Hoe kan ik op een snelle, eenvoudige en efficiënte manier nieuwe voedingsproducten ontwerpen en bestaande processen optimaliseren? DOE beter dan trial & error. Welkom in het domein van Experimenteel Ontwerp (of ‘Design of Experiments’, DOE).
In het prachtige kader van Brouwerij Timmermans kwamen alle gebruikersgroepen van het Sensors For Food project samen voor een statusupdate . Veertig deelnemers kregen er een overzicht van de cases die de voorbije twee jaar geëvalueerd werden voor toepassing van optische-vezelbiosensoren (KU Leuven), hyperspectrale camera’s (imec) en millimetergolfsensoren (VUB) in de voedingsindustrie.
Tal van machines en sensoren leveren aan de lopende band data. Een enorme hoeveelheid data is niet automatisch big data. Big data combineert gegevens uit verschillende bronnen om trends te herkennen of bepaalde conclusies te trekken. Hierdoor worden relaties tussen gegevens zichtbaar die voorheen ontoegankelijk waren. De blootgelegde verbanden worden dan vertaald naar een voorspellend model waarmee direct kan worden nagegaan wat het effect is van een bepaalde parameter op de kwaliteit van het eindproduct. Problemen kunnen zo in een vroeg stadium worden opgespoord en opgelost.
Niet enkel de voedingsfabrieken van de toekomst zullen beroep doen op de nieuwste ontwikkelingen binnen de elektronica maar zeker ook de consument.
Design Of Experiments’ (DOE): het klinkt als iets waar enkel wetenschappers plezier aan kunnen beleven. Toch kan het ook het werk van productontwikkelaars in de voedingsindustrie vooruit helpen. Zeker nu statistische softwarepakketten zo gebruiksvriendelijk zijn dat er weinig voorkennis van experimenteel ontwerp vereist is om aan de slag te gaan: DOEn!
Van 23 tot 27 maart vindt de Anuga FoodTec beurs plaats in Keulen. Het top thema van deze editie is “resource efficiency”. Standhouders en sprekers zoomen dan in op de verschillende mogelijkheden van efficiënter gebruik van water, energie en grondstoffen in het productieproces. Het buzz woord “Industrie 4.0” zal op vele standen te horen zijn. Maar wat is dat nu precies?
Viscositeit is een belangrijke parameter in industriële (productie)processen, niet alleen met het oog op de kwaliteit van het product maar ook met een optimale werking van het proces. Dit geldt ook voor tal van processen in de voedingsindustrie. De keuze van een technologie voor een specifieke applicatie zal ook sterk afhangen van het type product dat opgemeten moet worden én onder welke condities.
Draagbare spectroscopische sensorsystemen voor de voedingsindustrie: hoe ver staan we verwijderd van de implementatie op de werkvloer?
Draagbare analysesystemen voor het opmeten van een brede waaier aan kwaliteitsparameters van voedingsproducten vormen een nieuwe tendens in het sensorlandschap.
Bepaalde kreeftsoorten zijn gezegend met een paar hyperspectrale ogen waarmee ze zowel in het zichtbare als infrarood-licht kunnen zien. Excellent om prooien of vijanden op te sporen. Geen wonder dus dat met hyperspectrale camera’s de versheid van vis bepaald kan worden. Maar hoe doet men dat het efficiëntst en kosten-effectiefst? Met een CCD, CMOS of InGaAs camera?
Glans behoort net als kleur, vorm, ruwheid, en oppervlakte textuur tot de klasse van de visuele kwaliteitsparameters. Glans wordt specifiek omschreven als het vermogen om gericht licht te reflecteren via de spiegelreflectiehoekmethode. De hoeveelheid gereflecteerd licht is wel steeds afhankelijk van de hoek van het invallend licht. De ASTM D523-89 richtlijn geeft aan dat een glanswaarde van meer dan 70 gloss units (GU), gemeten bij een hoek van 60°, aangeduid wordt als een hoge glanswaarde terwijl een glanswaarde van 10 wordt beoordeeld als een lage glanswaarde. In beide gevallen moeten alternatieve invalshoeken gebruikt worden voor een maximale differentiatie: 20° in het geval van materialen met een hoge glanswaarde, en 85° in het geval van materialen met een lage glanswaarde.
