牛奶和乳制品中质量控制条检测方案(密度计)

安东帕牛奶和乳制品解决方案 相关性：乳制品行业 乳制品在整个生产过程中以及包装产品都要遵守最严格的质量控制条例。安东帕的实验室和在线仪器都是满足这些高要求的可靠解决方案。 1介绍 牛奶和奶制品是非常复杂的物质，是由多种多样的不同分子物种组成的。作为乳腺的产物，奶是新生哺乳动物的主要食物来源。来自奶牛的牛奶是乳制品的主要来源，随后将对其进行更详细的研究。 许多因素会影响原料奶的成分，如奶牛的品种、年龄、身体状况和饮食中的季节性变化[1]。因此，牛奶成分只能近似认为含有87%-88%的水和12%-13%的总固形物含量。总固形物含量由大约4%的脂肪和9%的非脂肪固固形物 (SNF)， 如蛋白质、乳糖、矿物质、维生素和其他[2]。 2为什么测试密度? 牛奶密度等物理参数的测定在乳制品行业中起着重要的作用。使用安东帕密度计测量生乳密度已成功地用于质量控制多年[3]。牛奶由许多不同密度的成分组成。牛奶的密度测量被证明是检测牛奶成分偏差(如加水)的种快速而精确的方法。 密度测量是一种简单而稳健的方法，它提供了一个简单的分析参数，可在生产中和实验室中进行测量。 安东帕尔密度计采用振荡U 形管原理，即数字密度测量。它取代了以前的方法，如比重计、比重瓶和检乳仪，并被许多机构认可为良好密度测量的实验室标准。 数字密度计的优势： 最高准确度 操作方便 快速结果 牢固，使用寿命长. 3 牛奶密度 生乳的密度取决于其成分、温度和前处理，在20℃时，密度一般在1.026 g/cm3 -1.034 g/cm3之间，文献数据有所不同。 空气的夹杂对牛奶和奶制品的密度有很大的影响。夹杂的空气被“困”在像酸奶这样的粘稠乳制品中，只能非常缓慢或根本无法排出。鲜奶中溶解的空气量约为6%，但运输后可达 10%[4]。这种被包裹的空气可能会影响牛奶和奶制品的密度，导致测量结果错误，重复性差。因此，为了得到一致的结果，在测量之前需要对样品进行预处理。 1883年观察到的一个命名为 Recknagel 的现象，描述了挤奶后牛奶密度缓慢增加达到0.001 g/cm3 的事实。这种增加在15°C时持续了两天，但在5°C时仅6小时后就完全停止了。密度的增加是由于空气的排出和乳脂[5]的缓慢凝固。因此，由于牛奶或奶制品的温变史，可能会观察到密度的微小差异。例如，相同的样品可能会有不同的密度，这取决于它在20°C测量之前是保持在40°C 还是20°C。 Table 1： Density of various dairy products as a function of fat and solids-non-fat (SNF) content [6] 产品 产品组成 密度[g/cm]在 Fat[%] SNF[%] 4.4°C 10°C 20°C 38.9°C 生产牛奶 4.00 8.95 1.035 1.033 1.030 1.023 均质牛奶 3.6 8.6 1.033 1.032 1.029 1.022 脱脂牛奶， pkg 0.02 8.9 1.036 1.035 1.033 1.026 强化脱脂 0.02 10.15 1.041 1.040 1.038 1.031 半牛奶半奶油 12.25 7.75 1.027 1.025 1.020 1.010 半牛奶半奶油，fort. 11.30 8.9 1.031 1.030 1.024 1.014 淡奶油 20.00 7.2 1.021 1.018 1.012 1.000 高脂奶油 36.60 5.55 1.008 1.005 0.994 0.978 表1[6]给出了不同温度下，不同乳制品密度结果和脂肪/固形物非脂肪(SNF)含量间关系的总览. 44牛奶的温度依赖性 从表1可以看出牛奶的密度随温度升高降低，牛奶的脂昉含量最高，密度随温度增长的变化越大，因为脂肪的体积随温度的变化比水的体积变化大。牛奶的温度系数在 0.003 g/(cm*K)范围内，奶油的温度系数在 0.006g/(cm*K) 到0.008 g/(cmK). 5 牛奶中总固形物计算 如前所述，生牛奶含有大约12%至13%总固形物(TS)，其组成大约是4%脂肪和9%固体非脂肪(蛋白质，乳糖，矿物质，维生素等)。牛奶密度、脂肪含量与固体非脂防间有直接关系。牛奶中的脂肪含量通常是由乳品厂测定的。结合牛奶密度可根据 Fleischmann 公式[7]计算牛奶总固形物含量(TS)： TS [%]=1.2*f+266.5*(SG-1)/SG TS .....总固形物含量 f....脂肪含量 该公式是基于比重 SG 在 15°C[8]。牛奶的脂肪含量可以通过不同的方法来测定，例如根据 Roese Gottlieb参考方法或 Babcock 或 Gerber 试验(丁酸法)[9]。