A NIR spektroszkópia azon kevés módszerek egyike, melyek nem a haditechnika vagy az űrkutatás felől jutottak el a mezőgazdasági alkalmazásig. Ellenkezőképp, a módszer a mezőgazdasági kutatások eredményeként vált közismertté, és az ehhez kapcsolódó hardveres és szoftveres fejlesztések hatására alakulhatott ki egy olyan gyors, ám mégis nagyon megbízható módszer, mely ma már a mezőgazdaságon és élelmiszeriparon kívül számos egyéb iparág számára kínál analitikai megoldásokat akár laboratóriumi, akár gyártási folyamatba épített, automatizált környezetben: az űrkutatástól a gyógyszeriparig szinte bárhol találkozhatunk e költséghatékony, roncsolásmentes analitikai módszerrel.

Az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézete (NIST) részéről az 1950-es évek elején merült fel az igény olyan objektív gyorsvizsgálati módszer kidolgozására, mely alkalmas lisztek víztartalmának meghatározására. Az Amerikai Mezőgazdasági Minisztérium Kutatási Központjában (USDA) a Karl Norris által vezetett munkacsoport a közeli infravörös spektroszkópiával próbálta megoldani a feladatot. Első gabonavizsgálataik során észrevették, hogy a nedvességtartalom pontos meghatározását zavarta a minták fehérjetartalma, melyből arra következtettek, hogy a közeli infravörös fény felhasználásával ez az összetevő is mérhető. A következőkben szóját vizsgáltak, immár két komponensre, és megállapították a zsírtartalom zavaró hatását. Így kialakítottak egy NIR spektroszkópiára alapozott mérési technikát a három legfontosabb összetevő mennyiségének becslésére. Ezzel párhuzamosan a gabonák és olajos magvak minőségi kategóriák szerinti osztályozásához dolgoztak ki eljárást és fejlesztettek berendezést. A korai rutinszerű NIR vizsgálatok a gabonák beltartalmi értékeire és a szemkeménység meghatározására, a technológiai alkalmasság megítélésére terjedtek ki, megalapozva ezzel a NIR technika malom- és takarmányipari alkalmazásának gyors és széles körű elterjedését.

Az 1980-as évek elején az akkori KÉKI-ben dolgozó Kaffka Károly professzor és munkatársai napraforgó és csillagfürt közeli infravörös spektrumait értékelték amerikai–magyar közös kutatások során. Az őrlemények olaj-, fehérje-, rost- és víztartalmának, valamint aminosav-összetételének meghatározására vonatkozó eredményeik igen meggyőzőek voltak.

A NIR spektroszkópia jelentős számolási kapacitást igénylő adatfeldolgozással párosul. A számítógépek robbanásszerű fejlődése és elterjedése jelentősen hozzájárult a technológia sikeréhez. Már a 2000-es évek elején megjelentek a kombájnba integrált NIR berendezések, melyekkel a gabona beltartalma gyakorlatilag a betakarítás pillanatában meghatározható. Több kutatás eredménye is igazolta, hogy a nem invazív technika a szaporítóanyagok in vivo vizsgálatára is lehetőséget biztosít. A módszertan eredeti nedvességtartalmú és szárított szilázsok beltartalmának becslésére vonatkozóan is alkalmasnak bizonyult, ezen keresztül mintegy 20 éve elérhetőek a keveréktakarmányok kémiai összetételét, energiatartalmát és a különböző takarmány összetevők arányát becslő modellek.

Intenzíven kutatott terület a takarmányokba kevert, fehérjét és energiát szolgáltató melléktermékek minőségének és eredetének vizsgálata is. A NIR technika a beltartalom mérésén túl alkalmas a hús- és csontliszttel szennyezett hallisztek azonosítására és a szennyezettség mértékének megállapítására már az élelmiszerlánc kezdeti szakaszában.

