FT-NIR-spektroskopia viljatuotteiden pitoisuus- ja laatumittauksessa

Jaana Sorvaniemi, Arvo Kinnunen, Yrjö Mälkki

Research output: Book/ReportReportProfessional

Abstract

Raportin alkuosassa käsitellään IR/NIR spektroskopian teoreettisia perusteita sekä laitetekniikoita. Tietyn yhdisteen kaikilla molekyyleillä tai molekyyliryhmillä on sama energiatila, jota voidaan mitata epäsuorasti absorptiospektrillä. NIR alueella tähän energiatilaan vaikuttaa hydrataatioaste, lämpötila ja molekyyliryhmän viereiset molekyyliryhmät. Tärkeimmät ryhmät elintarvikkeilla NIR alueella ovat C H , O H ja N H ryhmät. Laitetekniikka jaetaan suodatinlaitteisiin, dispersiivisiin laitteisiin ja Fourier muunnos(FT) laitteisiin. Suodatinlaitteet mittaavat 6-20 kapeaa kaistaa spektristä. Näistä kaistoista käytetään kahdesta neljään tietyn komponentin määrittämiseen. Dispersiivisillä ja FT spektrometreillä mitataan joko koko NIR alue tai huomattava osa siitä. Analytiikassa käytetään joko muutamia spektripisteitä tai muutamia spektrialueita monimuuttujaregression avulla tapahtuvaan laskentaan. FT IR/NIR laitteiden etuja dispersiivisiin verrattuina sekä FT IR/NIR laitteiden näytetekniikkaa eri olomuodoissa oleville näytteille selostetaan raportin jälkimmäisessä osassa. IR/NIR tekniikan sovellutuskohteet ulottuvat vilja , liha ja maitotuotteista farmaseuttisiin ja teknokemian tuotteisiin sekä pakkausmateriaaleihin. Tärkein sovellutuskohde ovat tähän mennessä olleet vilja ja viljapohjaiset tuotteet. Tutkimuksen keskeisin tavoite oli selvittää laatutekijöiden mittausmahdollisuutta nopealla IR/NIR tekniikalla. Toinen tutkimuksen tavoite oli selvittää, mitkä analysoiduista muuttujista vaikuttivat eniten leivän ominaistilavuuteen ja leivän vanhenemiseen. Tällöin ei käytetty NIR dataa vaan näytteistä määritettyjä kemiallisia ja fysikaalisia mittaustuloksia. Saatua tietoa voidaan käyttää leivontaprosessin mallituksessa. Käytännön ongelmaksi valittiin vehnän leivontalaadun määrittäminen. Aineisto jakaantui viiden näytteen suppeaan sarjaan ja 40 näytteen laajaan sarjaan. Tutkimuksessa otettiin huomioon lähes kaikki kemialliset, entsymaattiset ja fysikaaliset mittaukset, jotka ovat yleisesti käytössä leipomoissa. Näitä täydennettiin taikinan viskoelastisuuteen liittyvillä mittauksilla reometrilla sekä aminohappoanalyyseillä. Näytteistä suoritettiin koeleivonnat. Paistetuista leivistä mitattiin kovuus ja tilavuus. Jauhoista mitattujen spektrien korrelaatiota tutkittiin kaikille mitatuille ominaisuuksille, myös leipien kovuuteen ja tilavuuteen. Korrelaatiotutkimuksessa käytettiin pääkomponentteihin perustuvaa monimuuttujaregressiota. Hyvä korrelaatio löytyi suurimmalle osalle muuttujista. Laaja sarja jaettiin yhtäsuuriin kalibrointijoukkoon ja 'tuntemattomaan' joukkoon. Pitoisuuksienkin kalibrointiin tarvittava näytemäärä on jo 30-40 ja laatuominaisuuksiin jopa muutamia satoja. Liian pienestä kalibrointijoukosta huolimatta kosteudelle, proteiinille ja kostealle sitkolle saatiin hyvä tulos. Mitattujen muuttujien vaikutusta leivän ominaistilavuuteen ja kovuuteen tutkittiin UNSCRAMBLER ohjelman avulla laadituilla malleilla. Tällöin ei käytetty NIR spektrejä vaan jauhoista mitattuja analyysituloksia. Lähes kaikki mitatut ominaisuudet vaikuttivat leivän ominaistilavuuteen, mutta leivän vanhenemiseen ei löytynyt korrelaatiota. Käytännön malliin ei tällä sarjalla päästy, sillä leivän tilavuuden ennustamiseen riittävällä tarkkuudella olisi tarvittu yli 10 jauhomuuttujan mittausta. Yhteistyössä VTT:n biotekniikan laboratorion kanssa tutkittiin, voitaisiinko mallasanalyysejä korvata NIR tekniikalla. Ohramallastutkimuksessa spektrit mitattiin jauhetusta maltaasta, mutta osa analytiikasta käsitti mallasuutteen ominaisuuksia. Näissä mittauksissa ei saatu kovin hyviä tuloksia, koska tuolloin käytössä ollut detektori oli herkkyydeltään riittämätön.
Original languageFinnish
Place of PublicationEspoo
PublisherVTT Technical Research Centre of Finland
Number of pages79
ISBN (Print)951-38-4144-8
Publication statusPublished - 1992
MoE publication typeNot Eligible

