Jakie wskaźniki (RSD = względne odchylenie standardowe, CoV = współczynnik zmienności) są typowo stosowane do oceny jakości mieszania w przemyśle spożywczym?
Do oceny jakości mieszania w przemyśle spożywczym stosuje się przede wszystkim odchylenie standardowe oraz współczynnik zmienności. CoV i RSD są matematycznie identyczne: oba odnoszą rozrzut zmierzonych stężeń do wartości średniej. To, czy używane jest pojęcie CoV czy RSD, jest w przeważającej mierze kwestią środowiska branżowego: CoV jest powszechnie stosowany w inżynierii procesowej i technice mieszania, RSD częściej w analityce laboratoryjnej i kontroli jakości.
Podstawowe wskaźniki
Odchylenie standardowe s opisuje bezwzględny rozrzut wartości pomiarowych wokół ich wartości średniej x̄. Jest ono jednak zależne od jednostki i rzędu wielkości wartości pomiarowych. Do porównywania różnych wsadów, receptur lub składników znacznikowych lepiej nadaje się dlatego bezwymiarowy współczynnik zmienności:
CoV=sxˉ×100%
Względne odchylenie standardowe oblicza się w ten sam sposób:
RSD=sxˉ×100%
Niski CoV lub RSD oznacza, że stężenia badanego składnika docelowego mało się różnią między poszczególnymi próbkami. Jest to wskazówka równomiernego rozłożenia. CoV i RSD są jednak sensownie interpretowalne tylko wtedy, gdy wybrany składnik znacznikowy jest analitycznie wiarygodnie wykrywalny, a próbki zostały pobrane z wsadu w sposób reprezentatywny.
Interpretacja wartości
Dla środków spożywczych nie istnieje jednolita wartość graniczna CoV lub RSD obowiązująca dla wszystkich grup produktów. Odpowiednia wartość docelowa zależy między innymi od znaczenia składnika, jego udziału w dozowaniu, liczby cząstek na próbkę, niepewności analitycznej, przewidzianej wielkości porcji spożywanej oraz wymagań prawnych lub specyficznych dla klienta. W mieszankach przyprawowych, mieszankach piekarniczych, produktach instant, suplementach diety, żywności dla niemowląt lub recepturach witaminizowanych wymagania dotyczące jednorodności są często wyższe niż w przypadku mniej krytycznych składników głównych.
Jako orientację praktyczną wartości do około 5 procent mogą wskazywać na bardzo wysoką jednorodność. Wartości do 10 procent są w wielu zastosowaniach technicznych klasyfikowane jako dobre lub akceptowalne. Przy wartościach powyżej 10 procent należy sprawdzić, czy rozrzut jest spowodowany niewystarczającym wymieszaniem, rozdzielaniem się mieszaniny przy wyładunku, wahaniami surowców, nieodpowiednim pobieraniem próbek lub analityką. W obszarze pasz, który jest metodycznie dobrze porównywalny z suchymi mieszankami spożywczymi, obowiązują na przykład granice CoV wynoszące maksymalnie 5 procent dla rozcieńczonych premiksów leczniczych, 10 procent dla mikro- i makropremiksów oraz 15 procent dla pasz pełnoporcjowych. Wartości te nie są bezpośrednimi granicznymi wartościami prawnymi dla żywności, lecz stanowią użyteczną orientację techniczną do oceny ryzyka.
Przy krytycznych składnikach spożywczych obok CoV powinny być definiowane również granice wartości pojedynczych. Niski rozrzut ogólny może maskować pojedyncze lokalne przekroczenia lub niedobory stężenia. Dlatego ważnymi uzupełnieniami są wartość minimalna i maksymalna, stosunek minimum do maksimum, przedziały ufności oraz dotrzymanie stężenia zadanego. Przy składnikach o funkcji alergenowej, witaminowej, mineralnej, aromatycznej, barwiącej lub czynnej ocena jest z reguły surowsza niż przy komponentach mających jedynie niewielki wpływ na bezpieczeństwo, znakowanie lub sensorykę.
