SINTEF Fiskeri og havbruk Måleteknikker for bruk i prosess- og produktkontroll ved fremstilling av fôr og næringsmidler SINTEF Fiskeri og havbruk Marit Aursand Trondheim 6.4.2005

MR senteret ved NTNU/SINTEF: (NMR – kjerne magnetisk resonans) FoU samarbeid for utvikling og bruk av MR teknologi innen FoU områdene: Medisin, Olje, Materialer, Biologi/biokjemi og Næringsmidler (fisk, kjøtt etc)

FoU gruppe ved SINTEF SFH/NTNU Maskin syn og MR teknologi for bruk i næringsmiddelforskning Emil Veliyulin forsker, Ph.D SINTEF Fiskeri og havbruk Ulf Erikson seniorforsker, Ph.D SINTEF Fiskeri og havbruk Ida Grong Aursand, Ph.D student Ekrem Misimi, Ph.D student Trond Singstad forskningsingeniør (NTNU, Medisinsk fakultet) Ingrid Gribbestad seniorforsker, Ph.D NTNU/SINTEF Fiskeri og havbruk Marit Aursand seniorforsker, Ph.D SINTEF Fiskeri og havbruk Eva Falch, Ph.D student Inger BeateStandal, Ph.D student

Måleteknikker – noen behov ? Effektive, lønnsomme og miljøvennlige at-,on-line teknikker Verifisering av sporbarhetsdata – produkt sammensetning, opprinnelse etc. Måleteknikker som gir ny kunnskap om prosessers innvirkning på næringsmidlet – produktutvikling Måleteknikker/sensorer for deteksjon – integrerte systemer i automatiserte produksjonslinjer for sortering (størrelse, kvalitets parameter)

Effektive, lønnsomme og miljøvennlige Måleteknikker – noen behov ? Effektive, lønnsomme og miljøvennlige at-,on-line teknikker

Rapid determination of fat content in salmon with NMR mouse

Results from a field study using 40 live salmons (in collaboration with Aqua Gen AS)

NMR mouse: local probe and surface scanner From fat point measurements to fat images Norwegian Quality Cut (NQC) in salmon kh .khkøhlihnl 33-36% fat

Lavfelts NMR Instrument: BRUKER minispec mq series Bruksområder : Protein- , fett- , karbohydrater- og vann-innhold i fiske fôr og dets ingredienser Fett og vanninnhold i fisk og kjøtt Viskositet i fiske olje Vanninnhold i klipfisk Struktur studier/ vannets tilstand i næringsmidler Etc. 1H resonance frequency: 10 and 20MHz Probe diameters: 10, 18 and 40mm Variable temperature: -100°C  +200 °C Gradient Unit: max 4T/m

Quantification of water and fat content in salmon y = 0,8497x + 0,003 R 2 = 0,9694 5 10 15 20 Fat Content, [%], (Chemical, Bligh & Dyer) Fat content , [%], (NMR ) y = 1,0151x - 1,595 R 2 = 0,9159 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Water content [%], (Dry weight) Water content [%], (NMR)

Endringer i vannets tilstand i tørket og rehydrert torske muskel – metode for å studere effekt av prosesser på “vannfordeling” – lav felts NMR studier 0,2 0,4 0,6 0,8 1 10 100 1000 10000 Time [ms] Normalized intensity Rehydrated cod Destilled water Fresh cod

Lav felts NMR er tatt i bruk at-line for optimalisering av fôrproduksjon

Komposisjonelle analyser av fiskefôr og råvarer med lavfelt NMR

Korrelasjoner : NMR mot kjemisk verdi Protein Karbohydrat Fett Vann

i anlegg i Norge og Chile. Fordeler ved bruk av Lavfelts NMR i forhold til tradisjonelle kjemiske metoder i fôr produksjon Hurtig (15 sek/ måling for dagens oppsett, kan reduseres til 1 sek) Utføres av ansatte i produksjonen Svært lave driftskostnader Ikke – ødeleggende for prøven, den kan benyttes videre Ikke bruk av giftige kjemikaliser Kan lett benyttes for ulike formål Kan integreres inn i prosess-linjen – optimalsiering av prosess Automatisert data lagring i felles databaser Fôrleverandøren har installert Lav felts NMR utstyr i anlegg i Norge og Chile.

Konsekvenser ? Det kjemisk laboratoriet legges ned ! En ”riktigere” sammensetning av produktet i forhold til varedeklarasjon, ”sparer” dyre råvarer. Store innsparinger hver år !!

Måleteknikker – noen behov ? Verifisering av sporbarhetsdata – produkt sammensetning, opprinnelse etc.

Fremtidens testing mht opprinnelse og forfalskning - ved bruk av NMR teknologi ? Database & Multivariat dataanalyse = opprinnelsestesting ?

Authentication by using NMR techniques Nuclear magnetic resonance (NMR) Get a fingerprint (spectra) Data processing using multivariate data analysis = origin testing , adulteration

2H (deuterium) NMR teknikken Fordeling av deuterium i molekyler som vann etanol fettsyrer etc. varierer pga isotop diskriminering ved fysiske eller biokjemiske reaksjoner samt miljømessige påvirkninger 2H NMR er offisiell EU metode for påvisning av forfalskning av vin (Official Journal of the European Communities (1990) Vol. 33, L272.)

