Biosensoren voor snelle proces- en kwaliteitscontroles

Productielijnen voor voedingsmiddelen zijn steeds sneller en efficiënter geworden. Als gevolg daarvan moeten ook kwaliteitscontroles sneller en accurater worden uitgevoerd. Gelukkig dient zich een nieuwe generatie biosensoren aan voor het opsporen van allergenen, toxines en het DNA van micro-organismen op productielocaties.

Flanders’ FOOD steekt, zoals eerder gemeld, 3 miljoen euro in de toepassing van topinnovaties, die zijn ontwikkeld door de Vlaamse onderzoeksinstellingen Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum (Imec), Katholieke Universiteit Leuven, Vrije Universiteit Brussel (VUB) en het Interdisciplinair Instituut voor Breedband Technologie (IBBT). Het uiteindelijke doel is de voedselveiligheid en de voedselkwaliteit nog beter te garanderen en de procesefficiëntie te verhogen.

NIEUWE GENERATIE BIOSENSOREN
De laatste jaren heeft onderzoek naar en de ontwikkeling van biosensoren een hoge vlucht genomen dankzij talrijke klinisch-diagnostische toepassingen. Eén van de meest succesvolle en geavanceerde biosensortechnologieën is ‘surface plasmon resonance’ (SPR). Hoewel SPR-biosensoren toegepast kunnen worden om snel, met hoge gevoeligheid en kwantitatief allergenen, toxines en het DNA van micro-organismen op te sporen in allerlei voedingsmonsters, worden deze systemen slechts zelden gebruikt in de voedingsindustrie.
De meeste commercieel beschikbare SPR-platformen zijn omvangrijke instrumenten met technische, complexe en dure optische elementen, die geoptimaliseerd werden met het oog op onderzoektoepassingen en uitsluitend bediend kunnen worden door gespecialiseerd personeel.
Een nieuwe generatie SPR-biosensoren, ontwikkeld binnen de MeBioS Biosensorgroep aan de K.U. Leuven, brengt daarin verandering. Deze sensoren maken gebruik van optische glasvezels als draagvlak voor de SPR-technologie ter vervanging van de klassieke prismabenadering. Deze fiberoptische SPR-sensoren worden via een gevorkte vezel gekoppeld aan een halogeen lichtbron en een geminiaturiseerde spectrofotometer. De optische vezel SPR-sensoren zijn niet alleen gevoelig en accuraat, maar tevens compact, betaalbaar en gebruiksvriendelijker. Daarbij leent het systeem zich uitstekend voor multiplexing en behoren hoge doorvoermetingen dus tot de mogelijkheden.

SURFACE PLASMON RESONANCE
Surface plasmon resonance is een optische techniek, waarbij een lichtbundel een elektromagnetische oppervlaktegolf (plasmon) genereert op een dunne goudlaag. De eigenschappen van het weerkaatste licht staan in direct verband met de moleculaire bindingsreacties op het goudoppervlak. SPR laat de gebruiker niet alleen toe om biomerkers te kwantificeren, maar verschaft ook kinetische informatie over de bindingsreactie.
De MeBioS Biosensorgroep van de K.U. Leuven valideerde het biosensorsysteem reeds voor de detectie en het kwantificeren van DNA en allergenen in reële voedingsmonsters. Zo werden de mogelijkheden van het systeem onder andere uitgetest voor de detectie van het pindanootallergeen Ara h1 in verschillende chocolademonsters. Dit is één van de belangrijkste voedselallergenen die bovendien hitteresistent is en dus voedingsprocessing ‘overleeft’.
De sensorprobe bleek zeer selectief het Ara h1 allergeen te herkennen met gevoeligheden tot 9 µg/ml. De detectielimiet kon verder verbeterd worden door superparamagnetische nanobeads te gebruiken om Ara h1 uit de voedingsmatrix te vissen en te concentreren. Daardoor kwam de detectielimiet op 0.09 µg/ml te liggen. De optische vezel SPR-sensorprobes werden tot 50 maal toe probleemloos hergebruikt na een spoeling van 2 minuten in een lichtzure glycinebuffer.
De sensoren hebben dezelfde gevoeligheid als ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay), maar werken veel sneller. Dit komt voornamelijk omdat de optische vezel SPR-sensorprobe in staat is de binding tussen Ara h1 en de receptor rechtstreeks te meten. Een extra troef ten opzichte van ELISA is dat de meting kan worden gedaan in real-time.