Publication series

NameVTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes
PublisherVTT
No.1331
ISSN (Print)1235-0605
ISSN (Electronic)1455-0865

Keywords

  • Fourier transform infrared spectrometry
  • near infrared spectra
  • wheat
  • cereal processing
  • breadmaking
  • quality inspection
  • baking quality

Cite this

Sorvaniemi, J., Kinnunen, A., & Mälkki, Y. (1992). FT-NIR-spektroskopia viljatuotteiden pitoisuus- ja laatumittauksessa. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland. VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes, No. 1331
Sorvaniemi, Jaana ; Kinnunen, Arvo ; Mälkki, Yrjö. / FT-NIR-spektroskopia viljatuotteiden pitoisuus- ja laatumittauksessa. Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 1992. 79 p. (VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes; No. 1331).
@book{43595d20bbca431ba1e5fc11cf805eef,
title = "FT-NIR-spektroskopia viljatuotteiden pitoisuus- ja laatumittauksessa",
abstract = "Raportin alkuosassa k{\"a}sitell{\"a}{\"a}n IR/NIR spektroskopian teoreettisia perusteita sek{\"a} laitetekniikoita. Tietyn yhdisteen kaikilla molekyyleill{\"a} tai molekyyliryhmill{\"a} on sama energiatila, jota voidaan mitata ep{\"a}suorasti absorptiospektrill{\"a}. NIR alueella t{\"a}h{\"a}n energiatilaan vaikuttaa hydrataatioaste, l{\"a}mp{\"o}tila ja molekyyliryhm{\"a}n viereiset molekyyliryhm{\"a}t. T{\"a}rkeimm{\"a}t ryhm{\"a}t elintarvikkeilla NIR alueella ovat C H , O H ja N H ryhm{\"a}t. Laitetekniikka jaetaan suodatinlaitteisiin, dispersiivisiin laitteisiin ja Fourier muunnos(FT) laitteisiin. Suodatinlaitteet mittaavat 6-20 kapeaa kaistaa spektrist{\"a}. N{\"a}ist{\"a} kaistoista k{\"a}ytet{\"a}{\"a}n kahdesta nelj{\"a}{\"a}n tietyn komponentin m{\"a}{\"a}ritt{\"a}miseen. Dispersiivisill{\"a} ja FT spektrometreill{\"a} mitataan joko koko NIR alue tai huomattava osa siit{\"a}. Analytiikassa k{\"a}ytet{\"a}{\"a}n joko muutamia spektripisteit{\"a} tai muutamia spektrialueita monimuuttujaregression avulla tapahtuvaan laskentaan. FT IR/NIR laitteiden etuja dispersiivisiin verrattuina sek{\"a} FT IR/NIR laitteiden n{\"a}ytetekniikkaa eri olomuodoissa oleville n{\"a}ytteille selostetaan raportin j{\"a}lkimm{\"a}isess{\"a} osassa. IR/NIR tekniikan sovellutuskohteet ulottuvat vilja , liha ja maitotuotteista farmaseuttisiin ja teknokemian tuotteisiin sek{\"a} pakkausmateriaaleihin. T{\"a}rkein sovellutuskohde ovat t{\"a}h{\"a}n menness{\"a} olleet vilja ja viljapohjaiset tuotteet. Tutkimuksen keskeisin tavoite oli selvitt{\"a}{\"a} laatutekij{\"o}iden mittausmahdollisuutta nopealla IR/NIR tekniikalla. Toinen tutkimuksen tavoite oli selvitt{\"a}{\"a}, mitk{\"a} analysoiduista muuttujista vaikuttivat eniten leiv{\"a}n ominaistilavuuteen ja leiv{\"a}n vanhenemiseen. T{\"a}ll{\"o}in ei k{\"a}ytetty NIR dataa vaan