die verarbeitungsqualität von kartoffeln · 2019-07-02 · skalierte laborwerte (z.b. noten) sind...

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

i

e

r u

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

l i d

i

e

r u

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

i

e

r u

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

l i d

i

e

r u

n g

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

V a

l i d

i

e

r u

n g

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

V a

l i d

i

e

r u

n g

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

V a

l i d

i

e

r u

n g

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

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d [m

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FM

]

0

100

200

300

400

500

600

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

V a

l i d

i

e

r u

n g

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

100

200

300

400

500

600

700

800

900

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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FM

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100

200

300

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600

700

800

900

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