Simultaneous determination of xanthan gum, optical density, and glucose in aqueous solutions by Vis-NIRS

Význam tématu

Analýza kvality vodných roztoků xanthan gumy je klíčová pro potravinářský, kosmetický i farmaceutický průmysl. Tradiční metody vyžadují časově náročnou přípravu vzorků a separátní stanovení jednotlivých parametrů. Vis-NIR spektroskopie umožňuje simultánní a bezkontaktní stanovení viskozity (optické hustoty), koncentrace xanthan gumy a glukózy během méně než jedné minuty.

Cíle a přehled studie / článku

Hlavním cílem bylo vyvinout kvantitativní kalibrační modely pro simultánní stanovení optické hustoty, koncentrace glukózy a xanthan gumy v roztocích. Studie využívá více než 100 vzorků z 20 fermentorů, kalibrační a validační data rozdělila v poměru 75 % ku 25 %.

Použitá metodika a instrumentace

Vis-NIR spektroskopie v přenosovém módu, rozsah 400–2500 nm, teplota 40 °C. Spektra měřena na zařízení Metrohm XDS RapidLiquid Analyzer s 4 mm jednorázovými skleněnými vialkami. Software Vision Air 2.0 Complete sloužil pro sběr dat a vývoj modelů. Předzpracování zahrnovalo výpočet druhé derivace spektra. Pro modelování byly použity metody Partial Least Squares (PLS) a Multiple Linear Regression (MLR) v definovaných spektrálních regionech.

Hlavní výsledky a diskuse

Glukóza:

• Rozsah: 0–4,5 %
• Model: PLS (5 faktorů)
• Spektrální oblasti: 626–694 nm a 1662–1744 nm
• R² = 0,9623, SEP = 0,34 %

Xanthan guma:

• Rozsah: 0–5 %
• Model: PLS (4 faktory)
• Sóly: 1662–1744 nm
• R² = 0,9431, SEP = 0,35 %

Optická hustota:

• Rozsah: 0–12
• Model: MLR
• Vlnové délky: 893 nm a 967 nm
• R² = 0,9052, SEP = 0,90

Vysoké koeficienty determinace a nízké chyby predikce potvrzují vhodnost Vis-NIR spektroskopie pro rychlou kontrolu kvality.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje expresní, netoxickou a neinvazivní kontrolu kvality přímo ve výrobě bez potřeby chemické přípravy vzorků. Snížení času analýzy vede k rychlejší odezvě na výrobní výkyvy a ke snížení provozních nákladů. Intuitivní software dovoluje použití i méně zkušenými operátory.

Budoucí trendy a možnosti využití

Integrace inline monitoringu pro kontinuální kontrolu fermentačních procesů, rozšíření kalibrací na další biopolymerní přísady, využití pokročilých algoritmů strojového učení pro zlepšení robustnosti modelů a integrace do automatizovaných výrobních linek.

Závěr

Vis-NIR spektroskopie na přístroji Metrohm XDS RapidLiquid Analyzer prokázala vysokou spolehlivost a rychlost simultánního stanovení glukózy, xanthan gumy a optické hustoty ve vodných roztocích. Metoda je vhodná pro rutinní a online kontrolu kvality ve výrobních procesech.

Reference

• NIR Application Note NIR–52, Metrohm, 2017
• Jungbunzlauer Austria AG – spolupráce na experimentu