Pomiar zawartości wody w żywności i suplementach

Jak wybrać odpowiednie urządzenie? A gdy już je wybierzesz, jak zapewnić stale precyzyjne i powtarzalne wyniki? Pomiaro zawartości wody bywa skomplikowany, ale warto to robić właściwie.

W tym webinarze dr Zachary Cartwright i badacz zawartości wody Conner Jeffries:

• Wyjaśniają, dlaczego pomiary zawartości wody bywają tak niedokładne
• Omawiają metody bezpośrednie i pośrednie oraz porównują suszarki, wagosuszarki i miareczkowniki
• Prezentują oryginalne badania wskazujące na główne problemy z zawartością wody w suszonych owocach, tabletkach, suplementach oraz konopiach
• Przedstawiają metody ograniczania wahań i poprawy dokładności analizy zawartości wody
• Omawiają nowe metody szybkiego i precyzyjnego pomiaru zawartości wody

Transkrypcja zredagowana pod kątem płynności i przejrzystości

Dr Zachary Cartwright: Dzisiejsze spotkanie przebiegnie w ten sposób, że omówimy badania, nad którymi Conner ostatnio pracował i do których zebrał dane. Przeprowadzimy to w formie wywiadu, w którym zadawam Connerowi szereg pytań, zanim przejdziemy do omówienia nowej technologii wprowadzenej na rynek przez firmę METER.

Oto plan naszego spotkania:

1. Zacznimy od wyjaśnienia, czym właściwie jest zawartość wody, kto jej pomiarami się zajmuje oraz dlaczego pomiar ten jest tak trudny.
2. Następnie przejdziemy do omówienia metod. Mamy to wpisane jako metody bezpośrednie i pośrednie, ale będziemy o nich mówić raczej w kontekście metod podstawowych lub referencyjnych w porównaniu do innych metod.
3. Potem przejrzymy niektóre badania Connera, a następnie omówimy działania, które Ty i Twój zespół możecie podjąć, aby ograniczyć zmienność wyników i poprawić dokładność.
4. Następnie opowiem o zupełnie nowym urządzeniu o nazwie ROS 1, które służy do szybkiego pomiaru zawartości wody.
5. Ponownie odniesiemy się do badań i sprawdzimy, jak wypada porównanie z tym nowym urządzeniem.
6. Na koniec omówimy kwestię wyboru odpowiedniego instrumentu dla Ciebie i Twojego zespołu.

Dlaczego uzyskanie dokładnych pomiarów zawartości wody jest tak trudne

ZC: Na początek: dlaczego pomiary zawartości wody są tak kapryśne. Chcę zacząć od prostej definicji tego, czym jest zawartość wody. Conner, jak wyjaśniłbyś to pojęcie innej osobie?

Conner Jeffries: Tak, myślę, że warto zacząć od podstaw. Czym więc jest zawartość wody? Chodzi po prostu o masę wody w stosunku do masy wszystkich pozostałych składników w danej substancji.

Myślę, że może to być nieco mylące, ponieważ aby zmierzyć wodę, trzeba ją najpierw usunąć – nie ma realnego sposobu na pomiar in situ. Trzeba więc pozbyć się wody i to jest właściwie najtrudniejsza część.

Zazwyczaj podgrzewamy próbkę i w ten sposób usuwamy wodę. Nazywa się to utratą masy podczas suszenia. Drugą opcją jest rozpuszczenie próbki wraz z wodą w rozpuszczalniku, ale jest to dość specyficzne dla konkretnych metod.

ZC: Kto mierzy zawartość wody lub może – kto powinien to robić? Dlaczego to jest ważne i kto na to zwraca uwagę?

CJ: Zawartość wody dotyczy tak naprawdę procentów, wydajności i masy. Myślę, że większość ludzi chce wiedzieć, ile wilgoci znajduje się w ich próbce. Jednak zawartość wody jako taka powinna przede wszystkim służyć określaniu wydajności. Nie sądzę, aby była to świetna metoda do kontroli jakości czy szybkich pomiarów kontrolnych.

ZC: A zatem, jakie trudności mogą się pojawić podczas pomiaru zawartości wilgoci?

CJ: Ponieważ proces ten jest ściśle powiązany z samą próbką, musimy usunąć wodę, co zazwyczaj wymaga dostarczenia energii. I tu mogą pojawić się problemy. Zakłada się bowiem, że dostarczamy ciepło lub energię i usuwamy wodę. Jeśli jednak usuniemy inne substancje, na przykład związki lotne, doprowadzi to do przecenienia ilości wody. Ponadto, jeśli dostarczymy zbyt dużo ciepła, próbka ulegnie rozkładowi, tracąc składniki w postaci gazowej, co również skutkuje zawyżeniem wyniku zawartości wilgoci.

ZC: Skąd zatem wiadomo, jak długo ogrzewać próbkę lub jaką temperaturę ustawić?

CJ: Trzeba przeprowadzić trochę badań, aby ustalić najlepsze metody dla konkretnych próbek. Niestety, w tym przypadku zazwyczaj najlepiej sprawdza się zasada „powoli i w niskiej temperaturze”. Jest to podejście najbezpieczniejsze, a zarazem najdokładniejsze.

ZC: Coś jeszcze w kwestii próbek? Wspomniałeś wcześniej o substancjach lotnych, ale co sprawia, że pomiar zawartości wilgoci w danej próbce jest łatwy, a z jakimi trudniejszymi próbkami miałeś do czynienia?

CJ: Jeśli chodzi o trudne próbki – cóż, od razu wskażę konopie indyjskie, ponieważ w ostatnim czasie poświęciłem im sporo pracy.

