Spektroskopi pada umumnya merupakan teknik pengukuran yang cepat dan sangat diterima. Teknik pengukuran ini digunakan untuk analisis kuantitatif dan kualitatif. Kemometri diaplikasikan untuk memungkinkan analisis NIR yang mudah dan dengan biaya efisien.
Sekilas teori
Spektroskopi menggunakan cahaya, yaitu radiasi elektromagnetik, untuk menganalisis bahan. Cahaya berinteraksi dengan materi karena dapat menyerap dan memantulkan cahaya. Transfer energi antara cahaya dan materi (= sampel) diuraikan dalam spektrum.
Energi cahaya ditentukan dengan E = h •
di mana h konstanta Planck [J s]
frekuensi cahaya [s-1]
Seluruh radiasi elektromagnetik dibagi ke dalam beberapa bagian. Setiap bagian ditangani dengan teknik spektroskopis spesifik yang berbeda. Sebagai contoh, sinar-X memiliki panjang gelombang hanya beberapa nm dan radiasi visible (VIS) mencakup tentang antara 350 nm dan 780 nm. Rentang antara 780 nm dan 2500 nm disebut sebagai radiasi
near inframerah.
Radiasi inframerah yang diserap menyebabkan ikatan antara atom molekul sampel bergetar: ikatan antara dua atom mulai memanjang dan membengkok. Ikatan dengan hidrogen (misalnya C-H, O-H) menunjukkan getaran terbesar, karena hidrogen merupakan atom paling ringan. Sebagian besar molekul memiliki beberapa ikatan yang semuanya dapat bergetar. Banyak getaran tidak bersifat independen tetapi pada kenyataannya digabungkan
Selain itu, sifat kimia dan fisika dari semua senyawa lain yang terdapat dalam sampel memengaruhi spektrum NIR. Perbedaan kecil antarsampel dalam serangkaian sampel dapat menyebabkan perbedaan spektrum juga. Sehingga spektrum NIR bergantung pada lebih dari satu variabel secara
Penggunaan NIR untuk analisis makanan
Ikatan atom karbon (C), nitrogen (N), oksigen (O) dan sulfur (S) dengan hidrogen (H) terjadi dengan sejumlah besar molekul bahan makanan. Asam oleat (asam lemak), laktosa (gula) dan kasein (protein) hanya merupakan 3 molekul contoh.
Karena spektroskopi NIR bersifat sensitif terhadap ikatan tersebut, metode ini menguntungkan untuk analisis makanan.
bersamaan. Ini disebut dengan multivariate.
Kemometri
Dalam praktiknya, absorbansi NIR diukur pada rentang panjang gelombang. Spektrum ini berkaitan dengan parameter kandungan sampel. Karena spektrum mencakup beberapa panjang gelombang tunggal – nyatanya ratusan panjang gelombang – data berupa multivariate.
Data multivariate memerlukan kalibrasi multivariate. Hubungan antara variabel independen dan dependen diuraikan dengan model kalibrasi multivariate yang sesuai. Variabel independen adalah absorbansi NIR pada panjang gelombang tunggal yang dipilih. Variabel dependen adalah konsentrasi komponen sampel, misalnya kandungan lemak, kandungan protein, atau kandungan laktosa.
Kemometri memfilter informasi spektrum yang berkaitan dengan sifat tertentu dan
memisahkannya dari informasi yang tidak diinginkan seperti noise. Terakhir, hubungan antara absorpsi NIR dan konsentrasi analit (misalnya lemak, protein, laktosa) ditetapkan dan dapat diterapkan pada penentuan rutin.
18 19
Analisis Proses Makanan
Buku Pedoman Champion
2: Pemantauan proses 1324 827 43,5% production running 1324 827 43,5% 73
Paket perangkat lunak kalibrasi, misalnya BUCHI NIRCal, memungkinkan pengembangan kalibrasi kualitatif dan kuantitatif. Perangkat lunak tersebut menawarkan berbagai algoritme kemometri, pre-treatment data dan alat visualisasi untuk menganalisis data spektroskopis. Visualisasi grafis bersifat interaktif dan mencakup data spektrum, parameter kemometri dan menghasilkan jenis plot yang berbeda [23].
Gambar 6: Tampilan 3D interaktif plot skor untuk mengalibrasi model kluster
Calibration Wizard
Calibration Wizard yang dipatenkan untuk desain kalibrasi otomatis berdasarkan pada keahlian aplikasi jangka panjang BUCHI. Wizard ini mengotomatiskan kreasi dan optimisasi model kalibrasi. Wizard ini hanya memerlukan beberapa pengaturan dasar. Hasil yang dioptimisasi melalui deteksi outlier otomatis, pilihan algoritme dan panjang gelombang yang sesuai hanyalah beberapa keuntungan bagi pengguna NIR. Seorang insinyur analitis dari suatu Biro Inspeksi menyatakan:
“Perangkat lunak kemometri NIRCal yang kuat membuat proses data yang besar dan rumit menjadi lebih efisien, dan banyaknya tampilan grafis meningkatkan visualisasi dan warna pada pekerjaan.”
