-olosuhteissa käytetään kuitenkin useimmiten kyvettejä, joiden valinta riippuu näytteen hiukkaskoosta ja homogeenisuudesta. Hienojakoinen maitojauhe voidaan mitata pienessä kyvetissä, jonka tilavuus on muutamia grammoja. Tuorerehunäytteet analysoidaan mittauskyvetissä, johon mahtuu noin 250 grammaa näytettä.

Analysaattorit kalibroitava ennen käyttöönottoa

Yleensä NIR-laitteisiin kuuluvat omat kalibrointi- ja mittausohjelmistot. Nämä ohjelmat voivat olla laitteeseen sisäänrakennettuja tai ulkoisia PC-ohjelmia. Sekä NIR- että FTIR-analysaattorit pitää kalibroida aina ennen käyttöönottoa.
Ainakin yhdellä laitevalmistajalla on vireillä pohjoismaisen kalibrointi-ringin perustaminen rehulaboratorioille. Rinkiin kootaan yhteen eri maissa tehdyt kalibrointinäytteet. Näin syntynyt kalibrointitiedosto on kaikkien ringin jäsenten käytössä.
Tarvittava näytemäärä oman kalibroinnin luomiseksi vaihtelee sen mukaan, kuinka vaikea määritettävä mitattava parametri on ja kuinka suureen tarkkuuteen mittauksella halutaan päästä. Miniminä NIR-kalibroinnissa voidaan pitää 30 määritystä.
FTIR -analysaattoreissa on yleensä myös valmis pohjakalibrointi, jonka taso asetetaan kohdalleen paikallisin näyttein. Mm. meijeriteollisuudessa on saatavilla viikoittain uusi kalibrointinäytesarja, jolla voidaan tarkistaa laitteiden taso ja tehdä tarvittavat muutokset. Joskus joudutaan myös teettämään referenssimäärityksiä alan muissa laboratorioissa.
Kalibroinnin onnistuminen pitäisi testata näytesarjalla, joka ei kuulu kalibrointinäytteisiin, mutta on tasoltaan samaa luokkaa. Kun kalibrointi on kerran tehty huolellisesti, se pysyy paikoillaan pitkiäkin aikoja.
NIR -laitteita voidaan kalibroida monella matemaattisella mallilla. Yleisimmät menetelmät ovat monen muuttujan matemaattinen regressio, MLR. Toinen vaihtoehto on nykyisin laajasti käytössä oleva PLS (partial least squares). Kalibrointi voidaan tehdä myös kulmakertoimen ja leikkauspisteen säätelyllä (slope/intercept säätö).

”Vianetsintäohjelma” kyttää laitteita päivittäin

Kalibroinnin onnistuminen ja laitteen mittaustarkkuus riippuu paljolti referenssimenetelmän tarkkuudesta.
NIR-analysaattoreiden toimintaa seurataan päivittäin ns. diagnostiikka-ohjelman avulla. Ohjelmat vaihtelevat eri laitevalmistajilla, mutta ideana on, että päivittäinen ”vianetsintäohjelma” kertoo heti, jos mm. lampun teho alkaa heiketä.
Toinen päivittäinen toimenpide on standardinäytteen ajo ja tulosten tarkastelu. Standardinäyte voi olla esim. maitojauheen kaltaista tuotetta, joka on pakattu tiiviiseen kyvettiin. Samaa standardinäytettä voidaan käyttää jopa vuosia.
Tärkeä osa laadunvalvontaa on tietyin väliajoin suoritettavat referenssimääritykset. Tällöin tehdään rinnan referenssimenetelmällä ja analysaattorilla samat näytteet ja katsotaan, onko syytä tehdä muutoksia kalibrointiin. Referenssimäärityssarjan voi tehdä esim. kuukausittain.
Säännöllinen huolto pidentää laitteen käyttöikää, mutta käyttäjä voi itse vaikuttaa paljonkin laitteen kuntoon. Tärkeä tekijä on laitteen puhtaanapito, koska prosessiympäristössä laitteet ovat usein pölyisissä paikoissa.

Teija Nurmela
Tuoteryhmäpäällikkö
Ordior Oy
teija.nurmela (at) ordior.fi

Lisätietoja NIR -analytiikasta löytyy mm. seuraavilta sivuilta: www.foss.dk, www.nirpublications.com