In dit advies zal een overzicht gegeven worden van technieken en applicaties die in de literatuur gerapporteerd werden. Specifiek zal in dit advies gekeken worden naar algemene fingerprint detectietechnieken in plaats van technieken die één specifieke component detecteren, zoals bv. de aanwezigheid van specifieke organische zuren en suikers, polyfenol componenten of anthocyanine moleculen. De detectie en de kwantificatie van deze componenten vereisen het gebruik van specifieke technologieën, gebaseerd op vloeistofchromatografie, die niet geschikt zijn voor routine analyses en die bovendien duur zijn. De meest frequent gebruikte technologieën in dit kader zijn ondermeer: infrarood (IR) spectroscopie, DNA-analyses, aroma-analyses.
Degradatie van frituurolie is het gevolg van het continu en het herhaaldelijk opwarmen van de olie waarbij tal van chemische verbindingen, waaronder ook heel wat vluchtige componenten, vrijkomen die een negatief effect hebben op de smaak en de nutritionele waarde van de gefrituurde producten. In een aantal studies wordt zelfs de link gelegd tussen deze componenten en schadelijke effecten op de menselijke gezondheid. Daarom is het noodzakelijk om de olie op regelmatige tijdstippen te vervangen. De belangrijkste standaardanalyses die in dit kader worden uitgevoerd, is de bepaling van het gehalte aan vrije vetzuren (free fatty acids, FFA), en de bepaling van het totale polaire materiaal (TPM). Deze labo-analyses nemen veel tijd in beslag, zijn duur en tevens destructief.
Variaties in samenstelling zijn een constante en uitdaging voor iedereen die werkt met natuurlijke grondstoffen. Hoe kan je de productsamenstelling bewaken en beheersen? Inline analyses kunnen hierop een antwoord bieden.
Met de term ‘sulfieten’ bedoelt men meestal het totale gehalte aan SO2, HSO3-, SO32-, en de afgeleide zouten hiervan. Deze componenten worden in de voedingsindustrie aangewend als additieven aangezien ze ook heel wat technologische functies vervullen, zoals een antioxidatieve werking, als bleekmiddel, als bewaarmiddel, of als deegverbeteraar. Er is een verhoogde aandacht voor deze componenten aangezien de aanwezigheid van te hoge concentraties aan sulfieten aanleiding kan geven tot reacties, analoog als allergische reacties, bij hypersensitieve personen. Dit wordt gekenmerkt door symptomen zoals ademhalingsproblemen, vitamine B en E deficiënties, een drukkend gevoel,…
Met betrekking tot partikels kunnen volgende eigenschappen van belang zijn: (i) partikel grootte; (ii) partikel vorm; (iii) oppervlakte eigenschappen; (iv) mechanische eigenschappen; (v) ladingseigenschappen; (vi) microstructuur. Er zijn tal van methodologieën beschreven die het mogelijk maken om enkele van deze kenmerken te kwantificeren: ‘laser diffraction’, ‘dynamic light scattering’, ‘automated imaging’ en ‘electrophoretic light scattering’. Elk van deze technieken heeft echter specifieke randvoorwaarden waardoor het niet mogelijk is om elk type staal (bvb. transparant/niet transparant) te analyseren, net zoals het feit dat afhankelijk van de grootte van de partikels bepaalde technieken beter geschikt zijn dan andere.
Ochratoxine (OTA) is een mycotoxine met een laag moleculair gewicht dat geproduceerd wordt door enkele schimmelsoorten zoals Aspergillus en Penicillium. Dit mycotoxine komt op een groot aantal gewassen voor en is door het International Agency for Research on Cancer (IARC) geclassificeerd als een mogelijk kankerverwekkende stof (Groep 2B) voor mensen. Daarom gelden richtlijnen voor een dagelijkse maximale inname van 5 ng kg-1 lichaamsgewicht. Voor tal van voedingsproducten zijn er ook reeds specifieke concentratielimieten voor OTA gedefinieerd.
