Draagbare spectroscopische sensorsystemen voor de voedingsindustrie: hoe ver staan we verwijderd van de implementatie op de werkvloer?

Printervriendelijke versieSend by email
Draagbare analysesystemen voor het opmeten van een brede waaier aan kwaliteitsparameters van voedingsproducten vormen een nieuwe tendens in het sensorlandschap. De fictie van het Tricorder-systeem uit Star Trek, waarmee men met één simpele druk op de knop een ganse rist aan relevante data kon generen omtrent samenstelling, structuur en oorsprong, komt nu een stap dichter bij de hedendaagse realiteit en biedt mooie perspectieven voor de voedingsindustrie!

Daar waar on-line sensorsystemen geschikt zijn voor een continue procesmonitoring, kunnen hun draagbare varianten een enorme toegevoegde meerwaarde betekenen wanneer in situ productanalyses dienen uitgevoerd te worden (zonder de specifieke noodzaak van on-line integratie). Draagbare systemen met specifieke applicaties voor kwaliteitscontrole op voedingsproducten situeren zich voornamelijk op het gebied van spectroscopische analyses (in het NIR of MIR-gebied). Daarnaast zijn er ook nog draagbare systemen gekend voor het uitvoeren van (snelle) aroma-analyses en, in mindere mate, sensorsystemen voor het uitvoeren van Raman-spectroscopische analyses, X-stralen fluorescentie (XRF) technologie, en draagbare biosensor/lab-on-a-chip systemen. De focus van dit artikel komt voornamelijk te liggen op de eerste applicatie, nl. draagbare systemen voor het uitvoeren van spectroscopische analyses in het nabije infrarood gebied. In een volgend FOOD’Radar-artikel zal een overzicht geboden worden van draagbare sensorsystemen voor het uitvoeren van snelle aroma-analyses.

Hoewel draagbare analysesystemen initieel ontwikkeld werden met het oog op andere applicaties buiten de voedingsindustrie (zoals voor toepassingen binnen de farmaceutische industrie) zijn er toch heel wat studies bekend naar het uitvoeren van in-situ kwaliteitsanalyses op voedingsproducten. Dit artikel biedt daarom een overzicht van de mogelijkheden op verschillende voedingsproducten, en beschrijft de belangrijkste limitaties waarmee rekening mee moet gehouden worden bij het gebruik ervan. 

Draagbare NIR-apparatuur

Een recent en uitgebreid overzicht van studies waarin draagbare spectroscopische analyses in het NIR worden gebruikt binnen de voedingsindustrie kan teruggevonden worden in een review van Texeira dos Santos et al. (2013). Uit dit rapport blijken de voornaamste toepassingen zich te situeren voor volgende productgroepen:

  • karakterisatie van interne/externe kwaliteitsparameters van fruit
    • titreerbare zuurheid, vaste stofgehalte, vastheid,…
  • bewaarstatus en het vetgehalte in vlees en vis
  • kwaliteitsevaluatie van dranken en zuivelproducten
    • vet-, proteïne-, en vochtgehalte
  • samenstellingsanalyse in graanproducten
    • proteïne- en vochtgehalte
  • monitoring van de rijpheid van de druiven, direct op de wijngaard

Er moet echter opgemerkt worden dat dit geen limiterende lijst betreft, m.a.w. door verdere ontwikkelingen op gebied van ‘hardware’- (bron, detector, optische elementen,…) en ‘software’- (chemometrie, multivariate data-analyse, mathematische algoritmen,…) komen andere applicaties binnen handbereik waardoor een dergelijk instrument zeer nuttig kan zijn voor het uitvoeren van een snelle kwaliteitscontroles op de werkvloer. De meeste van de hierboven vermelde analyses hebben betrekking op het uitvoeren van kwantitatieve chemische analyses terwijl dergelijke analyses ook potentieel hebben voor snelle kwalitatieve screenings, zoals voor productidentificatie of voor wanneer bepaald moet worden of een product binnen de opgegeven specificaties valt (op basis van een spectral fingerprint). Een andere applicatie waarvan het potentieel nog onvoldoende gekend is, is de mogelijkheid tot het uitvoeren van (fysische) structuuranalyses.