BIORECEPTOREN VAN DE TOEKOMST
Tijdens het onderzoek werd speciale aandacht besteed aan het optimaliseren van de oppervlaktechemie. De optische silicavezel werd bedekt met verschillende dunne laagjes, bestaande uit respectievelijk titanium, gouden nanodeeltjes, gemixt polyethyleenglycol (PEG) en op DNA of proteïne gebaseerde receptoren. Deze complexe oppervlaktestructuur zorgt ervoor dat de sensoren uiterst stabiel en zeer specifiek zijn en ongewenste interacties worden vermeden.
In aansluitend onderzoek werd de SPR-sensorprobe ook gecombineerd met het gebruik van aptameren als stabiele en goedkope bioreceptormoleculen. Aptameren zijn synthetische, enkelstrengige stukjes DNA of RNA, die de capaciteit hebben om specifiek te binden met een bepaalde doelmolecule. Veel wetenschappers beschouwen deze als de bioreceptoren van de toekomst. Ofschoon het aptameerselectieproces uit een grote oligonucleotidenbibliotheek bijzonder moeilijk is, zijn er binnen de MeBioS biosensorgroep toch al enkele successen geboekt.

SPECTRALE CAMERA’S
Nieuwe camera’s die met hogere resolutie werken in een breed bandenspectrum zijn in staat om hygiëne- en kwaliteitsafwijkingen te detecteren die vandaag nog onzichtbaar zijn voor de traditionele visionsystemen. Dat blijkt uit een aantal experimenten voor verschillende applicaties, zoals o.m. de kwaliteitsbepaling van frietaardappelen, het detecteren van faecaliën op eieren en het vaststellen van blutsen in appelen. Via Vlaamse expertise komt deze technologie nu ook binnen het bereik van de voedingsbedrijven.
Traditioneel gebeurt kwaliteitsinspectie in de voedingsindustrie met het blote oog door getrainde kwaliteitsmedewerkers. Een automatiseringsontwikkeling heeft er voor gezorgd dat camera’s die opereren in het visuele domein, zogenaamde RGB of rood/groen/blauw camera’s, en zelfs Near Infra Red (NIR) steeds vaker ingang vinden voor dergelijke toepassingen. Deze zijn echter veelal niet in staat om latente afwijkingen, die voor het blote oog onzichtbaar zijn, te detecteren.
Daarom wordt gewerkt aan beeldverwerkingssystemen die de traditionele imaging combineren met spectroscopie. Voor elk pixel in het beeld wordt de RGB-informatie als het ware opgesplitst in vele nauwe bandjes. Het resultaat is dat voor elk pixel een soort spectrale handtekening opgemeten wordt, die voor elk materiaal uniek is. Afwijkingen van deze spectrale handtekening laten zo toe om afwijkingen op te sporen.
De eerste versies van deze camera’s blijken veel beter te presteren dan de RGB-camera’s. In een experiment op frietaardappelen bleken defecten opgespoord te kunnen worden nog voor ze met het blote oog of een RGB-camera zichtbaar werden. Gevolg is niet alleen een snellere maar ook een accuratere classificatie van frietaardappelen en dus diepvriesfrieten met minder visuele- en smaakafwijkingen.
De toepassingsmogelijkheden stoppen echter niet bij het detecteren van kwaliteitsparameters. Hetzelfde principe kan worden toegepast in andere golflengtedomeinen, zoals NIR. Dit biedt perspectieven voor het bepalen van productsamenstellingen. Toegepast op frietaardappel maakt dit bijvoorbeeld een snelle bepaling van het suikergehalte mogelijk.

