Detektion af brusk i kødprodukter
Af Lars Bager Christensen, Teknologisk Institut. Bragt i Plus Proces i april 2022.
Det er svært helt at undgå brusk i moderne kødforarbejdning – og konventionelt detektionsudstyr er ikke i stand til at detektere fremmedlegemer af hård brusk, som er uønsket i visse færdige kødprodukter. Her fortæller Teknologisk Institut om fluorescensdetektion, der nu er demonstreret som en lovende kandidat til at løse denne opgave.
Se webinar om nye metoder til detektion af fremmedelegemer
Forekomst af brusk i kødprodukter er vanskeligt at undgå i en moderne industriel og mere og mere automatiseret produktion. Og selvom brusk er en naturlig forekommende vævstype i råvarerne, er denne type fremmedlegemer uønskede i visse færdige kødprodukter. Der er således behov for at reducere brusk-forekomsten til et minimum.
Fysiologisk er brusk et forstadie til skelettets knogler. Således opbygges pattedyr i forstertilstanden af bruskvæv, som senere udvikles (calcificeres) til egentligt knoglevæv. Dog forbliver visse dele af bruskvævet som elastisk og eftergiveligt væv. Denne, såkaldte hyaline, brusktype består af kollagen (primært type II) og vand (75 procent) og forekommer generelt ved overgangen mellem egentlig kalkholdigt knoglevæv og det elastiske bindevæv (sener), som holder disse sammen med muskulaturen og sikrer skelettets bevægelighed.
Den gradvise overgang mellem knogle, over brusk til sener kan illustreres ved en røntgenmåling af et stykke brystflæsk med en CT-skanner (se figur 1).
Figur 1. Tv: et eksempel på CT-skanning af et stykke brystflæsk, som viser vævsforskellen mellem muskel-, brusk- og knoglevæv. Vævsforskellene er fremhævet med farvelægning (illustration Dennis Brandborg Nielsen, DMRI). Th: et eksempel på en flerkanal analyse af brusk, som giver øget kontrast til fedt men mindsket kontrast til kød.
Detektion af knoglestykker
Detektion af knoglestykker er i dag en etableret praksis i danske virksomheder, hvor gennemlysning med røntgen kan sikre mod forekomst af selv meget små (≈1mm) knoglefragmenter.
Røntgendetektionen er baseret på knoglevævets indhold af mineraler bl.a. hydroxyapatit. Pga. det lave mineralindhold i brusk er røntgendensiteterne ikke markant forskellige mellem brusk og kød. Derfor er røntgenstråling ikke en særlig anvendelig metode til at skelne mellem brusk og kød.
Da begge vævstyper er hvide, kan et konventionelt RGB-kamera heller ikke umiddelbart skelne brusk fra fedt. En kontrast på kun ca. 10 pct. vurderes ikke tilstrækkelig til simpel detektion af brusk i den synlige del af spektret.
Ved at benytte flere farvekanaler kan denne kontrast dog forbedres. Men dette er på bekostning af en mere kompliceret billedanalyse, der i praksis er vanskeligt gennemførlig pga. af de forskellige kødråvarer med hver deres specifikke analyse. Der er altså ikke nogen etableret detektionsmetode, der kan skelne brusk fra en baggrund af fedt- og kødvæv.
Vævsforskelle mellem brusk og kød
Der er derfor behov for en mere generelt gyldig metode til at detektere brusk. En tilgang er at udnytte andre materialespecifikke forskelle end farve og røntgendensitet. En mulig materialespecifik egenskab er UV-fluorescens.
En grundlæggende forskel mellem knoglevæv og brusk, ud over mineralindholdet, er indholdet af (hydroxylysyl-)Pyridinolin (PYD), som ændres i takt med overgangen fra hyalin-brusk til egentlig mineraliseret og uelastisk knoglevæv.
PYD-molekylet er et såkaldt fluorofor, hvilket betyder, at det under visse omstændigheder udsender lys med en specifik bølgelængde (auto-fluorescens). Pyridinolin kan derfor være en kandidat til entydig detektion af hyalin-brusk i kødprodukter ved at udnytte den fluorescerende egenskab.
Autofluorescens opstår typisk, når et materiale (kaldet en fluorofor) belyses (eksiteres) med og absorberer ultraviolet lys. De ultraviolette fotoner indeholder nemlig tilstrækkelig energi til at flytte elektronerne i fluoroforen til en højere, men ustabil, energitilstand. Elektronerne falder tilbage til den stabile energitilstand og udsender lys svarerende til energitabet. Men før det sker, vil en del af den absorberede energi gå tabt som elektronvibrationer i den eksiterede tilstand, så det genudsendte lys har lavere energi end det eksiterende UV-lys. Lavere foton-energi betyder lavere foton-frekvens og dermed længere bølgelængde af det emitterede lys sammenlignet med den exiterende UV-belysning.
I tilfældet med hyalint brusk benyttes eksitation med 365 nm (UV-A) og den resulterende emission sker ved ca. 450 nm på grund af det omtalte interne energitab.
Demonstrationsforsøg
I det følgende beskrives et demonstrationsforsøg foretaget af Teknologisk Institut.
Forsøgsopstillingen består af en excitationslyskilde i form af en simpel UV-A belysning med 365 nm lysdioder, som leverer ca. 700µW/cm2 målt på produktoverfladen (seks stk UV LED’er forsynet med 100 mA), et kamera med objektivets blænde sat til 1,6, et båndpasfilter med centerbølgelængde på ca. 445 nm og en bredde på 40 nm. Kameraets integrationstid var indstillet til 60 ms. Dette giver et udgangspunkt for den belysning (intensitet), som for en given båndhastighed er nødvendig for at gentage målingerne under produktionslignende forhold (båndhastigheden giver sammen med pixelstørrelsen den mulige integrationstid).
