In situ monitoring of horticultural products using near infrared spectral sensors to guarantee their integrity

Abstract

Horticultural products are a source of essential compounds from a nutritional perspective for humans. Additionally, they hold significant economic importance globally due to the large volume of products traded. Consumers demand that horticultural products meet specific criteria in each case, which are directly related to their quality, such as appearance, texture, flavour, and aroma. Moreover, the consumption of these products should not be detrimental to human health, and therefore, food safety must be ensured before they reach the final consumer. Furthermore, ensuring the authenticity of marketed fruits and vegetables is crucial, as deliberate or unintentional adulteration of horticultural products can cause severe health problems for humans and significant economic losses. Hence, those responsible for conducting quality control, safety, and authenticity inspections both in the field and in the industry, as well as consumers themselves, demand technological alternatives that provide precise, accurate, and useful information regarding the parameters determining product integrity—namely, their quality, safety, and authenticity. It is crucial that these technologies are not constrained by the time required for analysis, their destructive nature, or their costs. Near-infrared reflectance spectroscopy (NIRS) arises as a rapid, non-destructive, environmentally friendly, low-cost per analysis, and versatile alternative, allowing its incorporation at different points along the agri-food chain: in the field, in the industry, or even in supermarkets. The use of this technology for pre-harvest and post-harvest assurance of fruits and vegetables has been previously demonstrated, and it can be combined with other information and communication technologies to establish next-generation control systems. Progress in NIRS instrumentation in recent years has enabled the development of a wide variety of applications for ensuring the integrity of horticultural products, meeting the needs of producers (at the field level), the food industry, and supermarket distributors with instruments suitable for analysing food products at different points in the value chain. However, it is necessary to focus on various aspects related to optimising parameters concerning the acquisition of spectral information, the processing of NIRS data and interpretation of results, and the integration of the response obtained through this technology into decision support systems that enable the implementation of these spectral sensors in routine operations in the horticultural sector. Therefore, the aim of this Doctoral Thesis has been to analyse the potential of NIRS technology as a non-destructive, automatic, environmentally friendly, and multi-analyte sensor to be incorporated in situ in cultivation fields and in the industry to ensure the integrity of horticultural products such as almonds, spinach, and watermelons. To this end, portable sensors suitable for analysing quality and food safety parameters in the production fields (which allows for monitoring the product throughout its development on the plant), in the industry, and in the supermarket shelves, as well as for detecting fraud at the points where the product is received in the industry, were employed. Additionally, this Thesis includes the pieces of work carried out with online instruments and NIR-imaging systems aimed at ensuring the integrity of the analysed fruits and vegetables by simulating industrial sorting lines. Specifically, the work carried out with almonds enabled the rapid and non-destructive detection of fraud at different points in the value chain of this product using various strategies, including the innovative non-targeted control system developed using only spectral information from the product to classify batches as 'compliant' or 'non-compliant'. Furthermore, the work enabled the precise and accurate quantification of quality parameters such as fatty acid content, and the classification of almonds based on amygdalin content, a parameter related to the food safety of this nut. Likewise, the studies conducted with fresh intact spinach enabled to establish an analysis protocol for this product both in routine field operations and in the industry to monitor the crop throughout its development on the plant and to classify the leaves based on their nitrate content, a parameter related to the food safety of leafy vegetables regulated by Regulation (EU) 2023/915 at the European level. Finally, the work carried out with watermelons allowed the estimation of the optimal harvest time for these intact fruits (for which the determination of the NIR light penetration capability through the watermelons’ rind was of paramount importance) and the evaluation of the sweetness of the pulp in the industry and supermarkets once they had been cut in half. The results obtained in the various works included in this Doctoral Thesis highlight the potential of NIRS technology to be incorporated both in-situ and 'online' into decision support systems in the almond, spinach, and watermelon sectors, providing a unique spectral fingerprint of each product that is highly useful from a traceability and product categorisation perspective. This enables different agents in the food chain to ensure that fruits and vegetables meet the established quality, safety, and authenticity criteria and comply with current regulations in each case.