Perencanaan sampel untuk metode NIR kuantitatif
Pendekatan sistematis membantu mengumpulkan sampel kalibrasi yang tepat untuk mencapai metode analisis NIR yang akurat dan mendalam. Semua data termasuk target dan batasan dimasukkan dalam rencana sampel [24]. Rencana sampel mencakup 6 langkah.
Rencana sampel mencakup 6 langkah.
1. Memilih parameter penentuan dan menentukan nilai target 2. Menentukan metode primer
3. Memperkirakan rentang kalibrasi
4. Pengaruh lain yang perlu dipertimbangkan 5. Memperkirakan working range
6. Pengambilan sampel dan penyajian sampel
Pola rencana sampel kalibrasi disajikan dalam Gambar 7. Gambar tersebut memberikan panduan umum tentang penyiapan rencana tunggal.
19
Analisis Proses Makanan
Buku Pedoman Champion
2: Pemantauan proses 1324 827 43,5% production running 1324 827 43,5% 74
Sifat formulasi [Lemak]
Target formulasi (TV [% Lemak] misalnya klaim label
metode primer [Lemak,
Weibull-Stoldt] Lebih diutamakan metode standar menjaga kandungan selama kalibrasi
Presisi metode referensi (SE) [± % Lemak] misalnya standar deviasi
working range (WR) [% Lemak, min.]
[% lemak, maks.] Variasi proses biasa
Rentang kalibrasi dengan batas bawah dan batas atas (CR, CRLL, CRUL)
[% Lemak, CRLL]
[% Lemak, CRUL] CR = 20 x SECR > WR
Sampel [Jenis] misalnya produk jadi, sampel blender,
sampel dioven
Pengambilan sampel/penyajian
sampel [Metode] misalnya mendinginkan hingga suhu kamar, memarut atau menumbuk dengan halus
Penyajian sampel [Deskripsi] misalnya menggunakan press pemberat pada unbrakeable sample cup
Sumber variasi yang dikenal [Deskripsi] misalnya protein, kadar air, garam, perangkat musiman (lini produksi), suhu, teknisi
Tabel 3: Rencana sampel kalibrasi untuk penentuan kandungan lemak
Keuntungan pra-kalibrasi
Pengguna NIR dapat mengandalkan pra-kalibrasi. Tersedia untuk banyak komponen dan sampel. Analyzer NIR telah dilengkapi pra-kalibrasinya atau dapat diunduh dari produsen instrumen NIR. Pra-kalibrasi memberikan awal yang mulus menuju analisis NIR, membangun database untuk penentuan NIR yang andal, akurat, dan kuat dan mengurangi tenaga dan biaya kalibrasi awal secara signifikan .
Metode referensi
Metode referensi seperti penentuan protein Kjeldahl atau penentuan lemak Weibull-Stoldt berkontribusi pada hasil sebenarnya pada kalibrasi metode NIR. Metode tersebut harus dijaga konstan di sepanjang siklus perkembangan metode NIR karena metode laboratorium yang berbeda memiliki akurasi dan presisi berbeda yang bersifat saling relatif. Maka, catat metode referensi Anda saat ini karena properti tersebut menjadi pertimbangan. Tetapkan standar error dari metode tersebut secara cermat. Ini merupakan istilah yang menentukan untuk kalibrasi [24].
Silakan lihat juga jilid 1 Buku Pedoman Champion Analisis Proses Makanan ini yang dapat
diunduh di sini: www.buchi.com/content/food-process-analytics-guidebook
20 21
Analisis Proses Makanan
Buku Pedoman Champion
2: Pemantauan proses 1324 827 43,5% production running 1324 827 43,5% 75
Jenis Sampel Mode pengukuran Prinsip ∙Cairan
∙Endapan
Transflektans
Radiasi NIR melewati cairan, dipantulkan dan melewati sampel kedua kalinya
∙Padatan: serbuk, granula, pelet ∙Gel, pasta
Reflektansi difusi
Radiasi NIR melakukan penetrasi sampel dan terdifraksi dan/atau dipantulkan.
∙Cairan bening (sampel dalam kuvet atau vial)
Transmisi
Radiasi NIR dikirim melalui sampel cairan pada pathlength yang ditentukan.
∙Serbuk kristal,
beberapa tablet/pil Transmisi difusi
Radiasi NIR melakukan penetrasi sampel dan terdifraksi dan/atau dipantulkan.
(Mode ukuran ini sangat jarang digunakan pada analisis makanan.)
Tabel 4: Jenis sampel dan mode pengukuran NIR yang sesuai
Keragaman tipe sampel
Semua variasi tipe sampel dapat dilakukan analisis NIR untuk pemantauan batch dan berkelanjutan. Tipe sampel dapat beraneka ragam seperti cairan bening, pasta, atau serbuk padat. Mode pengukuran tambahan telah membuka lingkup praktik dan operasi NIR secara signifikan dibandingkan dengan contoh pada mode transmisi spektroskopi VIS biasa.
Instrumen NIR dari BUCHI dapat mengakomodasi semua jenis tipe sampel. Semua alat penyaji sampel yang viabel seperti cawan petri, vial, dan kuvet juga tersedia.
21
Analisis Proses Makanan
Buku Pedoman Champion
2: Pemantauan proses 1324 827 43,5% production running 1324 827 43,5% 76