Analýza potravin a krmiv Vhodné laboratorní mlýny pro přípravu vzorků a malovýrobu

Pulverizace volně tekoucích, zrnitých nebo krystalických (nemastných) vzorků, jako je kukuřice nebo cukr, je obvykle jednoduché. Vhodná je široká škála mlýnů, včetně různých rotorových mlýnů. Krystalické vzorky, jako je cukr, lze rozemlít na méně než 0,05 mm pomocí ultraodstředivého mlýnu ZM 300 s použitím kruhového síta s velikostí otvoru 0,08 mm. Mletí v ultraodstředivých mlýnech je velmi účinné: 80 % rozmělněného vzorku je menší než polovina velikosti otvoru síta. Použití cyklonu napomáhá vypouštění vzorku z mlecí komory, ochlazuje vzorek a umožňuje zpracovat až 4,5 l vzorku na dávku.

Materiály jako kukuřice nebo koření se obvykle melou na částice o velikosti kolem 500 µm nebo dokonce 250 µm pomocí ZM 300 nebo rotorového mlýnu SR 300. Při mletí neznámého vzorku je vhodné začít se sítem se střední velikostí otvoru. Když vzorek neblokuje síto, velikost se může dále zmenšit. Tento postup platí pro všechny rotorové mlýny. SR 300 je také výhodný pro větší množství vzorků až do 30 l, pokud je připojen cyklon. Další výhodou SR 300 je velká vstupní velikost až 25 mm.

Cukrovinky se vyskytují ve velmi odlišných strukturách: mohou být tvrdé, lepkavé, mastné nebo vlhké. Typický homogenizační proces tvrdého bonbónu s vysokým obsahem cukru a škrobového sirupu se provádí v nožovém mlýnu GRINDOMIX GM 200: 100 g tvrdého bonbónu se nejprve na několik sekund nahrubo mele při 2000 otáčkách za minutu v obráceném režimu tupou stranou nože pro ochranu ostré strany a snížení opotřebení. Následuje intervalové mletí v režimu vpřed po dobu dalších 15 sekund při 4000 ot./min. Další zmenšení velikosti pod 0,5 mm je dosaženo mletím po dobu 6 až 12 sekund při 6000 ot./min. Tento postup krok za krokem zabraňuje přilnutí vzorku k noži, jak je tomu často u domácích mixérů.

Tvrdé materiály vzorků, jako je mastná, prorostlá slanina, představují výzvu pro proces homogenizace před analýzou. Pokud zůstanou větší části kůry nebo slupky nerozřezané, vzorek není homogenní a analýza může poskytnout falešné výsledky. Pro důkladnou homogenizaci vzorků masa se ukázaly jako nejvhodnější nožové mlýnky. Prospěšný je silný motor pro využití plné řezné kapacity nožů. Nože s vroubkovanou čepelí jsou ideální pro homogenizaci vzorků houževnatého masa ve velmi krátké době díky dodatečnému trhacímu efektu, který usnadňuje zmenšení velikosti vláken masa. Krátké časy mletí zajišťují nízké hromadění tepla. K získání zcela homogenizovaného vzorku (při pokojové teplotě) může proces mletí vyžadovat dva nebo tři kroky.

250 g vepřové plece je zpracováno v GRINDOMIX GM 200 s intervalovým režimem při 3000 ot./min po dobu 30 s pomocí nože s ozubenou čepelí. Po prvním kroku následují dva cykly po 30 s, každý při 7000 ot./min. Důkladné homogenizace vzorku je dosaženo po dalších 30 s při 10 000 ot./min. Pokud by byla hned od začátku zvolena maximální rychlost, vzorek by příliš poskakoval. K dosažení optimálních výsledků je však v určitém okamžiku vyžadována plná rychlost. Během prvního kroku je také důležité použít standardní víko, protože jiné typy víček mohou na vzorek příliš tlačit. Pro krok jemného mletí je výhodné víko pro snížení objemu, aby se vzorek plně homogenizoval. Materiál ulpívající na stěně mlecí nádoby nad noži je potřeba čas od času odstranit a vrátit do procesu mletí.

