FLANDERS' FOOD RADAR

Een kijkje binnenin fruit met X-stralen

De kwaliteit van tuinbouwproducten zoals appels en peren wordt in de praktijk steekproefsgewijs visueel gecontroleerd. Interne afwijkingen zoals bruinverkleuring, holtevorming en glazigheid kunnen dus niet gedetecteerd worden, wat het uitsorteren aanzienlijk bemoeilijkt. De Afdeling MeBios (Mechatronica, Biostatistiek en Sensoren) aan de K.U.Leuven werkt momenteel aan een techniek met 2D- en 3D-röntgenstralen (X-stralen) voor een on-line bepaling van interne vruchtkwaliteit.

Wat gebeurt er bij inwendige schade?

Het ontwikkelen van inwendige schade gaat vaak gepaard met wijzigingen van de microstructuur van het vruchtweefsel. Bij bruinverkleuring gaan cellen kapot, bij holtevorming ontstaan zelfs gaten in de vrucht en bij glazigheid geraken de ruimten tussen de cellen verzadigd met een waterige oplossing. Bij deze defecten zal de densiteit van het weefsel dus telkens (lokaal) veranderen. Net die eigenschap zorgt ervoor dat deze kwaliteitsveranderingen met behulp van X-stralen gedetecteerd kunnen worden.

X-stralen zien veranderingen in densiteit

X-stralen zijn, net als gewoon wit licht, elektromagnetische golven met een energie die kan variëren van 120 eV tot 120 keV, wat overeenkomt met golflengten van 10 tot 0,01 nanometer. Dankzij deze kleine golflengte kunnen X-stralen dwars doorheen vruchten dringen zonder dat je deze hoeft open te snijden. Op die manier bekomt men snel en niet-destructief informatie over inwendige structuren. Wanneer X-stralen doorheen een object dringen, worden deze immers in zekere mate geabsorbeerd naargelang de densiteit van het materiaal; de niet-geabsorbeerde straling wordt met sensoren gedetecteerd en in een beeld vastgelegd (radiografie) (figuur 1). Aangezien de meeste fysiologische afwijkingen een densiteitsverandering vertonen, zien we in de radiografische beelden duidelijk het verschil tussen gezond en aangetast weefsel.

Wanneer bovendien verschillende radiografische beelden van een roterend staal worden genomen, kan met behulp van een wiskundige algoritme een drie-dimensionaal beeld van de inwendige structuur van het object bekomen worden (tomografie).


Figuur 1: Principe van X-stralenradiografie en –tomografie

Toepassing van X-stralen in groenten en fruit

X-stralen werden in het verleden voornamelijk toegepast in de medische wereld, maar hebben inmiddels ingang gevonden in de naoogst- en levensmiddelentechnologie. Totnogtoe wordt radiografie voornamelijk toegepast voor on-line detectie van sterk absorberende objecten (bv. vreemde materialen als metaal, steentjes, glas) in verwerkte producten in bulk of in verpakkingen. Daarnaast werden X-stralen ondermeer gebruikt voor onderzoek van weefselafbraak in radijs, wormschade in pistachenoten, glazigheid in ananas en insectschade in graan. Radiografie voor on-line detectie van defecten werd reeds onderzocht voor kwaliteit van ui en detectie van graankalander in tarwe. In het onderzoek van de afdeling MeBioS worden belangrijke inwendige defecten van appel en peer in een gecombineerde tomografie- en radiografie-aanpak onderzocht.

Glazige weefsels gedetecteerd met X-stralen

Het ontwikkelen van glazige weefsels wordt ondermeer beïnvloed door een hoge blad/vruchtverhouding, hoog stikstof- en boorgehalte, een laag calciumgehalte, grote dunning en wortelsnoei. Daarenboven zijn vruchten die worden blootgesteld aan warme temperaturen en hoge lichtintensiteiten over het algemeen meer vatbaar voor glazigheid. Daarom werden appels afkomstig uit Spanje (Zaragoza) met geïnduceerde glazigheid onderzocht met X-stralen µCT (micro-Computed Tomography). Hierbij werden 180 radiografische beelden gemaakt vanuit verschillende hoeken en gecombineerd om gedetailleerde inwendige informatie te reconstrueren.

De vrucht vertoonde uitwendig een normaal uitzicht (figuur 2). Op basis van de niet-destructief gemeten dwarsdoorsneden konden evenwel afwijkende weefsels gedetecteerd worden. Deze bevindingen werden bevestigd na de vrucht door te snijden en beide beelden te vergelijken


Figuur 2: Glazigheid van appels: (A) De vrucht vertoont uitwendig een normaal uitzicht. (B – C) Afwijkende weefsels worden gedetecteerd m.b.v. niet-destructief verkregen beelden. (D) Destructieve dwarsdoorsnede bevestigt inwendige aantasting

Informatie kwantificeren: grijswaarden vergelijken

Een manier om deze waarnemingen te kwantificeren is door de grijswaardenverdelingen (waarden tussen 0 = zwart en 255 = wit) van de beelden te vergelijken. Elke pixel (picture element) van het X-stralen beeld heeft een grijswaarde die overeenstemt met de mate van absorptie van de X-stralen. Een hogere grijswaarde komt overeen met een sterkere absorptie van de X-stralen. Een afwijkende absorptie van X-stralen, ten gevolge van de defecte weefsels, wordt vertaald in een karakteristieke grijswaardenverdeling. Grenswaarden worden vervolgens opgesteld om vruchten te kunnen classificeren volgens kwaliteit.

Wat brengt de toekomst?

Dankzij de technologie van 2D- en 3D-röntgenstralen wordt het in principe mogelijk om elke vrucht van een partij individueel te evalueren en te sorteren op basis van interne vruchtkwaliteit. Een opstelling met deze technologie zou op de veiling kunnen toegepast worden op een sorteerlijn. Een arbeidsbesparing en een garantie op betere vruchtkwaliteit zijn de succesfactoren van deze technologie.

Nuttige links