Tecnología NIR para análisis de rutina de productos alimentarios y agrícolas

El análisis de infrarrojo cercano (NIR) es una técnica espectroscópica que utiliza de forma natural el espectro electromagnético.

La región NIR es el área del espectro definida por longitudes de onda entre 700 nm y 2500 nm. El infrarrojo cercano es un método de análisis rápido y preciso. Es un método muy recomendado para la determinación cuantitativa de los componentes principales en la mayoría de los tipos de productos alimentarios y agrícolas.

La ventaja de NIR

Las ventajas generales de utilizar el análisis NIR es que proporciona datos de análisis rápidos para una mejor toma de decisiones en los procesos de producción agroalimentaria. En comparación con los métodos de análisis tradicionales, requiere poca o ninguna preparación de muestra y no necesita de productos químicos ni consumibles. Además, es un método no destructivo, fácil de usar, rápido (30-60 segundos), seguro y preciso.

Cómo funciona

El principio de funcionamiento se puede definir de la siguiente manera:

• La luz del infrarrojo cercano se dirige a una muestra
• La luz se modifica de acuerdo con la composición de la muestra y se detecta esta luz modificada (ver transmisión y reflectancia a continuación)
• Las modificaciones espectrales se convierten en información sobre la composición de la muestra
• Estos algoritmos de conversión se denominan "calibraciones” 

Transmisión y reflectancia 

Se puede obtener un espectro infrarrojo pasando luz infrarroja a través de una muestra y determinando qué fracción es absorbida por la muestra (transmisión). Alternativamente, la luz puede reflejarse de la muestra y las propiedades de absorción pueden extraerse de la luz reflejada (reflectancia). La reflectancia NIR es un tema en sí mismo que no se tratará en detalle aquí. 

Los métodos de reflectancia y transmitancia NIR se pueden elegir de acuerdo con el trabajo de análisis, por ejemplo, la transmitancia es buena para medir el queso o la carne y así obtener una medida representativa en toda la muestra. Para muestras homogéneas como la leche en polvo, los piensos o harinas, la reflectancia es ideal.

Para ambos métodos, el rango de longitud de onda NIR es una consideración importante. Por ejemplo, un rango NIR de onda corta (850 - 1050 nm) proporciona una buena penetración de la muestra con transmisión NIR.

Se puede obtener un espectro infrarrojo pasando luz infrarroja a través de una muestra (transmisión, izquierda) o la luz puede reflejarse en la muestra (reflectancia, derecha).

¿Cuál es tu longitud de onda?

Cualquier discusión sobre la longitud de onda NIR debe comenzar con el espectrómetro que convierte la luz infrarroja en una señal utilizable. Una consideración común en todas las tecnologías de espectrómetros es el rango de longitud de onda medido en nanómetros (nanómetros, nm; o centímetros recíprocos, cm-1). 

Sin profundizar demasiado en una discusión técnica, se puede decir que ciertas longitudes de onda son mejores para medir ciertas muestras y parámetros que otras. La longitud de onda requerida para medir la proteína en el grano, por ejemplo, es diferente de la requerida para medir los aminoácidos en los ingredientes de los alimentos, etc. Otra consideración es la relación señal / ruido que ofrecen los diferentes instrumentos a determinadas longitudes de onda, ya que indica la calidad de la señal generada.

El espectro electromagnético se divide en varias regiones donde cada región representa un tipo específico de transición molecular. Por ejemplo, los rayos X tienen longitudes de onda de solo unos pocos nm y son muy dañinos porque rompen enlaces químicos e ionizan moléculas. En comparación, el infrarrojo cercano (780 y 2500 nm) no es dañino. Las moléculas simplemente absorben la luz infrarroja según la naturaleza de la muestra. 

