🍎 Analyse von Milch und flüssigen Milcherzeugnissen mit Spektrometrie im mittleren Infrarot (MIR/FTIR)

Lebensmittelchemie PN-ISO 9622

Übersicht

Die Analyse von Milch im mittleren Infrarot ist die Grundlage der massenhaften Beurteilung des Rohstoffs in Molkereien und in Laboratorien der Milchleistungsprüfung: eine Messung dauert einige Dutzend Sekunden und liefert mehrere Parameter der Zusammensetzung auf einmal. PN-ISO 9622:2015-09 übernimmt identisch (IDT) die internationale Norm ISO 9622:2013, die gemeinsam mit dem Internationalen Milchwirtschaftsverband als ISO 9622|IDF 141 erarbeitet wurde. Die Norm ist kein Rezept für eine einzelne Bestimmung — sie ist eine Sammlung von LEITLINIEN für die mengenmäßige Bestimmung der Zusammensetzung von Milch und flüssigen Milcherzeugnissen (Rohmilch, verarbeitete Milch, Rahm, Molke) durch Messung der Absorption von Strahlung im Bereich des mittleren Infrarot.

Der Kern ihrer Anwendung: es ist ein instrumentelles SEKUNDÄRVERFAHREN. Die Norm sagt selbst, dass die Spektraldaten durch Kalibriermodelle, die an für die untersuchte Grundgesamtheit repräsentativen Proben aufgebaut sind, in Schätzungen der Konzentrationen der Bestandteile umgewandelt werden. Die ICAR-Leitlinien für Laboratorien der Milchleistungsprüfung nennen die Sache beim Namen: „Referenzverfahren" sind die Verfahren, die zur Kalibrierung von Routineverfahren dienen, und sie sollten international genormte Verfahren sein (ISO, IDF, AOAC). Für Fett ist das Referenzverfahren die Gravimetrie nach Röse-Gottlieb (ISO 1211 | IDF 1), für Gesamteiweiß die Titration nach dem Kjeldahl-Aufschluss (ISO 8968 | IDF 20, Teile 1 und 3), für Lactose die HPLC (ISO 22662 | IDF 198); als sekundäre Referenzverfahren sind unter anderem die Butyrometrie nach Gerber (ISO 19662 | IDF 238) für Fett, das enzymatische Verfahren (ISO 5765 | IDF 79) und das pH-Differenzverfahren (ISO 26462 | IDF 214) für Lactose zugelassen. Die MIR-Spektrometrie selbst steht bei ICAR in der Tabelle der genormten Routineverfahren — mit einem Verweis auf ISO 9622 | IDF 141 und AOAC 972.16.

Achtung auf die Ausgaben und auf den Titel. Die geltende Ausgabe, PN-ISO 9622:2015-09 (übernimmt ISO 9622:2013), trägt den Titel „Mleko i płynne przetwory mleczne — Wytyczne do stosowania spektrometrii w zakresie średniej podczerwieni" [Milch und flüssige Milcherzeugnisse — Leitlinien für die Anwendung der Spektrometrie im mittleren Infrarot] und umfasst eine breite Palette von Parametern und Matrizes. Der Titel, der von der Bestimmung des Milchfetts, des Eiweißes und der Lactose spricht, gehört zur VORHERIGEN Ausgabe — PN-ISO 9622:2006 (sie übernahm ISO 9622:1999, Anwendungsbereich: Analysatoren zur Bestimmung von Fett, Eiweiß und Lactose in Milch aus landwirtschaftlichen Betrieben), die am 24.09.2015 zurückgezogen und durch die Ausgabe von 2015 ersetzt wurde. Die PKN-Katalogkarte für PN-ISO 9622:2015-09 hat weder ein Feld „Datum der Zurückziehung" noch „Ersetzt durch" — das ist die geltende Ausgabe (33 Seiten in der Ausgabe 2006, 20 Seiten in 2015; technisches Organ: KT 35 Milch und Milcherzeugnisse).

Was diese Beschreibung nicht enthält: den vollständigen Text der Norm haben wir nicht gesehen. Den Anwendungsbereich, das Prinzip, den Aufbau des Geräts sowie die Einflussgrößen der Messung (Abschnitte 1–6) geben wir nach der offenen Vorschau der ISO 9622:2013 wieder, die die Seiten 1–5 umfasst; die Abschnitte über die Kalibrierung, über die Bestimmung selbst, über die Kontrolle der Stabilität und über die Präzision (7–12) sind von der Vorschau nicht erfasst — die unten angegebenen Grenzwerte für Wiederholbarkeit, Steigung und Bias stammen aus den ICAR-Leitlinien, die einen Teil davon ausdrücklich aus ISO 9622 | IDF 141 herleiten und einen anderen Teil mangels Werten in den Normen als orientierend kennzeichnen. Die analytischen Wellenlängen, den Aufbau der Kalibriermodelle und die Bestimmungsgrenzen für einen bestimmten Analysator raten wir nicht — sie sind dem Text der Norm und den Unterlagen des Herstellers zu entnehmen.