Vzorky sýra mohou být také složité, protože jsou mastné a lepkavé. Vzorek o hmotnosti 130 g byl homogenizován na < 0,5 mm ve 2 x 10 s krocích mletí při 10 000 ot./min za použití GM 200. Bylo důležité použít víko pro snížení objemu 0,25 l, aby se vzorek přitlačil k čepelím. Mezi kroky mletí lze vzorek ručně promíchat lžící, aby se uvolnily lepivé části. Vzorky jako rozinky jsou ještě lepkavější než sýr, ale 200 g lze homogenizovat podobným způsobem, jak je popsáno pro vzorek sýra, během asi 20 sekund.

Volně tekoucí vzorky, jako jsou semena nebo káva, které jsou olejnaté, mohou být zpracovány v nožovém mlýnu, ale obvykle se k rozmělnění takových vzorků používá rotorový mlýn jako ZM 300. Distanční síta (nebo distanční rotor, pokud je použit SR 300) pomáhají minimalizovat střihové účinky a také uvolňování tuku ze vzorku, který by způsobil aglomeraci a ucpání síta. Ze stejných důvodů by měla být použita velikost otvoru 0,5 mm nebo větší. Snížení rychlosti může mít příznivý účinek a vést k menšímu zahřívání a následně k menšímu uvolňování tuku.

Zelenina často obsahuje vlhkost (jako stonkové zelí) nebo se dokonce skládá převážně z vody (jako rajčata). Zpracované produkty jako nudlová polévka také obsahují hodně vody a připravují se podobně jako rajčata. V posledně jmenovaných případech je úplná homogenizace usnadněna vysokým obsahem vody, protože vzorky jsou příliš vlhké na to, aby se přilepily na stěny mlecí nádoby v GRINDOMIX GM 200 nebo GM 300, kde již nepřicházejí do kontaktu s rotujícími noži. Například 180 g rajčat se homogenizuje v GM 200 po dobu 10 s, nejprve při 4000 ot./min., poté při 8000 ot./min. Gravitační víko s přepadovými kanály zmenšuje objem mlecí komory a zabraňuje vylití vzorku. Pro větší porce vzorků až do 4,5 l je GM 300 perfektní volbou.

Vzorky jako stonkové zelí mají nižší obsah vody. Kusy vzorku mají tendenci ulpívat na stěně mlecí nádoby, čímž se vyhýbají kontaktu s čepelemi nožů. V převážně homogenním vzorku může zůstat několik kousků vzorku, a to i při použití maximální rychlosti. Použití gravitačního víka s přepadovými kanály pomáhá zlepšit mlecí účinek, ale úplné homogenizace je často dosaženo přidáním trochy vody do vzorku. 280 g stonkového zelí bylo ručně nakrájeno na čtyři kusy. Mletí probíhalo ve dvou krocích. Prvních 10 sekund se doporučuje používat nízkou rychlost 2000 ot./min. Pro jemné mletí při 5000 otáčkách za minutu bylo přidáno 50 ml vody pro dosažení dobré homogenity po 20 sekundách. K zajištění důkladné homogenizace bylo použito gravitační víko s přepadovými kanály. Intervalový režim během kroku jemného mletí zlepšuje promíchání vzorku a tím zvyšuje účinnost mletí.

Pro vláknité vzorky, jako jsou sušené bylinky nebo jiné rostlinné materiály – ale také například lyofilizované ryby – jsou řezné efekty nejvhodnější pro homogenizaci vzorků. K zajištění reprezentativní přípravy vzorku jsou obvykle vyžadována velká množství vzorků, protože vláknité materiály bývají lehké, objemné a mohou být velmi heterogenní. Někdy je nutné ruční předemletí k získání vhodné velikosti vzorku pro podávání vzorku do střižného mlýnu a zabránění vytváření hnízd a shluků, které mají tendenci zůstávat v násypce, a proto nejsou účinně homogenizovány.

