Near Infrared spektroskopijska analiza

Prošlost - sadašnjost - budućnost

Prošlost

      11. veljače 1800. Herschel je testirao filtre za Sunce kako bi mogao promatrati sunčevu mrlju. Kad je koristio crveni filter, ustanovio je da se proizvodi mnogo topline. Herschel je slučajno otkrio infracrveno zračenje upuštajući sunce kroz prizmu uz poziciju termometra odmah izvan crvenog kraja vidljivog spektra.Termometar je trebao biti kontrola za mjerenje temperature okolnog zraka u sobi. Bio je šokiran kada je ona pokazala višu temperaturu od vidljivog spektra. Daljnja eksperimentiranja dovela su do Herschelova zaključka da mora postojati nevidljivi oblik svjetlosti izvan vidljivog spektra.

    Otkrivanje energije infracrvenog spektra svijetlosti pripisano je Williamu Herschelu u 19. stoljeću, ali prva industrijska primjena započela je tek 1950.-ih. U početku se  NIRS koristio kao dodatak drugim optičkim uređajima koji su koristili druge valne duljine poput ultraljubičastog (UV), vidljivog (Vis) ili srednjeg infracrvenog (MIR) spektrometra.

     Osamdesetih godina prošlog stoljeća bio je dostupan samostalan NIRS sustav, ali primjena je bila usmjerenija na kemijsku analizu.

 

                  Near Infrared Spectrum: definirano IUPAC-om proteže se od 780 do 2 500 nm (12 800 - 4 000 cm – 1

 

    NIR svjetlosni spektar (blisko infracrvenom području) definiran je po IUPAC-u ( International Union of Pure and Applied Chemistry) unutar regije valne duljine od 730 do 2500 nm, leži između vidljive svjetlosti sa kraćim valnim duljinama i IR zračenja s dužim valnim duljinama. Srednje infracrveno (MIR) područje zračenja (2500-50 000 nm) daje energiju što uzrokuje promjene u vibracijskim energetskim stanjima molekula. Kad se uzorak ozrači, svjetlost se apsorbira selektivno u skladu s specifičnim frekvencijama vibracija prisutnih molekula i time dolazi do spektra).FT-MIR (Fourier Transform Mid-Infrared Spectroscopy) se široko istraživao, analitičke primjene FT-NIR bile su gotovo neistražen sve dok Karl Norris nije upotrijebio FT-NIR i kemometriju za karakterizaciju poljoprivrednih proizvoda (Ben-Gera i Norris, 1968.).

  

Sadašnjost

     Danas je FT-NIR spektroskopija široko zastupljena u fizici,fiziologiji i medicini te u raznim industrijama uključujući kemijsku, farmaceutsku, prehrambenu i industrije pića te za brzu analizu i kontrolu kvalitete hrane.

    Primjene NIR spektroskopije kao analitičkog alata u intenzivnoj životinjskoj proizvodnji zaokuplja sve veći interes i dobiva sve veći značaj. Početkom 60-ih te kasnije bilo je moguće promatrati glavni razvoj NIR-a u različitim područjima stočarske proizvodnje. Danas ta tehnologija ima temeljnu uloga u poboljšanju proizvodnih sustava i mnogi operateri je koriste kao točan i pristupačan analitički alat. Poboljšanje iskorištenosti NIR-a bilo je moguće zahvaljujući opsežnom korištenje računala, razvoju instrumenata , optičkih vlakana, monokromatskih detektora i prikladnih kemometrijskih postupaka. Nove primjene spektroskopske tehnike se demonstriraju i objavljuju gotovo svakodnevno.

    NIR spektroskopija olakšava u stvarnom vremenu mjerenja u svim fazama proizvodnje od analize sirovina do sastojaka i provjera gotovih proizvoda. U životinjskoj proizvodnji NIR se koristi duž cijelog lanca opskrbe životinja i svih pripadajućih  proizvodnji s ciljem : (I) ocjene kvalitete žitarica i krmiva – posebno voluminozne krme -  koje su tek ubirane na polju i tijekom hranidbene sezone; (II) precizno određivanje ključnih hranjivih vrijednosti stočne hrane (uključivo njihove probavljivosti - in vivo, in vitro , in situ te energetskih vrijednosti) , koje osiguravaju svim kategorijama životinja maksimiziranje rasta, optimiranje performansi i smanjenje gubitaka ; (III) praćenje evolucija silaže tijekom fermentacije; (IV) analiziranje glavnog sastava mesa, mlijeka, mliječnih proizvodi, jaja i praktično svih proizvoda od životinje; (V) identifikacija mogućih krivotvorenja hrane i diskriminiranje proizvoda prema  njihovom podrijetlu; (VI) analiziranje stajskog gnoja i smanjivanje utjecaja na okoliš; (VII) in proces uporaba NIR spektroskopije u/na tehnološkim linijama koje omogućuju kontinuiranu kontrolu različitih proizvodnih procesa (strojevi za žetvu, doziranje hrane, šarže u procesima fermentacije te prerada mesa i mlijeka i dr.).

