Protein, Fat and Moisture Analyses of Fresh Fishmeal with an Antaris II FT-NIR Analyzer

Význam tématu

Ryby a vedlejší produkty z rybolovu jsou klíčovým zdrojem proteinů pro krmiva v akvakultuře a živočišné výrobě. Kvůli výrazné variability suroviny (druh ryb, oblast a sezóna) vyžaduje výsledný rybí moučka rychlou a spolehlivou kontrolu kvality (bílkoviny, tuk, vlhkost a další složky). Tradiční analytické metody (Kjeldahl pro dusík/bílkoviny, Soxhlet pro tuk, sušení nebo Karl Fischer pro vodu) jsou časově náročné, pracné, produkují chemický odpad a nejsou vhodné pro on-line řízení procesu. Proto je důležité ověřit rychlé, bezchemické alternativy vhodné pro rutinní i procesní nasazení.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem aplikace bylo demonstrovat, že FT-NIR spektroskopie provedená na analyzátoru Thermo Scientific Antaris II může nahradit několik konvenčních chemických analýz rybí moučky a poskytnout rychlé a přesné stanovení bílkovin, tuku, vlhkosti a dalších parametrů. Studie zahrnovala odběr reálných vzorků z produkční linky, vytvoření kalibrací vůči referenčním metodám a ověření přenositelnosti modelů na procesní verzi (Antaris MX).

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky: 247 standardů odebraných přímo z výrobního procesu, zahrnujících sezónní a geografickou variabilitu suroviny. U některých měření se ukázalo, že mechanické přitlačení vzorku v Petriho misce zlepšilo výsledky.

Spektroskopie: Antaris II FT-NIR na systému Method Development Sampling (MDS) s otočným držákem vzorků (sample cup spinner). Po vyvinutí kalibrací byla analýza přenesena na procesní Antaris MX.

Sběr spekter: rozsah 9000–4000 cm-1, rozlišení 16 cm-1, 32 akvizic na spektrum, doba sběru cca 12 sekund na spektrum.

Předzpracování a chemometrie: spektra převedena na první derivaci s Norrisovým vyhlazováním (length = 3, gap = 3). Pro modelování byla použita parciální nejmenší čtverce (PLS) napříč celým spektrálním rozsahem. Software pro vývoj kalibrací: Thermo Scientific TQ Analyst. Modely byly laděny tak, aby reflektovaly procesní variabilitu a byly přenosné na procesní přístroj.

Hlavní výsledky a diskuse

Výsledné kalibrace ukázaly velmi dobré statistiky pro klíčové parametry (zkrácený přehled):

• Bílkoviny: PLS s 10 faktory; korelační koeficient ~0,96; RMSEC 0,57; RMSECV ~0,712; rozsah 68,7–72,3 % (na sušině).


• Tuk: 9 faktorů; korelace ~0,984; RMSEC 0,27; RMSECV ~0,31; rozsah 8,3–10,5 %.


• Voda: 7 faktorů; korelace ~0,985; RMSEC 0,242; RMSECV ~0,32; rozsah 5,6–9,3 %.


• NH3 (amoniak): 10 faktorů; korelace ~0,97; RMSEC 0,012; RMSECV ~0,015; rozsah 0,12–0,25.


• Ash (popel): 8 faktorů; korelace ~0,935; RMSEC 0,605; RMSECV ~0,74; rozsah 12–15,67 %.

Grafické kalibrační závislosti pro bílkoviny a vodu ukazují dobrou shodu mezi referenčními metodami (Kjeldahl, Soxhlet, sušení/Karl Fischer) a NIR predikcemi. Vodní pásy ve spektru byly výrazně identifikovatelné; použití první derivace a vhodného vyhlazení pomohlo potlačit baseline a zlepšit linearitu. Přitlačení vzorku do misky snížilo variabilitu měření povrchových efektů.

Omezení: úspěch NIR kalibrace závisí na kvalitě referenčních dat a pokrytí variability matice (sezónní, druhová, procesní změny). Extrémní hodnoty mimo kalibrační rozsah mohou vykazovat vyšší chybu; je tedy nezbytné průběžné doplňování a validace modelu.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní výhody přechodu na FT-NIR v kontextu rybí moučky jsou:

• Rychlost: spektrum a predikce do ~12 s, umožňuje téměř reálnou dobu a časté kontroly.


• Bezreagentní a beznebezpečné: odstranění rozpouštědel a silných kyselin (míněno ve srovnání s Soxhlet a Kjeldahl).


• Nižší provozní náklady a produkce odpadu.


• Možnost přenosu modelů z laboratorního (Antaris II) na procesní přístroj (Antaris MX) pro on-line nebo in-line kontrolu.


• Analýzy více parametrů z jediné měřicí operace (bílkoviny, tuk, voda, NH3, popel atd.).

Prakticky to znamená zkrácení doby rozhodování v procesu, menší ztráty kvality a nižší nároky na laboratoř a školení personálu.

Budoucí trendy a možnosti využití

Možné směry rozvoje a aplikací této přístrojové a chemometrické kombinace zahrnují:

• Integrace FT-NIR do on-line procesního řízení pro automatické úpravy technologie v reálném čase.


• Rozšíření kalibrační databáze o širší geografickou a sezónní variabilitu a adaptivní aktualizace modelů (kalibrační update, transfer learning).


• Použití pokročilých metod strojového učení a robustní validace pro zlepšení přesnosti při nízkých nebo extrémních obsazích složek.


• Hybridní přístupy kombinující NIR s dalšími rychlými technikami (např. NMR, Raman, XRF) pro rozšíření analytických možností.


• Cloudová správa kalibrací a sdílení modelů mezi provozy a linkami pro rychlé nasazení a centralizovanou údržbu modelů.

Závěr

Studie prokázala, že Antaris II FT-NIR s vhodným odběrem vzorků a chemometrickou úpravou poskytuje rychlé, přesné a opakovatelné stanovení klíčových parametrů rybí moučky. Kalibrace dosáhly vysokých korelačních koeficientů (R>0,935) a nízkých chyb vykazujících, že FT-NIR může nahradit časově a chemicky náročné referenční metody pro rutinní a procesní kontrolu. Nezbytným předpokladem úspěšného provozního nasazení je však kvalitní soubor referenčních dat, pokrytí variability vzorků a průběžná údržba kalibrací.

Použitá instrumentace

V práci byly uvedeny následující přístroje a nástroje:

• Thermo Scientific Antaris II FT-NIR analyzátor (MDS s sample cup spinner).
• Thermo Scientific Antaris MX procesní FT-NIR analyzátor (pro přenos modelů do výroby).
• Software Thermo Scientific TQ Analyst pro vývoj PLS kalibrací.
• Referenční analytické techniky použitá pro kalibraci: Kjeldahl (dusík/bílkoviny), Soxhlet (tuk), metody sušení / Karl Fischer (vlhkost).

Reference

Thermo Fisher Scientific, Application Note 51873: Protein, Fat and Moisture Analyses of Fresh Fishmeal with an Antaris II FT-NIR Analyzer, Martijn Wiertz, 2010.