Střižný mlýn SM 100 je vhodný pro základní předmletí, kdy se vzorky rostlin efektivně řežou rotorem s paralelní sekcí. Obvykle lze v řezacím mlýnu snadno dosáhnout jemnosti až 4 až 6 mm. Pro získávání částic < 1 mm se doporučuje použití cyklonu, například v SM 300. Ultraodstředivý mlýn ZM 300 produkuje ještě jemnější částice, ale má nevýhodu v přijímání menších kusů vzorků. Pokud je tedy potřeba velké vláknité vzorky homogenizovat na méně než 0,5 mm, je nejlepší volbou kombinace předemletí ve střižném mlýnu s následným jemným mletím v ZM 300. V ZM 300 by se mělo používat spíše standardní kruhové síto než distanční síto, protože vláknité vzorky vyžadují střižné efekty. Dalším řešením by mohl být rotorový mlýn jako SR 300 , který akceptuje větší počáteční velikosti přívodu a je schopen rozmělnit vláknité vzorky až na < 0,5 mm pomocí standardního rotoru, který generuje dostatečné střižné efekty.

Cyklon pomáhá zlepšit vyprazdňování lehkých materiálů vzorků z mlecí komory. Také ochlazuje vzorek, aby se minimalizovala ztráta těkavých složek, jako jsou terpeny. Pokud mají být těkavé přísady konzervovány, doporučuje se nepoužívat příliš jemná spodní síta, protože to způsobuje zahřívání a tím ztrátu těkavých látek. V závislosti na vlastnostech vzorku mají práškové materiály tendenci zůstat vláknité, protože dlouhá vlákna mohou podélně procházet spodními síty střižných a rotorových mlýnů. Pokud je třeba se tomu vyhnout, jsou lepší volbou kulové mlýny jako MM 400 nebo PM 100.

Vstupní velikost je původní velikost částic vzorku. Pro výběr vhodného mlýnku je velký rozdíl, zda se mají homogenizovat velké vzorky, jako je celá ryba, nebo malé částice, jako jsou obilná zrna. Homogenizace kompletní ryby je výzvou; šupiny, kůže a kosti jsou poměrně odolné proti zmenšení velikosti, takže vzorek stále obsahuje větší kusy i po mletí ve většině mlýnů (např. čerstvé ryby v nožovém mlýnku). Vysoký obsah tuku ztěžuje proces, protože tukové částice se slepují a tvoří velké hrudky, které blokují mlýn a udržují vzorek nehomogenní. Lyofilizace ryb a jejich mletí ve střižném mlýně SM 300 pomáhá tento problém vyřešit. 125 g (4 ryby, předem nakrájené) kapra nebo kambaly bylo rozdrceno na prášek v SM 300 při rychlosti 3 000 ot/min pomocí V-rotoru, který také mele šupiny a rybí kosti. K ochlazení vzorku byl použit cyklon. Po 2 minutách mletí s 0,75 mm spodním sítem se získá velikost částic 0,75 mm bez výrazného nárůstu tepla.

Dalším příkladem velkých ukázkových kusů je kakaový dort. 1 kg s kusy vzorku do 80 mm lze snadno homogenizovat na jemnost < 10 mm v střižném mlýně SM 300 s použitím 10 mm spodního síta a paralelního sekčního rotoru při 1500 ot./min po dobu 1 min.

Kamenná sůl se skládá nejen z chloridu sodného, ale může obsahovat i další minerály a křemičitany. Pro analýzu složení soli je třeba vzorek dostatečně homogenizovat, protože větší kusy kamenné soli jsou obvykle velmi nehomogenní. Koncentrace prvků v soli jsou obvykle velmi nízké, takže pro přípravu vzorku je zapotřebí množství v řádu kilogramů. Střižný mlýn si v zásadě poradí s velkými množstvími a kusy vzorků, ale opotřebení by mělo mnohem větší vliv než u rotorového mlýna, protože řezací tyče střižného mlýna nejsou určeny ke zpracování velkých množství abrazivních materiálů. S rotorovým mlýnem lze snadno rozmělnit náplně o hmotnosti několika kilogramů. Pro snížení třecího tepla se doporučuje distanční rotor. Díky sběrné nádobě o objemu 5 l se v mlýně SR 300 při rychlosti 10 000 otáček za minutu rozemele 5 kg vzorku o velikosti vstupního materiálu až 25 mm na jeden zátah. Kompletní vzorek je rozmělněn na konečnou jemnost <200 µm.

