Quali indicatori (RSD = deviazione standard relativa, CoV = coefficiente di variazione) vengono tipicamente utilizzati per valutare la qualità di miscelazione nell'industria alimentare?
Per la valutazione della qualità di miscelazione nell'industria alimentare si utilizzano soprattutto la deviazione standard e il coefficiente di variazione. CoV e RSD sono matematicamente identici: entrambi mettono in relazione la dispersione delle concentrazioni misurate con il valore medio. Se si utilizza il termine CoV o RSD è prevalentemente una questione di ambito tecnico: CoV è di uso comune nell'ingegneria di processo e nella tecnica di miscelazione, RSD più spesso nell'analitica di laboratorio e nel controllo qualità.
Parametri di base
La deviazione standard s descrive la dispersione assoluta dei valori misurati attorno al loro valore medio x̄. Essa dipende tuttavia dall'unità e dall'ordine di grandezza dei valori misurati. Per il confronto tra charge, ricette o componenti marcatori diversi è quindi più adatto il coefficiente di variazione, adimensionale:
CoV=s/x̄×100%
La deviazione standard relativa viene calcolata allo stesso modo:
RSD=s/x̄×100%
Un CoV o RSD basso significa che le concentrazioni del componente obiettivo esaminato variano poco tra i singoli campioni. Questo è un indizio di una distribuzione uniforme. CoV e RSD sono tuttavia interpretabili in modo significativo solo se il componente marcatore selezionato è rilevabile in modo analiticamente affidabile e i campioni sono stati prelevati dalla charge in modo rappresentativo.
Inquadramento dei valori
Per gli alimenti non esiste un valore limite CoV o RSD unico, valido per tutti i gruppi di prodotto. Il valore obiettivo idoneo dipende, tra l'altro, dall'importanza del componente, dalla sua quota di dosaggio, dal numero di particelle per campione, dall'incertezza analitica, dalla quantità di consumo prevista e dai requisiti legali o specifici del cliente. Per miscele di spezie, preparati per prodotti da forno, prodotti instant, integratori alimentari, alimenti per l'infanzia o ricette vitaminizzate, i requisiti di omogeneità sono spesso più elevati che per componenti principali meno critici.
Come orientamento pratico, valori fino a circa il 5 per cento possono indicare un'omogeneità molto elevata. Valori fino al 10 per cento vengono classificati in molte applicazioni tecniche come buoni o accettabili. Con valori superiori al 10 per cento si dovrebbe verificare se la dispersione è causata da una miscelazione insufficiente, da una segregazione allo scarico, da oscillazioni delle materie prime, da un campionamento non idoneo o dall'analitica. Nel settore mangimistico, metodologicamente ben comparabile per le miscele alimentari secche, si applicano ad esempio limiti CoV di massimo il 5 per cento per le premiscele medicate diluite, il 10 per cento per le micro e macro premiscele nonché il 15 per cento per i mangimi completi. Questi valori non sono limiti legali diretti per gli alimenti, ma un utile inquadramento tecnico per la valutazione del rischio.
Per i componenti alimentari critici, oltre al CoV dovrebbero essere definiti anche limiti per i singoli valori. Una bassa dispersione complessiva può nascondere singole sovra- o sottoconcentrazioni locali. Per questo sono integrazioni importanti il valore minimo e massimo, il rapporto tra minimo e massimo, gli intervalli di confidenza nonché il rispetto della concentrazione nominale. Per gli ingredienti con funzione allergenica, vitaminica, minerale, aromatica, colorante o attiva, la valutazione è di norma più severa che per componenti con un impatto ridotto su sicurezza, etichettatura o aspetti sensoriali.
