FT-NIR Analysis of Wine

Význam tématu

Analýza vína je klíčová pro řízení kvality v celé výrobní fázi – odkontroly zrání hroznů přes řízení fermentace až po finální balení. Rychlé, přesné a současně neinvazivní metody umožňují průběžné rozhodování v reálném čase, snižují časové nároky a náklady spojené s tradičními chemickými a chromatografickými analýzami. FT‑NIR spektroskopie nabízí možnost simultánního stanovování více fyzikálních a chemických parametrů (např. etanol, °Brix, hustota, kyseliny, pH, cukry) ze jediné spektrální měřené šarže, přičemž je vhodná i pro měření skrz sklo nebo plastové nádoby – což z ní činí atraktivní nástroj pro QA/QC v odvětví vín.

Cíle a přehled studie

Studie demonstruje schopnost analyzátoru Thermo Scientific Antaris FT‑NIR provádět rychlé a současné kvantitativní analýzy klíčových parametrů vína. Hlavní cíle byly: vytvořit a validovat PLS kalibrace pro více parametrů (včetně etanolu a hustoty), ukázat rychlost a opakovatelnost metody a porovnat výsledky s tradičními metodami z hlediska přesnosti a použitelnosti v QA/QC provozech.

Použitá metodika

Postup analýzy:

• Vzorky byly v případě potřeby odplyněny a předehřáty na 40 °C.
• Měřeno v 1 mm kyvetách umístěných v trojmístném vyhřívaném držáku (teplota kyvety 40 °C).
• Spektroskopické parametry: rozsah 4000–10000 cm-1; InGaAs transmisní detektor s C-attenuačním filtrem; 100 souběžně průměrovaných skenů; rozlišení 4 cm-1; předběžné zpoždění sběru 30 s.
• Sběr dat a správa pracovních postupů pomocí RESULT softwaru (RESULT Integration / RESULT Operation).
• Kemometrie: TQ Analyst s algoritmem Partial Least Squares (PLS). Automatická i ruční výběrová oblast spektra, použití druhé derivace nebo spektrálního baseline podle potřeby.

Použitá instrumentace

• Thermo Scientific Antaris FT‑NIR analyzer (FT‑NIR s dynamicky zarovnaným interferometrem).
• InGaAs transmisní detektor s C attenuačním sítem.
• Trojmístný vyhřívaný držák kyvet, kyvety 1 mm.
• Software: RESULT (sběr dat a workflow), TQ Analyst (kemometrie, automatická volba oblastí, PLS kalibrace).

Hlavní výsledky a diskuse

Výsledky ukazují, že Antaris FT‑NIR zvládá spolehlivě predikovat řadu parametrů vína s velmi dobrou korelací vůči referenčním hodnotám. Shrnutí vybraných výkonů (z kalibračního souhrnu):

• Etanol: 124 standardů (4.23–27.63 % v/v); PLS faktory 4; spektrální zpracování: 2. derivace; korelační koeficient R = 0.9984; RMSECV = 0.26 % v/v. Charakteristické absorpce ethanolu blízko ~4400 cm-1.
• Hustota (density): 133 standardů (0.987–1.076 g·cm-3); vybrané oblasti ~4502–4829 a 6038–6205 cm-1; PLS faktory 6; R = 0.9993; RMSECV ≈ 0.0008 g·cm-3. Použit byl jednopunktní baseline fixovaný na 8300 cm-1.
• °Brix (refrakce): R = 0.9998; RMSECV = 0.08 °Brix.
• Celkové cukry: dvě kalibrace pro nižší a vyšší rozmezí (R = 0.9968–0.9995; RMSECV 1.5–1.5 g·L-1 podle rozsahu).
• Celkové kyseliny: R = 0.9872; RMSECV = 0.4 g·L-1; Volatilní kyseliny: R = 0.9788; RMSECV = 0.06 g·L-1.
• pH: R = 0.9505; RMSECV = 0.08 jednotky pH (nejnižší korelace mezi sledovanými parametry).

Statistická kontrola modelů: analýzy PRESS (Predicted Residual Error Sum of Squares) pro etanol i hustotu vykazovaly jasný minimální počet latentních PLS faktorů, což napomohlo zabránit přefitování (např. etanol – doporučeno 4–5 faktorů, použito 4). Spektrální oblasti vhodné pro kvantitativní kalibrace byly primárně 4100–4600 cm-1, 5700–6000 cm-1 a 6450–7700 cm-1; přičemž oblast s vodními přechody byla záměrně vynechána nebo zpracována opatrně kvůli silným interferencím vody.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní praktické přínosy FT‑NIR analýzy vína pomocí Antaris:

• Rychlost: analýza v řádu sekund až minut místo hodin; vhodné pro vysokoprůtokové provozy a rozhodování v reálném čase.
• Víceparametrovost: jeden spektrální záznam pro více analytů (etanol, °Brix, hustota, kyseliny, cukry, pH atd.), což redukuje práci i spotřebu vzorku.
• Neinvazivní měření a možnost měření přes obaly (sklo/plast), usnadňuje implementaci do výrobních linek.
• Vysoká opakovatelnost a stabilita měření díky FT technologii (přesnost vlnové délky, vysoký S/N poměr, minimální mechanické pohyblivé části).
• Jednoduché pracovní postupy díky RESULT softwaru – umožňuje standardizovat sběr dat i obsluhu bez nutnosti hlubokých spektroskopických znalostí.

Budoucí trendy a možnosti využití

Možnosti dalšího rozvoje a rozšíření aplikace FT‑NIR ve vinařství a příbuzných odvětvích:

• Rozšíření kalibrací o více odrůd, geografických původů a senzorických vad pro zvýšení robustnosti modelů.
• Integrace at‑line nebo in‑line NIR snímání pro automatizované řízení fermentace a dalších provozních parametrů.
• Využití pokročilých strojových učících algoritmů a adaptivních kalibračních strategií pro lepší zvládání nelinearit a posunů ve vzorcích.
• Přenositelnost modelů a cloudová správa kalibrací pro centrální aktualizaci a sdílení referencí mezi provozy.
• Přenosné a miniaturizované NIR přístroje pro rychlé lokální kontroly v terénu nebo v menších vinařstvích.
• Rozvoj databází spekter a standardizace protokolů pro usnadnění validace a regulace v potravinářském průmyslu.

Závěr

Studie potvrdila, že Antaris FT‑NIR v kombinaci s RESULT a TQ Analyst poskytuje rychlé, přesné a reprodukovatelné výsledky pro široké spektrum parametrů vína. Metoda umožňuje výrazné zrychlení QA/QC procesů bez kompromisu kvality dat a představuje praktickou alternativu k časově náročným referenčním metodám. Stabilita přístroje a robustní PLS kalibrace činí FT‑NIR vhodnou volbou pro rutinní i procesní monitoring ve vinařské výrobě.

Reference

• Application Note 50813: FT‑NIR Analysis of Wine, Jeffrey Hirsch (Thermo Fisher Scientific) a Ladislav Tenkl, Martin Hollein (Nicolet CZ s.r.o.), Thermo Fisher Scientific, 2007.