VOCHTPERCENTAGE METEN
In de voedingsindustrie kennen droogprocessen een breed scala aan toepassingen. Het kan hierbij gaan om droging van vloeibare, vochtrijke tot vrij droge voedingsmiddelen. Hiervoor worden diverse types droogtechnieken gebruikt, waaronder trommeldrogen, flashdrogen, wervelbeddroging, sproeidroging en vriesdroging. Het is belangrijk om deze processen zo nauwgezet mogelijk te volgen met het oog op energetische en economische procesoptimalisatie en het garanderen van de productkwaliteit.
Veelal gebruikt men destructieve en tijdrovende meetmethodes, zoals gewichtsverliesmetingen na droging in het lab of de chemische Karl-Fischer methode, om te bepalen wanneer voedingsproducten hun gevraagde droogtegraad of restvochtwaarde hebben bereikt. Niet-destructieve methodes zijn echter gebruiksvriendelijker. Men kan hiervoor bijvoorbeeld gebruik maken van spectroscopische NIR (Nabij InfraRood)-systemen. Deze kunnen in-line en at-line ingezet worden, maar zijn kostbaar. Ze maken typisch gebruik van golflengten tussen de 800 en 2100 nm.
Nadeel is dat de verkregen informatie in veel gevallen beperkt is tot oppervlakteanalyses. De penetratiediepte van NIR-golven bedraagt immers maximaal enkele 100 µm, omdat de absorptielijnen van water zeer sterk zijn. Bovendien zijn er veel andere ingrediënten in voedingsproducten die ook in deze frequentieband absorberen. Daarom is het kalibreren van deze systemen een heikel punt dat product per product opnieuw gedaan moet worden.
Een nieuw type sensor biedt de mogelijkheid om contactloos te bepalen wanneer voedingsproducten hun gevraagde droogtegraad of restvochtwaarde hebben bereikt. Dit opent de weg voor het goedkoop en real-time volgen van droogprocessen. Via Vlaamse expertise zijn de eerste ontwikkelingen klaar om te worden getest en geoptimaliseerd door voedingsbedrijven.

MILLIMETERGOLFSENSOREN
Millimetergolven (met golflengten tussen 10 en 1 mm) bieden een alternatief voor NIR-golven. De interactie tussen deze golven en water is zeer afhankelijk van de gebruikte frequentie en de hoeveelheid vocht. Omdat deze golven veel zwakker interageren met andere ingrediënten in de voedingsstof, is mm-golveninteractie met vocht veel specifieker dan de IR-interactie met vochthoudende voedingsproducten. Bovendien hebben zij een goed penetratievermogen en een resolutie die toelaat om veel droogprocessen beter te kunnen volgen.
De onderzoeksgroep ETRO aan de VUB ontwikkelde de afgelopen jaren al menig millimetergolfsensortechnologie. Ze beschikt daartoe over een unieke quasi-optische mm-golvennetwerkanalyzer. Hierdoor konden mengmodellen worden opgesteld en sensorconfiguraties afgeleid, die het mogelijk maken om vochtpercentages boven de 4% te meten met resoluties van 0,1%.
Recent werden nieuwe sensorconfiguraties ontwikkeld om vochtpercentages kleiner dan 4% met zeer grote nauwkeurigheid op te meten. Zowel de invloed van de droogtemperatuur als de droogsnelheid kunnen op deze manier nauwkeurig gevolgd worden. Uit het onderzoek blijkt dat de keuze van de meest geschikte werkingsfrequenties en stralingspatronen voor de sensoren en sensorconfiguraties afhangt van de dikte en de grootte van het voedingsproduct en het feit of het voedingsproduct vloeibaar, vochtrijk of droog is.

