Possibilities of simplified NIR-analysis in the dairy industry

Abstract

This thesis addresses NIR-analysis of beverages, especially bovine milk. The main purpose of this thesis is to investigate if it is possible to develop a simplified fixed-wavelength instrument for measuring percentage of milk components with sufficient accuracy. Constantly developing food industry may utilize a simple instrument tuned for specific ingredients for process monitoring. The instrument should be designed to function as an on-line process instrument which defines certain limitations. This project was conducted for a client, Inmec Instruments Ltd, who gave this topic to the author.

The reader of this thesis will be familiarized with optical measurement methods, generally to NIR-spectroscopy and more closely to NIR-spectroscopy of food and dairy products. Optical components such as LED-emitters, NIR-detectors and data analysis are also introduced. This thesis is not mainly focused on the engineering and designing of the device itself, but rather to the physics and to the phenomenon. During this project, a laboratory experiment was conducted with commercial benchtop NIR-spectroscope to determine reference results and achieve raw data for analyses and simulations. By simulating different wavelengths, most reactive wavelengths were determined, and prototype of concept device was built according to this knowledge. This prototype was then tested to verify the results.

The result from testing the concept device gave confidence that this concept is possible to utilize in practice. Concept device achieved almost comparable results to commercial NIR-spectrometer. For commercial use, this concept requires further development of optics and electronics.

Tässä diplomityössä tutustutaan elintarvikkeiden, tarkemmin maitotuotteiden NIR-mittaukseen ja siihen onko mahdollista kehittää yksinkertaistettu kiinteän aallonpituuden NIR-mittalaite jolla mitataan maidon komponenttien pitoisuuksia riittävällä tarkkuudella. Alati lisääntyvä elintarviketeollisuus voisi hyödyntää yksinkertaista tietylle aineelle tarkoitettua pitoisuusmittaria prosessien seurannassa. Tämän laitteen tulisi olla on-line prosessimittauskelpoinen joka aiheuttaa tiettyjä rajoitteita mittalaitteelle mittausmenetelmän suhteen. Työ toteutetaan Inmec Instruments Oy:n tarpeisiin joka antoi aiheen työn tekijälle.

Työ perehdyttää lukijan optisiin mittausmenetelmiin, NIR-spektroskopiaan yleisesti sekä elintarvikkeiden ja maidon NIR-spektroskopiaan. Myös optisiin komponentteihin kuten LED-valodiodeihin ja detektoreihin sekä datan käsittelyyn tutustutaan lyhyesti. Työssä ei syvemmin perehdytä itse laitteen suunnitteluun vaan ennemminkin ilmiön ja fysiikan soveltamiseen käytännössä. Projektin aikana tehtiin laboratoriotestit kaupallisella NIR-spektrometrillä jolla määritettiin lähtötaso ja saavutettiin raakadataa analysoitavaksi. Aallonpituuksia simuloimalla määritettiin parhaiten reagoivat aallonpituudet, jonka pohjalta suunniteltiin ja rakennettiin prototyyppi konseptilaitteesta, jolla suoritettiin vertailumittaus.

Vertailumittauksen lopputulos antaa ymmärtää että tutkittavaa menetelmää on mahdollista soveltaa käytännössä, konseptilaitteella saavutettiin rasvan ja proteiinimittauksen osalta lähes spektrometriin verrattava lopputulos. Kaupallista käyttöä varten optista ja elektronista rakennetta on kuitenkin syytä vielä hioa.