Near infrared spectral sensors for the characterization, authentication and quality and safety assurance of horticultural products

Abstract

Los productos hortofrutícolas tienen una gran importancia económica y nutricional a nivel mundial, siendo básicos en una dieta equilibrada. En este tipo de productos es clave que su recolección se realice en el momento de madurez considerado como óptimo en función de su destino final. Además, se debe llevar a cabo un control fiable de calidad y seguridad alimentaria tanto en la recepción en la industria como durante su procesado. Por tanto, los productores, la industria, los responsables de realizar las inspecciones de control de calidad y seguridad y, finalmente, los consumidores, demandan tecnologías que proporcionen información exacta y útil sobre los parámetros que influyen directamente sobre la calidad y seguridad de una fruta u hortaliza y sobre su autentificación, siendo clave el que dichas tecnologías no estén limitadas por sus costes, su carácter destructivo o sus tiempos de análisis. La Espectroscopía de Reflectancia en el Infrarrojo Cercano (en inglés, Near Infrared Reflectance Spectroscopy, NIRS) ha demostrado su capacidad para ser utilizada con éxito en el sector agroalimentario, con ventajas específicas frente a otras técnicas analíticas como son la alta velocidad de respuesta, el ser no destructiva, respetuosa con el medioambiente, multiproducto y multi-parámetro, así como proporcionar una señal digital única de cada producto que puede ser ligada a otras tecnologías de la información y de la comunicación, proporcionando sistemas de control automatizados de última generación. Los sensores NIRS han sido utilizados principalmente en la industria hortofrutícola en aplicaciones "at-line" o "ex-post". Recientemente, existe un gran interés, a nivel científico-técnico, por la aplicación in situ, tanto en campo como en la línea industrial de transformación, de este tipo de sensores, lo que permitiría la implantación, en la cadena alimentaria, de sistemas de toma de decisiones en tiempo real, aumentando la eficiencia productiva y el control de la calidad y seguridad de los productos elaborados. La evolución y mejoras en la instrumentación, orientada hacia su miniaturización, una mayor portabilidad y estabilidad en condiciones no controladas están permitiendo que se pueda abordar la posibilidad de realizar el control de materias primas, productos y procesos in situ que está demandando el sector hortofrutícola. 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 precisos y robustos para la predicción de parámetros de calidad y seguridad en frutas y hortalizas durante el seguimiento de maduración y en la recepción en la industria, así como en las líneas de clasificación. Con este propósito se han evaluado dos espectrofotómetros comercialmente disponibles, uno muy adecuado para efectuar mediciones in situ, directamente sobre producto en la mata (espectrofotómetro basado en la tecnología de filtros lineales variables, en inglés conocida por sus siglas LVF) y el otro idóneo para su utilización en las líneas industriales de clasificación (espectrofotómetro basado en espectroscopía NIR por Transformada de Fourier, en inglés, FTNIR). Asimismo, el presente Trabajo de Investigación analizó la viabilidad de utilizar un espectrofotómetro manual, portátil, basado en tecnología MEMS (en inglés, microelectrical mechanical system), para la autentificación de hortalizas en función de su origen. Igualmente, un modelo más actual del instrumento MEMS empleado en la determinación anterior, fue utilizado para el desarrollo y evaluación de modelos predictivos NIRS para la optimización del manejo de factores precosecha (irrigación), destinados a favorecer la toma de decisiones en tiempo real en campo. También se ha llevado a cabo el desarrollo de estrategias de calibración avanzadas para la predicción de parámetros de calidad físico-química en frutas del género Citrus, durante su proceso de maduración en árbol, empleando para ello un instrumento NIRS manual, portátil basado en tecnología MEMS. Finalmente, se ha iniciado la puesta a punto de una metodología de análisis destinada a la determinación del rendimiento de cosecha en naranjas verdes en árbol, empleando para ello el análisis de imágenes hiperespectrales. 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 en el sector hortofrutícola, como sensor que proporcionará una huella espectral única de cada producto, de utilidad para la trazabilidad de los mismos, y asimismo, como un registro óptico de enorme interés para controlar que el producto cumple unos estándares de calidad y de seguridad determinados, de acuerdo a las distintas normativas que regulan su uso industrial. Asimismo, los resultados del análisis de imágenes hiperespectrales indican que es posible utilizar un número reducido de longitudes de onda del rango del infrarrojo cercano del espectro para la estimación del rendimiento de cosecha en naranja, lo cual permitirá el desarrollo futuro de equipos de bajo coste y peso reducido para la detección de frutos verdes sanos, posibilitando su integración en vehículos aéreos no tripulados para la obtención de imágenes con una alta resolución espectral y espacial. No obstante, el trabajo desarrollado es sólo el inicio de una línea de investigación compleja, de gran actualidad y valor para las necesidades del sector agroalimentario, en general, y del citrícola, en particular.