Om het potentieel van deze technologie te duiden, werden ook vergelijkende studies uitgevoerd tussen draagbare toestellen en state-of-the-art NIR labo-toestellen op eenzelfde set van stalen. Uit deze studies was duidelijk dat de labo-toestellen technologisch superieur waren maar dat het verschil in performantie met de draagbare systemen miniem was. De voordelen van de draagbare systemen (grotere flexibiliteit, in-situ gebruik, en snelheid), kunnen in sommige omstandigheden belangrijker zijn dan het verschil in performantie.

Hieronder worden een aantal commercieel beschikbare draagbare NIR-systemen opgelijst: ASD (AgriSpec, FieldSpec4, LabSpec4), AvaSpec (van Avantes), Luminar 5030 (van Brimrose), microPHAZIR (van Thermo Scientific), Phazir (van Polychromix), en de USB-systemen (van Ocean Optics). De kostprijs van deze toestellen varieert tussen €10.000 en €40.000. Een aantal van deze toestellen staan weergegeven in Figuur 1.

 

Figuur 1. Overzicht van een aantal commercieel beschikbaar draagbare NIR systemen.

Met betrekking tot de hierboven vermelde applicaties, moet wel gemeld worden dat de gerapporteerde analyses (meestal) uitgevoerd werden in labo-omstandigheden, zonder rekening te houden met reële productie-omstandigheden (aanwezigheid van trillingen, variabele belichtings-omstandigheden,...). Daarom is het van cruciaal belang dat dergelijke analyses uitgetest en gevalideerd worden in-situ op de werkvloer. Een ander nadeel van het gebruik van NIR-spectroscopie vormt het feit dat er een geschikt kalibratiemodel dient opgesteld te worden en dat dit kalibratiemodel up-to-date moet gehouden worden, zeker in het geval wanneer de stalen onderhevig zijn aan periodieke veranderingen (seizoen, oorsprong, …). In een aantal applicaties werd aangetoond dat kalibratiemodellen die opgesteld werden op een vast toestel, getransfereerd kunnen worden naar draagbare systemen zodat historisch opgebouwde informatie niet verloren is.

Draagbare hyperspectrale cameratechnologie

Naast de ontwikkeljng van draagbare systemen voor het uitvoeren van NIR-spectroscopie werden recent ook draagbare hyperspectrale camerasystemen op de markt gebracht.  Deze sensoren combineren het voordeel van spectroscopie met ruimtelijke informatie. Binnen het huidige Sensors For Food validatietraject worden volop de mogelijkheden van deze technologie verkend voor applicaties op voedingsproducten. Dankzij een doorgedreven miniaturisatie van de sensorchip kunnen deze hyperspectrale camera’s ook geïntegreerd worden in draagbare systemen. In Figuur 2 staat een afbeelding van een draagbare opstelling waarin een hyperspectrale camera geïntegreerd is.

 

Figuur 2. Afbeelding van een draagbaar hyperspectraal camerasysteem, ontwikkeld door IMEC.

Samenvatting

Uit de hierboven vermelde toepassingen blijkt dat draagbare spectroscopische sensorsystemen een mooie toegevoegde waarde kunnen bieden naar het uitvoeren van snelle kwaliteitsanalyses, zeker in het geval voor het uitvoeren van in-situ metingen. Toch is het potentieel van de hierboven vermelde technologieën nog onvoldoende onderzocht naar voedingsapplicaties toe, en moet verder aandacht besteed worden aan het extraheren van de relevante informatie wanneer deze systemen ingezet worden op de werkvloer. Beam me up, Scotty!

In het kader van een nog in te dienen IWT-VIS project, i-FAST, zal, in detail, het potentieel van draagbare spectroscopische systemen voor applicaties binnen de voedingsindustrie bestudeerd worden. Het gebruik van draagbare spectroscopische sensorsystemen, hetzij via een puntmeting of hetzij via hyperspectrale analyse, kan een efficiënt hulpmiddel zijn ter ondersteuning van snelle en accurate interventies op de werkvloer in geval van acute problemen of twijfel.

 

Meer Info:

Meer informatie over het MOBISPEC-validatietraject in het kader van het i-FAST projectvoorstel, kan u hierterugvinden. 

Indien u mogelijke interesse heeft in deelname aan het Mobispec-validatietraject, kan u steeds contact opnemen met Flanders’Food door een mail te sturen naar veerle.degraef@flandersfood.com!

Referenties:

[1] Texeira Dos Santos C.A., Lopo M., Pascoa R.N.M.J., and Lopes J.A. 2013. A review on the applications of portable Near-Infrared Spectrometers in the Agro-Food Industry. Applied Spectroscopy, 67, 1215-1233.