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Die Verarbeitungsqualität von KartoffelnVorhersagemodelle
Norbert U. Haase Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide, Detmold
2009-05-19 2MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
• zerstörungsfreia) Transmission (NIT)
(z.B. Dull et al., Am. Pot. J., 66 (1989), 215-225)
b) Reflektion Oberflächen-nah (NIRS)(z.B. Yaptenco et al., J. Agri. Sci. Tokyo Nogyo Daigaku 44 (2000), 284-294)(z.B. Jeong et al., Am. J. Pot. Res. 85 (2008), 309-314)
Nah-Infrarotspektroskopie
Die TechnikPrinzip: Wechselwirkung zw. elektromagnet. Strahlung und Materie
Nah-Infrarot-Bereich: 800 – 2500 nm (12500 – 4000 cm-1)
NIRS
• nach Zerstörung (Homogenisierung)a) Transmission (NIT)b) Reflektion (NIRS)
2009-05-19 3MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
Analysen und Methoden
- Trockenmasse (AACC Method 44-60, St. Paul, MN, 1984)
- Stärke (nach Ewers)
- Zucker (kolorimetrisch, Roche Diagnostics)
direkte Merkmale
- TROKA-Farbe (instrumentell, Minolta CR 300)- Chips-Farbe (instrumentell, Minolta CR 300)- Pommes frites (Qualitäts-Note, sensorisch,
Karlsruher Schema, Note 1-9)
abgeleitete Merkmale
2009-05-19 4MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
Abschätzung der Verarbeitungsqualität
RohstoffRohstoffZerkleinerung
(Homogenisierung)
NIRS
sensorische u.physikalische
Analyse
X-Daten
Modell
Y-Daten
2009-05-19 5MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
Validierung
RohstoffRohstoffZerkleinerung
(Homogenisierung)
NIRS
sensorische u.physikalische
Analyse
Y-Daten(Vorhersage)
Modell
Y-Daten
2009-05-19 6MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
Nah-Infrarotspektroskopie
NIRS-Modell-Erstellung
NIRS-Messung unbekannter Kartoffelproben
Anwendung des Modells
Deklaration als Ausreißer
Entfernung aus Datensatz
Restliche WerteÜberführung in denKalibriersatz
positiv
Vergleich mitparallel erstelltenAnalysendaten
2009-05-19 7MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
bislang nur wenige Arbeiten publiziert
• Trockenmasse / Stärke /Protein (u.a. J Near Infrared Spectr 14 (2006), 27)Red. Zucker: problematisch (Cereal Foods World 42 (1997), 409 – R² = 0,51)
(Diss. Uni Bonn 1998 – R² = 0,82) Keimfähigkeit (Am J Pot Res 85 (2008), 309)Pommes frites – Qualität: TM möglich, red. Zucker nicht möglich (JSFA 79 (1999) 763)
• Eigene Ergebnisse
- TM /Stärke R² = 0,97- Red. Zucker R² = 0,59- Gesamtzucker R² = 0,83- TROKA L-Wert R² = 0,42- Chips L-Wert R² = 0,77- Pommes Note R² = 0,34- P-Gehalt Stärke R² = 0,62- koagulierbares Protein R² = 0,31- Schwarzfleckigkeit R² = 0,78
Nah-Infrarotspektroskopiebei Kartoffeln
2009-05-19 8MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
Nah-Infrarotspektroskopiebei Kartoffeln – bisherige Erkenntnisse
Skalierte Laborwerte (z.B. Noten) sind weniger gut für Modellherstellung geeignet
Indirekte Merkmale ohne sichtbare Interaktionen mit der elektromagnet. Strahlung können erfolgreich sein – Versuch und Irrtum (welche Bezüge jeweils hergestellt werden, kann nicht angegeben werden)
Entmischungen bei Rohbrei-messungen sind zu vermeiden
TROKA Note
Note_Lab
0 2 3 4 5 6 7 8 9
Not
e_Pr
ed
02
3
4
5
6
7
8
9
2009-05-19 9MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
1) Vergleich unterschiedlicher Vorgehensweisen zur Modellherstellungiterativ vs. retrospektiv
2) Vorhersagemodelle für Verarbeitungsqualität
3) Vorhersagemodelle für Zucker
Nah-InfrarotspektroskopieFragestellung
2009-05-19 10MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
unbe