Campionamento e analisi
Il campionamento è spesso il maggiore fattore di incertezza nella valutazione della qualità di miscelazione. Un numero elevato di valori misurati analiticamente precisi non aiuta se i campioni provengono da una sola zona del prodotto o non rappresentano, allo scarico, l'intero andamento della charge. Per una prima valutazione solida, in molte verifiche di omogeneità si utilizzano almeno dieci campioni singoli per charge. Questi dovrebbero essere prelevati in modo distribuito nello spazio o nel tempo, preferibilmente durante l'intero scarico a intervalli di tempo uguali. Una linea guida ufficiale canadese per i test sui miscelatori richiede almeno nove campioni singoli rappresentativi sull'intera charge; altre linee guida per il settore mangimistico indicano almeno dieci campioni.
La dimensione del campione deve essere adeguata alla dimensione delle particelle, alla concentrazione di dosaggio e alla porzione rilevante successiva. Con un campione troppo piccolo, la dispersione statistica può apparire elevata a causa dello scarso numero di particelle marcatrici contenute, sebbene la charge complessiva sia sufficientemente omogenea. Con componenti dosati a livelli molto bassi, inoltre, l'incertezza di misura analitica può influenzare in modo apprezzabile il CoV. Per questo motivo la quantità di campione, il metodo di estrazione, il metodo di analisi, il limite di rilevabilità e la precisione di ripetibilità dovrebbero essere considerati già nella pianificazione dello studio di omogeneità.
Come marcatori si prestano componenti rilevabili in modo univoco, selettivo e sufficientemente preciso. A seconda del prodotto, questi possono essere sale ovvero cloruro, un acido aggiunto, un colorante, un minerale, una vitamina, un indicatore aromatico o un tracciante dosato in modo mirato. Il componente marcatore dovrebbe rappresentare nel modo migliore possibile la miscelabilità del componente della ricetta più critico. Un sale a grana grossa, ad esempio, non è necessariamente un marcatore idoneo per una spezia molto fine e coesiva o per un colorante dosato a basso livello.
Valutazione integrativa
Oltre a CoV e RSD, si possono valutare il valore medio rispetto al valore nominale, minimo e massimo, l'intervallo, i quantili, gli intervalli di confidenza e la distribuzione dei singoli valori. Nei processi di miscelazione continui si aggiungono ulteriori parametri temporali: l'andamento della concentrazione nel tempo, il tempo di permanenza medio e la distribuzione del tempo di permanenza aiutano a riconoscere oscillazioni di dosaggio, zone morte o ritardi tra aggiunta e scarico.
Per la valutazione di un miscelatore batch è inoltre utile una cinetica di miscelazione. In questo caso si prelevano campioni a più tempi di miscelazione e si rappresenta l'andamento del CoV. Tipicamente il CoV diminuisce inizialmente con l'aumentare del tempo di miscelazione. Dopo il raggiungimento di un minimo stabile, nelle ricette soggette a segregazione, un'ulteriore sollecitazione meccanica può peggiorare nuovamente il CoV. L'obiettivo non è quindi il tempo di miscelazione più lungo possibile, ma il tempo robusto più breve entro una finestra di processo convalidata.
Per ricette idonee, metodi inline o online come la spettroscopia NIR o Raman possono integrare il campionamento classico. Essi rilevano andamenti di concentrazione o di umidità in punti di misura definiti in tempo reale. Per il rilascio o la definizione del punto finale di miscelazione, tali sistemi devono tuttavia essere calibrati rispetto a un campionamento di riferimento rappresentativo e a un'analitica di laboratorio convalidata.
Così amixon® rende la qualità di miscelazione misurabile, monitorabile e documentabile
Per la valutazione della qualità di miscelazione nelle applicazioni alimentari si utilizzano soprattutto il coefficiente di variazione, CoV, e la deviazione standard relativa, RSD. Entrambi i parametri descrivono la dispersione delle concentrazioni misurate di un componente obiettivo o marcatore rispetto al valore medio. Matematicamente CoV e RSD sono identici: CoV=RSD=(s/x̄)×100%, dove s indica la deviazione standard e x̄ il valore medio delle singole misurazioni. Valori bassi indicano una dispersione ridotta e quindi una distribuzione uniforme del componente esaminato. CoV viene utilizzato più spesso nella tecnica di miscelazione e nell'ingegneria di processo, RSD piuttosto nell'analitica di laboratorio e nel controllo qualità.
