LASERVERSTROOIINGSBEELDVORMING VOOR NIET-DESTRUCTIEVE KWALITEITSINSPECTIE VAN VOEDINGSPRODUCTEN.

In de agro-voedingsindustrie stijgt de vraag naar niet-destructieve, snelle en kosten-efficiënte methoden om de kwaliteit van producten te bepalen. Kwaliteitsbepaling is vaak moeilijk, aangezien verschillende subjectieve parameters hierin meespelen. Optische meettechnieken worden vaak gebruikt omwille van hun niet-destructieve karakter. Niettemin is het nog vaak moeilijk om zowel chemische als fysische kwaliteitseigenschappen op een robuuste manier te bepalen. In dit werk werd gebruikt gemaakt van laser verstrooiingsbeeldvorming om te komen tot een niet-destructieve kwaliteitsbepaling. Deze techniek laat toe om door middel van ruimtelijke informatie meer informatie te krijgen over zowel de absorptie als verstrooiing van licht in het product. De bulk optische eigenschappen (bulk absorptiecoëfficiënt, bulk verstrooiingscoëfficiënt en verstrooiings-anisotropiefactor) laten toe om de mate van absorptie en verstrooiing te karakteriseren. De absorptie van licht is gerelateerd aan de chemische eigenschappen van een product, zoals aanwezige pigmenten, water of suikers. Verstrooiing van licht is gerelateerd aan de fysische structuur in het product, waardoor het mogelijks meer informatie kan bieden over fysische kwaliteitseigenschappen zoals hardheid, malsheid of porositeit. Optische eigenschappen kunnen afgeleid worden uit de verstrooiingsbeelden door gebruik te maken van een data-gebaseerd model, een zogenaamd metamodel, wat mogelijks kan leiden tot een betere bepaling van productkwaliteit. Deze aanpak werd uitvoerig getest op twee producten, appels en rundvlees, gekozen omwille van hun economische belang voor België.

Eerst werd een opstelling voor hyperspectrale laser verstrooiingsbeeldvorming (HLSI) ontwikkeld. Hiervoor werd een supercontinuüm laserbron in combinatie met een monochromator gebruikt om het staal te belichten met monochromatisch licht in het golflengtebereik van 550 nm tot 1000 nm. Door gebruik te maken van een CCD-camera konden beelden gemaakt worden van de diffuse reflectie. Op basis van deze beelden werd een diffuus reflectieprofiel verkregen van de afnemende lichtintensiteit in functie van de toenemende afstand tot de belichtingsspot. Deze informatie werd vervolgens gebruikt om de detectorgrootte en bron-detector afstand voor bepaling van kwaliteitsparameters van Braeburn-appels te optimaliseren. Voor alle kwaliteitsparameters, waaronder de zetmeelwaarde, de hardheid, het suikergehalte (SSC) en de Streif index, werd een optimale detectorgrootte van 0.82 mm gevonden. Fotonen dichter bij de belichtingsspot gaan typisch minder diep in het product, waardoor meer informatie over de schil en de lagen hier valk onder aanwezig was, vooral belangrijk voor de voorspelling van SSC. De voorspelling van hardheid was beter indien het gebruik maakte van fotonen op grotere bron-detector afstanden. Bovendien werden vooral golflengtegebieden waar de absorptie van pigmenten en water domineert behouden in de predictiemodellen. Met behulp van de gemaakte modellen was het mogelijk om appels in te delen in rijpheidsklassen met een foutenmarge van 12.5%. Deze modellen gebruikten echter nog steeds informatie over zowel absorptie als verstrooiing, verweven in hetzelfde reflectiesignaal.

Door het gebruik van de gouden referentiemeting voor het bepalen van bulk optische eigenschappen (BOP), met behulp van dubbele integrerende sferen (DIS), kon de interactie van licht met zowel appels als rundvlees bestudeerd worden. Bij appels werden de schil en het vruchtvlees afzonderlijk onderzocht tijdens de maturatie van zowel tweekleurige (Braeburn en Kanzi) als groene cultivars (Greenstar). De bulk absorptiecoëfficiënt µa van de schil toonde absorptiekenmerken van anthocyanines rond 550 nm, van chlorofyl rond 678 nm en van water rond 970 nm, 1200 nm en 1450 nm. Het vruchtvleesweefsel had een globaal lagere absorptie, met kenmerken van carotenoïden, chlorofyl en water. Tijdens de maturatie van de vrucht werd een toename in de absorptie door anthocyanines waargenomen in de schil van de rode cultivars, terwijl een daling in de absorptie door chlorofyl werd bekomen in het vruchtvlees. Zowel de bulk-verstrooiingscoëfficiënt µs als de anisotropiefactor g van de schil waren hoger in vergelijking met het vruchtvlees. De schil en het vruchtvlees vertoonden een hoge voorwaartse verstrooiing, met een anisotropiefactor boven 0.9 over het gemeten golflengtebereik van 500 nm tot 1850 nm. Tijdens de maturatie werden geen duidelijke evoluties in de anisotropiefactor waargenomen, terwijl µs een dalende trend vertoonde in het vruchtvlees. Een mogelijke verklaring hiervoor is dat de vorm en grootte van de verstrooiers nauwelijks verandert tijdens de rijping van appels.

