Dans cette interview, Karen Esmonde-White de Kaiser Optical Systems s'entretient avecMa CliniqueLife Sciences sur la mesure de la composition de la viande de saumon à l'aide de techniques spectroscopiques Raman proche infrarouge.
Sommaire
Quels sont les principaux composants du saumon qu'un outil d'analyse devrait mesurer pendant la transformation?
Nous savons tous que le saumon est un plat populaire et peut être un aliment très savoureux. Nous savons également que la demande de saumon dans le monde est élevée. Cette demande crée un besoin d'efficacité depuis l'élevage initial du saumon jusqu'au moment où il est transformé en usine. Une mesure rapide de la qualité peut aider à atteindre cet objectif.
Idéalement, vous voudriez que votre outil d'analyse prédit les trois principaux attributs de la qualité de la viande: le gras, la couleur et la texture. De plus, l'outil d'analyse devrait être rapide, non destructif et robuste à l'environnement de l'usine, que vous mesuriez avant l'abattage ou dans l'usine de transformation elle-même.
Pour une efficacité maximale, les trois principaux composants de mesure du saumon peuvent être mesurés à l'aide d'une seule sonde, car vous ne voulez pas arrêter l'usine pour prendre une mesure trois fois. Pour ce faire, vous aurez besoin de l'outil pour être hygiénique ou pour ne pas entrer en contact direct avec le tissu.
Les tests pour ces trois composants sont le plus souvent effectués en laboratoire. Pour la teneur en matières grasses, les gens utilisent la méthode de l'American Oil Chemists 'Society pour examiner la saturation des graisses, autrement connue comme la valeur de l'iode. Les méthodes plus récentes peuvent utiliser la chromatographie liquide ou gazeuse.
Nous pouvons également appliquer ces principes de mesure en laboratoire lorsqu'il s'agit de déterminer la couleur. Pour l'identification des couleurs, vous regardez la carte de couleurs Roche ou effectuez une extraction caroténoïde en laboratoire et utilisez la chromatographie ou la réflectance (qui est basée sur UV-Vis). Pour plus de fermeté, vous effectuez des tests mécaniques standard en examinant la déformation mécanique ou en effectuant des extractions pour la teneur en collagène ou en humidité.
Ces techniques en laboratoire ne sont pas efficaces et, surtout, elles sont destructrices. Vous devez prélever un échantillon de l'usine de traitement, l'apporter au laboratoire, effectuer votre réaction, puis attendre. Une telle inefficacité ne donne pas de mesure en temps réel. En termes simples, la demande accrue de produits du saumon pousse l'industrie à effectuer des tests non destructifs, automatisés et en ligne.
Pour obtenir des mesures en ligne, le domaine étudie diverses technologies optiques et de spectroscopie. Ceux-ci incluent les UV-Vis, l'imagerie hyperspectrale, la vision industrielle (une caméra à grande vitesse avec des couleurs automatisées), le proche infrarouge pour l'humidité et la spectroscopie Raman.
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Que mesure la spectroscopie Raman? Quels sont les avantages de cette technique d'analyse pour l'analyse des produits du saumon?
La spectroscopie Raman mesure la lumière diffusée. Il utilise un laser qui illuminera l'échantillon. La plupart de la lumière diffusée ne changera pas de longueur d'onde, elle reviendra donc de la même couleur. Cependant, un sur chaque million de photons avec lesquels la lumière laser va interagir provoque des vibrations moléculaires (faisant de Raman un phénomène sur un million). Dans ces cas, il perdra un peu d'énergie, et nous pouvons mesurer ce changement d'énergie.
Ce changement d'énergie est basé sur les groupes fonctionnels ou la chimie du matériau que nous examinons. Le résultat est un spectre, et parfois nous appelons ce spectre une empreinte moléculaire car il nous donne des informations très spécifiques sur la chimie du matériau.