Per le miscele alimentari non esiste un valore limite CoV o RSD universalmente vincolante. La dispersione accettabile dipende da ricetta, quota di dosaggio, metodo analitico, dimensione delle particelle, quantità di consumo prevista nonché dall'importanza del rispettivo ingrediente per sicurezza, etichettatura, aspetti sensoriali e qualità. Come orientamento tecnico, valori fino a circa il 5 per cento sono spesso considerati molto buoni, mentre valori fino a circa il 10 per cento possono essere ancora accettabili in molte applicazioni. Per ingredienti critici come vitamine, minerali, coloranti, aromi, allergeni o additivi dosati a basso livello, vengono spesso definiti criteri specifici del prodotto più severi. Nel settore mangimistico, la cui metodica di prova offre un utile orientamento per le miscele alimentari secche, si utilizzano limiti CoV di massimo il 5 per cento per le premiscele medicate diluite, il 10 per cento per le micro e macro premiscele nonché il 15 per cento per i mangimi completi.
La significatività di ogni indicatore di qualità di miscelazione dipende interamente dal campionamento. Un numero elevato di valori di laboratorio precisi non è significativo se i campioni non rappresentano l'andamento spaziale e temporale dell'intera charge. Per questo il campionamento dovrebbe essere stratificato: da posizioni diverse e in particolare durante l'intero scarico. In molte verifiche di omogeneità si utilizzano almeno dieci campioni singoli per charge. In questo contesto, quantità di campione, dimensione delle particelle, quota di dosaggio del componente obiettivo, limite di rilevabilità analitico e precisione di ripetibilità del metodo devono essere armonizzati tra loro. Linee guida ufficiali per i test sui miscelatori richiedono almeno nove campioni rappresentativi sull'intera charge; altre raccomandazioni specifiche di settore indicano almeno dieci campioni.
amixon® supporta la valutazione della qualità di miscelazione con una strategia di campionamento adeguata alla rispettiva ricetta. Nei miscelatori discontinui, gli organi di scarico a basso spazio morto e l'ampia accessibilità CleverCut® favoriscono punti di campionamento definiti nella camera di miscelazione e lungo l'andamento temporale dello scarico. Nel centro prove amixon® è possibile sviluppare un piano di prova e di campionamento con il prodotto originale. In questo modo si stabiliscono i punti di prelievo, il numero di campioni, la quantità di campione, i tempi di miscelazione, l'analitica e i criteri di accettazione. La separazione tra varianza del metodo e varianza del processo è in questo contesto essenziale: un campionamento o un'analisi di laboratorio imprecisi non devono essere erroneamente valutati come qualità di miscelazione insufficiente.
Oltre a CoV e RSD dovrebbero essere considerati la fedeltà al valore nominale, il minimo e il massimo dei singoli valori, l'intervallo, gli intervalli di confidenza e l'andamento dei valori durante lo scarico. Un CoV complessivo basso può nascondere singole sovra- o sottoconcentrazioni locali. Nei processi continui si aggiungono, come parametri integrativi, gli andamenti temporali della concentrazione, il tempo di permanenza medio e la distribuzione del tempo di permanenza. Nei processi batch è utile una cinetica di miscelazione: la ricetta viene esaminata a più tempi di miscelazione, in modo da poter definire una finestra di tempo di miscelazione robusta. L'obiettivo non è il tempo di miscelazione più lungo possibile, ma il tempo riproducibile più breve con cui la specifica viene rispettata in modo affidabile. Nelle miscele soggette a segregazione, un tempo di miscelazione troppo lungo o uno svuotamento sfavorevole possono addirittura peggiorare nuovamente l'omogeneità.