TEMPERATUUR BIJ VRIESPROCESSEN
Onderzoekers aan de VUB ontwikkelden een technologie om op een niet-destructieve wijze in voedingsmiddelen te kijken. De technologie zou uitermate geschikt zijn voor het volgen van industriële vriesprocessen, zelfs on-line. Zo zou het mogelijk zijn om contactloos het tijdstip te bepalen waarop een product voor 100% ingevroren is en zelfs om de temperatuur binnen voedingsmiddelen op te meten.
De onderzoekers van het departement ETRO slaagden erin om met millimetergolven op een contactloze manier in voeding te kijken met een sensorconfiguratie die tot 1 miljoen keer gevoeliger kan zijn dan voorheen mogelijk. Dit zet de deur open naar een heel scala van nieuwe toepassingen, onder andere voor het controleren van industriële vriesprocessen.
Bij een invriesproces is het vaak de vraag of ook de kern van het product is ingevroren.
Vandaag de dag wordt dit op een handmatige en destructieve manier getest. Men neemt het product van de band, snijdt het doormidden, doet een visuele inspectie en meet de kerntemperatuur. Met millimetergolfsensoren kan dit op een automatische en snelle manier.
Millimetergolven hebben een zeer sterke interactie met water. Vrije watermoleculen worden gepolariseerd door de invallende golven en absorberen deze dan. Bij invriezen tot ijs verliest het water zijn polair karakter, waardoor de golven niet meer geabsorbeerd worden. Deze faseovergang is zeer nauwkeurig te meten.
Voor dunne samples  (bijv. 4 mm) zal in de eerste helft van het invriesproces (voor vloeibare concentraties > 50%) het transmissiesignaal (OT) praktisch nul zijn. In de tweede helft van het vriesproces zal het OT vrij monotoon gaan stijgen tot praktisch 100%. Bijgevolg kan de eindfase van het vriesproces zeer goed in kaart gebracht worden.
Voor dikkere samples (bijv. 40 mm) zal voor het grootste deel van het invriesproces uitsluitend een reflectiesignaal (OR) worden gemeten van om en nabij de 30%. Tegen het einde zal dit reflectiesignaal flink dalen en het transmissiesignaal sterk stijgen.
Voor de optimalisatie van een diepvriesproces is de interne temperatuur van het product belangrijk. Deze kan ook gemeten worden met behulp van milimetergolfsensoren. Daar de respons afhangt van de hoeveelheid vocht, wordt het ook mogelijk de hoeveelheid vocht te bepalen zowel in de bevroren als in de ontdooide toestand.
De technologie leent zich uitstekend voor vlakke en uniforme producten, zoals bijvoorbeeld hamburgers. Oneffen en onregelmatige oppervlakken zijn moeilijker te meten. Vandaag de dag is het mogelijk met commercieel beschikbare componenten een sensorsysteem te bouwen dat geïntegreerd kan worden in een diepvrieslijn. De totaalopstelling is ongeveer 50 cm hoog en stelt geen extreme plaatsingseisen. De meting zelf gebeurt zeer snel, slechts een fractie van een seconde, waardoor een continue online meting mogelijk is.

BESPAREN OP VRIESTIJD EN ENERGIE
Vriezen en diepvriezen zijn energieverslindende processen. Bestaande meettechnieken laten geen nauwkeurige en continue volging van de vriesprocessen toe. Om op veilig te spelen, worden de producten vandaag de dag vaak harder ingevroren dan nodig. Een sensorconfiguratie met millimetergolven biedt continu meetgegevens over de staat van het vriesproces, waardoor optimalisatie mogelijk is. Zo zou de snelheid van de band van een diepvriestunnel automatisch kunnen worden bijgestuurd. Er kan dus bespaard worden op vriestijd en energie.
Naast informatie over het vriesproces zal er ook een waarschuwing worden gegeven indien de productsamenstelling verandert, bijvoorbeeld door een vergissing in de dosering van ingrediënten. Wanneer een millimetergolf door een product gaat, gaat het in interactie met dit product en genereert zo een kenmerkend signaal. Bij afwijkingen in het product, bijvoorbeeld door een vergissing bij de toevoeging van ingrediënten, zal het opgemeten signaal verschillen van het standaardsignaal. De sensor geeft zo een snelle waarschuwing dat er iets veranderd is, zonder echter de oorzaak voor de verandering te kunnen aanduiden.

Flanders’FOOD
Flanders’ FOOD is een initiatief van de Vlaamse Overheid en Fevia Vlaanderen. Bedrijven uit de voedingssector kunnen bij Flanders’ FOOD terecht voor product- en procesinnovaties. Als netwerkorganisatie bevordert Flanders' FOOD de samenwerking met kennisinstellingen en overheid. Flanders’ FOOD vertegenwoordigt meer dan 200 leden-bedrijven.