    

Budućnost

     NIR spektroskopija sa svojom nenadmašnom kombinacijom brzine, točnosti i jednostavnosti pronašla je svoju nišu u laboratorijima za kontrolu kvalitete hrane proizvođača širom svijeta. Napredak u tehnologijama poput optike, elektronike, računala , hardvera i softvera, posebno kemometrije, omogućili su razvoj i proizvodnju moćne instrumentacije  NIR spektroskopije te posljedično i snažnije, sveobuhvatnije i preciznije  spektralne analize. Slično drugim analitičkim metodama postoje ograničenja, ali se mogućnosti instrumentacije NIR spektroskopije kontinuirano poboljšavaju i maksimiziraju performanse ove vrlo izazovne tehnologije.

    Napredak se u budućnosti očekuje kroz tzv NIR kemijsku sliku (NIR hiperspektralno snimanje) odnosno kombinaciju konvencionalne NIR spektroskopiju s digitalnim snimanjima. Kako se za svaki piksel na slici prikuplja NIR spektar, 3D kocka koja se sastoji od oboje i prostorno razlučenih spektara i slike ovisne o valnoj duljini što će dati sposobnost ne samo kvantificiranja kemijske komponente, nego i sposobnost identificiranja i lociranja. Ove strukturalne komponente unutar određenog uzorka su od neprocjenjive vrijednosti za „due diligence“ uzorka i sigurno će u budućnosti igrati ogromnu ulogu u istraživanju problema krivotvorina i prevara sa porijeklom proizvoda.

    Sadašnja faza razvoja NIR analize traje već više od četvrt stoljeća i očekivalo se da će to biti blizu maksimalnog dometa primjene. Razvoj kemometrije, minijaturizacija komponenata instrumenta i nova područja primjene produžili su fazu brzog razvoja za mnogo duže nego što  se moglo smatrati mogućom. Ako se nade nekih NIRS fanatista ostvare, „presudno“ na život u 3. tisućljeću uvelike će utjecati dva područja primjene napredak medicinske primjene NIR spektroskopije i razvoj NIRS sustava za obradu slika.   

     Sustavi za obradu slika i determiniranje zdravstvenog i nutritivnog statusa životinja intenzivno se razvijaju i ulaze u farme intenzivnog uzgoja svih vrsta životinja. Neki su već u primjeni ali je ogroman broj u fazi razvoja te kako sada stvari stoje praktična farmska primjena je neizbježna. Na razvoju novih algoritama , matematičkih inovacija, razvoju kamera i drugih uređaja , softverskom interpretiranju karakterističnih slika itd globalno vrijedno radi velik broj polivalentno obrazovanih stručnjaka osobito mlađih generacija.

      Iako je NIRS otkriven već dosta davno govorilo se da je to „uspavana tehnika“. Zadnjih 25 godina razvoja NIRS-a izgleda kao da se div probudio te se nove perspektive ove tehnologije intenzivno otvaraju.

    Suočeni s mnogim globalnim izazovima koje određeni globalni igrači nastoje subjektivizirati ovaj NIRS slučaj ipak izgleda kao jedna globalna objektivno otvorena prilika za sve zainteresirane: inovatore , stručnjake, znanstvenike i stručne i regulatorne autoritete a u ovom području ishrane životinja za sve vlasnike, farmere, ratare i stočare, nutricioniste, proizvođače svih vrsta hrane za životinje, nutritivnih dodataka i sve druge aktere.


POZICIJA SANO NIRS LABORATORIJA

Integriranje informacija

 

    SANO/CVAS (Cumberland Valley Analytical Services (CVAS), Waynesboro, Maryland, USA) sustav povezuje ne samo kemijski sastav hrane, već i druge čimbenike kao što su fizički oblik, prisutnost antinutritivnih faktora, enzima, tehnološke tretmane, probavljivost, energetske vrijednosti itd.

   NIRS može uzeti u obzir samo čimbenike koji imaju "spektralni otisak prsta" kao kemijski sastav ili neka fizička svojstva.

   Formulacija obroka (sastojaka) je dodatna vrijednost NIRS-u koja se ostvaruje kombiniranjem podataka NIRS-a s drugim kvantitativnim ili kvalitativnim čimbenicima koji nisu otkriveni u NIR spektru a koji mogu imati značajan utjecaj na probavljivost.

   Probavljivost je rezultat interakcije između životinje i hrane. Samo detaljni opis hrane nikada neće dohvatiti životinjski dio procesa. To se može učiniti prvenstveno gledanjem na životinjske izlučevine (faeces , urina). Izlučevine sadrže informacije o hrani (neželjeni dio hrane) i na probavni proces i endogeni unos. Mjerenja sastava izlučevina trebaju  nam reći što se dogodilo u životinji. U nekim slučajevima može se postići izravno predviđanje probavljivosti ili energetske vrijednosti. No upotrebom takvih umjeravanja potrebno je održavanje baza podataka in vivo i time realizaciju ispitivanja u istim uvjetima kao kod utvrđivanja umjeravanja. Alternativno, neizravna predviđanja probavljivosti mogu se postići predviđanjem podataka koji se kasnije koriste kao unos u jednadžbama za prehrambene parametre ili kalibracijom izračunatih parametara. U praksi ove informacije već postoje u informacijskim sustavima formulacija. 