n{\"a}ytteist{\"a} m{\"a}{\"a}ritettyj{\"a} kemiallisia ja fysikaalisia mittaustuloksia. Saatua tietoa voidaan k{\"a}ytt{\"a}{\"a} leivontaprosessin mallituksessa. K{\"a}yt{\"a}nn{\"o}n ongelmaksi valittiin vehn{\"a}n leivontalaadun m{\"a}{\"a}ritt{\"a}minen. Aineisto jakaantui viiden n{\"a}ytteen suppeaan sarjaan ja 40 n{\"a}ytteen laajaan sarjaan. Tutkimuksessa otettiin huomioon l{\"a}hes kaikki kemialliset, entsymaattiset ja fysikaaliset mittaukset, jotka ovat yleisesti k{\"a}yt{\"o}ss{\"a} leipomoissa. N{\"a}it{\"a} t{\"a}ydennettiin taikinan viskoelastisuuteen liittyvill{\"a} mittauksilla reometrilla sek{\"a} aminohappoanalyyseill{\"a}. N{\"a}ytteist{\"a} suoritettiin koeleivonnat. Paistetuista leivist{\"a} mitattiin kovuus ja tilavuus. Jauhoista mitattujen spektrien korrelaatiota tutkittiin kaikille mitatuille ominaisuuksille, my{\"o}s leipien kovuuteen ja tilavuuteen. Korrelaatiotutkimuksessa k{\"a}ytettiin p{\"a}{\"a}komponentteihin perustuvaa monimuuttujaregressiota. Hyv{\"a} korrelaatio l{\"o}ytyi suurimmalle osalle muuttujista. Laaja sarja jaettiin yht{\"a}suuriin kalibrointijoukkoon ja 'tuntemattomaan' joukkoon. Pitoisuuksienkin kalibrointiin tarvittava n{\"a}ytem{\"a}{\"a}r{\"a} on jo 30-40 ja laatuominaisuuksiin jopa muutamia satoja. Liian pienest{\"a} kalibrointijoukosta huolimatta kosteudelle, proteiinille ja kostealle sitkolle saatiin hyv{\"a} tulos. Mitattujen muuttujien vaikutusta leiv{\"a}n ominaistilavuuteen ja kovuuteen tutkittiin UNSCRAMBLER ohjelman avulla laadituilla malleilla. T{\"a}ll{\"o}in ei k{\"a}ytetty NIR spektrej{\"a} vaan jauhoista mitattuja analyysituloksia. L{\"a}hes kaikki mitatut ominaisuudet vaikuttivat leiv{\"a}n ominaistilavuuteen, mutta leiv{\"a}n vanhenemiseen ei l{\"o}ytynyt korrelaatiota. K{\"a}yt{\"a}nn{\"o}n malliin ei t{\"a}ll{\"a} sarjalla p{\"a}{\"a}sty, sill{\"a} leiv{\"a}n tilavuuden ennustamiseen riitt{\"a}v{\"a}ll{\"a} tarkkuudella olisi tarvittu yli 10 jauhomuuttujan mittausta. Yhteisty{\"o}ss{\"a} VTT:n biotekniikan laboratorion kanssa tutkittiin, voitaisiinko mallasanalyysej{\"a} korvata NIR tekniikalla. Ohramallastutkimuksessa spektrit mitattiin jauhetusta maltaasta, mutta osa analytiikasta k{\"a}sitti mallasuutteen ominaisuuksia. N{\"a}iss{\"a} mittauksissa ei saatu kovin hyvi{\"a} tuloksia, koska tuolloin k{\"a}yt{\"o}ss{\"a} ollut detektori oli herkkyydelt{\"a}{\"a}n riitt{\"a}m{\"a}t{\"o}n.",
keywords = "Fourier transform infrared spectrometry, near infrared spectra, wheat, cereal processing, breadmaking, quality inspection, baking quality",
author = "Jaana Sorvaniemi and Arvo Kinnunen and Yrj{\"o} M{\"a}lkki",
year = "1992",
language = "Finnish",
isbn = "951-38-4144-8",
series = "VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes",
publisher = "VTT Technical Research Centre of Finland",
number = "1331",
address = "Finland",

