Met Röntgen- of ‘X’-stralen kijken we al lang in het binnenste van mensen. In de voedingsindustrie worden deze stralen vooral gebruikt in sorteermachines, voor het detecteren van vreemde voorwerpen. Nu kijken we ook in het binnenste van voedingsproducten.
Met röntgen- of X-stralen kijken we al lang binnen in het menselijk lichaam. In de voedingsindustrie wordt dit type straling vooral gebruikt als detectiemethode voor vreemde voorwerpen binnenin het product. X-stralentechnologie heeft echter nog meer in zijn mars voor deze sector. De technologie kan ook gebruikt worden voor het in kaart brengen van de driedimensionale, interne structuur van een product. We denken dan bijvoorbeeld aan hoe luchtholtes of water verdeeld zijn binnenin het product, hoe een laagstructuur is opgebouwd, enzovoort. Deze structuren kunnen tot op microscopische schaal bestudeerd worden en geven inzicht in de functionaliteit van het voedingsproduct.
X-stralenradiografie en X-stralentomografie
X-stralen (of röntgenstralen) zijn een vorm van elektromagnetische straling met een korte golflengte en een hoge energie. Dit maakt dat ze veel beter kunnen binnendringen in materie dan visueel licht. De hoeveelheid straling die door de materie geabsorbeerd wordt, hangt af van de dichtheid. Er kan dus een onderscheid gemaakt worden tussen verschillende componenten van het product en vreemde voorwerpen die verschillen in dichtheid. X-stralen kunnen op twee manieren gebruikt worden voor de interne inspectie van voedingsproducten: via radiografie en via tomografie.
In X-stralenradiografie wordt een vlak, 2D beeld gemaakt van de X-stralen die doorheen een product gestuurd worden. Aangezien dit een 2D-voorstelling oplevert van een 3D product, geeft deze methode geen volledige, ruimtelijke informatie over de (micro-)structuur. De methode is wel snel en geschikt voor de detectie van vreemde voorwerpen.
In X-stralentomografie worden virtuele productsneden gecreëerd door 2D radiografiebeelden te maken vanuit verschillende invalshoeken via een gecontroleerde rotatie. Deze beelden worden vervolgens via een reconstructie-algoritme aan elkaar geregen tot een 3D-voorstelling van de structuur van het product. X-stralentomografie is mogelijk op verschillende ruimtelijke schalen, afhankelijk van de gewenste ruimtelijke resolutie en staalgrootte. Ook microscopische structuren kunnen gevisualiseerd worden. De methode is trager en complexer dan radiografie, maar geeft volledige, ruimtelijke informatie over de productstructuur.
Figuur 1: X-stralen worden doorheen het staal gestuurd en deels geabsorbeerd. De straling die niet werd geabsorbeerd bereikt de detector, om een 2D radiografiebeeld te creëren. Wanneer dit proces herhaald wordt voor verschillende rotatiehoeken, kan via een reconstructie-algoritme een 3D tomografiebeeld opgebouwd worden (Bron: Wang et al., 2018).
Voordelen en uitdagingen
Een X-straleninspectie vraagt geen of weinig staalvoorbereiding en beïnvloedt de productstructuur niet. Dit zorgt ervoor dat de meting niet-destructief is en de intacte (micro-)structuur opgemeten wordt. Bovendien bestaan er tegenwoordig systemen met een hoge resolutie, zowel in ruimte als in tijd, waardoor dynamische processen zoals water- of gastransport in het voedingsproduct opgevolgd kunnen worden.
Een belangrijke voorwaarde voor een X-straleninspectie is echter dat het dichtheidsverschil tussen verschillende componenten/tussen de productmatrix en vreemde voorwerpen groot genoeg moet zijn om opgepikt te worden in de analyse. Bovendien vormt het 3D karakter van een tomografiemeting een uitdaging voor zowel het opmeten als voor de visualisatie. Bijkomende uitdagingen zijn de kostprijs, de nood aan voldoende opslagcapaciteit voor de gegevens en de complexiteit van de beeldverwerking.
Toepassingen in de agro-voedingssector
X-stralentomografie laat toe de volumefracties van verschillende componenten, hun grootte- en vormverdeling en hun connectiviteit te visualiseren en te kwantificeren. Deze informatie kan benut worden voor een beter inzicht in de structuur-functierelaties van voedingsmiddelen. Dit kan bijvoorbeeld van pas komen bij productontwikkeling, processturing, probleemanalyse en verbetering van de proces- of bewaaromstandigheden.
De vraag naar producten met minder suiker, zout en vet, maar eenzelfde smaak en textuur, bijvoorbeeld, is een uitdaging waarbij X-stralentomografie de nodige inzichten kan bieden in hoe de structuur van het voedingsproduct verandert en hoe de interactie met zijn omgeving daardoor wijzigt. Andere mogelijke toepassingen zijn het bestuderen van de zout- en waterverdeling in ham, het opvolgen van de vorming van gaten in kaas, de detectie van interne defecten en het opvolgen van intern gas- en watertransport in groenten en fruit, en het in kaart brengen van vetverdeling, laagstructuren en gascellen in bakkerijproducten.
Hoewel X-stralenradiografie reeds veelvuldig wordt toegepast in de voedingsindustrie, wordt het potentieel van X-stralentomografie in deze sector nog niet ten volle benut. Op het event ‘Hallo Technologie: interne kwaliteitscontrole en detectie vreemde voorwerpen voor de voedingsindustrie’ vertelden we er meer over.
Referentie
Wang, Z., Herremans, E., Janssen, S., Cantre, D., Verboven, P., Nicolai, B. (2018). Visualizing 3D food microstructure using tomographic methods: Advantages and disadvantages. Annual Review of Food Science and Technology, 9: 323-43.