Horticultural products, which play a significant role in the human diet due to its high content of vitamins, fibre, minerals and trace elements and its extremely low caloric value, are among the world's major agricultural sectors. In this kind of products, it is essential that harvesting takes places in an optimum maturity stage according to its destination. Additionally, a feasible quality and safety control in the handling and processing industries must be implemented. Therefore, in response to growing demand from producers, consumers and the industry, recent years have seen the development of rapid, accurate, economical and above all non-destructive technologies for determining food-produce quality and safety. Near Infrared Reflectance Spectroscopy (NIRS) is one of those flexible, fast, accurate, non-destructive and versatile technologies, which has been successfully applied in the agri-food sector. Thanks to considerable research into the spectra of a growing number of species and varieties of fruits and vegetables, together with the development of efficient algorithms for the multivariate treatment of spectral data, NIRS technology can now be used both in the field and on industrial production lines to determine a range of pre- and post-harvest indices, thus enabling optimal harvesting time and post-harvest shelf-life to be established. Likewise, NIRS technology together with other information and communication technologies is able to provide an automated control system of last generation. NIRS sensors have usually been used in the horticultural sector at-line and in ex-post applications. However, a new generation of portable, compact and extremely light-weight NIRS instruments has recently been developed, ideally suited for use in the field and for taking in situ measurements. These instruments enable not only to take spectra at any time, but also to analyse the whole surface of the product, thus obtaining more information about the quality and safety of the product to be harvested. Lately, there has also been a growing interest from the horticultural processing industry to incorporate NIR spectroscopy as a routine technique to ensure the quality and safety of the horticultural products they process. Nevertheless, this requires the NIRS applications to be developed in advance, simulating the industrial processes of the horticultural industries. One fundamental issue in developing online NIRS applications is to make the correct choice of instrument to be used, which must be robust and stable when subjected to vibrations and thermal variations. Therefore, the main objective of this PhD dissertation was to develop accurate and robust NIRS models for measuring major quality and safety parameters in fruits and vegetables during their ripening in the field, at harvest, and in the industry, with a view to enabling growers and producers to routinely use NIRS technology under field conditions and at the sorting lines in the processing industry. Two new generation of NIR spectrophotometers, one manual, portable instrument based on LVF technology, suitable for use in the field, to analyse the product while it is developing in the plant, and another based on FT-NIR technology which can be incorporated into the processing industry of these products, such as in the product sorting lines, and to control the quality and safety standards established by the industry, were evaluated for these purposes. Furthermore, in this PhD dissertation the feasibility of NIR spectroscopy in providing nondestructive, in situ authentication for the growing system (outdoors or in a greenhouse) of bell peppers, using a handheld microelectromechanical system (MEMS)-based NIR digital transform spectrophotometer was evaluated. Likewise, a new portable NIR instrument based on MEMS technology was evaluated for helping growers to make irrigation decisions to mitigate negative effects of stress on crop performance under future weather conditions associated to climate change. The non-destructive on-tree measurement of the physico-chemical quality attributes of fruits belonging to the Citrus genus, using rapid spectral sensors and advanced chemometric methods was also evaluated. With this objective, the viability of using a handheld portable MEMS-NIRS instrument was also tested. Finally, a methodology to distinguish between green oranges and leaves using hyperspectral imaging to estimate harvest yield in oranges, was set up. The results obtained in the research papers that form part of this PhD dissertation showed that NIR spectroscopy was sensitive to physical-chemical changes of horticultural products, taking place during ripening, at harvest and during the postharvest storage. The results also confirmed the advantages of using portable NIRS sensors which allow to analyse the fruit/vegetable in the field, in order to harvest the horticultural products selectively, at the optimum time, and to obtain a product of the highest quality and safety which is intended both for fresh consumption and for the processing industry. Likewise, the results obtained with the hyperspectral imaging (HSI) systems tested, confirm that it is possible to use a lower number of wavelengths to estimate harvest yield in oranges, which could pave the way for the future development of low-cost and low-weight equipment for the detection of green and sound fruit which could be mounted on drones. In summary, the results showed that quality and safety in horticultural products can be measured non-destructively, with a single spectrum measurement and in a matter of seconds, during on-vine or on-tree ripening, at harvest, and in the industrial process, paving the way for using NIRS and HSI technologies to assist growers and producers in making decisions in the horticultural sector.