Lebensmittelanalyse mit hyperspektralen Kameras zur Qualitätskontrolle und für die automatisierte Sortierung

In der Lebensmittelanalytik wird zur chemischen Bestimmung der Inhaltstoffe in den letzten Jahren verstärkt die NIR Spektroskopie eingesetzt. Allerdings finden hier hauptsächlich fasergekoppelte Zeilenspektrometer oder FTIR Spektrometer den Einsatz, da Sie den Stand der Technik darstellen.
 
Mit Hilfe der HSI Kameratechnologie von der Diaspective Vision GmbH eröffnen sich nun neue Analysemöglichkeiten. Diese können dann über industrialisierte HSI Systeme sehr häufig in die Produktionsprozesse zur Qualitätskontrolle integriert werden. In dem Bereich der Qualitätskontrolle und Produktionsunterstützung wird bereits mannigfaltig die HSI Technologie in Sortiermaschinen oder zur Optimierung der Produktion eingesetzt. Dabei kommen aber häufig HSI Systeme im Spektralbereich 1µm- 1,7µm zum Einsatz. Hintergrund sind die stärkeren Absorptionsbanden der Moleküle in diesem Spektralbereich. Auf der anderen Seite ist die Eindringtiefe der Strahlung in die Objekte in diesem Spektralbereich niedriger, so dass die Ergebnisse häufig stärker durch Oberflächenunterschiede (z.B. Schalen) verfälscht werden. So ist es für einige Fragestellungen vorteilhaft, die bessere Sensorqualität und die zusätzlichen Informationen im VNIR Spektralbereich zu nutzen.
 
Die folgende Abbildung zeigt das Hyperspektralbild einer Fleischprobe vom Schwein mit den typischen spektralen Bereichen und einer Hauptkomponentenanalyse (PCA). Hier wird die Unterscheidung von Fett-, Muskel-, Knorpel- und Knochengewebe im Spektralbereich 500 – 1000 nm deutlich.
 

Hyperspektrale Aufnahme einer Fleischprobe vom Schwein

Hyperspektrale Aufnahme einer Fleischprobe vom Schwein


In den Spektren können die Absorptionseigenschaften der einzelnen chemischen Bestandteile der Probe identifiziert werden. Daher ist auch eine eindeutige Zuordnung zu Substanzklassen möglich, wodurch es automatisierte Sortierung oder Qualitätskontrolle erreicht werden können.
 
In den Spektren können die Absorptionseigenschaften der einzelnen chemischen Bestandteile der Probe identifiziert werden. Daher ist auch eine eindeutige Zuordnung zu Substanzklassen möglich, wodurch es automatisierte Sortierung oder Qualitätskontrolle erreicht werden können.
In den Absorptionsspektren sind deutlich (bereits per Auge) ohne chemometrische Auswertung folgende Banden zu erkennen: 960nm Wasserabsorption; 930 nm Fettabsorption, 760nm Absorptionsbande deoxygeniertes Hämoglobin, 680nm Struktur im Bindegewebe, 500 bis 600 nm Absorptionsbande des oxygenierten/deoxygenierten Hämoglobins zur Oxygenierungsbestimmung)
 
Aus dem Bereich der pflanzlichen Produkte wird eine Beispielaufnahme von Kartoffelprodukten gezeigt. Neben den Absorbtionsspektren sind die Komponenten einer durchgeführten Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis, PCA) abgebildet.
 
 
 Hyperspektralbild VIS/VNIR von Kartoffelprodukten mit PCA-Bild

Hyperspektralbild VIS/VNIR von Kartoffelprodukten mit PCA-Bild


 
Hier lassen sich viele der Fragestellungen in der Qualitätskontrolle und der Produktionsoptimierung direkt an dem Beispielbild verstehen. Bei den ersten 6 Komponenten der PCA sind die Unterschiede bereits signifikant zubeurteilen (Wassergehalt, Schale, Keimlinge und spezielle Strukturen).
 
 
Hyperspektralbild VIS/VNIR von Kartoffelprodukten mit PCA und Clusteranalyse

Hyperspektralbild VIS/VNIR von Kartoffelprodukten mit PCA und Clusteranalyse


 
Somit kann die HSI Technologie hier wertvolle Informationen liefern, die der heute üblichen Farbkamerasortierung verschlossen bleiben.