Raman spectroscopie is een voorbeeld van een techniek, gebaseerd op inelastische lichtverstrooiing. Door interactie tussen het invallende licht (typisch een laser) en de materie (op moleculair niveau), gaat het vibrationele en/of rotationele energieniveau van het molecule verhogen. Aangezien een deel van de energie opgenomen is door het molecule, gaat de frequentie van het verstrooide licht groter zijn. Dit verschil in frequentie wordt aangeduid door de “Raman shift” en kan voorgesteld worden aan de hand van een spectrum. Dit spectrum is specifiek voor een welbepaalde chemische component en vormt de basis voor het uitvoeren van zowel kwalitatieve als kwantitatieve analyses. Raman spectroscopie heeft enkele specifieke voordelen, zoals een goede specificiteit, een goede compatibiliteit met waterige systemen, een zeer snelle analyse, en vereist ook geen speciale staalvoorbereiding.
In het algemeen kunnen drie redenen onderscheiden worden om gepaste standaardisaties uit te voeren op opgemeten NIR-spectra voor het bekomen van een nauwkeurige analyse. Een eerste reden kan de verandering zijn in chemische en/of fysische samenstelling van de producten, die te wijten kunnen zijn aan kleine fysische/chemische verschillen zoals partikelgrootte, oppervlakte textuur, viscositeit,… Een tweede reden kan te wijten zijn aan het verschil in signaal output door verschillen in meetapparatuur bij het gebruik van twee verschillende toestellen of door driftverschijnselen (over tijd) wanneer de performantie van bepaalde onderdelen achteruitgaat. Grote voorzichtigheid moet dus ook geboden worden wanneer datatransfer gebeurt van spectra, opgemeten met verschillende types NIR-toestellen (zoals FT-gebaseerde systemen en dispersieve systemen). Een derde reden zijn mogelijke variaties in de omgevingscondities zoals temperatuur en luchtvochtigheid. Deze kunnen soms sterk het spectrum beïnvloeden waardoor datatransfer modellen noodzakelijk zijn om deze variaties te onderdrukken.
Automatische controlesystemen spelen een belangrijke rol in de kwaliteitsmonitoring. Camerasystemen worden al frequent ingezet voor de controle van uitwendige kwaliteitsparameters zoals grootte, vorm, kleur... .
BBiobakkerij De Trog maakt als eerste voedingsbedrijf in ons land gebruik van een intelligente bril in hun distributiecentrum in Ieper. Sinds januari maken zij hun bestellingen klaar met behulp van deze bril en dit niet zonder resultaat: de foutenmarge ligt twee derde lager en de bestellingen zijn tot 30 procent sneller klaar.
Terahertz-spectroscopie wordt ondermeer in de ruimtevaart gebruikt voor de detectie van hemellichamen op grote afstand. Recent werden op internationaal gebied heel wat middelen geïnvesteerd in onderzoek naar het gebruik van deze technologie voor het uitvoeren van kwaliteitsanalyses op voeding. Zo gaat in Groot-Brittanië een project van £6,5 miljoen van start over Terahertz detectie en beeldsystemen. Tevens is er een bedrijf opgericht, dat met substantiële financiering van het European Space Agency (ESA), Terahertz-applicaties uitwerkt op het gebied van vreemde voorwerpen detectie in voeding.
Een nauwkeurige bepaling van het vochtgehalte vormt een belangrijke analyse in alle stadia van de productie van levensmiddelen gezien de implicaties op het gebied van verwerking, bewaring en kwaliteit van levensmiddelen. Technologieën, gebaseerd op diëlektrische meetsystemen zijn hiervoor uitermate geschikt, gezien hiermee een niet-destructieve on-line monitoring van het vochtgehalte mogelijk wordt.