Trudne w obróbce są także owoce suszone – produkty o dużej gęstości, o wysokiej zawartości cukru, które ciężko poddać pobieraniu próbek. Sposób pobierania próbek odgrywa kluczową rolę w skutecznym usuwaniu wilgoci.

To są właśnie próbki, które uznałbym za trudne. Z kolei łatwe próbki to zazwyczaj te o wysokiej zawartości wilgoci, która z łatwością odparowuje.

ZC: Ostatnia poruszona przez Ciebie kwestia dotyczy tego, czy w ogóle trzeba mierzyć zawartość wilgoci. Myślę, że wiąże się to z Twoją pierwotną tezą, że zawartość wilgoci ma znaczenie głównie dla wydajności. Czy istnieje jednak inny wskaźnik lub w jaki inny sposób można spojrzeć na kwestię wody?

CJ: W celu określenia wydajności należy stosować pomiar zawartości wilgoci. Nie ma w zasadzie innego sposobu na poznanie masy wody w próbce. Jeśli jednak chcesz dowiedzieć się, w jaki sposób woda jest związana w próbce, o wiele lepszym parametrem jest aktywność wody. Łączy ona bowiem zawartość wilgoci ze strukturą próbki. Nie podaje ona procentowego udziału masy wody w próbce, lecz informuje o tym, w jakim stopniu ta woda jest dostępna.

ZC: Zatem jeśli zależy nam na wydajności, korzystamy z pomiaru zawartości wilgoci, ale gdy interesuje nas bezpieczeństwo i jakość, wtedy warto sięgnąć po pomiary aktywności wody?

CJ: Do tego celu aktywność wody nadaje się znacznie lepiej.

Metody pomiaru zawartości wilgoci

ZC: Dobrze. Przejdźmy teraz do omówienia metod stosowanych do pomiaru zawartości wilgoci. Istnieje wiele różnych metod, ale skupimy się na tych trzech najważniejszych. Pierwszą z nich są suszarki laboratoryjne, w tym suszarki próżniowe. Czym charakteryzuje się ta metoda i jak działa?

CJ: To sprawdzona, oryginalna metoda. Sięgając do publikacji AOAC, znajdziemy mnóstwo metod suszarkowych pochodzących z lat 20. i 30. ubiegłego wieku. Przez 100 lat nic się w tej kwestii nie zmieniło. Umieszczasz próbkę w niezwykle stabilnym źródle ciepła, które ją podgrzewa. Wiesz, jak dużo ciepła zostało dostarczone, i po prostu sprawdzasz masę próbki, aby ocenić, czy przestała się zmieniać. Metody te są bardzo niezawodne. Większość laboratoriów dysponuje suszarką i tak, jest to stabilne rozwiązanie.

ZC: Kolejna metoda, o której tu mowa i którą – o ile wiem – bardzo lubisz, to miareczkowanie Karla Fischera. Dlaczego akurat ta metoda cieszy się Twoją sympatią, a dlaczego inni mogą jej nie lubić?

CJ: Słusznie. Tak, lubię metodę Karla Fischera, ponieważ z wykształcenia jestem chemikiem. Moje tło to chemia, a praca ta bywa wręcz fascynująca.

Mimo to często obserwuję, że miareczkowniki Karla Fischera są używane w niewłaściwy sposób. Myślę, że użytkowników przyciąga perspektywa dużej precyzji i dokładności, jednak za tą metodą stoi cały szereg procesów chemicznych.

Zostały one opracowane z myślą o pomiarze śladowych ilości wody w paliwach i innych produktach ropopochodnych. Są zatem bardzo skuteczne. Zasadniczo nie ma znaczenia, co jeszcze znajduje się w próbce, ponieważ metoda ta wykazuje selektywność chemiczną względem wody.

ZC: Zgadza się. To rozwiązanie sprawdza się idealnie, gdy zależy nam na dokładności rzędu części na milion (ppm).

CJ: Dokładnie tak. Nie sprawdza się ona jednak najlepiej przy dużej ilości wody. Próbki o wysokiej zawartości wilgoci nie są w tym przypadku optymalne. Jeśli woda stanowi dużą część próbki, trzeba drastycznie zmniejszyć jej masę. Metoda ta najlepiej nadaje się do oznaczania niewielkich ilości wody.

ZC: Trzecią omawianą tu metodą są wagosuszarki. Często je spotykam, zwłaszcza w przemyśle spożywczym. Czym jest wagosuszarka i jak wypada w porównaniu z dwoma poprzednimi rozwiązaniami?

CJ: W przypadku suszarki pomiarów masy trzeba dokonywać samodzielnie, dysponując wagą analityczną. Z kolei ideą wagosuszarki jest połączenie źródła ciepła z wagą. Tak to wygląda w teorii. W praktyce moje doświadczenia z tym urządzeniem nie były w pełni satysfakcjonujące, choć trzeba przyznać, że mogą działać bardzo szybko.

ZC: W dalszej części prezentacji przeanalizujemy dane, które wyjaśniają, dlaczego nie są one idealnym rozwiązaniem. Która z tych trzech metod jest uważana za metodę odniesienia w przemyśle konopnym, spożywczym lub farmaceutycznym?

CJ: Suszarka zawsze będzie metodą odniesienia. Przypuszczam, że wiele laboratoriów farmaceutycznych korzysta z metody Karla Fischera. Widziałem ją chyba również w niektórych laboratoriach badających konopie indyjskie – sam zresztą używałem jej do tego celu. Nie sądzę jednak, aby wagosuszarki były uznawane za metody odniesienia.

ZC: Jasne. Przyjrzyjmy się temu jeszcze nieco bliżej i omówmy zalety oraz wady poszczególnych rozwiązań. Zacznijmy od suszarki w lewym górnym rogu. Jakie są zalety pracy z suszarką? Co podoba Ci się w tej metodzie?