只要知道牛奶中的脂肪含量， DMATM密度仪的测量结果就可以通过 LIMS 系统传输到 PC 程序(如 Excel)， 总固体含量自动计算出。 6 牛奶的质量控制 由于牛奶是一个多组分体系，仅通过密度测量来确定其中一个组分的浓度是不可能的。然而，牛奶测量密度可以快速表明，由于添加了水，牛奶成分偏离了正常水平。向牛奶中加入10%的水会使密度降低大约 0.003 g/cm考虑到牛奶成分中存在较大的自然变化，只有在至少添加10%的水的情况下，才能通过密度测量来检测牛奶中是否添加了水。. 撇脂，即去除脂肪，使牛奶的密度增加。如果撇脂(导致密度增加)和加水(导致密度下降)同时进行，就可以观察到“正常”的牛奶密度。因此，密度测量本身并不是定量质量分析的方法。 虽然红外分析(IR)是一种完善和广泛使用的方法，用于牛奶蛋白质、脂肪或碳水化合物[10]的常规分析，但密度测量仍然是一种非常有用的控制方法，用于指示偏离正常牛奶成分。 特别是对于交付生奶的快速质量检查，便携式 DMA35和实验室密度计 DMAIM501 和 DMAIM1001 非常适合。 7 利用密度进行体积与重量的换算 在交货时，牛奶的体积通常是用体积流量计来测量的。然而，结算经常是基于重量的。此外，对于按体积的包装量声明，使用适当仪器测量准确密度。为了把体积转换成重量，需要牛奶的密度。 Mass = Density x Volume 牛奶密度受不同因素的影响。如前所述，由于牛奶的密度随时间变化，所以必须现场测量牛奶密度，才能计算出代表实际转换系数的平均密度。不同条件下的实验室结果无法与现场测量结果进行比较。 现场测定密度作为从体积到重量的转换因子，可以使用便携式 DMAM35 和实验室的 DMA"M501 和 DMA"M1001密度计进行，因为它们能够高精度地测量牛奶密度。 为了实现最精确的重量测量，使用了密度和体积流量计的组合。质量流量传感器虽然很流行，但却不是最精确的。最准确的质量流量传感器声称准确度±0.0001g/cm²，然而，这是顶端线传感器，其成本将大大高于密度和体积流量计的组合。 安东帕在线密度传感器为牛奶和乳制品应用提供4位数的准确度。结合一个非常紧凑而精确的体积流量传感器，以-——个非常有竞争力的价格提供高精确的质量流量结果。. 8 生产过程和终端包装中的密度测量 8.1 一般 便携式密度计已被证明是最适合于交付生奶的初始质量控制。对于实验室测量和高粘度值的产品，台式密度计更适合。 所有后续描述的密度计都提供了将密度结果转换成各种浓度和产品特定参数的综合表格或公式。 用户可以选择这些来测量特定样品。除了大量预先安装的转换表外，还可以编辑用户自定义测量参数。例如，对于加糖产品，可以直接确定其相对 Brix 值。 8.2 实验室仪器 安东帕实验室密度计多年来已成功地用于乳制品的质量控制。牛奶的相对密度与脂肪含量可以用来计算总固形物含量[11]. 考虑到牛奶密度相对较大的自然变化， 0.001 g/cm3 的测量不确定度可能被认为足以进行常规测量。对于这些应用， DMA"35(图1)、DMA501或 DMA"1001(图2)是理想的解决方案。 Figure 2： DMATM 501 and DMATM 1001 Density Meters 对于大学研究所、国家乳品研究所和大型乳品厂，可能需要更精确的密度计，如 DMAM4100 M、DMAM4500M 和 DMA5000 M[12](图3) Figure 3： DMATM 4100/4500/5000 M Density Meters 8.3 使用密度测量进行牛奶标准化 在线密度测量通常用于乳品行业的过程控制。过程密度传感器 L-Dens 7400(图4)和 mPDS 5评价单元(图5)是一种可靠的连续过程监测的最合适的解决方案，因为它们在乳品行业有着悠久而成功的历史。 Figure 4： Inline installation of the density sensor L-Dens 7400 牛奶标准化是在脱脂牛奶中加入一定量的牛奶脂肪以生产所需产品的过程，例如全脂牛奶、低脂牛奶等。脱脂牛奶和牛奶脂肪的密度是已知的。监测添加牛奶脂肪后的密度变化，并测定标准化牛奶的脂肪含量。 Figure 5： mPDS 5 Evaluation Unit 9 安东帕新牛奶应用 9.1一般 由安东帕开发的新应用程序将几个标准的乳制品行业配方整合到 DMA"MM数字实验室密度计和牛奶脂肪过程监测器(mPDS5)中。 通过格伯试验或巴布科克试验获得的脂肪含量，计算了总固体含量(TS)、非脂肪固形物含量(SNF)和修正的乳品比重计读数(CLR)。. 9.2 实验室解决方案 在某些国家，奶农的收入是基于牛奶的脂肪和非脂肪固形物含量。有时，牛奶收集中心使用乳品比重计而不是密度计，但使用密度计被证明更准确、可靠、可重复和用户友好。