Doktorgradsarbeidet til Tiril Lintvedt viser at man kan bruke ramanspektroskopi, en type skanning, til detaljerte kvalitetsmålinger av mat på noen få sekunder, uten fysisk kontakt med produktet.
Ramanspektroskopi er en lovende teknologi under utvikling, som på sikt være svært nyttig for matindustrien. I dag har ikke matindustrien noen god løsning for å håndtere store strømmer av råvarer og produkter av ulik opprinnelse og kvalitet på en effektiv måte. Ved hjelp av sensorsystemer som kan brukes direkte på prosesslinjene, såkalt «in-line», vil man kunne måle og samle kritisk informasjon om matkvalitet og mattrygghet. Resultatet er verktøy for sortering, produktdifferensiering, prosessoptimering og produktkontroll.
Tradisjonelt har ramanspektroskopi bare vært brukt i vitenskapelige laboratorier. Men Tiril Lintvedts doktorgradsarbeid viser at det er mulig å bruke denne teknologien til detaljerte kvalitetsmålinger av svært heterogene matråvarer under industrielt relevante forhold. For eksempel har hun vist at konsentrasjonen av de viktige omega-3 fettsyrene EPA og DHA kan måles direkte i laksefileter på et par sekunder, uten noen form for kontakt med fileten.
Måler kvalitet direkte i prosesslinjen
Målet med dette doktorgradsprosjektet var å undersøke mulighetene for å bruke ramanspektroskopi som et verktøy for å måle kvaliteten på heterogene matråvarer direkte i prosesslinjen. For å nå dette målet valgte Lintvedt ut to bruksområder: 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 strømmer med varierende produksjonsvolum. Fokusvolumet til WAI-proben ble økt ved å skanne over prøveoverflaten. Avhandlingen viser at denne strategien fungerer 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 filetoverflaten hadde betydning for valg av skannestrategi ved kortere eksponeringstider, grunnet effekten på signal-støy-forholdet. Dette viser hvor viktig det er å nøye vurdere heterogeniteten til et gitt matprodukt, og å optimalisere målestrategien deretter.
Et annet hovedmål var å undersøke hvordan Raman-målingene håndterte kortere eksponeringstider. Dette er spesielt viktig for målinger av enkeltprøver på et transportbelte, der eksponeringstiden er sterkt begrenset. Dette ble undersøkt i artikkel I og II, der Lintvedt målte enkeltprøver av laks og fjærfe-restråstoff ved eksponeringstider ned til 1 sekund. Selv om eksponeringstider rundt 2-1 sekunder i disse tilfellene ga akseptable prediksjonsfeil, var det tydelig at disse lave eksponeringstidene reduserte signal-støy-forholdet og dermed prediksjons-prestasjonen. Signal-støy-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, fordi industrien per i dag ikke har noe slikt system som gir hyppig tilbakemelding på kvalitet.
For å realisere det fulle potensialet for in-line Raman-målinger i de to applikasjonsområdene, trengs mer innsats innen kalibreringsutvikling, SNR-optimering og utvikling av praktisk måleoppsett. Likevel har dette doktorgradsprosjektet vist at det er mulig å bruke en Raman-probe med bredt belysningsområde til detaljert karakterisering av svært heterogene strømmer med råvaremateriale, ved industrielt relevante eksponeringstider og med moderat variasjon i arbeidsavstand. Det ble vist at WAI ramanspektroskopi er lovende både for målinger på kontinuerlige råvarestrømmer og enkeltprøver på et transportbelte. Dette åpner for en rekke nye applikasjoner for WAI ramanspektroskopi innen kvalitetsdokumentasjon, sortering, prosessanalyse og sanntids prosesskontroll i matindustrien.
Tiril Aurora Lintvedt forsvarer sin doktogradsavhandling "Raman spektroskopi for målinger av matkvalitet i prosesslinjen" torsdag 11. mai 2023. Se disputasoppslaget her.