Monocromador, FT-NIR y DDA 

Para los análisis cuantitativos de alimentos, una opción probada y recomendada es un  monocromador de rejilla de barrido. Este componente es ideal para medidas cuantitativas en un amplio espectro de aplicaciones con un amplio rango de longitud de onda para una amplia gama de parámetros, incluidos aquellos como el color en la comida para peces o similares que requieren la región visible además de la región NIR. Alternativamente, cuando se usa la transmisión NIR para medir muestras no homogéneas como la carne, es una ventaja usar el rango NIR de onda corta (850 - 1050nm) donde la penetración de la luz es buena y la relación señal / ruido ofrecida por un monocromador de rejilla de barrido es fundamental. 

En el lado negativo, se requiere un estándar de longitud de onda interno para lograr una buena precisión de longitud de onda. Sin embargo, como todos los demás aspectos de la tecnología NIR, los instrumentos de rejilla de exploración están en constante evolución y muchos están utilizando este estándar de longitud de onda interna para demostrar una buena precisión de longitud de onda. 

Para medidas cualitativas en el laboratorio donde se necesita un ancho de banda de instrumento estrecho, la tecnología FT-NIR tiene ventajas. Es ideal para medidas cualitativas precisas de sustancias con bandas de absorción estrechas o para algunas aplicaciones de medición cuantitativa de muestras que tienen bandas de absorción estrechas poco espaciadas. Además, es posible ajustar la resolución para obtener la mejor compensación entre la resolución de longitud de onda y la relación señal / ruido.

Las desventajas incluyen una relación señal / ruido más baja que un instrumento monocromador, particularmente en longitudes de onda cortas y el rango de longitud de onda visible omitido (por debajo de 850 nm). FT NIR también es una tecnología sensible a las vibraciones y el diseño debe tener esto en cuenta para aplicaciones en un entorno de producción.

En el tema de la producción, el uso de instrumentos de análisis NIR cerca de la línea de producción o incluso para medidas en continuo de material en la propia línea de producción está cada vez más extendido. Para estas medidas, la matriz de diodos detectores (DDA) de rejilla fija es la mejor opción. Es ideal para instrumentos robustos y tolerantes a las vibraciones y la medida simultánea del espectro completo también lo hace tolerante al movimiento de la muestra. En el lado negativo, se debe hacer una compensación entre el rango de longitud de onda, la resolución y la relación señal / ruido. 

¿NIR o FTIR?

NIR y FTIR son, en principio, muy similares. La principal diferencia es que FTIR funciona en longitudes de onda más largas. Además, con FTIR se utilizan muchos componentes y materiales ópticos especiales. El beneficio de las longitudes de onda más largas es que normalmente se obtiene información química más específica de las muestras.

En este video se proporciona una comparación de NIR y FTIR en relación con las aplicaciones en la industria láctea. Incluye entrevistas con expertos de FOSS que explican la tecnología y las consideraciones que se deben tener en cuenta al seleccionar un instrumento analítico de infrarrojos. 

Los seis elementos de un buen instrumento NIR

1. Un buen rendimiento óptico en la longitud de onda seleccionada. 
   Un rango amplio de longitud de onda permite analizar muchos parámetros, desde humedad, grasa y proteína, hasta otros analitos más exigentes, como son los aminoácidos, cenizas o fibras. Sin embargo, es necesario tener la misma precisión y exactitud a lo largo de todo el rango de longitud de onda para asegurar unos resultados fiables. 
   
   
2. Flexible y fácil de usar.
   Cada vez es más frecuente que el NIR se use en entornos de productivos donde el personal de producción necesita efectuar análisis de forma rápida y sencilla con el mínimo riesgo de error humano. Una presentación de muestras adecuada, por ejemplo, con poca o ninguna preparación de muestra, y funcionalidad como el manejo por pantalla táctil, son características esenciales de una solución NIR moderna.
   
   
3. Compatibilidad de calibraciones al 100%.
   Un analizador NIR debe ser 100% compatible con instrumentos anteriores para que sea sencillo emplear los datos de calibraciones existentes. El uso de migraciones sencillas sin pérdida de precisión ni exactitud es un elemento obligatorio. 
   
