Innovation in the quality assurance and safety of horticultural products using near infrared spectral sensors

Abstract

Producers, consumers and the industry are demanding the development of rapid, accurate, economical and above all non-destructive technologies for determining in situ food-produce quality and safety, being a key factor that these technologies are not limited by their response time or cost. Additionally, a feasible quality and safety control in the handling and processing industries must be implemented. Near infrared spectroscopy (NIRS) is recognised as a precise and reproducible technique for quantitative and qualitative analysis in the agrifood sector, being considered as a promising technology for the agrifood industry, because it meets all the requirements for modern and automatic quality and safety control. This technology represents a marked change from the conventional analytical methods, because a single spectrum allows the simultaneous characterization of different physicochemical properties, in a matter of seconds and without sample preparation, thus allowing real-time decision-making. Over recent years, due to its swift response, precision, applicability to multiple products and analytes (it is able to provide a number of quality and safety readings simultaneously) and the advanced level of development of the latest generation of instruments, near infrared (NIR) spectroscopy has become one of the most widely-used, flexible techniques for in-field measurements and online analysis on conveyor belts in the industry. Nevertheless, the continuous technological evolution of the NIRS instrumentation has meant that some of the original portable, handheld NIRS devices appeared on the market, have now been phased out. For this reason, it is essential to evaluate the use in horticultural products of the new portable spectrophotometers to analyse the product directly in the field, in order to carry out the quality and safety monitoring of the horticultural products during their growing and to facilitate real-time decision-making for crop management practices and thus decide on the optimal time to harvest. Additionally, these instruments can also be used by the industry for the reception and postharvest conservation of horticultural products in refrigerated chambers. It is also important to consider that the incorporation of NIRS for online analysis in the industry needs the instrument to be previously evaluated, and a methodology of this analysis must be established and adopted first. Therefore, the main objective of this PhD dissertation was to develop, evaluate and optimize NIRS models aimed at assuring quality and safety in horticultural products (spinach plants and summer squashes) along the food supply chain, in situ (directly on the plant in the field or after harvest in the industry), as well as online, in the sorting processes in the industry. For this purpose, three new generation NIR spectrophotometers, two handheld instruments — one based on Linear Variable Filter (LFV) technology and another based on micro-electro-mechanical systems (MEMS) technology, suitable for the in situ analysis of the horticultural products in the field and in the cold chambers — and another based on Fourier Transform (FT)-NIR technology, which can be incorporated in the processing industry, mainly in the product sorting belts, were evaluated. The results obtained in the research papers that form part of this PhD dissertation showed that NIR spectroscopy can favour the decision-making process in the horticultural sector, allowing to set the optimum harvest time and carry out harvesting strategies in stages, depending on the industrial destination of the product. In particular, in vegetables such as spinach plants and summer squashes, where the nitrate content is a key factor when establishing the destination of the harvested product, the use of NIRS sensors in situ, directly on the plant, and online, in the sorting lines in the industry, would facilitate the selection of these vegetables for their possible use in making baby foods, according to the European Union legislation. In summary, NIR spectroscopy has shown great potential for the noninvasive measurement of quality and safety parameters in vegetables, being one of the approaches best suited to the needs of the horticultural sector and enabling analysis of a larger volume of vegetables. At the same time, NIR spectroscopy has proven to be a powerful tool for process monitoring in real time; this is of interest for industrial applications requiring process control and real-time decision-making.

Los productores, la industria, los responsables de realizar las inspecciones de control de calidad tanto en campo como en la industria, así como los consumidores necesitan la puesta a punto y el desarrollo de tecnologías que proporcionen información exacta y útil sobre los parámetros que influyen directamente sobre la calidad y la seguridad de los productos hortícolas, siendo clave el que dichas tecnologías no estén limitadas por sus costes o tiempos de análisis. La espectroscopía en el infrarrojo cercano (en inglés, near infrared spectroscopy, NIRS) se puede definir como una técnica no invasiva que combina rapidez, facilidad y precisión en la medida, con un bajo coste de análisis por muestra y una gran versatilidad, lo cual permite su incorporación en distintos niveles de decisión a lo largo de la cadena agroalimentaria, tanto en la precosecha, en campo, como en la industria, en poscosecha, relativos a la calidad, seguridad y vida útil de los productos frescos durante su desarrollo, posterior conservación frigorífica y transformación industrial. Asimismo, la tecnología NIRS ha sido empleada con éxito en el sector hortícola para la categorización de hortalizas. La instrumentación NIRS ha ido evolucionando desde finales de los años sesenta hasta nuestros días. En la actualidad existe una amplia variedad de equipos NIRS con diferentes características, como diseño óptico, rango espectral de trabajo, portabilidad, coste, etc. Esto hace que, dependiendo de la aplicación, las soluciones que ofrece esta tecnología estén cada vez más adaptadas a las necesidades. No obstante, en este ámbito de enormes potencialidades quedan numerosos aspectos en los que profundizar, principalmente, los relativos a la optimización de la medida, al procesado de los datos espectrales y a su conexión con sistemas de apoyo a la decisión, que posibiliten que este tipo de aplicaciones sean una realidad. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral ha sido desarrollar modelos NIRS para la predicción de parámetros de calidad y seguridad en hortalizas (espinacas y calabacines) durante el seguimiento de maduración, en la recepción en la industria, así como en las líneas de clasificación en la industria. Con este propósito se han evaluado tres espectrofotómetros comercialmente disponibles, dos muy adecuados para efectuar mediciones in situ, directamente sobre producto en la mata — espectrofotómetro basado en la tecnología de filtros variables lineales, en inglés conocida por sus siglas LVF y espectrofotómetro basado en sistemas microelectromecánicos, en inglés conocido por sus siglas MEMS — y el otro idóneo para su utilización en las líneas industriales de procesado — espectrofotómetro basado en espectroscopía NIR por Transformada de Fourier, en inglés, FT-NIR. Los resultados obtenidos en los distintos trabajos de investigación que forman parte de esta Tesis Doctoral han puesto de manifiesto el potencial de la tecnología NIRS para su incorporación in situ y "online" en el sector hortícola, como sensor y herramienta de apoyo a la decisión que proporcionará una huella espectral única de cada producto, de utilidad para su trazabilidad y categorización y, asimismo, como un registro óptico de enorme interés para asegurar que el producto cumple los estándares de calidad y de seguridad determinados por la normativa vigente para sus distintos usos.