Raman spectroscopy for in-line food quality characterization

Summary

En stor utfordring for matindustrien er å håndtere store strømmer av råvarer og produkter av forskjellig opprinnelse og kvalitet på en effektiv måte. Sensorsystemer som kan brukes direkte på prosesslinjene, såkalt ”in-line”, kan potensielt måle og samle kritisk informasjon om matkvalitet og mattrygghet. Resultatet er verktøy for sortering, produktdifferensiering, prosessoptimering og produktkontroll. Raman spektroskopi er en lovende teknologi under utvikling med stort potensiale som sensorsystem i matindustrien. Målet med dette doktorgradsprosjektet var å undersøke mulighetene for å bruke Raman-spektroskopi som et verktøy for kvalitetsmålinger av heterogene matråvarer direkte i prosesslinjen. For å nå dette målet ble to bruksområder valgt, inkludert A1) in-line målinger av fettsyreprofil i laksefileter og A2) in-line karakterisering av råvarestrømmer fra fjærfe-produksjon. Et sentralt tema for begge bruksområdene var bruken av en Raman-probe med bredt belysningsområde (WAI) for å oppnå representative målinger av heterogene råvarer og for å takle variasjoner i arbeidsavstand. Variasjoner i arbeidsavstand kan fort oppstå i en industriell prosesslinje med prøver av varierende tykkelse og for stømmer med varierende produksjonsvolum. Fokusvolumet til WAI-proben ble økt ved å skanne over prøveoverflaten. Vi viste at denne strategien fungerte godt for å oppnå representative målinger. Dette ble demonstrert ved å oppnå lave prediksjonsfeil for EPA + DHA-estimering i laksefileter med varierende tykkelse (± 1 cm) og for karakterisering (fett, protein, bein og kollagen) av kyllingråstoff med større variasjoner i arbeidsavstand (± 3 cm). For sistnevnte studie ble metoden også testet in-line på et industrielt hydrolyseanlegg, med lovende resultater. For studien på laksefileter ble det vist at det varierende fettinnholdet på filletoverflaten hadde betydning for valg av skannestrategi ved kortere eksponeringstider, grunnet effekten på signal-støy-forholdet. Dette illustrerer hvor viktig det er å gjøre nøye vurderinger av heterogeniteten til et gitt matprodukt, og å optimalisere målestrategien deretter. Et annet hovedmål var å undersøke hvordan Raman-målingene håndterte kortere eksponeringstider. Dette er av spesiell betydning for målinger av enkeltprøver på et transportbelte, der eksponeringstiden er sterkt begrenset. Dette ble undersøkt i artikkel I og II, der vi målte enkeltprøver av laks og fjærfe-restråstoff ved eksponeringstider ned til 1 s. Selv om eksponeringstider rundt 2-1 s i disse tilfellene ga akseptable prediksjonsfeil, var det tydelig at disse lave eksponeringstidene reduserte signal-støy-forholdet og dermed prediksjons-prestasjonen. Signalstøy- forholdet er altså en kritisk faktor, og dette indikerer at skanning med WAI Raman-proben kan være mindre robust når det gjelder å håndtere prøver med varierende prøvestørrelser eller lavere analytt-konsentrasjoner, ved slike korte eksponeringstider. Derfor er Raman-målingene foreløpig bedre egnet for hurtige målinger ved siden av produksjonslinjen (”at-line” eller ”on-line”), for enkeltprøver. Slike målinger kan også ha høy verdi for industrien, da det representerer et system som gir hyppig tilbakemelding på kvalitet, noe som det for øyeblikket ikke finnes løsninger for. En videre innsats innen kalibreringsutvikling, SNR-optimering og utvikling av praktisk måleoppsett er nødvendig for å realisere det fulle potensialet for in-line Raman-målinger i de to applikasjonsområdene. Likevel har dette doktorgradsprosjektet vist at det er mulig å bruke en Raman probe med bredt belysningsområde til detaljert karakterisering av av svært heterogene strømmer med råvaremateriale, ved industrielt relevante eksponeringstider og med moderat variasjon i arbeidsavstand. Det ble vist at WAI Raman spektroskopi er lovende både for målinger på kontinuerlige råvarestrømmer og enkeltprøver på et transportbelte. Dette muliggjør en rekke nye applikasjoner for WAI Raman spektroskopi innen kvalitetsdokumentasjon, sortering, prosessanalyse og sanntids prosesskontroll i matindustrien.

Read publication here:

NVA : hdl.handle.net/11250/3084377