CJ: Zgadza się. Przede wszystkim są bardzo stabilne, można w nich umieścić wiele próbek, dzięki czemu nadają się do dużych serii. Głównym problemem jest to, że nie są one super szybkie. Trzeba je nagrzać. Oczywiście wiele osób ma suszarki, więc można w ten sposób szybko uzyskać wynik zawartości wilgoci. Wadą – jeśli nie posiada się wagi analitycznej – jest to, że zakup zarówno suszarki, jak i wagi analitycznej może być kosztowny.

ZC: A co z metodą Karla Fischera? Jakie są jej zalety i wady?

CJ: Znowu – jest bardzo precyzyjna i kompatybilna z substancjami lotnymi. Jednocześnie wymaga jednak, aby próbki rozpuszczały się w rozpuszczalnikach organicznych. Istnieją pewne sposoby, aby to obejść, ale metoda ta zawsze będzie wymagała wykorzystania odczynników chemicznych. Jeśli więc nie dysponuje się odpowiednim zapleczem do obsługi chemikaliów, może to stanowić problem.

ZC: Czyli może to nie być najlepsze urządzenie dla start-upu lub nowej firmy.

CJ: Tak. Ponadto urządzenia te bywają dość drogi. Jeśli nie ma się w zespole chemika, który obsługiwałby taki sprzęt, może to być nieco zniechęcające.

ZC: I ostatnie urządzenie na liście – wagi suszárkowe (analizatory wilgotności). Jakie są ich plusy i minusy?

CJ: Zgadza się. Analizatory wilgotności są szybkie, ponieważ łączą suszenie z wałożeniem. Jednak z mojego doświadczenia wynika, że na rynku dostępny jest bardzo szeroki przekrój jakościowy takich urządzeń. Można kupić analizator wilgotności za kilka tysięcy dolarów, co brzmi jak dobry interes, zwłaszcza że same wagi czy suszarki bywają drogie. Zauważyłem jednak, że ich wydajność jest bardzo zróżnicowana.

Kolejną kwestią jest to, że nie zna się faktycznej temperatury próbki – urządzenie jedynie próbuje ją oszacować. Z tego powodu, przynajmniej w moim doświadczeniu, może dochodzić do rozkładu termicznego próbek na skutek dostarczenia zbyt dużej ilości ciepła.

ZC: Przyjrzymy się również jednemu z takich przykładów.

CJ: Jasne.

ZC: Chcieliśmy wspomnieć jeszcze o kilku innych metodach. Te trzy omówione do tej pory to nie jedyne rozwiązania – Conner przyjrzał się również kilku innym. Omówmy je teraz krótko. Pierwsza z nich to metoda mikrofalowa. Czym jest i jak działa?

CJ: Tak. Działa bardzo podobnie do analizatora wilgotności. Różnica polega na tym, że zamiast żarnika halogenowego lub źródła ciepła na podczerwień wykorzystuje się tu promieniowanie mikrofalowe. Sprawdza się to świetnie w przypadku mokrych próbek o dużej zawartości wody. Moje doświadczenia z tymi urządzniami są dość zbliżone do wrażeń z pracy z tradycyjnymi analizatorami – również mają tendencję do powodowania rozkładu próbek i generowania problemów.

ZC: Kolejna metoda na naszej liście to destylacja.

CJ: Zgadza się. To metoda nieco niszowa. Jako chemik myślę sobie: „jasne, po prostu zróbmy destylację”. Jest to jednak metoda odniesienia. Organizacja AOAC ma wiele do powiedzenia w kwestii tego, kiedy należy destylować próbkę. Może to wymagać sporo pracy. Niemniej jednak w przypadku próbek zawierających dużo substancji lotnych lub innych interferujących związków, mógłbym powrócić do destylacji.

ZC: I ostatnia metoda to wykorzystanie komór z substancją pochłaniającą wilgoć (desykantem) – to zasadniczo to samo, prawda?

CJ: Zgadza się. Chodzi o to, że dysponujemy wyłącznie komorą suszącą bez dostarczania ciepła, a wilgoć jest pochłanianá przez środek osuszający lub podobny materiał. To jednak trwa bardzo długo, prawda?

ZC: Tak.

CJ: Czasami tydzień lub dwa. Może to służyć jako dobre odniesienie, ale nie jest to rozwiązanie do rutynowego stosowania.

Porównanie różnych metod oznaczania zawartości wilgoci

ZC: Dobrze. Przejdźmy teraz do omówienia wyników badań, które przeprowadziłeś. Przyjrzymy się różnym produktom.

Analizujemy suszone mango i chciałbym zwrócić uwagę, że wiele z tych wykresów przedstawia różnicę względem referencyjnej metody suszarkowej.

Możesz wyjaśnić, dlaczego wykresy zostały skonstruowane w ten sposób oraz co dokładnie widzimy w przypadku różnych analizatorów wilgotności? Czy to ten sam model? Czy to powtórzenia? Czy może różne instrumenty?

CJ: Większość prezentowanych danych przedstawia różnicę w zawartości wilgoci względem referencyjnej metody suszarkowej, którą wyznaczyłem dla tych konkretnych próbek. Testowałem trzy różne analizatory wilgotności. Na tym slajdzie uwzględniono również jeden analizator wilgotności innego typu.

Jak widać, analizatory wilgotności mają problem z gęstymi próbkami owocowymi, takimi jak suszone mango. Nie są w stanie w pełni usunąć całej wody zawartej w takiej próbce.

Z drugiej strony, w przypadku analizatora mikrofalowego widać, że usuwa on całą wodę, ale ponieważ próbka jest sucha i zawiera dużo cukrów, zaczyna się ona palić, co prowadzi do przecenienia wyników.

