Zur kontinuierlichen Überwachung der Inhaltsstoffe von Roh-, Zwischen- und Endprodukten werden in der getreideverarbeitenden Industrie seit Jahren Nah-Infrarot-Systeme (NIR) eingesetzt. Die erste Generation der NIR-Geräte konzentrierte sich auf die Messung des Proteingehalts, der Feuchte und der Asche. Daneben gibt es aber weitere Qualitätsparameter, die von den Mühlen eingehalten werden müssen. Dazu gehören beim Weizenmehl unter anderem der Anteil an Feuchtkleber, die Fähigkeit zur Wasserabsorption oder die Stärkebeschädigung. Ältere Generationen von Online-NIR-Systemen bestimmen diese Parameter nur mit unzureichender Präzision und Reproduzierbarkeit. Der Einsatz von Photodiodenzeilen (Dioden Array, DA) wie im NIR Multi Online Analyzer MYRG von Bühler, bietet eine hohe Genauigkeit bei der Messung solcher Zusatzparameter. In der neusten NIR-Generation wertet ein Spektrometer bis zu sechs verschiedene Messstellen aus. Die kompakten Messsonden eignen sich hervorragend für die Nachrüstung von bestehenden Anlagen. Nur die Messsonde ist in der Produktionsumgebung platziert. Der mitgelieferte Steuerschrank bietet optimalen Schutz der optischen und elektronischen Komponenten.
Die Nahinfrarotspektroskopie eignet sich sehr gut für die Bestimmung von Hauptinhaltsstoffen in organischen Materialien. Für das verlässliche Funktionieren eines NIR-Systems sind auch gute mathematische Modelle wichtig, um die Eigenschaften in einem unbekannten Produkt zu bestimmen. Die wichtigsten und NIR-aktivsten biochemischen Komponenten Wasser, Stärke, Protein und Fett können ohne Probleme modelliert werden. Neben den Hauptinhaltsstoffen lassen sich jedoch auch weitere physikalische oder biochemische Eigenschaften der Produkte mit den NIR-Spektren korrelieren, sofern diese von der Kombination der Hauptinhaltsstoffe sowie weiteren Eigenschaften wie der Partikelgrößenverteilung abhängen. Ein Beispiel ist die Fähigkeit des Mehls, während der Teigbildung Wasser zu absorbieren und zu halten. Die Fähigkeit zur Wasserabsorption hängt unter anderem von der Menge und Qualität der Proteine, des Zustands der Stärkekörner und der Partikelgrößenverteilung ab.
Es können jedoch nur Eigenschaften kalibriert werden, die tatsächlich eine Information in NIR-Spektren hinterlassen und mit diesen korrelieren. Ein Beispiel dafür ist die sogenannte Fallzahl, die zur Beurteilung der Aktivität gewisser Enzyme im Mehl dient. Die NIR-Technologie eignet sich hier nur bedingt für niedrige Konzentrationsbereiche.
Bei der Erstellung von NIR-Kalibrationen ist die Breite der Daten für die Genauigkeit und die Robustheit des Modells entscheidend. Die Modelle können nur Produkte vorhersagen, deren Eigenschaften im Modell bereits enthalten sind. Einerseits ist es essenziell, den gesamten zu messenden Bereich der Eigenschaft abzudecken, denn die Modelle dürfen nicht extrapoliert werden. Andererseits müssen nicht nur die zu messende Eigenschaft, sondern auch die Störfaktoren wie spezifische Eigenschaften des Produkts (Partikelgrößen, Temperaturen, Herkunft, chemische Zusammensetzung) der eingesetzten Geräte und der Umgebung berücksichtigt werden. Unter diesen Voraussetzungen sind für eine optimale Kalibrierung schnell einmal einige Hundert Proben notwendig.
Für den Abgleich von Spektren und Proben müssen die Daten über bestimmte Algorithmen vorbehandelt und verrechnet werden (Chemometrie). Die Vorbehandlung der Spektraldaten mit verschiedenen mathematischen Funktionen hängt vom Produkt selbst, aber auch von der verwendeten Hardware ab und ist notwendig, um die interessanten Informationen (z. B. Proteingehalt) von den uninteressanten (Partikelgrößenverteilung) besser trennen zu können. Die quantitativen Kalibrationsmodelle werden in der Regel mit dem PLS-(Partial-least-squares-)Algorithmus berechnet, der nach den größten Unterschieden in Spektren sucht und diese mit der zu kalibrierenden Eigenschaft verknüpft.