Pobieranie próbek i analiza
Pobieranie próbek jest często największym czynnikiem niepewności w ocenie jakości mieszania. Duża liczba precyzyjnych analitycznie wartości pomiarowych nie pomaga, jeśli próbki pochodzą tylko z jednej strefy produktu lub nie odzwierciedlają przy wyładunku całego przebiegu wsadu. Dla pierwszej wiarygodnej oceny w wielu badaniach jednorodności stosuje się co najmniej dziesięć pojedynczych próbek z jednego wsadu. Powinny one być pobierane w sposób rozłożony przestrzennie lub czasowo, najlepiej w równych odstępach czasu podczas całego wyładunku. Oficjalna kanadyjska instrukcja badań mieszalników wymaga co najmniej dziewięciu reprezentatywnych pojedynczych próbek z całego wsadu; inne wytyczne dla branży paszowej wymieniają co najmniej dziesięć próbek.
Wielkość próbki musi być dopasowana do wielkości cząstek, stężenia dozowania i późniejszej relewantnej porcji. Przy zbyt małej próbce rozrzut statystyczny może wydawać się wysoki z powodu małej liczby zawartych cząstek znacznikowych, mimo że cały wsad jest wystarczająco jednorodny. Przy bardzo nisko dozowanych składnikach niepewność pomiaru analitycznego może ponadto zauważalnie wpływać na CoV. Dlatego ilość próbki, metoda ekstrakcji, metoda analityczna, granica wykrywalności i precyzja powtarzalności powinny być uwzględnione już na etapie planowania badania jednorodności.
Jako znaczniki nadają się składniki, które są jednoznacznie, selektywnie i wystarczająco precyzyjnie wykrywalne. W zależności od produktu mogą to być sól lub chlorek, dodany kwas, barwnik, składnik mineralny, witamina, wskaźnik aromatu lub celowo dozowany tracer. Składnik znacznikowy powinien możliwie dobrze reprezentować mieszalność najbardziej krytycznego składnika receptury. Gruboziarnista sól nie jest na przykład koniecznie odpowiednim znacznikiem dla bardzo drobnej, kohezyjnej przyprawy lub nisko dozowanego barwnika.
Ocena uzupełniająca
Obok CoV i RSD można oceniać wartość średnią względem wartości zadanej, minimum i maksimum, rozstęp, kwantyle, przedziały ufności oraz rozkład wartości pojedynczych. W ciągłych procesach mieszania dochodzą dodatkowo wskaźniki czasowe: przebieg stężenia w czasie, średni czas przebywania i rozkład czasu przebywania pomagają rozpoznać wahania dozowania, strefy martwe lub opóźnienia między dodaniem a wyładunkiem.
Do oceny mieszalnika okresowego pomocna jest ponadto kinetyka mieszania. Pobiera się przy tym próbki przy kilku czasach mieszania i przedstawia przebieg CoV. Typowo CoV najpierw spada wraz z rosnącym czasem mieszania. Po osiągnięciu stabilnego minimum dalsze obciążenie mechaniczne może przy recepturach podatnych na rozdzielanie się ponownie pogorszyć CoV. Celem nie jest zatem jak najdłuższy, lecz najkrótszy solidny czas mieszania w ramach zwalidowanego okna procesowego.
Przy odpowiednich recepturach metody in-line lub on-line, takie jak spektroskopia NIR lub Ramana, mogą uzupełniać klasyczne pobieranie próbek. Rejestrują one w czasie rzeczywistym przebiegi stężenia lub wilgotności w określonych miejscach pomiarowych. Dla zwolnienia wsadu lub ustalenia punktu końcowego mieszania takie systemy muszą jednak zostać skalibrowane względem reprezentatywnego pobierania próbek referencyjnych i zwalidowanej analityki laboratoryjnej.
Jak amixon® sprawia, że jakość mieszania jest mierzalna, monitorowalna i dokumentowalna
Do oceny jakości mieszania w zastosowaniach spożywczych stosuje się przede wszystkim współczynnik zmienności, CoV, oraz względne odchylenie standardowe, RSD. Oba wskaźniki opisują rozrzut zmierzonych stężeń składnika docelowego lub znacznikowego względem wartości średniej. Matematycznie CoV i RSD są identyczne: CoV=RSD=(s/xˉ)×100%, gdzie s oznacza odchylenie standardowe, a xˉ wartość średnią pomiarów pojedynczych. Niskie wartości świadczą o małym rozrzucie, a tym samym o równomiernym rozłożeniu badanego składnika. CoV jest częściej stosowany w technice mieszania i inżynierii procesowej, RSD raczej w analityce laboratoryjnej i kontroli jakości.