Parce qu'elle utilise une lumière visible ou proche infrarouge, l'avantage de la spectroscopie Raman est que nous pouvons utiliser des optiques visibles qui ne nécessitent pas de matériaux spéciaux, ce qui offre une grande flexibilité d'échantillonnage. Nous pouvons mesurer des solides, des liquides, des gaz, et nous pouvons le faire en ligne ou en laboratoire.
Nous pouvons utiliser Raman de trois manières différentes. Tout d'abord, il peut identifier chimiquement ce que nous regardons. Par exemple, nous pouvons identifier que notre échantillon est une petite molécule pharmaceutique et qu'il est sous forme cristalline. Le spectre Raman fait un excellent travail de différenciation entre les formes cristallines. La deuxième utilisation est à des fins quantitatives. Par exemple, nous pouvons mesurer des solutions de glucose dans un échantillon et pouvons mesurer de 0,5 gramme par litre à 15 grammes par litre.
De plus, l'identification et les mesures quantitatives peuvent être intégrées pour comprendre si l'empreinte moléculaire a changé, et si oui, de combien dans un processus. Une application très puissante de ceci est l'identification du point final d'une réaction basée sur la disparition de nos réactifs et la formation de nos produits.
La spectroscopie Raman présente également d'autres avantages, car elle fournit des mesures directes, en temps réel et en cours de processus. Certains systèmes Raman sont compatibles avec les environnements dangereux tels que les champs pétrochimiques et les usines chimiques. L'analyseur peut «parler» à une salle de contrôle via des plates-formes de communication industrielles, évitant ainsi la nécessité d'une intervention manuelle de l'utilisateur.
Avec la spectroscopie Raman, nous pouvons mesurer l'absorption, la réfraction et la diffusion. Certains matériaux ont de multiples interactions avec la même matière, ce qui est certainement vrai pour les tissus biologiques, notamment les produits à base de viande et de poisson. La spectroscopie est si puissante qu'elle peut examiner les propriétés chimiques des matériaux de manière non destructive en fonction des changements de transmission, d'absorption ou de longueur d'onde. La spectroscopie Raman est une technique puissante car nous pouvons comprendre la chimie de quelque chose en temps réel sans avoir besoin de le préparer ou de le détruire.
Votre expérience est en optique biomédicale et tissulaire. Votre travail dans ce domaine était-il lié à vos expériences avec l'analyse des tissus du saumon?
Oui. En regardant la spectroscopie Raman du saumon, je la considère comme un aliment. Cependant, scientifiquement, je peux aussi le considérer comme un tissu biologique et appliquer ma formation en optique biomédicale. L'optique biomédicale est le domaine dans lequel nous développons la spectroscopie pour mesurer les changements biochimiques des tissus dans la santé, le vieillissement et la maladie, dans le but de mesures cliniques étant d'observer ces changements biochimiques qui peuvent précéder ou accompagner la maladie.
Lier les principes de la spectroscopie Raman aux résultats de l'optique tissulaire est le domaine de la spectroscopie Raman tissulaire. Semblable à la spectroscopie, nous faisons de l'optique tissulaire tous les jours. Nous le voyons quand nous allons voir le médecin pour une mesure d'oxygène dans le sang, par exemple. C'est l'optique biomédicale en action. Nous pouvons également voir certains principes derrière l'optique biomédicale lorsque nous mettons un laser sur notre doigt. Notre doigt brille au lieu que le laser passe directement à travers notre doigt. Nous pourrions peut-être également voir certains changements d'intensité.
Alors que le domaine de la spectroscopie Raman tissulaire existe depuis longtemps, il a été avancé au début des années 2000 lorsque Mike Morris et Pavel Matousek ont pu démontrer pour la première fois qu'ils pouvaient mesurer les spectres Raman souterrains. L'intégration de certains principes de la spectroscopie Raman tissulaire, comme la compréhension du volume d'échantillonnage et l'incorporation de fantômes tissulaires, peut nous aider à élaborer une approche globale des mesures de la qualité de la viande à l'aide de Raman.
