Toepassingen van NIR-spectroscopie in de voedingsindustrie

Door toenemende vraag naar automatisatie en efficiëntie tijdens voedingsproductie is er stijgende interesse naar on-line procescontrole. De ideale technologie hiervoor combineert een hoge doorvoersnelheid met korte reactietijd. ‘Near Infrared Spectroscopy’ (NIR) biedt verschillende voordelen in vergelijking met traditionele analytische methoden.

NIR spectroscopie is snel en niet destructief, vereist weinig of geen staalvoorbereiding, laat toe gelijktijdig verschillende componenten per meting te bepalen en kan ‘real-time’ informatie over het proces aanleveren.

Werkingsprincipe NIR

‘Near Infrared spectroscopy’ betreft de spectroscopie die gebruik maakt van het ‘nabij-infrarood’ gedeelte van het elektromagnetisch spectrum, met golflengtes tussen 800 en 2500 nm.

Infrarood spectroscopie is gebaseerd op de eigenschap dat moleculen specifieke frequenties hebben waarop ze draaien of vibreren en dit met discrete energieniveaus. De verschillende resonantiefrequenties zijn moleculeafhankelijk en hangen af van de moleculaire structuur en atomaire massa’s .

Het nabij infrarood spectrum van een staal krijg je door voor elke golflengte van het spectrum licht naar het staal te sturen en te registreren hoeveel van het uitgezonden licht wordt geabsorbeerd. Dit kan gedaan worden door middel van een monochromatische straal , waarbij telkens licht van 1 bepaalde golflengte wordt uitgestuurd en stap per stap het volledige spectrum wordt afgegaan, of met behulp van een FT-IR (‘Fourier Transformation’) dat in staat is het volledige spectrum in 1 keer te bepalen. De absorptie kan bepaald worden afhankelijk van de hoeveelheid licht dat door het staal gaat (transmissie) of hoeveel er teruggekaatst wordt (reflectie).

Een infrarood spectrum van een chemische stof, ingrediënt of eindproduct, kan beschouwd worden als een kenmerkende ‘fingerprint’. (Figuur 1)

Figuur 1: NIR spectra van gemiddelde reflectie voor 4 datasets loquats (Chinese vrucht) [2]

Een ‘fingerprint’ is meestal zo complex dat het zeer moeilijk is specifieke stukjes toe te wijzen aan specifieke chemische componenten. Dit kan vaak enkel met ingewikkeld multivariate calibratietechnieken zoals ‘PCA, Principal components analysis’ en ‘PLS, Partial Least Squares’.

Toepassingen voor voedingsindustrie
 
Mits optimale afgestelde meetcondities en calibratie kan het NIR-spectrum een schat van informatie aanleveren. Naast een weergave van de samenstelling (eiwitten, vetten, koolhydraten, vocht) kan het ook gebruikt worden voor complexe kwaliteitseigenschappen zoals textuur en sensorische eigenschappen. Detectie van fraude door toevoeging van minderwaardige ingrediënten en validatie van afkomst van een product zijn tevens mogelijk.

Recente ontwikkelingen

In de literatuur verschenen recent een aantal artikels rond toepassingen van NIR spectroscopie voor verschillende levensmiddelen. (Tabel 1) Voor een aantal van deze zijn reeds commerciële toepassingen beschikbaar. [5], [6], [7]

Tabel 1: Overzicht van toepassingen van NIR spectroscopie uit de literatuur [1]

Toepassingen van eigen bodem

Het VCBT verleent pluktijdadvies voor Jonagold en Conference. Dit advies is gebaseerd op NIR-reflectantiemetingen. De metingen zijn niet-destructief en behoorlijk snel zodat de plukdatum ruim voor de pluk bekend is.

Bij de meting absorbeert de vrucht een gedeelte van het uigezonde NIR-licht, een ander gedeelte wordt gereflecteerd en opgevangen door een detector, waarna het spectrum van het opgevangen licht geanalyseerd wordt. De samenstelling van de vrucht heeft invloed op de absorptie van het licht. Daarom bevat het teruggekaatste licht informatie over de vruchtsamenstelling en dus ook de rijpheid.

Om het pluktijdstip te kunnen voorspellen aan de hand van de NIR-spectra wordt gebruik gemaakt van statistische modellen waarin de relatie wordt gelegd tussen de NIR-spectra en kwaliteitseigenschappen zoals suikergehalte, hardheid en fysiologische ouderdom

Figuur 2: Meetopstelling voor niet-destructieve NIR-metingen (Corona, Carl Zeiss). De appel wordt onderaan belicht en onder een hoek van 45° wordt het gereflecteerde licht naar de detector gestuurd. [3]

Bronnen

[1] T. Woodcock, G. Downey and C.P O’Donnell , “Review: Better quality food and beverages: the role of near infrared spectroscopy”, J. Near Infrared Spectrosc. 16, 1-29 (2008)

[2] Xia-ping Fu, Jian-ping Li,Ying Zhou, Yi-bin Ying, Li-juan Xie, Xiao-ying Niu, Zhan-ke Yan, and Hai-yan Yu, “Determination of soluble solid content and acidity of loquats based on FT-NIR spectroscopy”, J Zhejiang Univ Sci B. 10(2): 120–125. (Feb, 2009)

[3] Vlaams Centrum voor Bewaring van Tuinbouwproducten, “Bepaling van perceelspecifieke plukdatum met NIR”, www.vcbt.be

Nuttige links

[4] Flanders’ FOOD project: “Evaluatie van Fourier Transform Infrarood (FT-IR) spectrometrie als snelle bepalings-methode voor de vetkwaliteit en vetzuursamenstelling van vleesproducten”
contact: katleen.raes@howest.be

[5] www.foss.dk

[6] www.zeutec.de

[7] www.zeiss.de

(Johan.dure@flandersfood.com)

Artikel verschenen in de Foodgate STW nieuwsbrief.