Tijdens de maturatie van appels werden veranderingen in optische eigenschappen waargenomen met de DIS-opstelling. Dit geeft aan dat de niet-destructieve opvolging van deze optische eigenschappen een meerwaarde kan bieden voor het bepalen van kwaliteit. Om van verstrooiingsbeelden tot een bepaling van optische eigenschappen te komen, werd gebruik gemaakt van een data-gebaseerd model. Om dit model te trainen werd eerst een set van vloeibare optische fantomen, met gekende optische eigenschappen, opgemeten met de HLSI-opstelling. De bekomen diffuse reflectantie-profielen, samen met een referentiemeting van de BOP in de DIS-opstelling, werden als input gebruikt voor een metamodel dat de BOP linkt met diffuse reflectantie-waarden. Dit metamodel werd succesvol gevalideerd op een set validatiefantomen, resulterend in een R2P van 0.9977 en 0.957 in combinatie met een RMSEP van 0.20 cm-1 en 3.21 cm-1, voor respectievelijk µa en µs’. Extreme waarden voor de optische eigenschappen resulteerden echter in slechtere voorspellingen. De voorspelling van de BOP van appels toonde een verwacht verloop voor de µa spectra, met absorptiepieken gerelateerd aan anthocyanines, chlorofyl en water. Er werd echter een niet-complete scheiding tussen absorptie- en verstrooiingseigenschappen verkregen, vooral voor golflengten waar een hoge absorptie aanwezig was. Op golflengten met een lage absorptie werd wel een goede scheiding tussen de BOP verkregen. Daarnaast werden gelijkaardige evoluties in de BOP gevonden zoals verkregen met de DIS-setup. Nochtans werden er geen duidelijke relaties tussen appelkwaliteit en BOP gevonden. Dit is mogelijks te verklaren door de ietwat lage variabiliteit van de kwaliteitseigenschappen (zoals SSC en hardheid) tijdens de maturatie in contrast met de hoge variabiliteit tussen appels op eenzelfde meetdag. Bovendien was de meest belangrijke informatie in de modellen nog steeds gelinkt aan de concentratieverandering van aanwezige pigmenten.

Vervolgens werden ook twee rundspieren opgemeten met behulp van de DIS. Zowel de longissimus lumborum (LL) als de biceps femoris (BF) werden geanalyseerd, terwijl de BF verder werd opgedeeld in een binnenste en buitenste deel omwille van tweekleurigheid in deze spier. Duidelijke absorptiekenmerken van myoglobine, meer bepaald van oxymyoglobine op 544 nm en 582 nm, en water werden teruggevonden in de µa spectra. Een hogere bulk-absorptie door myoglobine, hogere verstrooiing en een lagere anisotropiefactor werden waargenomen in de BF-spier in vergelijking met de LL-spier. Ook was er een significant verstrooiingsverschil tussen de binnenste en buitenste delen van de BF-spier, mogelijks te wijten aan een verhoogde graad van eiwit-denaturatie in het binnenste gedeelte. Tijdens de natte rijping van de spieren werd niet alleen een verhoogde malsheid waargenomen, maar daalde ook de anisotropiefactor g van beide spieren.