Forsøgsopstillingen blev afprøvet både med og uden afdækning af den omgivende belysning i laboratoriet.
Til demonstrationsforsøget blev der benyttet brystflæsk med svær som produktbaggrund og stykker af fjederben som eksempel på brusk. Denne kombination er relevant, da visse slutprodukter fremstillet af brystflæsk forventes af være fri for brusk.
Figur 2. Indledende forsøg uden afdækning af laboratoriebelysning (dagslys). Illustrationen tv er kun med dagslys, hvor billedet th er tilsat UV-A belysning. Det ses, at det fluorescerende signal fra kød og fedt er svagt og ret ens.
Billedbehandlingen i dette forsøg blev lavet manuelt med programmet FIJI/imageJ, hvor de optagne billeder blev komprimeret til otte eller 16 bit monokrom for derefter at blive filtreret med et simpelt intensitetsfilter med en passende tærskelværdi.
Resultaterne
Optagelser af produktbaggrunden (kød og fedt) med både dagslys og UV-A har en variation (SD/mean) på 0,28. Denne reduceres til ca. 0,08, når dagslyset fjernes; det vil sige en forbedret følsomhed blot ved at baggrunden bliver to til tre gange mere ensartet med UV belysning alene (se figur 3).
Figur 3. Et eksempel på baggrundens variation overfor UV-A (365nm) belysning og målt ved en emissionsbølgelængde på 450nm.
Sagt på en anden måde, så fluorescerer de to baggrundsmaterialer fedt og kød ret ens og meget lidt, hvorimod de reflekterer synligt lys i området omkring 450 nm ret forskelligt. Det sidste er naturligvis ikke overraskende, da vi oplever kød og fedt have meget forskellig farve.
Ved en så ensartet baggrund er det lettere at se afvigelser fra baggrundens intensitet og dermed opnå en god detektionsevne.
En anden måde at vurdere detektionsevnen er ved at måle intensitetsfordelingen for et område af produktet med både brusk og baggrund (se figur 4).
Figur 4. En illustration af den gode kontrast med auto-fluorescens, her vist som intensitetsfordelingen i et område, som både inkluderer baggrund og en vis mængde brusk. Det ses, at signalet fra brusk har en højere standardafvigelse end baggrunden. Men på grund af dennes homogenitet kan der detekteres selv ganske små stykker brusk. Der ses også, at middel-intensiteten for brusk er placeret med stor afstand til baggrunden.
Denne måling viser, at intensiteten i dette forsøg fra brusk ligger 34 standardafvigelser fra middelværdien af baggrunden - dvs. detektion af brusk med fluorescens giver en meget sikker diskrimination mellem brusk og baggrund, hvilket giver en god detektionsevne.
Den store kontrast ved UV-A belysning giver forhåbning om en god detektionsevne. Hvis billedet analyseres med et ca. 5x5mm område med både baggrund og en lille smule brusk kan situationen se således ud (se figur 5):
Figur 5. Et lille udsnit af billedet analyseres for at bestemme detektionsgrænsen for brusk. De pixels med en intensitet over baggrunden summeres op. Denne sum giver ca. 40 pixels. En pixelstørrelse svarer ca. til 200 µm.
Måleområdet giver anledning til en intensitetsfordeling, som med en simpel tærskelværdi vil kunne detektere de ca. 10 pct. pixels, der ligger udenfor baggrundsintensiteten. Eller med andre ord: i denne demonstration kan man detektere bruskstykker på overfladen af kødproduktet med en størrelse på ca. 1 mm2.
Perspektivering
Den gennemførte undersøgelse af fluorescens-detektion af brusk i kødprodukter viser lovende resultater.
Metoden giver umiddelbart en meget god kontrast mellem brusk og ferske kødprodukter. Dette indikerer, at der kan bygges udstyr, som vil have tilstrækkelig kapacitet til at screene kødråvarer for overfladebrusk under produktionsforhold.
De benyttede belysningsforhold kan umiddelbart genskabes i et conveyor-baseret system, der kører med tilstrækkelig hastighed til at overvåge hakke- og blandeprocesser. Til sliceprocesser kræves højere målekapacitet fx 1.800 slices/min. eller 1.800 billeder af endeskiven i minuttet svarende til en maksimal integrationstid på 33 ms og en belysning på ca. 140 µW/cm2 burde være tilstrækkelig, jf. resultaterne med en integrationstid på 60 ms og 70 µW/cm2.
Lovende kandidat
Fluorescensdetektion er således demonstreret som en lovende kandidat til en fremtidig metode til at detektere fremmedlegemer af hård brusk, som er uønsket i visse færdige kødprodukter.
Naturligt indhold af det stabiliserende (Hydroxylysyl) Pyridinolin i det hårde hyaline brusk i f.eks. fjederben eller bovbladspidser giver mulighed for at adskille dette fremmedlegeme på overfladen af kød/fedt produkter med stor sikkerhed.
Metoden er relativt simpel og kan sammenlignes med andre visionsystemer dog med en betydelig bedre kontrast mellem brusk og produktbaggrund pga. auto-fluorescensen fra Pyridinolin i hård brusk.
Det vurderes, at det er muligt at designe et detektionsudstyr baseret på denne teknik, som kan levere den ønskede detektionsevne (mindre end 1mm2) med en detektionskapacitet, som svarer til kontrol af ferske råvarer og til slice- og nedskrotningsprocesser til danske produktionsforhold.
Projektet er finansieret af Svineafgiftsfonden