}

Sorvaniemi, J, Kinnunen, A & Mälkki, Y 1992, FT-NIR-spektroskopia viljatuotteiden pitoisuus- ja laatumittauksessa. VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes, no. 1331, VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo.

FT-NIR-spektroskopia viljatuotteiden pitoisuus- ja laatumittauksessa. / Sorvaniemi, Jaana; Kinnunen, Arvo; Mälkki, Yrjö.

Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 1992. 79 p. (VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes; No. 1331).

Research output: Book/ReportReportProfessional

TY - BOOK

T1 - FT-NIR-spektroskopia viljatuotteiden pitoisuus- ja laatumittauksessa

AU - Sorvaniemi, Jaana

AU - Kinnunen, Arvo

AU - Mälkki, Yrjö

PY - 1992

Y1 - 1992

N2 - Raportin alkuosassa käsitellään IR/NIR spektroskopian teoreettisia perusteita sekä laitetekniikoita. Tietyn yhdisteen kaikilla molekyyleillä tai molekyyliryhmillä on sama energiatila, jota voidaan mitata epäsuorasti absorptiospektrillä. NIR alueella tähän energiatilaan vaikuttaa hydrataatioaste, lämpötila ja molekyyliryhmän viereiset molekyyliryhmät. Tärkeimmät ryhmät elintarvikkeilla NIR alueella ovat C H , O H ja N H ryhmät. Laitetekniikka jaetaan suodatinlaitteisiin, dispersiivisiin laitteisiin ja Fourier muunnos(FT) laitteisiin. Suodatinlaitteet mittaavat 6-20 kapeaa kaistaa spektristä. Näistä kaistoista käytetään kahdesta neljään tietyn komponentin määrittämiseen. Dispersiivisillä ja FT spektrometreillä mitataan joko koko NIR alue tai huomattava osa siitä. Analytiikassa käytetään joko muutamia spektripisteitä tai muutamia spektrialueita monimuuttujaregression avulla tapahtuvaan laskentaan. FT IR/NIR laitteiden etuja dispersiivisiin verrattuina sekä FT IR/NIR laitteiden näytetekniikkaa eri olomuodoissa oleville näytteille selostetaan raportin jälkimmäisessä osassa. IR/NIR tekniikan sovellutuskohteet ulottuvat vilja , liha ja maitotuotteista farmaseuttisiin ja teknokemian tuotteisiin sekä pakkausmateriaaleihin. Tärkein sovellutuskohde ovat tähän mennessä olleet vilja ja viljapohjaiset tuotteet. Tutkimuksen keskeisin tavoite oli selvittää laatutekijöiden mittausmahdollisuutta nopealla IR/NIR tekniikalla. Toinen tutkimuksen tavoite oli selvittää, mitkä