Die Genauigkeit eines NIR-Messsystems wird in der Regel durch SEP (standard error of prediction) angegeben. SEP ist ein zufälliger Standardfehler, der zwischen dem Referenzlabor und der Online-Messung während mindestens 20 Validierungsmessungen gefunden wurde. Der zufällige Fehler (SEP) kann grundsätzlich nicht kleiner sein als der zufällige Fehler des Labors (SEL), da die Kalibrationen auf den Daten des Referenzlabors beruhen. Bei inhomogenen Proben, bei denen bereits eine repräsentative Probenahme ein großes Problem darstellt, kann eine Online-NIR-Messung allein schon wegen des größeren Probenvolumens wesentlich genauer sein.
Der Feuchtklebergehalt eines Weizenmehls und seine Beschaffenheit bestimmen entscheidend das Verhalten des Teigs im Verlauf des Knetens und während des Backvorgangs. Im Allgemeinen gilt: Je höher der Feuchtklebergehalt, umso größer die Wasseraufnahme, das Gashaltevermögen und das zu erwartende Gebäckvolumen. Feuchtkleber ist eine mehr oder weniger plastisch-elastische Substanz, die man durch Auswaschen von Weizenmehlteigen erhält, und besteht im Wesentlichen aus gequollenem Gliadin und Glutenin. Da ein hoher Proteingehalt nicht immer einen hohen Gehalt an Feuchtkleber bedeutet, bringt eine NIR-Kalibration von Feuchtkleber einen hohen Zusatznutzen. Gute Kleberwerte betragen 30 bis 34 %.
Der Einsatz des NIR Multi Online Analyzers MYRG bietet eine hohe Genauigkeit bei der Messung dieses Zusatzparameters. Lange Wartezeiten auf Laborwerte gehören der Vergangenheit an. Korrekturmaßnahmen können unmittelbar erfolgen. Die Wiederholbarkeit von Feuchteklebermessungen im Labor (Methode ICC137/1) liegt bei 0,4. Mit dem NIR Multi Online Analyzer MYRG wird ein Wert von 0,7 erreicht.
Der Begriff Stärkebeschädigung steht für mechanisch deformierte Stärke. Im Vergleich zur intakten Stärke kann die mechanisch deformierte Stärke fünfmal mehr Wasser binden. Damit ist sie neben dem Protein der wichtigste Faktor für die Wasseraufnahme eines Mehls und für die Teigausbeute. Die Stärkebeschädigung tritt in den verschiedenen Passagen des Vermahlungsprozesses auf. Wenn der Technologe den gewünschten Grad an Stärkebeschädigung kennt, kann er den Vermahlungsprozess den entsprechenden Ansprüchen anpassen, zum Beispiel durch die Auslegung der Walzenlänge (je länger desto höher die Stärkebeschädigung) oder den Mahldruck. Die Wiederholbarkeit von Labormessungen (Methode AACC 76–33) liegt bei diesem Parameter bei 0,7 UCD. Mit dem NIR Multi Online Analyzer MYRG wird ein Wert von 1,0 UCD erreicht.
Die Wasseraufnahme in % ist die Menge an Wasser, die einem Mehl zur Erreichung einer festgelegten Teigkonsistenz von 500 Farinogrammeinheiten (FE) zugegeben werden muss. Großbäckereien benötigen Rohstoffe in gleichbleibender Qualität, damit die Prozesse nicht laufend angepasst werden müssen. Dazu gehört auch die Wasseraufnahmefähigkeit des Mehls. Die Wasseraufnahme ist u. a. wichtig für die richtige Teigbereitung und die Führung des Teiges beim Gar- und Backprozess. Je nach Wasseraufnahme ändert sich im Backbetrieb die Menge Wasser, die zugegeben werden muss. Mögliche Korrekturmaßnahmen sind Anpassung des Vermahlungsprozesses, unterschiedliches Konditionieren oder das Beimischen von Attritionsmehlen bei zu geringer Wasserabsorption. Für die Bestimmung der Wasseraufnahmefähigkeit wird im Labor häufig der Farinograph der Firma Brabender verwendet. Die Wiederholbarkeit von Messungen im Labor (Methode ICC115/1) liegt bei 0,8. Mit dem NIR Multi Online Analyzer MYRG wird ein Wert von 1,0 erreicht.
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