kann
te S
pekt
ren NIRS-Modell-Erstellung Jahr 3
NIRS-Modell-Erstellung Jahr 4
NIRS-Modell-Erstellung Jahr 5
NIRS-Modell-Erstellung Jahr 6
NIRS-Modell-Erstellung Jahr 2 jährliche ValidierungNah-Infrarotspektroskopieiterative Vorgehensweise
NIRS-Modell-Erstellung Jahr 1
NIRS-Modell-Erstellung Jahr 7
2009-05-19 11MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
Nah-Infrarotspektroskopieretrospektives Modell
NIRS-Modell-Erstellungmit gesamtem Datensatz
Kalibrier-Datensatz
Überprüfung
Modell
Validier-Datensatz
2009-05-19 12MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
Ergebnisse
2009-05-19 13MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
NIR: TM• Iteratives Modell
n: 864Bereich: 15,7 - 35,2SEC: 0,595R²cal: 0,966SD/SEC: 5,29
• Retrospektives Modell
n: 546Bereich: 17,4 - 32,9SEC: 0,217R²cal: 0,993SD/SEC: 10,5
Trockenmasse
TM_Lab [%]
0 10 15 20 25 30 35 40
TM_P
red
[%]
010
15
20
25
30
35
40
Trockenmasse
TM_Lab [%]
0 10 15 20 25 30 35 40TM
_Pre
d [%
]
010
15
20
25
30
35
40
iterativn: 1068R²val: 0,989
V a
l i d
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n g
retrospektivn: 377R²val: 0,988
2009-05-19 14MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
Stärke
Stärke_Lab [% FM]
0 10 15 20 25 30 35 40
Stär
ke_P
red
[% F
M]
0
10
15
20
25
30
35
40
Stärke
Stärke_Lab [% FM]
0 10 15 20 25 30 35 40
Stär
ke_P
red
[% F
M]
0
10
15
20
25
30
35
40
NIR: Stärke
• Iteratives Modell
n: 187Bereich: 13,7 - 26,9SEC: 0,504R²cal: 0,947SD/SEC: 3,57
• Retrospektives Modell
n: 150Bereich: 14,3 - 26,1SEC: 0,288R²cal: 0,979SD/SEC: 4,93
iterativn: 163R²val: 0,961
V a
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n g
retrospektivn: 111R²val: 0,966
2009-05-19 15MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
NIR: TROKA FarbwertTROKA L-Wert
L-Wert_Lab
0 55 60 65 70
L-W
ert_
Pred
0
55
60
65
70
TROKA L-Wert
L-Wert_Lab
0 55 60 65 70L-
Wer
t_Pr
ed
0
55
60
65
70
• Iteratives Modell
n: 241Bereich: 56,6 - 71,7SEC: 1,11R²cal: 0,803SD/SEC: 1,89
• Retrospektives Modell
n: 244Bereich: 57,3 - 69,6SEC: 0,948R²cal: 0,788SD/SEC: 1,85
iterativn: 330R²val: 0,693
V a
l i d
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n g
retrospektivn: 104R²val: 0,795
2009-05-19 16MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
NIR: Kartoffelchips Farbwert Chips L-Wert
L-Wert_Lab
0 55 60 65 70
L-W
ert_
Pred
0
55
60
65
70
Chips L-Wert
L-Wert_Lab
0 55 60 65 70L-
Wer
t_Pr
ed0
55
60
65
70
• Iteratives Modell
n: 608Bereich: 51,1 - 74,5SEC: 2,90R²cal: 0,445SD/SEC: 1,31
• Retrospektives Modell
n: 396Bereich: 47,7 - 75,9SEC: 1,98R²cal: 0,822SD/SEC: 2,02
iterativn: 337R²val: 0,895
V a
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retrospektivn: 104R²val: 0,942
2009-05-19 17MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
NIR: Pommes frites GesamtnotePommes frites
Note_Lab
0 2 3 4 5 6 7 8 9
Not
e_Pr
ed
02
3
4
5
6
7
8
9
Pommes frites
Note_Lab
0 2 3 4 5 6 7 8 9 10N
ote_
Pred
02
3
4
5
6
7
8
9
10
• Iteratives Modell
n: 357Bereich: 3,63 - 8,84SEC: 0,629R²cal: 0,476SD/SEC: 1,26
• Retrospektives Modell
n: 305Bereich: 4,15 - 8,44SEC: 0,365R²cal: 0,739SD/SEC: 1,62
iterativn: 451R²val: 0,536
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retrospektivn: 169R²val: 0,6813
2009-05-19 18MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
Zucker
• Reduzierende Zucker für die Maillard-Reaktion essentiell
• Schnelltest Pikrinsäure (Gluc + Fruc) nicht mehr einsetzbar
• Glucose-Schnelltest (Blutzucker)
• Laboranalytik Glucose, Fructose, Saccharose aufwändig