因此，两种不同仪器之间的读数必须一致，并提供一致的测试结果。这可以通过 DMAM用户自定义方法来实现(图6) The formula [13] SNF[%]=0.25D+0.22f+0.72 20℃，液体奶，非脂肪固形物 f = fat content in %w/w and SNF 的计算公式也可以在其他地方找到[14]。牛奶脂肪是在实验室通过 Gerber 或 Babcock 试验获得，随后输入DMAM计算 SNF(图6)。如果牛奶是热或冷，必须对SNF 进行修正，对于高于20°C的每度添加系数 0.24到Ｄ上，对于低于20°C的每度，减去系数0.24[13] Figure 6： DMATM M Milk fat Corrected Lactometer Reading 9.3 过程解决方案 如上所述，将实验室测定的脂肪含量输入 DMAMM， 并自动计算和显示 CLR、TS、SNF和SG。安东帕尔过程仪器能够执行同样的计算，如图7所示，不需要输入实验室牛奶脂肪含量。这是通过执行脱脂牛奶校正完成的。 奶油/全脂牛奶的脂肪含量是根据脱脂牛奶和奶油/全脂牛奶的密度差来计算的。由于脱脂奶的密度随季节变化，取决于原料奶的供应商，因此有必要定期、自动地对脱脂奶进行校正。 为了做到这一点，分离器被简单地设置为去除牛奶中的所有脂肪，脱脂牛奶通过 L-Dens 7400 密度传感器运行1分钟。一旦数值稳定，温度和密度自动存储，分离器恢复正常生产，监测密度差，计算脂肪含量。知道温度、密度和脂肪含量，所有其他值都计算出来；密度在20°C，密度在客户特定的温度，比重，无脂肪固形物(SNF)， 修正乳品比重计读数(CLR)，总固形物(TS)。由于实验室和过程测量使用相同的方法，结果是可比较的，可重复的和可靠。 脱脂牛奶校正的频率必须根据经验来确定。只要与实验室参考值的偏差在可接受的范围内，就没有必要对脱脂牛奶进行校正。校正频率取决于客户，生产规模混合能力和牛奶质量，通常每20-40分钟自动执行。除脱脂牛奶校正外，还可以输入一个恒定的牛奶脂肪含量进行计算。特定产品的校正也是可能的。 9.4 过程举例 原料奶分别流向分离器和巴氏杀菌器，然后分别流向牛奶或奶油罐。测量脱脂牛奶的密度和温度，并自动存储值。一旦保存了脱脂牛奶的数值，分离器就允许部分奶油保留在标准牛奶中，用保存的脱脂牛奶和标准牛奶的密度差来计算脂肪含量。如果已知脂肪含量、密度和温度，则使用标准行业公式公算 CLR、SNF和TS. 9.5 实验室和过程协同工作 以下两个例子说明了实验室和过程仪表获得的数据之间的一致性。用 DMATM 密度计十录%SNF 和%TS 的实验室结果，脂肪的实验室结果是用不同的方法得到的。 图8说明了计算出的线性回归 Figure 8： Calculated linear regression Figure 9 compares laboratory and process data. Figure 9： Laboratory and process data comparison 10 参考 [1] Wattiaux， M.A.， Milk composition and nutritionalvalue， University of Wisconsin--Madison. BabcockInstitutefor International Dairy Research andDevelopment， Babcock Institute for International DairyResearch and Development， 1995， pp 73-76 [2] http：//www.raw-milk-facts.com/what_is_in_raw_milk.html [3]Lorenz， W.， Hoffer， W.，MilchwirtschaftlicheBerichte Folge 61/1979 [4] http：//www.hyfoma.com/de/content/herstellungsverfahren-nahrung-produktion/molkerei/milch/ [5] Milchwirtschaftliche Berichte Folge 60/1979， pp199-200 6] Goff， H.D.， Hill A.R.， "Dairy Chemistry andPhysics"， University of Guelph [7]Jost， R.， Milk and Dairy Products，Ullmann'sEncyclopedia of Industrial Chemistry， 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim 8] Koestler， G.