Cette compréhension se produit parce que nous avons des tissus hétérogènes qui peuvent absorber la lumière et renvoyer la lumière autour. Par conséquent, nous voyons des changements dans l'absorption ou la diffusion. Nous pouvons également voir que la lumière est parfois juste réfléchie et qu'elle traverse les tissus très, très rapidement. Toutes ces choses se produisent en même temps et nous pouvons comprendre ces interactions complexes en laboratoire.
Un outil important que nous avons dans le laboratoire sont des modèles physiques spécialement conçus, également appelés fantômes tissulaires. Ils ne font pas peur! Les fantômes tissulaires sont utilisés quotidiennement dans les hôpitaux et les établissements médicaux pour calibrer nos équipements d'imagerie médicale tels que les rayons X, la tomodensitométrie, l'IRM et les équipements TEP. Ils sont également utilisés pour la communauté de l'optique biomédicale, car ils nous permettent de comprendre les performances des instruments, et ils peuvent également être très utiles dans l'analyse des aliments.
L'utilisation de ces modèles bien définis est particulièrement importante pour l'analyse chimique telle que la spectroscopie Raman. Bien que nous puissions aller au magasin ou travailler avec une usine de transformation pour obtenir des échantillons, nous ne pouvons pas définir la composition avec précision. Ce qu'un fantôme tissulaire nous permet de faire est de construire quelque chose en laboratoire très facilement, très simplement et très rapidement avec une composition définie avec précision.
L'utilisation de fantômes tissulaires présente plusieurs avantages, notamment l'optimisation de la sonde à utiliser, la compréhension des performances de mesure et la fourniture de données de démarrage pour notre modèle analytique. Ce qui est intéressant avec les fantômes de tissus, c'est que parce que vous les fabriquez en laboratoire, vous pouvez également définir les variations zonales.
Par exemple, pour le fantôme de la portion rouge, vous pouvez faire des inclusions de graisse distinctes dans une couche de muscle. Cela peut imiter la partie rouge, et il est facile de définir également le pourcentage de graisse. Pour un fantôme de portion blanche, vous voudriez avoir quelque chose où vous n'avez pas les variations zonales très distinctes. Pour cela, vous voudrez probablement mélanger un peu plus vos zones, et c'est quelque chose que vous pouvez facilement faire avec un fantôme de tissu.
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Les longueurs d'onde de spectroscopie Raman courantes de 785 nm et 1000 nm sont-elles utiles pour l'analyse des produits alimentaires?
En spectroscopie Raman, nous parlons d'utiliser 785 nm ou même 1000 nm comme moyen de réduire la fluorescence. C'est une des raisons pour lesquelles nous utilisons ces longueurs d'onde. Dans les mesures tissulaires, nous avons des avantages supplémentaires d'aller à ces longueurs d'onde. Il s'agit notamment d'équilibrer les effets de l'absorption d'eau ou d'hémoglobine à différentes longueurs d'onde, ou d'essayer d'optimiser pour l'un ou l'autre, qui est un élément vraiment important de l'optique tissulaire.
Pourriez-vous nous donner plus de détails sur les expériences que vous avez menées pour analyser des échantillons de saumon?
Nous avons effectué deux études. La première étude visait à évaluer l'utilité du système à 1000 nm pour mesurer les composants de la graisse, de la couleur et de la texture dans les tissus du saumon. La spectroscopie Raman du saumon existe depuis au moins 15 ans, mais tout a été fait à 785 nm et jamais à 1000 nm. Nous avions le système à 1000 nm et voulions savoir ce qui se passerait si nous utilisions cette longueur d'onde. La deuxième étude visait à évaluer la compatibilité d'une sonde offset sans contact à 785 nm pour les mesures de qualité de viande en ligne. Pour les deux études, nous avons simplement utilisé des échantillons achetés en magasin. Ma collègue était allée à notre épicerie locale et venait de ramasser tous les types de spécimens de saumon qu'elle pouvait trouver, y compris du saumon de l'Atlantique d'élevage, du saumon coho sauvage et du saumon fumé.