Los productos hortofrutícolas son una fuente de compuestos esenciales desde un punto de vista nutricional para el ser humano. Además, tienen una gran importancia económica a nivel mundial dado el gran volumen de producto comercializado. Los consumidores demandan que los productos hortofrutícolas cumplan con unos criterios específicos en cada caso, los cuales están directamente relacionados con la calidad de los mismos; apariencia, textura, sabor o aroma. Por otro lado, el consumo de estos productos no debe ser perjudicial para la salud humana y, por tanto, se debe garantizar la seguridad alimentaria de los mismos antes de que lleguen al consumidor final. Además, el aseguramiento de la autenticidad de las frutas y hortalizas comercializadas es fundamental, debido a que la adulteración deliberada, o no, de los productos hortofrutícolas pueden causar problemas de salud graves en el ser humano además de pérdidas económicas significativas. Es por tanto que los responsables de llevar a cabo las inspecciones de control de calidad, seguridad y autenticidad tanto en el campo como en la industria, así como los propios consumidores, demandan alternativas tecnológicas que permitan llegar obtener información precisa, exacta y de utilidad relativa a los parámetros que determinan la integridad del producto, es decir, su calidad, seguridad y autenticidad, siendo clave que dichas tecnologías no estén limitadas por los tiempos requeridos por análisis, su carácter destructivo o por sus costes. La tecnología de espectroscopía de reflectancia en el infrarrojo cercano (en inglés, near infrared spectroscopy, NIRS), se presenta como una alternativa de respuesta rápida, no destructiva, respetuosa con el medio ambiente, de bajo coste de análisis por muestra y versátil, permitiendo su incorporación en diferentes puntos a lo largo de la cadena agroalimentaria; en campo, en la industria o incluso en los supermercados. El uso de esta tecnología para el aseguramiento precosecha y poscosecha de frutas y hortalizas ha sido previamente demostrado, pudiéndose combinar con otras tecnologías de la información y comunicación para el establecimiento de sistemas de control de última generación. El progreso en términos de instrumentación NIRS en los últimos años ha permitido desarrollar una gran diversidad de aplicaciones para el aseguramiento de la integridad de productos hortofrutícolas, consiguiendo satisfacer las necesidades de los productores (a nivel de campo), de la industria alimentaria y de los distribuidores en los supermercados con instrumentos aptos para el análisis de productos alimentarios en los diferentes puntos de la cadena de valor. Sin embargo, en este sentido es necesario incidir en diferentes aspectos relacionados con la optimización de parámetros relativos a la adquisición de la información espectral, el procesado de los datos NIRS e interpretación de los resultados, y la integración de la respuesta obtenida mediante esta tecnología en sistemas de apoyo a la toma de decisiones que posibiliten la implementación de estos sensores espectrales en operaciones rutina en el sector hortofrutícola. Es por tanto que el objetivo de esta Tesis Doctoral ha sido analizar el potencial de la tecnología NIRS como sensor no destructivo, automático, respetuoso con el medio ambiente y multianalito para ser incorporado in situ en los campos de cultivo y en la industria para garantizar la integridad de productos hortofrutícolas; almendras, espinacas y sandías. Para ello se emplearon sensores portátiles aptos para el análisis de parámetros de calidad y seguridad alimentaria tanto en el campo (lo cual permite llevar a cabo un seguimiento del producto a lo largo del periodo de desarrollo en la mata) como en la industria y los lineales de los supermercados, así como para la detección de fraude en los puntos en los que se recibe el producto en la industria. Además, esta Tesis incluye los trabajos realizados con equipos de línea y sistemas de NIR-imagen cuyo fin fue garantizar de la integridad de frutas y hortalizas analizadas simulando las líneas industriales de clasificación. En concreto, los trabajos llevados a cabo con almendras permitieron determinar de forma rápida y no destructiva la presencia de fraude en diferentes puntos de la cadena de valor de este producto siguiendo diferentes estrategias, entre las que cabe destacar el innovador sistema de control no dirigido desarrollado utilizando únicamente información espectral del producto para la clasificación de los lotes como ‘conformes’ o ‘no conformes’. Además, los trabajos desarrollados permitieron cuantificar con gran exactitud y precisión parámetros de calidad como el contenido en ácidos grasos, así como clasificar las almendras en función del contenido en amigdalina, el cual es un parámetro relacionado con la seguridad alimentaria de este fruto. Asimismo, los estudios llevados a cabo con espinacas frescas intactas permitieron establecer un protocolo de análisis de este producto tanto en operaciones en rutina en campo como en la industria con el fin de hacer un seguimiento del cultivo a lo largo de su desarrollo en la mata y de clasificar las hojas de esta hortaliza en función de su contenido en nitratos, el cual es un parámetro relacionado con la seguridad alimentaria de hortalizas de hoja que está regulado por el Reglamento (UE) 2023/915 a nivel europeo. Finalmente, el trabajo desarrollado con sandías permitió estimar el momento óptimo de cosecha de estos frutos intactos (para lo cual fue clave estudiar la capacidad de penetración de la luz infrarroja a través de la cáscara de la sandía), así como evaluar el dulzor de la pulpa de los mismos en la industria y supermercados una vez éstos habían sido cortados en dos mitades. Los resultados obtenidos en los diferentes trabajos incluidos en esta Tesis Doctoral ponen de manifiesto el potencial de la tecnología NIRS para ser incorporada tanto in-situ como ‘‘online’’ en sistemas de apoyo a la toma de decisiones en el sector de las almendras, espinacas y sandías, proporcionando una huella espectral única de cada producto de gran utilidad desde un punto de vista de la trazabilidad y categorización del producto que permita a los diferentes agentes de la cadena alimentaria asegurar que frutas y hortalizas cumplen con los criterios de calidad, seguridad y autenticidad establecidos y con la normativa vigente en cada caso.