， Zeitschrift fur Untersuchung derLebensmittel 52/4， 1926， pp279-287 [9] Topel， A.， Chemie und Physik der Milch： Naturstoff，Rohstoff， Lebensmittel， B. Behr's Verlag GmbH & Co.KG， 1. Auflage 2004 10] Michaelsen KF， Pedersen SB， Skafte L， Jaeger P，Peitersen B.， J Pediatr Gastroenterol Nutr. 1988 Mar-Apr；7(2)， pp 229-35 [11] Luning， O.， Zeitschrift fur Untersuchung derNahrungs- und GenuBmittel. sowie derGebrauchsgegenstande 1920， Volume 39， Issue 3-4，pp 96-98 [12]DMATM 4100/4500/5000 M Instruction Manualand Safety Information， www.anton-paar.com [13] Manuals of food quality control Volume 8： Foodanalysis FAO 1986 (reprinted 1997) [14]Rao， S.R.M.， Bector， B.S.， Indian Journal of DairyScience 1980 Vol. 33 No. 1 pp 1-6 Measuring point 1：生乳接收 Why?参杂测试(添加水) What and how? Laboratory instrumentation： Density withDMATM 35， DMATM 501， DMATM 1001， and (with pre-determined fat content) CLR， SNF， TS and fat withDMATM 4100/4500/5000 M Process instrumentation： Densitywith L-Dens 7400； mPDS 5 Measuring point 2：生乳罐 Why?加工前质控 What and how? Laboratory instrumentation： Density withDMATM 35， DMATM 501， DMATM 1001，and (with pre-determined fat content) CLR， SNF， TS and fat withDMATM 4100/4500/5000 M Measuring point 3： 标准奶过程 Why?过程控制，质控What and how? Laboratory instrumentation： Density withDMATM 35， DMATM 501， DMATM 1001， and (with pre-determined fat content) CLR， SNF， TS and fat withDMATM 4100/4500/5000 M Process instrumentation： Density and (with skimmilk adjustment) CLR， SNF， TS and fat with L-Dens 7400， mPDS 5 Measuring point 4：标准奶罐，预包装Why?预包装质控 What and how? Laboratory instrumentation： Density withDMATM 35， DMATM 501， DMATM 1001， and (with pre-determined fat content) CLR， SNF，TS and fat withDMATM 4100/4500/5000M Measuring point 5： 包装产品 Why?包装产品质控 What and how? Laboratory instrumentation： Density withDMATM 35， DMATM 501， DMATM 1001 and (with pre-determined fat content) CLR， SNF， TS and fat withDMATM 4100/4500/5000 M PAIAN-Fwww.anton-paar.com 乳制品在整个生产过程中以及包装产品都要遵守最严格的质量控制条例。安东帕的实验室和在线仪器都是满足这些高要求的可靠解决方案。