W tym przypadku zawartość wilgoci zostaje przeceniona o 4%, ale w rzeczywistości oznacza to błąd przekraczający 40% w stosunku do próbki. To zatem bardzo duża rozpiętość.

ZC: Czy często zdarza się, że te próbki ulegają przypaleniu? Dlaczego dzieje się tak w przypadku niektórych z tych urządzeń?

CJ: Dostarczają one po prostu zbyt dużo energii. Warto powtórzyć, że kuchenka mikrofalowa i żarówka halogenowa nie pracują w stałej temperaturze. Do próbki wprowadzana jest więc ogromna ilość energii, co sprawdza się świetnie przy mokrych produktach i rzeczach, które chcesz szybko wysuszyć. Jednakże w momencie, gdy początkowa wilgoć odparuje, próbki stają się niezwykle podatne na przypalenie.

ZC: Wiem, że mamy tu kolejną próbkę suszonych owoców, a mianowicie suszone borówki. Wyniki wyglądają bardzo podobnie – wagi suszarnicze wykazują te same problemy. Zgadza się?

CJ: Zgadza się. Wagi suszarnicze akurat w tym przypadku nie przypaliły próbek, ale nie udało mi się uzyskać pomiaru zawartości wilgoci za pomocą mikrofalówki, ponieważ uległy one spaleniu i musiałem przerwać test. Wagi suszarnicze ponownie zaniżyły wynik, nie będąc w stanie usunąć całej wilgoci z tych gęstych próbek.

ZC: Przyjrzyjmy się teraz innym rodzajom produktów. Mamy tu proszek białkowy z dodatkiem zielonych warzyw. Co dzieje się z tego typu produktem?

CJ: Ten produkt jest wyjątkowo suchy – mówimy tu o próbce o zawartości wilgoci poniżej 5%. Wyniki są przeceniane, ponieważ próbka zaczyna ulegać rozkładowi. Podobnie jak w przypadku suszonego mango, te suche, sproszkowane próbki są łatwo przypalane przez całą tę energię promieniowania podczerwonego, która jest w nie wtłaczana.

ZC: To samo dotyczy również tej odżywki białkowej serwatkowej. Wygląda więc na to, że sytuacja się powtarza?

CJ: Tak. Wyniki są po prostu przeceniane, ponieważ próbka ulega rozkładowi.

ZC: Wierzę, że mamy tu jeszcze jedną próbkę – tym razem konindze. Ta została przygotowana nieco inaczej. Przedstawia ona całkowitą zawartość wilgoci uzyskaną przy użyciu kilku różnych metod. Czy możesz omówić ten wykres?

CJ: Tak. Nie ma powszechnej zgody co do najlepszej metody pomiaru wilgoci w konopiach. Prowadzę obecnie wiele badań, próbując dotrzeć do sedna sprawy.

Możemy jednak zauważyć, że niektóre metody odniesienia, takie jak metoda Karla Fischera czy komora z desykantem, dają dość spójne wyniki. Schody zaczynają się jednak przy innych metodach, w których dostarcza się dużo ciepła.

Wiemy, że konopie zawierają wiele lotnych związków. Można by więc oczekiwać, że dostarczenie dużej ilości ciepła do próbki, na przykład w suszarce próżniowej, doprowadzi do przecenienia ilości wilgoci. Obserwujemy to przy metodzie z użyciem suszarki próżniowej, wagi suszarniczej pracującej w wyższej temperaturze lub tradycyjnego pieca. Ta metoda Amerykańskiego Towarzystwa Farmakopei Ziołowej wykorzystuje suszarkę w temperaturze 105 stopni.

ZC: Właśnie opublikowałem krótki artykuł wyjaśniający potrzebę standaryzacji metody oznaczania wilgoci stosowanej w branży konopnej. Ponieważ jeśli uprawiasz konopie, możesz wysłać swój produkt do konkretnego laboratorium, ponieważ otrzymujesz wyniki, które Ci odpowiadają, ponieważ stosują oni określoną metodę, która może sprawić, że Twój produkt będzie wyglądał inaczej niż w rzeczywistości lub inaczej niż gdybyś wysłał go do innego laboratorium.

CJ: Tak, dokładnie. Myślę, że cała zawartość THC jest odniesiona do masy suchej, więc te wartości wpływają na obliczenia potencji. Wydaje się, że Kalifornijska Komisja ds. Kontroli Konopi Indyjskich zdała sobie sprawę, że jest to problem i trzeba dojść jego przyczyny.

Jak poprawić dokładność pomiarów wilgoci

ZC: Przejdźmy teraz do omówienia kilku metod, które możesz wdrożyć, lub – jeśli nas słuchasz – rzeczy, które Twój zespół może zrobić, aby ograniczyć zmienność i poprawić dokładność. Co zespoły mogą robić inaczej, Conner?

CJ: Zgadza się. Zaczynając, pierwsza rzecz, którą bym powiedział, brzmi: czy naprawdę potrzebujesz znać zawartość wilgoci? Czy naprawdę potrzebujesz tych danych dotyczących wydajności? Jeśli przeprowadzasz tylko szybkie kontrole, aktywność wody może okazać się dla Ciebie lepszym wskaźnikiem.

ZC: Drugą kwestią, którą tu poruszasz, jest walidacja metod i badania biegłości. Co masz przez to na myśli?

CJ: Dokładnie tak. Czy testujesz swoje wagi suszarnicze za pomocą wzorców? Czy testujesz suszarkę? Czy sprawdzasz, czy Twoje metody są faktycznie wiarygodne? Myślę, że poświęcam na to bardzo dużo czasu.

ZC: Jasne.