Termelésélettani szempontból is érdekes a NIR technika kínálta flexibilitás, legyen szó a bendőkanül alkalmazásával nyert minta gyors analíziséről, vagy a bendőtartalom speciális, beültetett érzékelővel történő vizsgálatáról. A mindennapi telepi gyakorlatban a szarvasmarha takarmányozással foglalkozó szaktanácsadó kollégák sokszor már a NIR technika adatainak segítségével állítják össze az etetett teljes takarmánykeverék (TMR) összetételét, vagy kontrollálják az elvi receptúra táplálóanyag tartalmának gyakorlatban történő megvalósulását.

A NIR technika in-line alkalmazási lehetőségének jó példája a takarmánykeverő üzembe történő integrálás. Az ilyen rendszerekkel az egymást követő technológiai lépések során folyamatosan nyomon követhető a keveréktakarmányok kémiai összetétele, illetve fizikai állapota. Már 2004-ben olyan rendszerről számoltak be, mellyel késztakarmányok aminosav-összetételét vizsgálták 44, hálózatba szervezett spektrométer eredményeit feldolgozva, központi kalibrációt követően. Az eltérő helyeken kapott eredmények közötti hiba szórása alacsonyabb volt a NIR vizsgálatoknál, mint a párhuzamos laboratóriumi méréseknél.

Ezen a ponton visszautalunk az előző számban hangsúlyozottakra: a kiváló referencia adatok fontosságára. Ezek megléte esetében a NIR technika számos paraméter vonatkozásában kínál olyan kiváló gyorsvizsgálati lehetőséget, amely nemcsak olcsóbb és gyorsabb, de akár még megbízhatóbb is, mint a hagyományos vizsgálati módszer. Sikeres használatának feltétele egy, a jövőben mérni kívánt mintákra jellemző NIR spektrumokat és referencia adatokat tartalmazó adatbázis és kalibrációs modell előzetes kidolgozása, vagy egy ilyen modell megvásárlása, továbbá ezek rendszeres karbantartása, frissítése.

A piacon elérhető, hálózatba is köthető rendszerek ezekre a kihívásokra ma már szinte minden esetben megoldást kínálnak.

A szolgáltatók folyamatosan javítják kalibrációik megbízhatóságát, a távoli diagnosztikát és finomhangolást lehetővé tevő rendszerek eredményeként pedig a felhasználók lényegében mentesülnek azon kellemetlenségek alól, melyek a korábbi NIR felhasználók számára általánosak voltak, és különös körültekintést igényeltek. Ezen fejlesztések eredményeként a mai eszközök és a hozzájuk kapcsolódó szolgáltatáscsomagok olyan rutinvizsgálati protokollokat kínálnak, amelyek a legtöbb esetben egyszerű mintakezeléssel párosuló, nagyon hatékony és könnyen kezelhető, gombnyomásra működő analitikai megoldást jelentenek.

A különböző elven működő laboratóriumi nagyműszerek por-, rázkódás- és cseppálló verziói már megjelentek, lehetőséget biztosítva termény-, takarmány- vagy állatitermék-minták rideg telepi körülmények közötti mérésére. A laborból kilépett NIR technika számos új vizsgálati megoldást tesz lehetővé. A nagyműszerekhez csatlakoztatott, flexibilis száloptikás kiegészítők vagy a miniatűr spektrométerek lehetővé teszik a fentiekben már említett in vivo vizsgálati kialakításokat, vagy a termelési és feldolgozási folyamatba illeszthető in-line megoldásokat. Körültekintést igényelnek az akár gyufásskatulya méretű NIR készülékek, melyek használati értéke a méréstechnológiai háttér, a mérési elv, a hardverkialakítás, a kapcsolódó szoftveres megoldások, valamint a rendelkezésre álló adatbázisok és kalibrációk függvénye.

