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)


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


Abschätzung der Verarbeitungsqualität

RohstoffRohstoffZerkleinerung

(Homogenisierung)

NIRS

sensorische u.physikalische

Analyse

X-Daten

Modell

Y-Daten


Validierung

RohstoffRohstoffZerkleinerung

(Homogenisierung)

NIRS

sensorische u.physikalische

Analyse

Y-Daten(Vorhersage)

Modell

Y-Daten


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


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


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


1) Vergleich unterschiedlicher Vorgehensweisen zur Modellherstellungiterativ vs. retrospektiv

2) Vorhersagemodelle für Verarbeitungsqualität

3) Vorhersagemodelle für Zucker

Nah-InfrarotspektroskopieFragestellung


unbe

kann

te S

pekt

ren NIRS-Modell-Erstellung Jahr 3

NIRS-Modell-Erstellung Jahr 4



NIRS-Modell-Erstellung Jahr 2 jährliche ValidierungNah-Infrarotspektroskopieiterative Vorgehensweise




Nah-Infrarotspektroskopieretrospektives Modell

NIRS-Modell-Erstellungmit gesamtem Datensatz

Kalibrier-Datensatz

Überprüfung

Modell

Validier-Datensatz


Ergebnisse


NIR: TM• Iteratives Modell

n: 864Bereich: 15,7 - 35,2SEC: 0,595R²cal: 0,966SD/SEC: 5,29

• Retrospektives Modell


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


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





V a

l i d

i

e

r u

n g



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






V a

l i d

i

e

r u

n g



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






V a

l i d

i

e

r u

n g



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






V a

l i d

i

e

r u

n g



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


NIR: Red. Zucker


n: 648Bereich: 4 - 194SEC: 39,6R²cal: 0,159SD/SEC: 1,09




V a

l i d

i

e

r u

n g


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


0 100 200 300 400

Red

. Zuc

ker_

Pred

[mg

100

g-1 F

M]

0

100

200

300

400


NIR: Saccharose






V a

l i d

i

e

r u

n g


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

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000


NIR: Gesamtzucker


n: 660Bereich: 12 - 916SEC: 109R²cal: 0,574SD/SEC: 1,35




V a

l i d

i

e

r u

n g


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

cker

_Pre

d [m

g 10

0 g-1

FM

]0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000


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



Reduzierende Zucker


0 100 200 300 400

Red

. Zuc

ker_

Pred

[mg

100

g-1 F

M]

0

100

200

300

400

Reduzierende Zucker


0 100 200 300 400

Red

. Zuc

ker_

Pred

[mg

100

g-1 F

M]

0

100

200

300

400


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

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

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