论文标题：Performance Evaluation of Fiber Near-Infrared (NIR) Optic Probes for Quality Control of Curd Hardness in Cheese Produced by Spray-Dried Milk

原文链接：https://www.mdpi.com/2813-446X/1/3/13

期刊名：Spectroscopy Journal

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/spectroscj

来自洪都拉斯国立农业大学的 Lesther Meza 博士及其团队在Spectroscopy Journal期刊发表了文章，奶酪作为一种重要的乳制品，其全球产量在2021年已超过2100万吨，其中美国产量超过600万吨。奶酪生产的关键步骤之一是将牛奶中的脂肪和酪蛋白浓缩，这个过程包括酸化、凝固、乳清分离、成型和盐渍五个主要步骤。在凝乳过程中，切割时间的把握至关重要，它直接影响奶酪的产量、脂肪水分含量以及最终产品的质量。传统的凝乳硬度监测方法包括机械法、振动技术、超声波法等，但业界始终在寻求更有效、在线、非破坏性的监测方案。近红外（NIR）光散射技术作为一种快速、非破坏性的光学方法，已被证明是监控牛奶凝固过程的宝贵工具。然而，现有的商用传感器（如CoAguLite）配置相对昂贵。本文旨在解决如何利用低成本的多光纤探头，实现对喷雾干燥乳生产的奶酪其凝乳弹性模量的在线预测问题。

研究过程与结果

本研究评估了一种低成本的多光纤近红外光散射探头，用于在由喷雾干燥奶粉复原的牛奶的酶促凝固过程中，实时预测凝乳的弹性模量（G’）。研究采用了随机完全区组设计，设置了3×3的因子安排，即三个蛋白质水平（3%, 3.5%, 4%）和三个波长（870 nm, 880 nm, 890 nm）。实验首先通过光传输配置排除了比色皿壁反射对光散射测量的干扰，并确定了150毫秒为最佳积分时间，以避免检测器饱和同时获得足够强的信号。研究核心在于比较不同波长和蛋白质浓度下，探头获取的光背散射比率（R）曲线及其一阶、二阶导数参数，如从酶添加到一阶导数第一个最大值的时间（t_max）、到二阶导数第一个最小值的时间（t_2min）等。

研究结果显示，在880 nm波长下，多光纤探头能够获得比870 nm更好的光学响应，对牛奶中蛋白质含量的变化表现出更高的灵敏度且响应变异更小。该探头生成的光背散射曲线形态与以往研究中其他系统获得的结果相似，表明其能够可靠地用于凝固过程的光学参数提取。特别值得注意的是，探头测得的初始电压（I0）与牛奶中不同的蛋白质水平呈线性响应关系，这预示着理论上可以使用同一个探头来估算牛奶的蛋白质浓度，从而为预测模型中引入蛋白质校正因子提供了便利，实现了单一仪器的多功能化。此外，在监测不同蛋白质浓度的凝固过程时，虽然反映凝乳开始形成的tmax参数未因蛋白浓度升高而显著变化（这可能与实验中使用的凝乳酶浓度较高有关），但标志着凝乳硬化反应开始的t_2min参数则随着蛋白质浓度的增加而显著提前，这与蛋白质浓度升高导致酪蛋白胶束聚集速率加快的理论预期一致。

研究人员使用了特制的温控样品池以确保实验过程中温度的稳定，该样品池由AISI 316L不锈钢制成，并经过Nerinox氧化处理形成深黑色内壁以最大限度减少光反射干扰。光学测量系统由多光纤探头、微型光谱仪和卤素灯光源组成。

研究总结

本研究成功验证了低成本多光纤近红外探头在监控喷雾干燥乳奶酪凝乳过程中的应用潜力。研究表明，在所选波长下，该探头能够产生与已有昂贵设备相似的光背散射曲线，从而可以提取出可靠的凝固过程光学参数。这些参数（如t_2min）对蛋白质浓度这一影响凝乳硬度的重要因素表现出预期的响应，证实了探头的灵敏度。更重要的是，初始光强与蛋白质浓度的线性关系，使得该探头不仅可用于基于已有模型的凝乳弹性模量（G’）实时预测，还可能实现对原料乳蛋白质浓度的在线估算。这为乳品工业提供了一种极具成本效益的一体化解决方案，有望通过单一仪器同时实现凝固过程监控和原料质量评估，从而优化切割时间决策，提升奶酪生产的质量控制水平和经济效益。这项工作为推进近红外光谱技术在乳制品加工中的更广泛应用，特别是在成本敏感的生产环境中，迈出了坚实的一步。

Spectroscopy Journal期刊介绍

主编： Prof. Dr. Clemens Burda, Department of Chemistry, Case Western Reserve University, Millis Science Center, 10900 Euclid Ave., Cleveland, OH 44106, USA

光谱学关注的是物质与电磁波谱的任何部分之间的相互作用，并应用于所有学科，包括物理、化学、生物化学、生物学、空间科学、材料科学和工程。来自非光子实验（如电子、中子和质子实验）的贡献同样受欢迎。