De combinatie van een verstrengde voedselveiligheidswetgeving en steeds groter wordende productiesnelheden zorgt voor een stijgende vraag naar de volledig automatische, online kwaliteitscontrole van verpakkingen. In het kader van het IWT VIS-traject rond ‘Duurzame en functionele verpakkingen’ wordt er onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van zulke online inspectiesystemen.
Spectroscopie is een methode om een product aan de hand van een spectrum te analyseren. Klassiek gebeurt dit via een puntmeting. Bij digitale beeldspectroscopie wordt echter elke pixel gemeten, wat krachtigere kwaliteitsanalyses mogelijk maakt.
Sinds 1 mei 2013 is het ‘Food Tech Innovation Portal’ van het Europese ‘HighTech Europe’ project publiek beschikbaar. Op dit portaal kan u kennismaken met diverse productieproces gerelateerde technologieën.
De structuur van voeding vormt een essentieel onderdeel van voedingskwaliteit, aangezien de structuur de ruimtelijke verdeling van de verschillende voedingselementen weergeeft. Technologieën die inzicht verschaffen in de opbouw van een voedingsproduct kunnen bijgevolg heel wat nuttige informatie opleveren bij product- en procesinnovaties. Het InsideFood symposium in Leuven (10-12 april) zette een aantal specifieke technieken in de schijnwerpers die de structuurkenmerken van voeding in kaart kunnen brengen.
Screenen op aanwezigheid van vreemde voorwerpen is een essentieel voor kwaliteitscontrole en -garantie van levensmiddelen. Vooral de detectie van organische materialen vormt hier een grote uitdaging aangezien klassieke methoden, bijvoorbeeld gebaseerd op X-stralen, te kort schieten. Dark-field X-stralen beeldvorming kan hier soelaas bieden.
Een heersende trend in de voedingssector (en andere sectoren) is gericht op in-line en real-time monitoring van de productieprocessen. Drijvende krachten achter deze trend zijn de vereiste om kwalitatief hoogstaande producten af te leveren en tezelfdertijd het verlies aan waardevolle grondstoffen te vermijden. In-line proces- en kwaliteitscontrole kan hierop een antwoord bieden daar ze een onmiddellijke bijsturing van en terugkoppeling naar het productieproces mogelijk maken. Maar is dit ook mogelijk voor complexe productieprocessen zoals de productie van chocolade? Wat zijn de mogelijkheden en de beperkingen?
Vanwege hun doordringvermogen worden X-stralen frequent gebruikt voor het detecteren van vreemde voorwerpen, afwijkingen en contaminaties in al dan niet verpakte voedingsproducten. Er zijn echter nog uitdagingen, zoals het detecteren van visgraten bijvoorbeeld. Onderzoek toont dat dit in verse visfilets lukt mits het gebruik van doorgedreven beeldverwerking.
Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry (FAIMS) is een gas detectie technologie die een snelle detectie en kwantificatie van vluchtige organische componenten toelaat. Toepassingsmogelijkheden zijn ondermeer aromabepaling, screening van grondstoffen op contaminanten, kwantificatie van conserveringsmiddelen, leeftijdsbepaling van oliën, residuen van een cleaning-in-place proces etc. De geminiaturiseerde, draagbare spectrometer maakt het mogelijk dat niet-technische operatoren het toestel kunnen bedienen op elke gewenste plaatst in de productiesite en dit door een eenvoudige druk op de knop. FAIMS is een variant van Ion Mobility Spectroscopy (IMS) en beide detectietechnieken opereren via hetzelfde principe.
Het uitvoeren van chemische analyses op voedingsstalen neemt vaak heel wat tijd in beslag. Een aantal FTIR-spectroscopische technieken kunnen echter in een oogopslag een aantal belangrijke chemische kwaliteitsparameters van voedingsstalen voorspellen. Deze technieken worden geïllustreerd aan de hand van enkele case-studies op bier- en melkstalen.