Saját, kézi NIR készülékekkel végzett tesztjeink eredményei biztatóak. Különböző eredetű húsporok spektrumaik alapján történő azonosíthatóságának vizsgálata során megállapítottuk, hogy ezen készülékek az asztali NIR spektrométerhez hasonló megbízhatósággal működnek a sertéskaraj, sertéstarja és nyúlcomb minták esetében (1. ábra). Hasonlóan meggyőző eredményt kaptunk a búzaglutén melaminnal történő hamisításának kézi NIR készülékkel felvett spektrumokra alapozott kimutatására (2. ábra). Az említett kézi NIR készülék (3. ábra) bluetooth kapcsolaton keresztül kommunikál a csatlakoztatott okostelefonnal, amelyen a készülékhez tartozó alkalmazás fogadja a rögzített spektrumokat, majd interneten keresztül továbbítja azokat egy távoli szerverre. A tárolt adatokból a becslő modellek által számított eredményeket a szerver visszaküldi a telefonra, melynek kijelzőjén megjelenik a grafikus és számszerű eredmény.

A teljes folyamat, a minta NIR spektrumának rögzítésével, adatátvitelekkel, becsléssel és eredménykijelzéssel együtt kevesebb, mint 10 másodperc alatt elvégezhető. Az ilyen, felhő alapú modellek komoly potenciált jelenthetnek a hasonló mérőrendszerek kialakítása során. A helyi modellre épülő automatizált rendszerek pedig a másodperc töredéke alatt is eredményt adhatnak.

Összefoglalva, a NIR spektroszkópia számos mezőgazdasági termék akár több kémiai és fizikai paraméterének egyidejű mérésére jelenthet költséghatékony és gyors megoldást, vegyszert és különösebb szakértelmet nem igénylő módon. A NIR módszertan megbízhatósága az utóbbi évtizedek hardver- és szoftverfejlesztéseinek köszönhetően sokszor eléri a laboratóriumi referencia módszerek megbízhatóságát. A mintavétel helyétől távoli (off-line) vagy a mintavétel mellé telepített (at-line) alkalmazásokat lehetővé tevő robusztus asztali NIR spektrométerek telepi körülmények között is laboratóriumi színvonalú méréseket tesznek lehetővé. Az automatizált mintavétellel egybekötött (on-line) és mintavételt is nélkülöző, folyamatba épített (in-line) alkalmazásokra fejlesztett spektrométerek és adatforgalmazó egységek pedig újabb távlatokat nyitnak a folyamatszabályozás és minőségbiztosítás terén, lehetővé téve azt, hogy a termékeinkről szinte folyamatosan gyűjtsünk adatot, objektív információval támogatva személyes vagy automatizált döntéshozó rendszereinket.

1. ábra: fagyasztva szárított sertés- és nyúlhúsok osztályozhatósága kézi (balra) és asztali (jobbra) spektrométerrel felvett spektrumok alapján

Amíg az asztali készülékkel fejlesztett modell a minták 99,6 %-át sorolta be helyesen (n = 460), addig a kézi készülék alig valamivel gyengébb, 97,8 %-os eredményt adott (n = 90). Nem csupán a 33,5±6,5% zsírtartalmú tarja különíthető el az alacsonyabb zsírtartalmú mintáktól, de az azonos zsírtartalmú karaj- (8,5±2,3%) és nyúlcomb (8,1±2,2%) minták is jól elkülönülnek egymástól.

2. ábra: búzaglutén melamintartalmának becslése NIR spektrumuk alapján

A NIR spektrumok alapján a becsült és a valós szennyezettség szoros összefüggést mutat. A kalibrációs modell a tesztelés során 0,4% alatti átlagos hibával becsülte a búzagluténminták melamintartalmát.

3. ábra: mérés egy DLP technológiára alapozott kézi NIR spektrométerrel (balra) és egy nagy precizitású diszperziós asztali NIR spektrométerrel (jobbra)

A jóval kisebb és könnyebben kezelhető eszköz sokszor előnyt jelent a felhasználó számára, azonban számos, az eredményt negatívan befolyásoló tényező merülhet fel, amelyek az asztali műszerek esetében a hardver kialakítása és a kényszerűen betartandó mintaelőkészítés miatt nem jelentkeznek.

A közlemény elkészítését az EFOP-3.6.3-VEKOP-16-2017-00008 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

A cikk szerzője: Dr. Bázár György