Dla mieszanin spożywczych nie istnieje uniwersalnie wiążąca wartość graniczna CoV lub RSD. Akceptowalny rozrzut zależy od receptury, udziału dozowania, metody analitycznej, wielkości cząstek, przewidzianej wielkości porcji spożywanej oraz znaczenia danego składnika dla bezpieczeństwa, znakowania, sensoryki i jakości. Jako orientację techniczną wartości do około 5 procent uznaje się często za bardzo dobre, podczas gdy wartości do około 10 procent mogą w wielu zastosowaniach być jeszcze akceptowalne. Dla krytycznych składników, takich jak witaminy, składniki mineralne, barwniki, aromaty, alergeny lub nisko dozowane dodatki, ustala się często surowsze, specyficzne dla produktu kryteria. W obszarze pasz, którego metodyka badań stanowi sensowną orientację dla suchych mieszanek spożywczych, stosuje się granice CoV wynoszące maksymalnie 5 procent dla rozcieńczonych premiksów leczniczych, 10 procent dla mikro- i makropremiksów oraz 15 procent dla pasz pełnoporcjowych.
Wartość informacyjna każdego wskaźnika jakości mieszania zależy od pobierania próbek. Duża liczba precyzyjnych wartości laboratoryjnych nie jest miarodajna, jeśli próbki nie odzwierciedlają przestrzennego i czasowego przebiegu całego wsadu. Dlatego pobieranie próbek powinno odbywać się w sposób warstwowy: z różnych pozycji, a zwłaszcza podczas całego wyładunku. W wielu badaniach jednorodności stosuje się co najmniej dziesięć pojedynczych próbek na wsad. Ilość próbki, wielkość cząstek, udział dozowania składnika docelowego, granica wykrywalności analitycznej i precyzja powtarzalności metody muszą być przy tym wzajemnie dopasowane. Oficjalne wytyczne dotyczące badań mieszalników wymagają co najmniej dziewięciu reprezentatywnych próbek z całego wsadu; inne zalecenia branżowe wymieniają co najmniej dziesięć próbek.
amixon® wspiera ocenę jakości mieszania poprzez strategię pobierania próbek dostosowaną do danej receptury. W mieszalnikach okresowych elementy wylotowe o niskiej liczbie stref martwych oraz duża dostępność dzięki CleverCut® wspierają zdefiniowane punkty pobierania próbek w komorze mieszania i w przebiegu czasowym wyładunku. W centrum prób amixon® można opracować plan prób i pobierania próbek z oryginalnym produktem. Ustala się przy tym miejsca pobierania próbek, liczbę próbek, ilość próbki, czasy mieszania, analitykę oraz kryteria akceptacji. Istotne jest przy tym rozdzielenie wariancji metody i wariancji procesu: niedokładne pobieranie próbek lub analiza laboratoryjna nie mogą być błędnie ocenione jako niewystarczająca jakość mieszania.
Obok CoV i RSD powinny być uwzględniane zgodność z wartością zadaną, minimum i maksimum wartości pojedynczych, rozstęp, przedziały ufności oraz przebieg wartości podczas wyładunku. Niski ogólny CoV może maskować pojedyncze lokalne przekroczenia lub niedobory stężenia. W procesach ciągłych jako uzupełniające wskaźniki dochodzą przebiegi stężenia w czasie, średni czas przebywania i rozkład czasu przebywania. W procesach okresowych sensowna jest kinetyka mieszania: recepturę bada się przy kilku czasach mieszania, dzięki czemu można ustalić solidne okno czasu mieszania. Celem nie jest jak najdłuższy czas mieszania, lecz najkrótszy powtarzalny czas, przy którym specyfikacja jest pewnie dotrzymywana. Przy mieszaninach podatnych na rozdzielanie się zbyt długi czas mieszania lub niekorzystne opróżnianie mogą nawet ponownie pogorszyć jednorodność.