Una base di processo stabile nasce quando i parametri di miscelazione convalidati vengono rispettati con costanza. Tempo di miscelazione, velocità periferica, grado di riempimento, ordine delle materie prime, quantità di dosaggio, momenti di aggiunta ed eventuali profili di temperatura o di aggiunta di liquido possono essere memorizzati come programma di ricetta nel PLC. Le deviazioni dal tempo nominale, dalla velocità nominale o da altri parametri critici vengono così riconosciute e documentate immediatamente. Il monitoraggio di questi parametri è un presupposto importante per charge di miscelazione riproducibili, ma non sostituisce la prova analitica periodica dell'omogeneità effettiva. In particolare in presenza di charge di materie prime oscillanti, componenti dosati a basso livello o elevati requisiti di controllo degli allergeni, resta necessaria una verifica riferita al prodotto.
Un collegamento ERP e un'identificazione tramite codice a barre o RFID possono integrare la documentazione di charge. In questo modo ricetta, charge delle materie prime, programma di miscelazione, grado di riempimento, valori di processo, interventi dell'operatore, stato di pulizia e rilascio del prodotto possono essere collegati senza lacune. Ciò supporta la rintracciabilità delle charge, l'analisi delle cause in caso di deviazioni, l'idoneità all'audit e la convalida delle fasi di processo critiche. Per i progetti orientati al GMP, amixon® può fornire supporto per DQ, IQ e OQ; documentazione e automazione possono essere allineate, in base al progetto, a EU-GMP e FDA 21 CFR Part 11.
Segnali di allarme come valori analitici oscillanti, segregazione visibile allo scarico, colorazione diversa, umidità irregolare, densità apparente dipendente dalla charge o comportamento di dosaggio instabile dovrebbero essere esaminati sistematicamente. Le cause possono essere parametri di miscelazione non idonei, premiscelazione insufficiente, errori di dosaggio, oscillazioni delle materie prime, segregazione dopo il miscelatore oppure un campionamento non rappresentativo. Nel centro prove amixon® tali effetti possono essere delimitati tra loro con il prodotto originale tramite prove di miscelazione, scarico ed eventualmente trasporto, prima che nella produzione portino a scarti o rilavorazioni.
Per le applicazioni alimentari, amixon® può fornire un'esecuzione delicata sul prodotto e igienica. Il rimescolamento forzato SinConvex® convoglia il prodotto verso l'alto in periferia e lo riconduce al centro verso il basso sotto l'effetto della gravità. Le velocità periferiche dell'utensile possono essere impostate, a seconda del compito, tra circa 0,8 e 3,5 m/s. L'azione di miscelazione nasce da un ricircolo di prodotto controllato e non da zone marcate di lancio, urto o schiacciamento. Ciò consente di preservare strutture sensibili, coating e agglomerati con un apporto termico limitato. Se è necessaria una disagglomerazione mirata, è possibile inserire rotori di taglio in modo localizzato e limitato nel tempo. La delicatezza sul prodotto effettiva deve essere valutata per la ricetta concreta tramite prove.
Camere di miscelazione saldate e levigate senza fughe, organi miscelanti supportati solo in alto senza passaggio d'albero inferiore nella zona del prodotto, sportelli di ispezione CleverCut® con guarnizioni OmgaSeal®, organi di scarico a basso spazio morto e lance di lavaggio integrate favoriscono igiene, accessibilità e pulizia. A seconda del progetto possono essere previste pulizia a secco o a umido, nonché una strategia di pulizia convalidabile. Un'esecuzione secondo EHEDG, nonché tenendo conto delle linee guida igieniche FDA e degli 3-A Sanitary Standards, è possibile in base al progetto. Uno svuotamento residuo estensivo riduce le perdite di prodotto e facilita cambi di prodotto rapidi; non sostituisce tuttavia la necessaria convalida della pulizia nelle ricette critiche per gli allergeni.