Normalt foretages den type kvalitetsanalyser i fødevareindustrien og den farmaceutiske industri med besværlige vådkemiske metoder eller forholdsvis dyrt såkaldt spektroskopisk udstyr, som kan måle, hvordan lys ved forskellige bølgelængder både absorberes og spredes, når det rammer analyseprøverne. Ud fra de oplysninger er det muligt at fastslå den kemiske sammensætning af prøvens indhold. Værdierne siger også noget om partikler af forskellig størrelse – fx fedt eller protein.
- Men spektrometre er en dyr løsning til mellem 200.000 og 400.000 kroner, så vi tænkte på, om det ville være muligt at bruge den samme idé om lysspredning i en billigere enhed. Vi besluttede os for at gennemføre en forundersøgelse med så billigt udstyr som muligt - tre lysdioder og et digitalt kamera. Ideen var blot at se, om det ville være muligt, og om vi med de rette matematiske værktøjer kan bruge sådan noget udstyr til at evaluere fedt-og proteinindhold i mælken, fortæller lektor Sergey Kucheryavskiy fra Sektion for Kemiteknologi i Esbjerg.
Spejlreflekskameraet med dets præcise indstillingsmuligheder var nyttigt i forsøgene, men reelt kan det gøres med endnu billigere grej, vurderer Sergey Kucheryavskiy:
- Faktisk har mange smartphones et kamera med en tilstrækkelig kvalitet til, at det kan skal bruges til det her formål. Vi har forestillet os, at løsningen kunne implementeres som en ekstra "boks" til smartphones. I givet fald kan det fx være et instrument til landmænd, der kan foretage en hurtig og billig evaluering af mælkens egenskaber. Det vil også være relevant for andre, der har brug for at kontrollere mælkekvaliteten, men ikke har brug for meget nøjagtige resultater.
Dansk-tysk samarbejde
Idéen opstod og blev afprøvet i et samarbejde med det tyske selskab J&M Analytik, der netop udvikler og producerer spektroskopiske sensorer til fødevare-og medicinalindustrien. På en konference kom Sergey Kucheryavskiy og kollegaen Andrey Bogomolov fra J&M Analytik til at diskutere muligheden for at konstruere en markant billigere enhed, der alene skulle bruge lysspredningen som parameter i stedet for også at fokusere på lysabsorberingen som normalt.
Mælkeprøverne blev anbragt i en lille petri-skål og affotograferet med et spejlreflekskamera på et stativ, samtidig med at de blev belyst med kraftigt blåt, grønt og rødt LED-lys. Efterfølgende blev et større antal fotos samlet til højopløselige HDR-billeder, som i andre sammenhænge benyttes til at give ekstra dybde og skarphed i kunstfærdige landskabsfotos, men som her blev udnyttet til at analysere små forskelligheder mellem billederne. Teknikken gjorde det muligt at indfange et større dynamisk område og repræsentere forskellige intensitetsniveauer mellem de lyseste og de mørkeste dele af billedet.
- Mælk er reelt vand, der indeholder mange partikler i form af fedt og protein. Når lyset spredes af partiklerne, kan vi bruge de oplysninger til at vurdere antallet og karakteren af partikler. Et af mine forskningsområder er netop billedanalyse, så jeg fandt en metode til at udtrække karakteristiske egenskaber fra billederne, som afspejler fedt-og proteinindholdet, og jeg lavede også matematiske modeller for forudsigelser af indholdet, fortæller Sergey Kucheryavskiy.
Analyserne af billederne foregik i et avanceret computerprogram til matematisk billedanalyse, hvor Sergey Kucheryavskiy sammenlignede mælk med forskellige grader af homogenisering og prøver med forskelligt indhold af protein og fedt. For at kunne gennemføre og kontrollere forsøgene, var det nødvendigt på forhånd at have eksakt viden om den mælk, der blev brugt. Pixelintensiteten i billederne af en mælkeprøve afhænger af størrelsen og tætheden af lysets spredning i indholdet af fedt og protein, så dermed giver intensiteten direkte viden om indholdet.
- Da det var en forundersøgelse, havde vi brug for mælkeprøver med foruddefinerede kvalitetsparametre, så vi forberedte vores egne prøver fra såkaldte råmælksstandarder. Det er en meget almindelig procedure, og der er virksomheder, der producerer og sælger disse normer. Vi lavede flere blandinger, og vi homogeniserede dem med forskellige homogeniseringstider for at få dem tættere på rigtig mælk. Til sidst tog vi 15 billeder for hver mælkeprøve, hvor vi brugte de tre lysdioder og fem forskellige eksponeringstider på kameraet, forklarer kemi-forskeren.
Resultaterne er blevet publiceret i en videnskabelig artikel, men det er endnu uvist, om de også bliver omsat til billigere mælkeanalyseudstyr.
Yderligere oplysninger
• 38-årige Sergey Kucheryavskiy fra Sektion for Kemiteknologi på Aalborg Universitet Esbjerg er oprindelig fra Rusland, og han tog sin ph.d.-grad i fysik og matematik fra Altai State University i den sibiriske by Barnaul. Han flyttede til Danmark i efteråret 2007 og har siden arbejdet ved Sektion for Kemiteknologi på Aalborg Universitet Esbjerg. Hans hovedinteresser er dataanalyser og billedanalysemetoder, primært til brug i analytisk kemi.
• Lektor Sergey Kucheryavskiy, Institut for Kemi og Bioteknologi, Sektion for Kemiteknologi, Aalborg Universitet Esbjerg, tlf. 2787 9818.
• Videnskabsjournalist Carsten Nielsen, Aalborg Universitet, mobil 2340 6554.