   
4. Estandarización desde la fábrica.
   Cada instrumento producido que sale de la fábrica debe estar estandarizado por hardware para factores tan importantes como la intensidad de la luz, el ancho de banda y la precisión de la longitud de onda, de esta forma se garantiza una coherencia completa entre todos los analizadores. Además, una vez que un instrumento está en funcionamiento, se necesitan estándares o patrones de medida incorporados para controlar y verificar su rendimiento, y por supuesto, garantizar que no se produzcan desviaciones con el paso del tiempo. Esto mantiene un control continuo de la coherencia entre los instrumentos y facilita la adición de nuevos instrumentos a su operación. Múltiples instrumentos pueden usar fácilmente las mismas calibraciones sin ninguna modificación.
   
   
5. Robustez para el entorno de trabajo.
   El instrumento NIR debe estar diseñado para el entorno en el que va a ser utilizado, por ejemplo, si se maneja en una planta de alimentación, debe poder soportar las condiciones de producción relativas a humedad y temperatura. Una certificación IP65 indica que resistirá la humedad, el polvo, las vibraciones y las variaciones de temperatura.
   
   
6. Verdadera capacidad de red para una gestión eficaz de los instrumentos.
   Una red de gestión es mucho más que una simple conexión a Internet. Debe que permitir observar dentro del instrumento para chequear y verificar el rendimiento del equipo, además de permitir realizar ajustes o actualizaciones a las calibraciones o modelos de predicción. Esto es imprescindible para permitir una gestión y monitorización remotas de varios analizadores desde una única ubicación. Todas las actualizaciones y calibraciones se pueden realizar de forma cómoda y centralizada para mejorar el rendimiento del instrumento. Esto no solo ahorra tiempo, sino que también se ha demostrado que reduce de manera significativa los costes de mantenimiento y operativa, entre otros. 

NIRS DS 2500, una plataforma NIR típica para una variedad de aplicaciones en la producción agroalimentaria (monocromador, longitud de onda de 400 a 2500nm y apto para trabajar a 5-40ºC y <93% HR

NIR en línea, la nueva frontera

Una tendencia reciente es el uso de NIR directamente en la línea de proceso para dar medidas continuas cada pocos segundos. Esto les da a los operadores una imagen mucho más nítida de las fluctuaciones en el flujo del proceso que con un instrumento de mesa que podría usarse solo una vez por hora aproximadamente. Los operadores pueden detectar tendencias en proteínas, humedad, grasa y otros parámetros, y así tomar las medidas oportunas en consecuencia para cumplir los objetivos de producción. El NIR in-line ya es un concepto establecido en la industria láctea para la producción de productos como mantequilla y queso blando, donde el control estricto de la humedad es esencial tanto para la calidad como para la economía de producción. Vea una entrevista en video con un usuario de NIR en línea a continuación. 

Algunos ejemplos de productos FOSS que utilizan NIR:

FoodScan™ 2 Meat Analyzer para analizar carne y productos cárnicos. Mide una variedad de parámetros con un mínimo de preparación de muestra y entrega resultados en solo 25 segundos.

NIRS™ DS3 para el análisis de la alimentación en el infrarrojo cercano, que proporciona el máximo rendimiento y precisión en un amplio rango de longitud de onda (de 400 a 2500 nm).

Infratec™ NOVA analizar múltiples parámetros (humedad, proteína, aceite, almidón, etc.) en una amplia gama de productos básicos de grano, cereal y semillas oleaginosas. La conectividad en red y los instrumentos clonados e idénticos reducen el trabajo de administración de instrumentos necesario para obtener resultados precisos y fiables en todas las redes de recepción de grano y cereal.

ProFoss™ 2 es la solución de análisis de procesos en línea, ofrece una variedad de aplicaciones para un control preciso de la producción láctea, desde mantequilla hasta queso y productos lácteos en polvo.