CJ: Stale weryfikujemy wszystkie nasze przyrządy.

ZC: Zawsze jednak zaskakuje mnie, gdy rozmawiam z ludźmi z branży, jak wiele osób w ogóle nie podejmuje tego kroku lub robi to bardzo rzadko.

CJ: Jasne.

ZC: Kolejny punkt na naszej liście to liczne powtórzenia. Oczywiście, w każdym przypadku im więcej powtórzeń, tym lepiej. Ile to wystarczająco? Albo czy więcej zawsze znaczy lepiej?

CJ: To zależy. Powiedziałbym, że im więcej, tym lepiej, ale do pewnego stopnia. Jeśli chcesz, możesz przeprowadzić analizę statystyczną. Wiąże się to jednak z walidacją metod i badaniami biegłości – musisz w zasadzie móc wiarygodnie określić, jaka jest zawartość wilgoci w Twojej próbce, a osiąga się to poprzez pobranie wielu podpróbek.

ZC: Kolejna rzecz, którą tu mamy, to po prostu standaryzacja metody i zwrócenie się do organów regulacyjnych. Niezależnie od tego, czy chodzi o AOAC, czy inne wymienione przez nas instytucje, upewnij się, że sprawdzasz i stosujesz właściwą metodę dla swojego produktu.

CJ: Jasne.

ZC: I wreszcie ostatnia kwestia: użycie modelu wilgoci opartego na izotermie. Postanowiłem to tutaj uwzględnić.

Często robimy to w METER – określamy zawartość wilgoci na podstawie pomiaru aktywności wody oraz zależności między tymi dwoma pomiarami, co nazywa się izotermą sorpcji wilgoci. W ten sposób możemy stworzyć model, a następnie uzyskać niezwykle precyzyjny pomiar zawartości wilgoci.

CJ: Robimy to bardzo często. Znamy zależność zawartości wilgoci od aktywności wody. Możesz wyznaczyć zawartość wilgoci na podstawie aktywności wody, ale nie da się tego zrobić w odwrotną stronę.

Przedstawiamy nowy analizator zawartości wilgoci ROS 1

ZC: Przejdźmy teraz do zupełnie nowego urządzenia, które wprowadziliśmy na rynek w firmie METER. To rozwiązanie pomoże Waszemu zespołowi mierzyć zawartość wilgoci bardzo szybko i precyzyjnie.

To urządzenie nazywa się ROS 1. Zacytuję tu nasz dział marketingu: „Nie gorzej, ale mądrzej”.

Bardzo mi się to podoba, ponieważ – jak już omawialiśmy w przypadku niektórych innych urządzeń – próbowały one przyspieszyć pomiary poprzez gwałtowne podgrzewanie próbek. Te wagosuszarki korzystają z lamp halogenowych, co prowadzi do problemów. Jak pokazał Conner, może to skutkować przypaleniem próbek albo niedoszacowaniem czy oszacowaniem na wyrost zawartości wilgoci w tych próbkach.

Chciałbym poświęcić chwilę na omówienie niektórych funkcji tego nowego urządzenia, a potem wrócimy do danych zgromadzonych przez Connera i porównamy to urządzenie z tym, co już wcześniej oglądaliśmy.

Pierwsza rzecz to fakt, że urządzenie to jest zgodne z normami AOAC, ASTM i ISO. Jeśli więc musisz wprowadzić określony czas i temperaturę, możesz to zrobić w ROS 1.

W tym przypadku odpada opracowywanie metody. Jest to urządzenie niezależne od rodzaju próbki. Możesz umieścić w nim dowolną próbkę, a urządzenie będzie w stanie zmierzyć zawartość wilgoci. Kolejna zaleta to automatyzacja rutynowych czynności. Nie musisz niczego zapisywać – urządzenie automatycznie sporządzi wykres przedstawiający czas, temperaturę oraz zmianę masy Twojego produktu. Zapewnia to szybkie testowanie i dużą przepustowość.

Jak widać na zdjęciu, możesz załadować dziewięć próbek naraz, a w ciągu 40 minut otrzymasz wyniki dla wszystkich dziewięciu. Daje to około czterech minut na próbkę. Jest niezwykle proste w obsłudze. Wiąże się to z aplikacją na komputer dostarczaną wraz z ROS 1, która nazywa się Bridge. Dzięki niej rozpoczęcie testu, przeglądanie zebranych danych oraz ich eksport w razie potrzeby stają się wyjątkowo łatwe.

Wyniki cechują się bardzo wysoką precyzją. Wynika to z kontroli temperatury w tym urządzeniu, a także z kontroli prężności par oraz wbudowanej w ROS 1 wagi.

Wyniki są wysoce powtarzalne. Ma to związek ze ścisłą kontrolą wspomnianych przed chwilą aspektów.

Naprawdę świetną funkcją tego urządzenia jest automatyczne wykrywanie momentu wysuszenia. Gdy parowanie z próbki zaczyna zwalniać, urządzenie potrafi to wykryć i zaczyna wykonywać częstsze pomiary, dzięki czemu może zakończyć test dokładnie w momencie, gdy próbka jest sucha.

Pomyślałem, Conner, że opowiesz nam również o tym, jak to wpłynęło na usprawnienie Twojej pracy w laboratorium.

CJ: Tak, zdecydowanie. Myślę, że tym, co szczególnie się wyróżnia, jest brak konieczności korzystania z dziwnych, małych przycisków na miniaturowym urządzeniu. Wydaje mi się, że przez pewien czas popularnym trendem w budowie urządzeń było robienie wszystkiego jako jednostek niezależnych. Jednak powrót do korzystania z komputera stacjonarnego znacznie usprawnia kwestie związane z danymi.