analysoiduista muuttujista vaikuttivat eniten leivän ominaistilavuuteen ja leivän vanhenemiseen. Tällöin ei käytetty NIR dataa vaan näytteistä määritettyjä kemiallisia ja fysikaalisia mittaustuloksia. Saatua tietoa voidaan käyttää leivontaprosessin mallituksessa. Käytännön ongelmaksi valittiin vehnän leivontalaadun määrittäminen. Aineisto jakaantui viiden näytteen suppeaan sarjaan ja 40 näytteen laajaan sarjaan. Tutkimuksessa otettiin huomioon lähes kaikki kemialliset, entsymaattiset ja fysikaaliset mittaukset, jotka ovat yleisesti käytössä leipomoissa. Näitä täydennettiin taikinan viskoelastisuuteen liittyvillä mittauksilla reometrilla sekä aminohappoanalyyseillä. Näytteistä suoritettiin koeleivonnat. Paistetuista leivistä mitattiin kovuus ja tilavuus. Jauhoista mitattujen spektrien korrelaatiota tutkittiin kaikille mitatuille ominaisuuksille, myös leipien kovuuteen ja tilavuuteen. Korrelaatiotutkimuksessa käytettiin pääkomponentteihin perustuvaa monimuuttujaregressiota. Hyvä korrelaatio löytyi suurimmalle osalle muuttujista. Laaja sarja jaettiin yhtäsuuriin kalibrointijoukkoon ja 'tuntemattomaan' joukkoon. Pitoisuuksienkin kalibrointiin tarvittava näytemäärä on jo 30-40 ja laatuominaisuuksiin jopa muutamia satoja. Liian pienestä kalibrointijoukosta huolimatta kosteudelle, proteiinille ja kostealle sitkolle saatiin hyvä tulos. Mitattujen muuttujien vaikutusta leivän ominaistilavuuteen ja kovuuteen tutkittiin UNSCRAMBLER ohjelman avulla laadituilla malleilla. Tällöin ei käytetty NIR spektrejä vaan jauhoista mitattuja analyysituloksia. Lähes kaikki mitatut ominaisuudet vaikuttivat leivän ominaistilavuuteen, mutta leivän vanhenemiseen ei löytynyt korrelaatiota. Käytännön malliin ei tällä sarjalla päästy, sillä leivän tilavuuden ennustamiseen riittävällä tarkkuudella olisi tarvittu yli 10 jauhomuuttujan mittausta. Yhteistyössä VTT:n biotekniikan laboratorion kanssa tutkittiin, voitaisiinko mallasanalyysejä korvata NIR tekniikalla. Ohramallastutkimuksessa spektrit mitattiin jauhetusta maltaasta, mutta osa analytiikasta käsitti mallasuutteen ominaisuuksia. Näissä mittauksissa ei saatu kovin hyviä tuloksia, koska tuolloin käytössä ollut detektori oli herkkyydeltään riittämätön.