  Rezultati analiza  su odmah obrađuju od strane posebno educiranih SANO stručnjaka, koji koriste rezultate analiza   pri računanju i izradi obroka za sve kategorije životinja.

  Pri računanju i izradi obroka za mliječne krave SANO stručnjaci koriste tehnologiju poznatu u stručnim krugovima  pod nazivom Cornell University Net Carbohydrate and Protein System (CNCPS). Sistem CNCPS  je vrlo kompleksan i počiva ne samo na poznavanju količine hranjivih tvari u obroku - nego i na njihovim dinamičkim svojstvima (dinamika probave) kao i raspoloživosti u probavnom traktu životinje u pojedinim fazama probave.  Da bi imao dovoljno pokazatelja za efikasnu funkciju,  CNCPS sistem, kroz operativan dio programa za hranidbu – AMTS, treba i čitav niz pokazatelja o proizvodnji, kretanju, raznim fiziološkim i zdravstvenim detaljima. Stoga je druga komponenta softverski sustavi za upravljanje proizvodnim procesima.

   Na taj način ovaj program – ili cijeli sistem – omogućava kontrolu nad ishranom – ne samo nad izradom obroka, nego i nad   procesom probave i transformacije hranjivih tvari u krajnji proizvod koji životinja proizvodi.

   U cjelovitom SDN (SmartDairyNutrition) konzultacijskom sustavu Sano i njegova tri partnera u suradnji, CVAS, AMTS i DSP (Digital Signal Processing), kombinirali su najbolja svjetska iskustva u tri specifična  područja  : analizi hrane, formulaciji obroka i savjetovanju o upravljanju hranom i stadom. 

Točnost: Zbog visokog stupnja automatizacije, opsežne baze podataka i fino podešene kalibracije, rezultati su vrlo precizni.


Integralne značajke u održavanju i razvoju uspješno instalirane SANO NIRS platforme su: 

1.Definirani program osiguranja kvalitete

   Za uspješno provođenje NIRS-a potrebno je imati jasno definiran program osiguranja kvalitete (QA). NIRS laboratorij i sve interne i eksterne aktivnosti su uključene u ukupni SANO Sustav Upravljanja Kvalitetom i podložan internim i vanjskim ekspertnim provjerama i certificiranjima. Kontinuiranim ciljanim edukacijama i praktičnim treninzima odgovornih osoba , operatera , terenskih predstavnika i savjetnika kao i krajnjih korisnika kompetentno i kvalificirano se održava i razvija ovaj NIRS poseban ključni proces u ukupnom sustavu osiguranja kvalitete tvrtke SANO.

2. Program NIRS-a uspostavljen je kao dugoročno ulaganje tvrtke SANO

     Uvjerenje je da ovo ulaganje korisna dugoročna vrijednost , NIRS programi se obično koriste za smanjenje troškova analiza tzv „mokre“ kemije, uz dobro vođen QA program, podaci iz stroja NIR-ova tvrtka SANO koristi za donošenje odluka o formulaciji i generiranje preciznijeg sastava ishrane prema klijentima. U konačnici, time se nudi mogućnost uštede novca u troškovima stočne hrane i mogućnosti poboljšanja performansi životnja.

3. Korisnički pristup ključnim podacima

   Zbog velikog broja podataka s kojima se radi, važno je da SANO NIRS platforma pruža korisnicima brzo kretanje kroz podatke i odabir uzoraka iz razdoblja koje žele koristiti za prilagodbu njihovih glavnih sastojaka ishrane životinja. Pristup povijesnim podacima, trendovima sadržaja sastojaka i trendovima sadržaja hranjivih tvari je izrazito značajna za nutricioniste odgovorne za optimalni nutritivni i financijski sastav formulacija krmnih smjesa i dnevnih obroka životinja u uzgoju.

4. Tehnička podrška tvrtke za umjeravanje

   Tehnička podrška tvrtke koja provodi kalibracije CVAS još je jedna imperativna značajka učinkovitog programa NIRS-a koja može održavati i razvijati NIRS platformu. Osim početnih i kontinuiranih edukacija , praktičnih treninga CVAS USA laboratorij i server su on-line povezani sa SANO NIRS laboratorijem 24 h dnevno svih 7 dana u tjednu.  CVAS kalibracije se odvijaju na dnevnoj osnovi

 

19.08.2019. Branko Stuburić

Vaš izravni kontakt

Sano - Suvremena hranidba životinja d.o.o.
044/568-000
044/670-816
Industrijska cesta 1, Potok
44317 Popovača
Hrvatska