Poza tym samo urządzenie jest po prostu... dziecinnie proste w obsłudze.

Porównanie ROS 1 z innymi metodami oznaczania zawartości wilgoci

ZC: Spójrzmy teraz na niektóre z wyników, które udało Ci się zebrać. Wracając do suszonego mango – ROS 1 znajduje się po prawej stronie Twojego ekranu. Co nam to pokazuje?

CJ: Zgadza się. Widzimy, że ROS 1 potrafi bardzo zbliżyć się do metody referencyjnej dla suszonych owoców, podczas gdy tradycyjne wagosuszarki mają problem z usunięciem całej wilgoci. Ponieważ ROS 1 działa w zasadzie jak metoda referencyjna, wyniki są bardzo spójne z metodą suszarkową.

ZC: Spójrzmy jeszcze raz na suszone jagody.

CJ: Wyniki są bardzo podobne.

ZC: Czyli bardzo blisko referencyjnej metody suszarkowej.

Spójrzmy na odżywkę białkową i zieloną mieszankę w proszku. Ponownie, wyniki są bardzo zbliżone.

CJ: Tak. Mam wrażenie, że jesteśmy sceptycznie nastawieni do wag suszarkowych, głównie dlatego, że mają one duże problemy z wieloma rodzajami próbek. Śmiało można jednak powiedzieć, że w przypadku tych próbek po prostu się nie sprawdzają.

ZC: Znowu to samo. Dane te zostały przedstawione w nieco inny sposób. Czy możesz wyjaśnić, dlaczego pokazujesz je w ten sposób?

CJ: Poprzednie slajdy przedstawiały rzeczywistą różnicę w zawartości wilgoci. Tutaj pokazujemy różnicę w zawartości wilgoci wyrażoną jako procentowa różnica względem wartości referencyjnej. Ponieważ zawartość wilgoci w tej konkretnej próbce jest niska, widzimy, że nawet niewielka zmiana skutkuje dużą różnicą procentową. Mimo że waga suszarkowa mogła wykazać różnicę bezwzględną rzędu około 1%, to w odniesieniu do faktycznej metody referencyjnej różnica w zawartości wilgoci wynosi około 15%.

Chcę tylko podkreślić, że dążymy tutaj do precyzji rzędu około 2%. Zatem ta różnica wynosząca około 2% stanowi niepewność pomiarową zarówno dla metody referencyjnej, jak i dla ROS 1.

ZC: A teraz przejdźmy do odżywki białkowej.

CJ: Znowu to samo. Różnica bezwzględna wynosi 0,1%. Wagi suszarkowe znacznie zawyżają wyniki, jeśli spojrzymy na prezentowaną tutaj różnicę procentową – wynosi ona około 2% dla ROS 1 oraz od 4 do nawet 15% w przypadku wag suszarkowych.

ZC: Czy te 2% dla ROS 1 mieszczą się ponownie w oczekiwanym zakresie docelowym?

CJ: Zgadza się. Myślę, że to jeszcze nie ten slajd, ale kolejny dotyczy precyzji. Przyjrzymy się jej za chwilę.

ZC: Bardzo lubię ten slajd. Analizujemy tutaj standard wilgotności, jeśli się nie mylę? Dlaczego ten slajd jest ważny?

CJ: Dotyczy on winianu sodu, który jest dość powszechnym standardem wilgotności. Wiąże się to z walidacją metody.

Byłem wręcz w szoku, jak słabo poradziły sobie te wagi suszarkowe. Próbowałem je zweryfikować przy użyciu tego typowego standardu zawartości wilgoci, a urządzenie drastycznie zawyżyło ilość wody. Nadal nie wiem, jaki standard zawartości wilgoci jest odpowiedni dla niektórych z tych aparatów.

Wiem, że niektóre firmy produkują własne standardy zawartości wilgoci, ale bywają one bardzo kosztowne.

ZC: Zgadza się. W przypadku takiego standardu wilgotności odczyty powinny być w zasadzie takie same dla wszystkich tych metod, ale jak wspomniałeś, wagi mają tu spore problemy.

CJ: Tak. Rzeczywista zawartość wilgoci w tym konkretnym standardzie wynosi 15,6%, a urządzenia te znacznie ją przeceniły.

ZC: Ale system ROS 1 wypada tutaj bardzo blisko wartości 15,4%?

CJ: Tak. Mieści się to w granicach oczekiwanej niepewności pomiarowej.

ZC: Dobrze. Przejdźmy do slajdu, o którym myślałeś. Co przedstawia ten slajd?

CJ: Widzimy tutaj procentowe odchylenie standardowe względne, czyli odchylenie standardowe wyrażone jako procent średniej. Możemy zauważyć, że piec referencyjny oraz ROS 1 znajdują się dokładnie tam, gdzie byśmy tego oczekiwali – w przedziale od 1 do 2%. Trudno o lepszy wynik.

Wagi suszarkowe, nawet jeśli byłyby dokładne, nie cechują się dużą precyzją, co w moim doświadczeniu jest dla nich dwoma potężnymi minusami.

ZC: To jedno z moich ulubionych pytań do klientów z branży spożywcej – czy znają precyzję swojej metody. Przez większość czasu albo jej nie znają, albo po przeprowadzeniu analizy są zszokowani liczbami, które widzą.

CJ: Tak. Względne odchylenie standardowe powinno wynosić maksymalnie 2%.

Jak dobrać odpowiednią metodę pomiaru zawartości wilgoci

ZC: Dobrze. Na koniec podsumujmy to rozmową o wyborze odpowiedniego instrumentu dla Ciebie i Twojego zespołu. Jaki aparat będzie najlepszym wyborem? Jest wiele kwestii, które należy wziąć pod uwagę.

