Raman spectroscopy for in-line food quality characterization
Doctoral thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3084377Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
A major challenge in the food industry is to effectively handle massive streams
of food raw materials and products of different origin and quality. In-line sensor
systems for food analysis can potentially measure and collect critical quality and
safety parameters throughout the processes. This information can be used for
sorting, product differentiation, process optimisation and product control. One
emerging technology that shows great promise for future in-line food sensor systems
is Raman spectroscopy. The overall goal of this thesis was to elucidate the
feasibility of Raman spectroscopy as a tool for detailed quality evaluation of heterogeneous food raw materials, under in-line industrial conditions. To this end,
two main application areas were chosen, including A1) in-line measurements of
fatty acid features in salmon fillets and A2) in-line characterization of a poultry
rest raw material stream.
A central element in both application areas was the use of a Wide Area Illumination
(WAI) Raman probe to obtain representative measurements of the heterogeneous
raw materials and to tackle variations in working distance. Variations in working
distance may easily happen in an industrial process line with samples of varying
thicknesses and streams of varying production volumes. The limited measurement
volume of the WAI probe was increased by scanning over the sample surface. We
showed that this strategy was successful with respect to obtaining representative
measurements. This was demonstrated through obtaining good performances for
EPA+DHA estimation in salmon fillets of varying thickness (± 1 cm) and through
characterization (fat, protein, bone and collagen) of poultry rest raw material
with larger variations in working distances (± 3 cm). For the latter study, the
method was also tested in-line at a real hydrolysis facility with promising results.
For the study on salmon fillets, the varying fat deposition across the fillets was
shown to have implication for choice of scanning strategy at shorter exposure times
due to impact on signal-to-noise ratio (SNR). This illustrates the importance of
considering the heterogeneity of the food product in a given application, and of
optimizing measurement strategies accordingly.
Another main objective was to elucidate the ability of Raman measurements to
tackle short exposure times. This is of particular importance for measurements of
single samples at a conveyor belt, where exposure time is strictly limited. This
was investigated in paper I and II, where we measured single salmon and poultry
samples at exposure times down to 1 s. While exposure times around 2-1 s in these
cases did give acceptable performances, it was evident that these low exposure
times reduced SNR and performance and that SNR was a critical parameter. This
indicates that at shorter exposure times, the surface scanning with theWAI Raman
probe might be less robust with respect to tackling samples of varying sample sizes
or lower analyte concentrations. Therefore, for such single samples, WAI Raman
spectroscopy is currently better suited for fast at-line or on-line measurements. However, such measurements could also have high value for the industry, as it
represents a frequent quality feedback, which is currently lacking.
Overall, it was found that further efforts on calibration development, SNR optimization
and practical measurement setup are needed to unlock the full potential
for in-line measurements in the two application areas. Still, this thesis has shown
that it is feasible to use a WAI Raman probe for detailed characterization of very
heterogeneous streams of raw material, at industrially relevant speeds and in presence
of moderate variations in working distance and probe tilt. It was shown that
WAI Raman spectroscopy is promising, both for measurements of continuous raw
material streams and single food products on a conveyor belt. This introduces
many new application opportunities for Raman spectroscopy within quality documentation, sorting, process analysis and real-time process control in the food
industry. 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.