Stabilna podstawa procesu powstaje, gdy zwalidowane parametry mieszania są konsekwentnie dotrzymywane. Czas mieszania, prędkość obwodowa, stopień napełnienia, kolejność surowców, ilości dozowania, momenty dodawania oraz w razie potrzeby profile temperatury lub dodawania cieczy mogą być zapisane jako program receptury w sterowniku PLC. Odchylenia od czasu zadanego, prędkości zadanej lub innych parametrów krytycznych są dzięki temu natychmiast rozpoznawane i dokumentowane. Monitorowanie tych parametrów jest ważnym warunkiem powtarzalnych wsadów mieszania, nie zastępuje jednak okresowego dowodu analitycznego rzeczywistej jednorodności. Zwłaszcza przy wahających się partiach surowców, składnikach nisko dozowanych lub wysokich wymaganiach dotyczących opanowania alergenów nadal konieczna jest kontrola odniesiona do produktu.
Połączenie z systemem ERP oraz identyfikacja kodami kreskowymi lub RFID mogą uzupełniać dokumentację wsadu. Dzięki temu recepturę, partie surowców, program mieszania, stopień napełnienia, wartości procesowe, interwencje operatora, status czyszczenia i zwolnienie produktu można powiązać w sposób ciągły. Wspiera to identyfikowalność wsadów, analizę przyczyn odchyleń, zdolność do audytu oraz walidację krytycznych etapów procesu. Dla projektów zorientowanych na GMP amixon® może wspierać DQ, IQ i OQ; dokumentacja i automatyzacja mogą być projektowo dostosowane do EU-GMP i FDA 21 CFR Part 11.
Sygnały ostrzegawcze, takie jak wahające się wyniki analiz, widoczne rozdzielanie się mieszaniny przy wyładunku, zróżnicowane zabarwienie, nierównomierna wilgotność, zależna od wsadu gęstość nasypowa lub niestabilne zachowanie dozowania, powinny być konsekwentnie badane. Przyczynami mogą być nieodpowiednie parametry mieszania, niewystarczające premiksowanie, błędy dozowania, wahania surowców, rozdzielanie się mieszaniny po mieszalniku lub niereprezentatywne pobieranie próbek. W centrum prób amixon® takie zjawiska można rozgraniczyć z użyciem oryginalnego produktu za pomocą prób mieszania, wyładunku i w razie potrzeby transportu, zanim doprowadzą one w produkcji do braków lub poprawek.
Dla zastosowań spożywczych amixon® może zaoferować wykonanie łagodne dla produktu i higieniczne. Wymuszone przemieszczanie SinConvex® transportuje produkt na obrzeżu ku górze i prowadzi go centralnie pod wpływem grawitacji ponownie w dół. Prędkości obwodowe narzędzia mogą być, w zależności od zadania, ustawiane w zakresie mniej więcej od 0,8 do 3,5 m/s. Działanie mieszające powstaje poprzez kontrolowaną cyrkulację produktu, a nie poprzez wyraźne strefy rzutu, uderzenia czy zgniatania. Dzięki temu wrażliwe struktury, powłoki i aglomeraty mogą być zachowane przy ograniczonym wprowadzaniu ciepła. Jeśli wymagana jest celowa deaglomeracja, rotory tnące mogą być dołączane lokalnie i przez ograniczony czas. Rzeczywista ochrona produktu musi zostać oceniona dla konkretnej receptury w próbach.
Bezszczelinowo spawane i szlifowane komory mieszania, mieszadła łożyskowane wyłącznie od góry bez dolnego przepustu wału w obszarze produktu, drzwi inspekcyjne CleverCut® z uszczelnieniami OmgaSeal®, elementy wylotowe o niskiej liczbie stref martwych oraz zintegrowane lance myjące wspierają higienę, dostępność i czyszczenie. W zależności od projektu można przewidzieć czyszczenie na sucho lub na mokro oraz walidowalną strategię czyszczenia. Wykonanie zgodne z EHEDG oraz z uwzględnieniem wytycznych higienicznych FDA i norm 3-A Sanitary Standards jest możliwe projektowo. Daleko idące opróżnianie resztkowe zmniejsza straty produktu i ułatwia szybkie zmiany produktu; nie zastępuje ono jednak wymaganej walidacji czyszczenia przy recepturach krytycznych pod względem alergenów.