Pierwsza rzecz to fakt, że nie wszystkie analizatory wilgoci są takie same. Omówiliśmy dzisiaj wiele różnych metod. Czy chcesz coś do tego dodać?

CJ: Zgadza się. Jeśli łapiesz się na tym, że wykonujesz tylko szybkie pomiary kontrolne za pomocą wagi suszarkowej, zadaj sobie pytanie – czy w ogóle potrzebujesz informacji o zawartości wilgoci? I czy musisz do tego używać wagi suszarkowej? Czy zamiast tego nie lepiej sprawdziłaby się aktywność wody?

ZC: Dokładnie. Ponieważ aktywność wody możemy zmierzyć obecnie nawet w 60 sekund. Masz więc rację – jeśli przeprowadzasz szybką kontrolę, zastanóż się, czego tak naprawdę potrzebujesz.

Kolejna kwestia to fakt, że zawężenie wyboru może być naprawdę przytłaczające. Mamy tyle różnych opcji, tyle różnych informacji. Co można zrobić, aby dokonać właściwego wyboru?

CJ: Tak, to skomplikowane. Każdy przypadek jest inny. Mam mnóstwo sugestii, ale musielibyśmy usiąść i porozmawiać – być może masz problem z usunięciem wilgoci z próbki, może przypalasz próbki, a może chodzi o coś innego. Myślę więc, że warto przeprowadzić taką rozmowę.

ZC: Tak. Myślę, że ten webinar stanowi dobry punkt wyjścia i mam nadzieję, że pomaga już teraz zawęzić wybór, zobaczyć, co jest dostępne na rynku, oraz zrozumieć, z jakimi problemami możesz się obecnie borykać i jakie inne rozwiązania istnieją.

Kolejny punkt dotyczy tego, że wiele urządzeń jest reklamowanych jako wielofunkcyjne. Co masz na myśli, mówiąc o tym?

CJ: Cóż, nie wrzucisz po prostu garści ziarna do miareczkownika Karla Fischera. To nie zadziała. Podobnie pojawią się problemy, gdy umieścisz określone próbki w kuchence mikrofalowej lub na wadze suszarkowej. Należy więc ostrożnie podchodzić do haseł o „wszechstronności”.

ZC: Myślę, że to doskonale pokazuje, jak przydatne może być urządzenie ROS 1, ponieważ jest ono całkowicie niezależne od rodzaju próbki. Możesz umieścić w nim niemal każdą próbkę, a dzięki algorytmowi i wspomnianej wcześniej metodzie śledzenia szybkości parowania gwarantujemy uzyskanie prawidłowego pomiaru.

Ostatnia kwestia to jakość kontra ilość. Co masz tu na myśli?

CJ: To wraca do kwestii wskaźników – czy potrzebujesz informacji o zawartości wilgoci? I czy te szybko uzyskane dane o wilgotności są wiarygodne? Czy faktycznie pomagają Ci w zwiększeniu wydajności?

ZC: Tak jak powiedział Conner, w przypadku wielu mierzonych produktów lub realizowanych projektów warto usiąść z nami do rozmowy i upewnić się, że wybierasz odpowiednie urządzenie.

Oto nasze dane kontaktowe. Możesz również skontaktować się z działem sprzedaży – podajemy ich adres e-mail oraz numer telefonu.

Chętnie z Tobą porozmawiamy. Jeśli coś w tym webinarze przykuło Twoją uwagę, z przyjemnością omówimy to i lepiej poznamy Twoje produkty.

SESJA PYTAŃ I ODPOWIEDZI

Dlaczego zawartość wilgoci mogłaby nie być odpowiednim parametrem do kontroli jakości?

ZC: Aktywność wody to niezwykle precyzyjny i dokładny pomiar. Posiada on swoje standardy i pozwala nam dokładnie wskazać oraz zrozumieć zachowanie wody w produkcie.

Jeśli więc obawiasz się tempa reakcji chemicznych, różnego rodzaju przemian fizycznych (takich jak zbrylanie i powstawanie grudek) lub rozwoju drobnoustrojów, ten parametr pozwala ustalić stan produktu i uniknąć tych problemów. Wymaga to nieco lepszego zrozumienia produktu oraz ewentualnie zastosowania izotermy, o której wspomniałem wcześniej, ale moim zdaniem bardzo pomaga to w dokładnym określeniu stanu Twojego wyrobu.

Natomiast w przypadku zawartości wilgoci zawsze występuje duża wariancja i trudniej ją zinterpretować. Tak więc, jak wspomniał Conner, zawartość wilgoci sprawdza się świetnie przy ocenie wydajności. Czy chciałbyś coś dodać, Conner?

CJ: Tak, to właściwie podsumowuje sprawę. Myślę, że wiele osób lepiej kojarzy pojęcie zawartości wilgoci, przez co staje się ono domyślnym parametrem pomiarowym – „Ile wody znajduje się w mojej próbce?” – jednak w określonych scenariuszach zdecydowanie warto wziąć pod uwagę aktywność wody.

Wspomniałeś o „niestabilności” powiązanej z metodą Karla Fischera. Czy mógłbyś przybliżyć ten temat?

CJ: Tak. Miareczkownika Karla Fischera nie da się całkowicie uszczelnić, dlatego trzeba go stale kalibrować. Każdy pomiar wymaga kalibracji. To nieustanna walka o stabilizację instrumentu, ponieważ odczyt stale dryfuje, a wilgoć z otoczenia nieustannie do niego przenika. Proces ten może być powolny, ale zawsze trzeba mieć to na uwadze.

Jakie marki wag suszarkowych były używane podczas Waszych testów?

CJ: Chyba Ohaus, Mettler Toledo oraz... Torbal albo Veritas. Jedna z tych dwóch, nie pamiętam dokładnie.