Pro některé analýzy jsou vyžadována velká množství vzorků k detekci stop analytů nebo k nalezení shluků, např. mykotoxinů nebo GMO. Mykotoxiny jsou produkovány houbami, které tvoří ve vzorku shluky. Otevřené systémy se vstupem a výstupem, jako jsou rotorové mlýny, přijímají velké množství sypkého materiálu a jsou proto ideálně vhodné pro přípravu vzorků před analýzou mykotoxinů nebo GMO.

Prvním krokem je předběžné zmenšení velikosti reprezentativního množství např. 2 kg na tunu ořechů pomocí střižného mlýnu SM 100 na velikost částic 3 mm. Vzorek je poté rozdělen do reprezentativních dílčích vzorků pomocí rotačního děliče PT 100, který poskytuje velmi vysokou přesnost dělení.

Následné jemné zmenšení velikosti se ideálně provádí v ultraodstředivém mlýně ZM 300. Pro zpracování lískových ořechů se doporučuje použit distanční síta, která byla speciálně vyvinuta pro mletí křehkých materiálů citlivých na teplotu. Jelikož jsou mykotoxiny lipofilní, měl by být proces mletí co nejšetrnější, aby se zabránilo uvolnění tuku ze vzorku. Cyklon pomáhá rychle vypustit vzorek z mlecí komory a zajišťuje chlazení vytvářením proudu vzduchu. Pro následnou extrakci mykotoxinů ze vzorku je dostatečná jemnost 300 µm. Stejně tak lze zpracovat sójové boby.

Pokud je vzorek již dostatečně homogenní nebo pokud se následná analýza zabývá PCR, jsou vyžadovány pouze malé objemy vzorků. Pro tento typ použití jsou často ideální volbou kulové mlýny.

Univerzální zařízení jako je oscilační mlýn MM 400 má dvě mlecí stanice a přijímá množství vzorků až do 20 ml. Rozdrtí např. 6,5 g sušeného hrášku na jemnost 0,4 mm za 30 s pomocí 50 ml nerezové mlecí nádoby a 1 mlecí koule 25 mm.

Podobným způsobem se 8 g sušeného ibišku rozmělní na prášek během 2 minut na 100 um. V 50ml ocelových nádobách se obvykle používá 25ml kulička. Základní pravidlo zní: pro účinné mletí vzorku musí být mlecí koule třikrát větší než největší kus vzorku. Částice o velikosti asi 8 mm lze tedy účinně rozdrtit pouze v 50 ml nádobě, která ponechává dostatek místa pro kuličku o průměru 25 mm. MM 400 také pojme adaptéry, např. pro jednorázové lahvičky ke zpracování vzorků s velikostí částic max. 3 mm

MM 400 lze vybavit různými adaptéry, které pojme například 2 ml lahvičky na jedno použití, 2 ml ocelové zkumavky nebo 5 ml ocelové nádoby. Homogenizace tedy může být provedena v dávkách po 8 nebo 20 vzorcích, což je výhodou pro PCR analýzu např. jednoho zrna nebo hrachu. Zde jsou do každé trubice přidány 2 x 7 mm až 10 mm mlecí kuličky vyrobené z oceli nebo karbidu wolframu. Lahvičky na jedno použití mají tu výhodu, že zabraňují křížové kontaminaci.

Oscilační mlýn MM 500 vario umožňuje vyšší průchodnost vzorků díky 6 mlecím stanicím, kde můžou být upevněny mlecí nádoby nebo adaptéry. Celkem lze na dávku použít 50 x 2 ml zkumavky na jedno použití nebo nerezové nádoby nebo 24 x 5 ml nerezové nádoby.