Prinzip der Methode

Nach der Vorbehandlung und — falls sie erforderlich ist — der Homogenisierung wird die Probe mit einem Infrarotspektrometer gemessen, das die Menge der in Transmission absorbierten Strahlung bei festgelegten Wellenlängen im Bereich des mittleren Infrarot aufzeichnet. Die Spektraldaten werden mit Hilfe von Kalibriermodellen, die an für die untersuchte Grundgesamtheit repräsentativen Proben entwickelt wurden, in Schätzungen der Konzentrationen der Bestandteile oder anderer physikochemischer Parameter umgerechnet; für manche Parameter (z. B. die dem Gefrierpunkt äquivalente Größe, engl. freezing point equivalent) werden in das Modell zusätzlich Signale anderer Sensoren des Geräts eingeführt. Das Signal bei den entsprechenden Wellenlängen wird entweder aus einem fouriertransformierten Interferogramm (FTIR) oder mit Hilfe optischer Filter gewonnen; Geräte und Kalibriermodelle unterscheiden sich in der Zahl der Wellenlängen, die zur Schätzung eines bestimmten Parameters verwendet werden. Die Norm unterscheidet die Spektralkalibrierung (ein Modell, das Absorbanzsignale von mehreren — mehr als zwei — Wellenlängen oder Signale anderer Sensoren verbindet und mathematisch optimiert wird) sowie die Steigungs- und Achsenabschnittskalibrierung (die Koeffizienten der Regressionsgeraden der Geräteanzeigen gegenüber den Ergebnissen der Referenzverfahren). Bei klassischen Kalibrierungen, die auf der Absorbanz bei festgelegten Wellenlängen beruhen (MLR-Modelle), ist die Anwendung von Interkorrekturen erforderlich, die den Einfluss von Konzentrationsänderungen der übrigen Bestandteile ausgleichen — die Interkorrekturkoeffizienten sind für jede Wellenlänge und jeden Gerätetyp eigen.

Anwendungen

• Beurteilung der Zusammensetzung von Rohmilch beim Ankauf und bei der Abrechnung mit den Lieferanten
• Milchleistungsprüfung bei Kühen (ICAR) — Bestimmung von Fett, Eiweiß, Lactose und Harnstoff mit MIR als Routineverfahren
• Kontrolle der Zusammensetzung von verarbeiteter Milch, Rahm und Molke im Molkereibetrieb
• Analyse der Milch anderer Tierarten (Ziege, Schaf, Büffel) und der daraus gewonnenen flüssigen Erzeugnisse — unter der Bedingung einer gesonderten Kalibrierung und gesonderter Kontrollverfahren für jede Anwendung
• Interne Qualitätskontrolle der Analysatoren: Wiederholbarkeit, Nullpunktstabilität, Linearität, Probenverschleppung, Leistungsfähigkeit des Homogenisators

Schlüsselparameter

Norm

Normnummer

PN-ISO 9622:2015-09

Titel (PL)

Mleko i płynne przetwory mleczne — Wytyczne do stosowania spektrometrii w zakresie średniej podczerwieni

Title (EN)

Milk and liquid milk products — Guidelines for the application of mid-infrared spectrometry

Schritt-für-Schritt-Verfahren

1. Vorbereitung des Geräts

   Den Analysator nach der Anleitung des Herstellers in Betrieb nehmen. Den Zustand des Trockners der optischen Kammer prüfen — das Kieselgel austauschen, bevor es die Farbe zu ändern beginnt.

2. Kontrolle der Wiederholbarkeit

   Eine homogene, repräsentative Probe mindestens 12-mal hintereinander untersuchen; die ersten beiden Ergebnisse verwerfen, um den Einfluss der Verschleppung auszuschalten. Die berechnete Wiederholbarkeit hat in den für den Parameter und die Matrix geltenden Grenzen zu liegen. Nach ICAR wird die Beurteilung der Wiederholbarkeit bei der Inbetriebnahme jedes Geräts an 10 Wiederholungen einer Kontrollprobe ausgeführt.

3. Kontrolle des Nullpunkts

   Regelmäßig eine Nullprobe (Wasser oder Nulllösung) analysieren. Die Drift hat klein und im Vorzeichen zufällig zu sein, sodass die kumulierte Drift vernachlässigbar ist; hilfreich ist eine Auftragung der Drift über die Zeit. Bei Geräten mit werkseitiger Selbstnullstellung die automatischen Korrekturen durchsehen.