Nous l'avons mesuré de toutes les manières possibles en laboratoire. Nous avons mesuré la viande à divers endroits et nous avons également recueilli sur la peau. Nous avons pris des mesures sur peau foncée et claire à l'aide d'une sonde de contact et d'une optique sans contact. Nous avons pu recueillir de bons spectres en une à dix secondes. Nous avons utilisé l'analyseur Raman Rxn2 qui fonctionne à 1000 nm ou 785 nm, et l'intensité laser était d'environ 80 milliwatts.
Nous avons utilisé une optique de contact, nous avons donc pu obtenir des mesures de surface des solides lorsque nous avons pu toucher la sonde à ces différentes sections. Ces sondes utilisent la géométrie de rétrodiffusion. L'éclairage et les fibres de collecte sont proches l'un de l'autre, ce qui donne une petite taille de spot qui fournit une mesure de surface. Avec la sonde de contact, nous avons pu constater l'hétérogénéité zonale. Nous pourrions examiner la section des graisses par rapport à la section des muscles et obtenir des informations sur la graisse uniquement, ou des informations sur le muscle uniquement.
L'optique sans contact utilise une approche Raman rétrodiffusée similaire et fournit une petite taille de spot, mais elle est sans contact. Pour la sonde de processus en ligne, nous avons utilisé notre sans contact PhÀ sonde. Il utilise une grande approche volumétrique pour collecter le signal Raman de surface et de subsurface. Cette approche est particulièrement utile dans les processus impliquant des solides pour plusieurs raisons. La première raison est d'obtenir rapidement une mesure de grand volume représentative de l'échantillon avec une seule mesure. La deuxième raison est que nous pouvons le faire sans avoir à focaliser la sonde sur l'échantillon pour chaque nouvel échantillon.
Quels ont été les résultats de ces expériences?
Tout d'abord, nous devions obtenir la signification des spectres que nous avons générés. Les différentes bandes que nous avons vues correspondaient à différents attributs du tissu. Nous avons observé des bandes correspondant au collagène, aux graisses, aux protéines et aux pigments caroténoïdes. Il a été démontré que ces bandes renseignent sur les trois principales composantes de la qualité du poisson: la fermeté, les graisses et la couleur. Nous avons donc pu obtenir une mesure multi-attributs avec une seule sonde et une seule mesure.
L'utilisation de 1000 nm avait ses avantages. Cela nous a donné une haute résolution spectrale et moins d'absorption d'eau. Je dirais qu'en termes de réduction de la fluorescence, cela a légèrement réduit la fluorescence. Je suis vraiment satisfait du système à 1000 nm, car il a pu fournir rapidement des spectres conformes aux rapports de la littérature sur les protéines, les graisses et les caroténoïdes de la viande de saumon. L'utilisation du système à 1000 nm avec une sonde de petite taille nous a permis de voir l'hétérogénéité de la composition de la viande de saumon. le PhÀ La sonde Raman est compatible avec le temps de cycle de l'usine de transformation pour les mesures en ligne de la qualité de la viande.
À propos du Dr Karen Esmonde-White
La Dre Karen Esmonde-White est spécialiste principale de Marcom chez Kaiser Optical Systems Inc.
Elle a obtenu son B.S. en chimie de l'Université jésuite Wheeling, son M.S. en chimie, M.Eng. en génie pharmaceutique et Ph.D. en génie biomédical de l'Université du Michigan. Le Dr Esmonde-White a plus de 6 ans d'expérience en tant que chimiste analytique dans l'industrie pharmaceutique.
Ses intérêts de recherche portent sur la spectroscopie biologique Raman, l'analyse de processus et la conception d'instruments.