AB - Raportin alkuosassa käsitellään IR/NIR spektroskopian teoreettisia perusteita sekä laitetekniikoita. Tietyn yhdisteen kaikilla molekyyleillä tai molekyyliryhmillä on sama energiatila, jota voidaan mitata epäsuorasti absorptiospektrillä. NIR alueella tähän energiatilaan vaikuttaa hydrataatioaste, lämpötila ja molekyyliryhmän viereiset molekyyliryhmät. Tärkeimmät ryhmät elintarvikkeilla NIR alueella ovat C H , O H ja N H ryhmät. Laitetekniikka jaetaan suodatinlaitteisiin, dispersiivisiin laitteisiin ja Fourier muunnos(FT) laitteisiin. Suodatinlaitteet mittaavat 6-20 kapeaa kaistaa spektristä. Näistä kaistoista käytetään kahdesta neljään tietyn komponentin määrittämiseen. Dispersiivisillä ja FT spektrometreillä mitataan joko koko NIR alue tai huomattava osa siitä. Analytiikassa käytetään joko muutamia spektripisteitä tai muutamia spektrialueita monimuuttujaregression avulla tapahtuvaan laskentaan. FT IR/NIR laitteiden etuja dispersiivisiin verrattuina sekä FT IR/NIR laitteiden näytetekniikkaa eri olomuodoissa oleville näytteille selostetaan raportin jälkimmäisessä osassa. IR/NIR tekniikan sovellutuskohteet ulottuvat vilja , liha ja maitotuotteista farmaseuttisiin ja teknokemian tuotteisiin sekä pakkausmateriaaleihin. Tärkein sovellutuskohde ovat tähän mennessä olleet vilja ja viljapohjaiset tuotteet. Tutkimuksen keskeisin tavoite oli selvittää laatutekijöiden mittausmahdollisuutta nopealla IR/NIR tekniikalla. Toinen tutkimuksen tavoite oli selvittää, mitkä analysoiduista muuttujista vaikuttivat eniten leivän ominaistilavuuteen ja leivän vanhenemiseen. Tällöin ei käytetty NIR dataa vaan näytteistä määritettyjä kemiallisia ja fysikaalisia mittaustuloksia. Saatua tietoa voidaan käyttää leivontaprosessin mallituksessa. Käytännön ongelmaksi valittiin vehnän leivontalaadun määrittäminen. Aineisto jakaantui viiden näytteen suppeaan sarjaan ja 40 näytteen laajaan sarjaan. Tutkimuksessa otettiin huomioon lähes kaikki kemialliset, entsymaattiset ja fysikaaliset mittaukset, jotka ovat yleisesti käytössä leipomoissa. Näitä täydennettiin taikinan viskoelastisuuteen liittyvillä mittauksilla reometrilla sekä aminohappoanalyyseillä. Näytteistä suoritettiin koeleivonnat. Paistetuista leivistä mitattiin kovuus ja tilavuus. Jauhoista mitattujen spektrien korrelaatiota tutkittiin kaikille mitatuille ominaisuuksille, myös leipien kovuuteen ja tilavuuteen. Korrelaatiotutkimuksessa käytettiin pääkomponentteihin perustuvaa monimuuttujaregressiota. Hyvä korrelaatio löytyi suurimmalle osalle muuttujista. Laaja sarja jaettiin yhtäsuuriin kalibrointijoukkoon ja 'tuntemattomaan' joukkoon. Pitoisuuksienkin kalibrointiin tarvittava näytemäärä on jo 30-40 ja laatuominaisuuksiin jopa muutamia satoja. Liian pienestä kalibrointijoukosta huolimatta kosteudelle, proteiinille ja kostealle sitkolle saatiin hyvä tulos. Mitattujen muuttujien vaikutusta leivän ominaistilavuuteen ja kovuuteen tutkittiin UNSCRAMBLER ohjelman avulla laadituilla malleilla. Tällöin ei käytetty NIR spektrejä vaan jauhoista mitattuja analyysituloksia. Lähes kaikki mitatut ominaisuudet vaikuttivat leivän ominaistilavuuteen, mutta leivän vanhenemiseen ei löytynyt korrelaatiota. Käytännön malliin ei tällä sarjalla päästy, sillä leivän tilavuuden ennustamiseen riittävällä tarkkuudella olisi tarvittu yli 10 jauhomuuttujan mittausta. Yhteistyössä VTT:n biotekniikan laboratorion kanssa tutkittiin, voitaisiinko mallasanalyysejä korvata NIR tekniikalla. Ohramallastutkimuksessa spektrit mitattiin jauhetusta maltaasta, mutta osa analytiikasta käsitti mallasuutteen ominaisuuksia. Näissä mittauksissa ei saatu kovin hyviä tuloksia, koska tuolloin käytössä ollut detektori oli herkkyydeltään riittämätön.

KW - Fourier transform infrared spectrometry

KW - near infrared spectra

KW - wheat

KW - cereal processing

KW - breadmaking

KW - quality inspection

KW - baking quality

M3 - Report

SN - 951-38-4144-8

T3 - VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes

BT - FT-NIR-spektroskopia viljatuotteiden pitoisuus- ja laatumittauksessa

PB - VTT Technical Research Centre of Finland

CY - Espoo

ER -

Sorvaniemi J, Kinnunen A, Mälkki Y. FT-NIR-spektroskopia viljatuotteiden pitoisuus- ja laatumittauksessa. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland, 1992. 79 p. (VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes; No. 1331).