600 MHz 13C NMR spectrum of extracted salmon lipids A TRIGLYCERIDE MOLECULE α-chain β-chain Carbonyl carbon Fatty acid β-DHA α-DHA CARBONYL REGION β-EPA β-18:4 β-DPA α-EPA α-18:4 α-DPA 600 MHz 13C NMR spectrum of extracted salmon lipids

Wild versus farmed salmon PNN (Probabilistic Neural Network) : Input Data: 25 PCA Scores (from 247 samples x 187 variable data set) Wild = 0 Farmed = 1 Wild versus farmed predictions are clearly feasible

Geographical origin - salmon samples PNN (Probabilistic Neural Network) : Input Data: 25 PCA Scores from 181 samples x 187 variable data set) Norway = 1 Scotland = 2 Iceland = 3 Ireland = 4 Canada = 5 Faroes = 6 Unknown = 7 Geographic origin predictions appear to be feasible although somewhat more difficult than wild versus farmed

Wild verus farmed cod Seems that wild vs farmed differences are large for cod. The database is relatively small.

Cod samples – geographical origin Probabilistic Neural Network (PNN) Norway = 1 Scotland = 2 There are consistent differences between Scotland and Norway with respect to country of origin.

Cod samples – geographical origin Probabilistic Neural Network (PNN) Norway = 1 Scotland = 2 There are consistent differences between Scotland and Norway with respect to country of origin.

13C NMR spekter Kommersiell lakse olje Helsekostprodukt “Salmon oil” (dyphavslaks)

Fake salmon oils Real salmon oils Generative Topographic Mapping to the task of visualization and classification of the 13C NMR data. Fake salmon oils Real salmon oils

SOME APPLICATIONS USING HR NMR IN FISH LIPIDS Fatty acids and positioning of fatty acids in the triacylglycerol and phospholipids molecule Aursand et al (1992-95) Medina et al (1994) Formation of free fatty acids during lipolysis of fish Medina et al, Falch et al (2005) Lipid oxidation Medina et al (1998) Autentication/origintesting of fish Aursand et al (1995-) Quantification of n-3 and DHA in fish oils Igaraschi et al (2000), Aursand et al (2005) Lipid oxidation Saito (1997) Falch et al (2004) 31P Quantification of phospholipids (not in fish) Helmerich and Koehler (2003)

Biochemical reactions – hydrolysis of lipids (13C extracts) 55 54 -N(CH3)3 Time 0 Stored 1 week Biochemical reactions – hydrolysis of lipids (13C extracts) (Falch, Størseth, Aursand, NMR in Food Science, 2005) Less intensity of carbons signals from phosphorgroup - indication of other reactions than those catalysed by A and B phospholipases.

1H – MAS - NMR Intact tissue of cod liver ■ Detectable changes within 2 days (4oC). ■ High resolution of peaks and possibility to quantify n-3 fatty acids n-3 2 days Control 4.0 3.5 3.0 1.0 0.9 0.8 (Falch, Størseth, Aursand, NMR in Food Science, 2005)

Høyfelts NMR inn i prosesslokalene ?

Måleteknikker – noen behov ? Måleteknikker som gir ny kunnskap om prosessers innvirkning på næringsmidlet /fôr - produktutvikling

Salting av laks studert vha. Magnetic Resonance Imaging (MRI) Fordeler med MRI teknikken: ikke destruktiv hurtig (3 –10 min per bilde) kvantitativ informasjon om både vann- og saltfordeling flere snitt som dekker hele prøve kan avbildes samtidig ++++

} = 18 h før MRI-måling Forsøksoppsett Skisse: MRI-bilder Skinnside 16% lake Salting av hel filet Saltetid: 4 h Utjevning: 14 h } = 18 h før MRI-måling Skisse: MRI-bilder Hodedel (høyfett) Referanser (2, 4, 6% saltløsning) Haledel (lavfett) Laterallinje Rygg Skinnside Innside filet

Prerigor Postrigor Frossen/Tint

Lavfelt NMR: studier av vannets tilstand i muskelen Bruker minispec mq 20

Water Content in Clip Fish fish ROI reference ROI Mref Mfish Regions of Interest (ROI) defined in the fish area of the image and in the 64.3% reference samle placed on the left hand side of the fish sample Monoexponential extrapolation of the corresponding decay curves to zero time gives a measure of the total water content in the sample (Mfish)

Diffusion of salt into cod fillet - real time study by MRI ROI 1 ROI 2 Plexiglass tube Cod fillet Chosen regions of interest Brine Plexiglass plate Sketch of the sample holder with the cod fillet surrounded by brine used in the real-time MRI study of sodium diffsion In vitro salt depletion in brine and salt uptake in the two regions (ROI 1 and ROI 2) of the fillet calculated from the real-time 23Na-MRI study

Fat/connective tissue Water 3-D imaging: separation of fat/connective tissue from water based on MRI contrast Fat/connective tissue Water

Måleteknikker – noen behov ? Måleteknikker/sensorer for deteksjon – integrerte systemer i automatiserte produksjonslinjer for sortering (størrelse, ulike kvalitetsparametre)

Maskinsyn – Computer vision Automatisk bildebehandling for ’on-line’ sortering og kvalitetskontroll av laks – Sortering på av hel fisk grunnlag av: Vekt, lengde K-faktor Eventuelle ytre defekter : ’korthaler’, ’pukkellaks’, Sårskader skjelltap

Maskinsyn – Computer vision Automatisk bildebehandling for ’on-line’ sortering og kvalitetskontroll av laks – Sortering på filet grunnlag av: farge, fargefordeling (Roche) fett- og fettfordeling trimmegrad blod- og melaninflekker samt filèt-spalting

Fremtidens kvalitetssortering av pelagisk fisk ?

Fremtidens kvalitetssortering av pelagisk fisk ?