4. Prüfung des Homogenisators

   Zwei aufeinanderfolgende Analysen ausführen: von nicht homogenisierter Vollmilch und von derselben Probe nach dem Durchgang durch den Homogenisator des Geräts. Der Unterschied zwischen fünf Wiederholungen der Fettanzeige darf 0,04 % für Milch mit einem Fettgehalt von 4,0 % nicht überschreiten. Hinweis: ein Gerät mit vollständig funktionsunfähigem Homogenisator ergibt einen sehr kleinen Unterschied — das Ergebnis der Prüfung ist bisweilen irreführend.

5. Prüfung der Linearität

   Mindestens 10 Lösungen bekannter Konzentration herstellen, die den typischen Bereich des Bestandteils abdecken (Reihenverdünnungen aus der Stammlösung). Jede Probe in drei Wiederholungen untersuchen, mitteln, die lineare Regression y = bx + a ermitteln, die Residuen berechnen und über den Erwartungswerten auftragen. Der Krümmungsindex r hat kleiner als 2 % zu sein.

6. Prüfung der Probenverschleppung

   20 aufeinanderfolgende Proben Wasser und Vollmilch in der Folge untersuchen: Wasser, Wasser, Milch, Milch, Wasser, Wasser… Die Verschleppung Wasser→Milch (Ew) und Milch→Wasser (EM) berechnen; beide Werte müssen kleiner als ±1 % sein. Zur Beurteilung des ganzen Systems (mit Probengeber) werden die Proben aus 20 gesonderten Gefäßen zugeführt, für das Durchflusssystem allein — von Hand, wobei die Pipette zwischen den Zyklen abgewischt wird.

7. Kalibrierung des Geräts

   Ein Kalibriermodell an für die untersuchte Grundgesamtheit repräsentativen Proben aufbauen oder prüfen, mit Referenzwerten, die mit genormten Verfahren gewonnen wurden (Fett — ISO 1211 | IDF 1, Eiweiß — ISO 8968 | IDF 20, Lactose — ISO 22662 | IDF 198). Bei MLR-Modellen die Interkorrekturen einstellen, die den Einfluss der übrigen Bestandteile ausgleichen. Den genauen Ablauf der Kalibrierung sowie der Prüfung von Steigung und Achsenabschnitt gibt der Abschnitt 7 der Norm an — er ist im Original zu lesen.

8. Messung der Proben

   Die Proben vorbereiten und in den vom Hersteller des Geräts geforderten Zustand bringen und danach dem Durchflusssystem zuführen. Die Anwendung beschränkt sich auf Erzeugnisse geringerer Viskosität, die sich durch das System pumpen lassen, und auf Analyten, die keine optische Sättigung hervorrufen.

9. Laufende Stabilitätskontrolle

   Im Laufe der Arbeit Kontrollproben (Pilotproben) zur Beurteilung der Tages- und der Kurzzeitstabilität analysieren; nach den Empfehlungen von ICAR beträgt die Häufigkeit etwa 3-mal je Stunde für die Kurzzeitstabilität und 4-mal täglich für die Nullstellung, während Steigung und Bias monatlich bzw. wöchentlich geprüft werden.

10. Reaktion auf Überschreitungen und Prüfbericht

    Bei einer Überschreitung der Kontrollgrenzen die Einstellungen des Geräts vor weiteren Messungen neu justieren (Abschnitt 10.5 der Norm). Im Prüfbericht das Verfahren samt Anführung der PN-ISO 9622:2015-09 und der Angabe nennen, dass das Ergebnis aus einem instrumentellen Verfahren stammt, das mit Referenzverfahren kalibriert wurde.

Erforderliche Geräte und Apparatur

Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien

Arbeitsschutz und Sicherheit

• Rohmilch ist potenziell infektiöses Material (unter anderem krankheitserregende Mikroorganismen) — mit Handschuhen arbeiten, nicht mit dem Mund pipettieren, nach der Arbeit die Hände waschen.
• Milchproben werden bisweilen mit Konservierungsmitteln stabilisiert — vor der Arbeit das Sicherheitsdatenblatt des verwendeten Konservierungsmittels prüfen und sich daran halten.
• Der Analysator enthält eine Infrarotstrahlungsquelle und unter Spannung stehende Teile — die optische Kammer während des Betriebs nicht öffnen, die Wartung dem Hersteller überlassen.
• Der Homogenisator arbeitet unter hohem Druck — das Durchflusssystem bei laufendem Gerät nicht öffnen.
• Die Abfälle nach der Analyse (Milch, Spülwasser) nach dem betrieblichen Abfallbewirtschaftungsverfahren sammeln; Lösungen mit Zusatz von Konservierungsmitteln nicht in den Ausguss gießen.

Häufige Fragen