Spiervezels kunnen zorgen voor een anisotrope lichtvoortplanting in het weefsel, belangrijk bij metingen met behulp van spatiaal verdeelde spectroscopie. Om het effect van de aanwezige vezels op de HLSI metingen te onderzoeken, werden spierstalen opgemeten met een verschillende initiële spiervezeloriëntatie. Deze metingen toonden aan dat vooral de reflectantie-signalen voor stalen met de spiervezels parallel met het meetoppervlak een grote invloed ondervonden. Bij deze stalen veranderde de vorm van de gloeispot van cirkelvormig naar ruitvormig. De oriëntatie van de hoofddiagonaal van de ruit was afhankelijk van de afstand tot de puntbelichting. Dicht bij de puntbelichting was de eerste diagonaal loodrecht georiënteerd ten opzichte van de spiervezels, terwijl op grotere afstanden een oriëntatie parallel met de vezels waargenomen werd. In stalen met de spiervezels parallel met het meetoppervlak kon de vezeloriëntatie voorspeld worden met een R2P van 0.993 en een RMSEP van 3.95°. Deze resultaten tonen aan dat de 3D-vezeloriëntatie van groot belang is bij het meten van diffuse reflectantie-signalen en dat deze laatste gebruikt zouden kunnen worden om deze oriëntatie te bepalen.

De niet-destructieve voorspelling van de BOP van spierweefsel door middel van het metamodel toonde gelijkenissen met de resultaten bekomen met de DIS-setup. Zo was opnieuw de absorptie door oxymyoglobine en water aanwezig, terwijl ook de absorptie door metmyoglobin zichtbaar werd. Dit is te verklaren door de dikkere vleesstalen gebruikt voor HLSI, aangezien in deze stalen een gradueel evenwicht ontstaat tussen verschillende myoglobine-derivaten in functie van de diepte. Hogere waarden voor µa en µs’ werden waargenomen in de binnenste BF-spier, terwijl lagere waarden voor µs’ werden bekomen voor zowel de buitenste BF- en LL-spieren. Tijdens het rijpingsproces werd een significante stijging van µs’ waargenomen. Tevens kon een meting uitgevoerd worden doorheen de plastic vacuümzak, gebruikt voor de rijping. Door de lage zuurstofconcentratie in de zak werd het absorptiespectrum gedomineerd door deoxymyoglobin met een absorptiegolflente rond 557 nm. Metingen op exact hetzelfde spierstaal tijdens de rijping, doorheen de vacuümzak, toonden eveneens een stijging van µs’ voor de LL-spier. Aangezien de veranderingen in malsheid het meest uitgesproken waren in de LL-spier werd gesuggereerd dat deze verandering in malsheid de stijging in µs’ zou kunnen verklaren.

In een finale stap werden vier golflengten geselecteerd voor de ontwikkeling van een multispectraal en draagbaar meettoestel. Laserdiodes met golflengten van 533.3 nm, 674 nm, 800.7 nm en 981.1 nm werden geselecteerd en rond een CCD-camera gemonteerd. Door het gebruik van shutters kon licht met deze golflengten sequentieel naar het staal gestuurd worden. Een metamodel werd gebouwd en getraind op een set van optische fantomen, zoals ook al eerder beschreven. De validatiefantomen werden goed voorspeld met een R2V van 0.9724 en 0.9377 in combinatie met een RMSEV van 0.56 cm-1 en 5.13 cm-1 voor respectievelijk µa and µs’. Een onvolledige scheiding tussen absorptie- en verstrooiingseigenschappen werd bekomen voor opgemeten appels en peren, met en zonder schil, vooral voor golflengten waar een hoge absorptie zich voordeed. Niettemin toonde de multispectrale meetopstelling wel goede overeenkomsten met de HLSI-opstelling voor de opgemeten appelstalen. Bovendien toonden vruchten met een verschillende densiteit duidelijke verschillen in de voorspelde waarden voor µs’. Zo vertoonden de Golden Delicious-appels een lagere densiteit en hogere µs’.

Op basis van de resultaten werd geconcludeerd dat laser-verstrooiingsbeeldvorming potentieel heeft voor de niet-destructieve opvolging van productkwaliteit. Zo kan de techniek een meerwaarde bieden voor toepassingen waarbij zowel de evolutie in chemische samenstelling als in de microstructuur van belang is. Ook het ruimtelijke karakter van de meting kan gebruikt worden om de 3D structuur van anisotrope producten te karakteriseren. Wel zijn er nog steeds verbeteringen noodzakelijk aan de modellering en het ontwerp van de opstelling, vooraleer metingen uitgevoerd kunnen worden op het veld of in een industriële omgeving. In dit onderzoek werd een eerste stap gezet naar dergelijke metingen met het ontwerp van een multispectrale, draagbare en kostenefficiënte meetopstelling. Dit soort van meting kan een meerwaarde bieden in de gehele agro-voedingsindustrie, aangezien de bepaling van de BOP en het ruimtelijke karakter van de meting perspectieven biedt voor de opvolging van productkwaliteit.