Smart sensor kan gjøre matavfall om til protein av høy kvalitet

Når man lager matprodukter fra kjøtt og fisk, står man igjen med restråstoff, som skinn og bein. Med ny bioteknologi kan råstoff som tidligere ble brukt til produkter med lav verdi, eller endte som avfall, i stedet bli til verdifulle ingredienser.

En av disse ingrediensene er protein. Mange bedrifter ønsker å gjøre om restene til proteinrike ingredienser som kan brukes i dyrefôr, kosttilskudd og matprodukter. På den måten får man mer ut av dyret eller fisken.

– Etterspørselen etter protein øker globalt. Ny teknologi kan hjelpe matindustrien til å bli mer bærekraftig, mer effektiv og bedre forberedt på fremtiden, sier Bijay Kafle.

Smart sensor skal sjekke kvaliteten på proteinene

Kafle er forsker ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU). Kafle og kollegaene utvikler teknologi basert på infrarøde sensorer, som en del av forskningssenteret DigiFoods. Målet er å hjelpe industrien med å kontrollere kvaliteten i matproduksjon.

Matprodusenter kan bruke teknologien til å hente ut informasjon om proteiner fra restråstoffet. Disse proteinene kalles proteinhydrolysater. I dag brukes disse først og fremst i dyrefôr, men bedrifter ønsker også å bruke dem som proteiningredienser til mat. Da må proteinhydrolysatene ha høy kvalitet.

Hvorfor måles proteinene i sanntid?

Det er vanskelig å hente ut proteinene på en kontrollert måte. En vanlig metode er enzymatisk hydrolyse. Der blir råstoffet – for eksempel fiskebein – malt opp og tilsatt enzymer. Disse bryter proteinene ned i mindre biter. Under hydrolysen endrer sammensetningen av proteinene seg hele tiden. Den påvirkes av hvilket råstoff og enzymtype som brukes, og av forhold som temperatur, vannmengde og gjennomstrømning.

Derfor varierer også kvaliteten på sluttproduktet gjennom hele prosessen.

Derfor fungerer ikke dagens løsninger

For å få et godt produkt, må man ha presis kontroll gjennom hele prosessen. Men metodene vi bruker for å kontrollere kvaliteten i dag er tidkrevende og dyre. I tillegg gjøres de på laboratorier langt unna produksjonslinjen i fabrikkene.

– Vanlige verktøy, som kommersielle infrarøde spektrometre, er store, krever at man tar prøvene manuelt og at man har ansatte som har fått opplæring i å bruke dem. De er også følsomme for varme, fukt og skitt. Det gjør dem lite egnet for røffe fabrikkmiljøer, sier Kafle.

Data fra infrarøde målinger på lab kan allerede kobles til kvalitet og forskjeller i råstoff og enzymtyper. Men resultatene kommer for sent til at de kan brukes til sanntidskontroll. Fordi det tar lang tid å få resultater fra laboratoriet, fortsetter produksjonen ofte uten justeringer. Resultatet er at kvaliteten på produktene varierer og at råmaterialet ikke utnyttes godt nok.

– Siden kvaliteten på proteinene endrer seg raskt gjennom hydrolyseprosessen, må sensoren kunne følge disse endringene og måle kvaliteten i sanntid, sier Kafle.

Industrien mangler et raskt og robust instrument som kan måle sammensetningen av proteinene direkte i produksjonslinjen.

Slik virker den nye sensoren

Forskerne håper å løse dette problemet ved å bruke midtinfrarødt lys og avanserte datamodeller. De lager en kompakt sensor som kan installeres direkte i produksjonslinjen. Der kan den overvåke prosessen fortløpende. Instrumentet tar små prøver automatisk – hvert eneste minutt. Disse analyseres. På sikt er planen å bruke dataene i en digital tvilling som kan styre prosessen. Slik skal de sikre stabil og høy kvalitet på produktet.

– Det er utfordrende å måle proteinhydrolysater direkte fra produksjonslinjen, sier Mehmet Can Erdem. Han er doktorgradsstudent i DigiFoods, hvor han jobber med dataanalyse og utvikling av infrarøde instrumenter.

– Prosessen er svært dynamisk, og prøvene er heterogene og vanskelige å måle med tradisjonelle spektroskopiske verktøy. Derfor trenger vi nye metoder for å gjøre målinger i produksjonslinjen, basert på direkte samspill mellom lys og materiale, sier han.

Proteinhydrolysater består av sammensatte blandinger av olje-, vann- og fastfase. Vannfasen er rik på stoffene peptider og aminosyrer. Det er disse som er viktigst for ernæring og kvalitet. Derfor blir vannfasen skilt ut og sendt til måling via en såkalt flow-celle. Det er en liten målecelle som væske kan strømme gjennom. Slik kan væsken analyseres uten at prosessen stoppes.

Inne i flow-cellen blir prøven belyst med midt-infrarødt lys. Lyset gir detaljert informasjon om den kjemiske sammensetningen av prøven.

Datamodeller tolker de infrarøde signalene

Ved hjelp av avanserte datamodeller kan systemet oversette infrarøde signaler til informasjon om prøven. Den kan for eksempel anslå hvor mye peptid eller kollagen det er i prøven og om molekylene har endret seg. Det gir et bilde av hvor langt hydrolysen har kommet, i sanntid.

– Dette gjør at vi kan overvåke og kontrollere prosessen nøyaktig, selv når råmaterialene varierer, sier Erdem.

Systemet renser seg selv automatisk etter hver måling. På den måten kan det gi løpende og stabile målinger, uten at ansatte må håndtere det manuelt.

Samarbeid med industrien

Instrumentet utvikles spesielt for bruk i matindustrien. NMBU-teamet samarbeider med DigiFood-partnerne Biomega og Bioco, som leverer prøver fra fabrikkene sine til forskerne. Med ekte prøver er det enklere for forskerne å tilpasse løsningen til bedriftenes faktiske behov.

– Målet er å gå fra prototype til full industriell demonstrasjon. Vi vil sikre at systemet er robust, pålitelig og enkelt å bruke i eksisterende produksjonslinjer, sier Kafle.

Først når forskerne kan vise at teknologien fungerer i en ekte fabrikk, i full skala og under normale driftsforhold, kan den kommersialiseres og rulles ut i bedrifter.
Sensoren er utviklet for fremtidens digitale matproduksjon. Systemet kan sende sanntidsdata inn i digitale modeller av produksjonsprosessen – en digital tvilling. Det vil gjøre det mulig å forutsi utfall, optimalisere ytelse og forbedre sporing.

Kafle mener at dette kan få stor betydning for matindustrien. Med bedre sanntidskontroll kan bedrifter utnytte råstoffene bedre, redusere avfall og gjøre om biprodukter til verdifulle ingredienser til mat og fôr.

– Dette støtter visjonen om den fjerde industrielle revolusjon, hvor omfattende digitalisering kobler fabrikker, mennesker og produkter sammen i intelligente og effektive systemer, sier Kafle.