ZC: Staraliśmy się po prostu wybrać najpopularniejsze modele, z których najczęściej korzystają klienci.

Jestem ciekawy funkcji automatycznego wykrywania momentu wysuszenia w ROS 1. Czy mógłbyś to nieco wyjaśnić?

ZC: Tak. Wspomniałem o tym krótko: ta funkcja automatycznego wykrywania opiera się na działającym w tle algorytmie. Zasadniczo potrafimy wykryć tempo parowania.

Suszimy więc tę próbkę przez około cztery minuty i tuż przed końcem tego testu urządzenie jest w stanie określić, jak szybko odparowuje woda. Gdy proces ten zwalnia, instrument to wykrywa.

Aby upewnić się, że test zatrzyma się w idealnym momencie, pod koniec pomiaru urządzenie wykonuje ich więcej. Dzięki temu może przerwać proces dokładnie wtedy, gdy próbka jest sucha.

To właśnie wyróżnia nasz instrument i eliminuje potrzebę opracowywania jakichkolwiek metod, ponieważ funkcja ta jest już wbudowana i potrafi wykryć spowolnienie parowania, aby prawidłowo zakończyć test.

Co Ty na to, Conner? Wiem, że analizowaliśmy wiele problematycznych próbek, takich jak suszone owoce czy odżywki białkowe. Czy zauważyłeś jakiekolwiek ślady przypaleń lub coś niepokojącego na urządzeniu ROS 1?

CJ: Nie. Oczywiście, jeśli zwiększysz temperaturę do wartości absurdalnej dla danej próbki, może dojść do przypalenia. O czym jednak nie wspomniałem, to fakt, że próbki nie da się wysuszyć w stu procentach. Nie istnieje coś takiego jak całkowita suchość – próbka jest sucha na tyle, na ile pozwala otoczenie. W tym miejscu algorytm ROS 1 wykonuje świetną pracę, określając, że mamy do czynienia z bardzo precyzyjnym pomiarem osiągniętej równowagi. Myślę więc, że dobrze odwzorowaliśmy tę konkretną stabilność, co pozwala nam stwierdzić: „okej, to jest suche, to jest stabilna równowaga”.

Jak te wszystkie informacje odnoszą się do próbek o dużej wilgotności, takich jak soki, a nawet sama woda?

ZC: W tej prezentacji nie omawialiśmy konkretnie takich próbek. Czy w swoich badaniach przyglądałeś się również tego typu materiałom?

CJ: Tak. Powiedziałbym, że próbki o dużej wilgotności są najprostsze. Zawarta w nich woda jest znacznie bardziej dostępna, nie jest związana w żadnej skomplikowanej matrycy włóknistej ani niczym podobnym. Po podgrzaniu po prostu łatwo odparowuje. W przypadku takich próbek łatwo jest uzyskać dane dotyczące straty masy podczas suszenia. Może to po prostu potrwać nieco dłużej.

Czy możesz opowiedzieć coś więcej o tym, jak ROS 1 dostosowuje się do ciśnienia parowania?

CJ: Tak. To nowość, którą opracowaliśmy. Nie jestem pewien, czy została już wprowadzona na rynek. Jakiś czas temu mieliśmy urządzenie, które obniżało ciśnienie parowania w komorze. Nazywało się TrueDry. Wykorzystywało tuby ze środkiem osuszającym do przepuszczania suchego powietrza nad próbką, co eliminowało czynnik ciśnienia parowania z równowagi. Niestety, pod względem sprzętowym było to rozwiązanie bardzo skomplikowane. Usunęliśmy więc ten mechanizm, ale dzięki wcześniejszym doświadczeniom i nowoczesnej sztucznej inteligencji możemy bardzo precyzyjnie przewidzieć to, co wcześniej TrueDry mierzyło bezpośrednio.

ZC: Czyli to coś w rodzaju korekty ciśnienia parowania?

CJ: Tak. W przypadku obszarów o szczególnie dużej wilgotności możemy uwzględnić odpowiednią korektę lub skompensować wszelkie wahania otoczenia.

Jaki jest najlepszy sposób walidacji metody oznaczania wilgotności?

CJ: Cóż, najlepszym sposobem na walidację metody oznaczania wilgotności jest użycie materiału odniesienia.

Wzorce można znaleźć dla wielu substancji, na przykład standardy wilgotności dla ziaren. Mają one jednak tendencję do bycia bardzo drogimi, co prawdopodobnie wyjaśnia, dlaczego niewiele osób z nich korzysta. Istnieją one dla wielu zastosowań, a czasami ich nie ma – wtedy trzeba stworzyć własne standardy wewnętrzne, co z pewnością bywa uciążliwe.

Jeśli jednak naprawdę zależy Ci na rzetelnych danych dotyczących zawartości wilgotności i dokładnych wynikach wydajności, walidacja metod jest z pewnością tego warta.

Czy testowałeś cukry lub substancje słodzące za pomocą ROS 1?

CJ: Wydaje mi się, że tak, ale nie mam tych danych pod ręką.

ZC: Dodam tylko, że stale poszerzamy nasz zestaw danych dla ROS 1. Jeśli więc interesuje Cię konkretny materiał i potrzebujesz dowodu słuszności koncepcji (proof of concept), możemy przeprowadzić te testy tutaj, w METER, lub poprosić Cię o przesłanie próbek.

Robimy to już z wieloma klientami, którzy interesują się tym urządzeniem, ale nie są pewni, czy chcą na nie przejść. Albo przeprowadzamy badania u nas i im je pokazywujemy, albo odbieramy ich próbki, wykonujemy testy, a następnie prezentujemy wyniki.

‍