• NIR-Vorhersage reduz. Zucker bislang nicht erfolgreich, da Konzentration
oftmals zu gering
2009-05-19 19MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
NIR: Red. Zucker
• Iteratives Modell
n: 648Bereich: 4 - 194SEC: 39,6R²cal: 0,159SD/SEC: 1,09
• Retrospektives Modell
n: 318Bereich: 4 - 310SEC: 40,6R²cal: 0,676SD/SEC: 1,38
iterativn: 549R²val: 0,329
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retrospektivn: 156R²val: 0,728
Reduzierende Zucker
Red. Zucker_Lab [mg 100 g-1 FM]
0 100 200 300 400
Red
. Zuc
ker_
Pred
[mg
100
g-1 F
M]
0
100
200
300
400
Reduzierende Zucker
Red. Zucker_Lab [mg 100 g-1 FM]
0 100 200 300 400
Red
. Zuc
ker_
Pred
[mg
100
g-1 F
M]
0
100
200
300
400
2009-05-19 20MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
NIR: Saccharose
• Iteratives Modell
n: 643Bereich: 10 - 679SEC: 83,9R²cal: 0,539SD/SEC: 1,44
• Retrospektives Modell
n: 321Bereich: 5 - 718SEC: 57,2R²cal: 0,798SD/SEC: 1,87
iterativn: 427R²val: 0,880
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retrospektivn: 127R²val: 0,892
Saccharose
Saccharose_Lab [mg 100 g-1 FM]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Sacc
haro
se_P
red
[mg
100
g-1 F
M]
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Saccharose
Saccharose_Lab [mg 100 g-1 FM]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000Sa
ccha
rose
_Pre
d [m
g 10
0 g-1
FM
]
0
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200
300
400
500
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700
800
900
1000
2009-05-19 21MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
NIR: Gesamtzucker
• Iteratives Modell
n: 660Bereich: 12 - 916SEC: 109R²cal: 0,574SD/SEC: 1,35
• Retrospektives Modell
n: 320Bereich: 10 - 1011SEC: 68,8R²cal: 0,860SD/SEC: 2,24
iterativn: 364R²val: 0,909
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retrospektivn: 112R²val: 0,946
Gesamtzucker
Zucker_Lab [mg 100 g-1 FM]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Zuck
er_P
red
[mg
100
g-1 F
M]
0
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300
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1000
Gesamtzucker
Zucker_Lab [mg 100 g-1 FM]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200Zu
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700
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1000
2009-05-19 22MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
NIR: Reduzierende Zucker - Alternative
• Iteratives Modell: Validierung R² = 0,329• Retrospektives Modell: Validierung R² = 0,728
Alternativer Ansatz:
Reduz. Zucker = Gesamtzucker – Saccharose
1. Bestimmung Gesamtzucker (R²=0,909; 0,946)2. Bestimmung Saccharose (R²=0,880; 0,892)3. Bildung Differenz
iterativn: 256R²val: 0,260
retrospektivn: 70R²val: 0,565
Reduzierende Zucker
Red. Zucker_Lab [mg 100 g-1 FM]
0 100 200 300 400
Red
. Zuc
ker_
Pred
[mg
100
g-1 F
M]
0
100
200
300
400
Reduzierende Zucker
Red. Zucker_Lab [mg 100 g-1 FM]
0 100 200 300 400
Red
. Zuc
ker_
Pred
[mg
100
g-1 F
M]
0
100
200
300
400
2009-05-19 23MRI – Institut für Sicherheit und Qualität bei Getreide
Fazit
• Nah-Infrarotspektrokopie ist zu einer bedeutsamen Technik herangereift• In-line und on-line-Messungen sind möglich
• Kartoffel: zögerlicher Einsatz
TM: sehr gute VorhersageleistungStärkegehalt: dto.niedermolekulare Kohlenhydrate
Gesamtzucker: bedingt - gutSaccharose: bedingtReduzierende Zucker: gar nicht – bedingt; uneinheitlich
Qualität VerarbeitungTROKA: bedingt - gutKartoffelchips: bedingt – gut; uneinheitlichPommes frites: bedingt – befriedigend; uneinheitlich