Feasibility of handheld multispectral imaging for detecting quality parameters and freshness of raw Atlantic salmon (Salmo salar L.) products

Abstract

I denne oppgaven ble et håndholdt multispektral bildetaker prototype utviklet av Videometer A/S for TraceMyFish forskningsprosjektet, brukt til å teste kvalitetsparametere av 20 laksefileter og 30 hodet-på-sløyet laks. Multispektral data ble prosessert og sammenlignet med etablerte metoder for fargemåling, sensorisk testing og mikrobiell vekst. Evnen til å detektere melaninflekker på laksefileter ble også utforsket og det multispektrale billedtakning prototypens evne til å ta målinger direkte på prøvemateriale ble vurdert. Det ble vist at bruken av den håndholdte multispektrale bildetakeren direkte på laksefileter ga en signifikant (p<0.05) reduksjon av refleksjonen i hele spektret, sammenlignet med billedtakning av 10x10 cm filetportioner lagt i petriskåler. Fargemålinger med multispektralbildetakning ga lysere (L*=59,1±1,0), mer mettet (C*=57,3±1,6) og gulere farge (h*=50,9±0,7) enn et RGB-fargemålingssystem (L*=55,0±1,8, C*=49,5±2,0, h*=43,9±0,5). Det ble vist liten forskjell mellom de to instrumentene når laksefileter ble rangert etter SalmoFan™-fargekort-score med bruk av kromverdier (C*), med en gjennomsnittlig forskjell mellom instrumentene på 0,15 fargekort-score. Det multispektrale instrumentet hadde en tendens til å gi høyere fargekort-score enn det RGB-baserte instrumentet, men den høyeste forskjellen mellom instrumentene var på 1 fargekort-poeng. Måling av melaninflekker ga en signifikant forskjell i refleksjon for alle syv bølgelengdebånd sammenlignet med normal laksefilet-vev spektra som betyr at instrumentet kan enkelt detektere melaninflekker. Det ble funnet høy korrelasjon mellom multispektral data og QIM-score av hodet-på-sløyet laks lagret på is. 405 nm båndet ga den høyeste negative korrelasjonen (r=-0,792) tatt av buk-skinn-regionen. Gjellene ga en signifikant (p<0,05) seperasjon ved 850 nm mellom fersk (dag 1), modnet (dag 8) og forringet (dag 17) prøver og viste en høy positiv korrelasjon (r=0,696) med QIM-score. Det ble også vist høy korrelasjon med bakteriell vekst ved 405 nm spektrumet av lakseskinn for APC (r=-0,625), Pseudomonas ssp. (r=-0,744), H2S-produserende bakterier (r=-0,719) og total aerob psykrotorf platetelling (r=-0,614). Gjeller viste lignende høy korrelasjon (r>0,6) for bakterievekst ved 850 nm spekteret. Bruken av den multispektrale billedtakningsprototypen direkte på hele laksefileter ga flere variabler som kunne påvirke resultatene, og det førte til økt partiskhet fra operatøren av instrumentert. Det ble foreslått at fremtidige design av prototypen bør minke påvirkningen av disse variablene. Det ble vist at prototypen kunne måle og evaluere fargen av laksefilet på lik stilling som industrielle fargemålingsmetoder og deteksjon av melaninflekker ble oppnådd. Den multispektrale bildetakningsprototypen viste evne til å korrelere spektraldata med mikrobielle og sensoriske metoder for kvalitetskontroll, og har muligheten til å bli et utmerket verktøy for å forutsi kvalitet og holdbarhet av hodet-på-sløyet laks.

In this thesis, a handheld multispectral imaging prototype developed by Videometer A/S for the TraceMyFish research project was used to test quality parameters of 20 salmon fillets and 30 head-on-gutted salmon samples. Multispectral data were processed and compared against established methods for colour measurements, sensory testing, and microbial growth. The ability to detect melanin spots on salmon fillets was explored and the multispectral imager prototype’s ability to image directly on the samples was evaluated. It was shown that using the handheld multispectral imaging device directly on salmon fillets gave a significant (p<0.05) reduction in the total spectra reflection compared to imaging of 10x10 cm fillet portions in petri dishes. Colour measurements with multispectral imaging provided lighter (L*=59.1±1.0), more saturated (C*=57.3±1.6) and a more yellow hue (h*=50.9±0.7) then a RGB colour measurement device (L*=55.0±1.8, C*=49.5±2.0, h*=43.9±0.5). Low differences were shown between RGB and MSI instruments when salmon fillet samples were ranked after SalmoFan™ colour card score using chroma-values (C*), with an average difference of 0.15 in colour card score between instruments. The multispectral instrument tended to give a higher colour card score than the RGB-based device, though the max difference was at 1 score point between instruments. Measured melanin spots had significant (p<0.05) different reflection on all seven wavelength bands then normal salmon fillet flesh spectra, meaning that the device can easily detect melanin spots. High correlation between multispectral data and QIM-score from head-on-gutted salmon stored on ice was achieved, with 405 nm band giving the highest negative correlation (r=-0.792) imaged on the abdominal skin region. Gill spectra had significant (p<0.05) separation of the 850 nm band between fresh (day 1), matured (day 8), and spoiled (day 17) samples and showed high positive correlation (r=0.696) with QIM-score. Bacterial growth also correlated highly at the 405 nm spectrum of skin in the case of APC (r=-0.625), Pseudomonas ssp. (r=-0.744), H2S-producing bacteria (r=-0.719), and total aerobe psychrotrophic plate count (r=-0.614). Gill samples showed similarly high correlations (r>0.6) for bacterial growth at the 850 nm spectrum. Using the multispectral imaging prototype directly on whole salmon fillets led to an increased number of variables that can impact results and is affected by bias from the operator handling the instrument. It was suggested that future designs should mitigate the impacts of these variables. The prototype was able to measure and evaluate colour of salmon flesh comparable to industrial standard colour measuring methods and detection of melanin spots was achieved. Multispectral imaging prototype showed the ability to correlate spectral data with microbial and sensory methods, and the possibility to become an excellent tool in predicting the quality and shelf life of head-on-gutted salmon.