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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AGRÓNOMOS
TRANSMISIÓN OPTICA E IMAGEN EN VISIBLE E
INFRARROJO EN FRUTAS.
ENSAYO DE EQUIPOS COMERCIALES.
TESIS DOCTORAL
Mª Teresa Riquelme Torres Ingeniero Agrónomo
Madrid 2008
Departamento de Ingeniería Rural
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos
TRANSMISIÓN OPTICA E IMAGEN EN VISIBLE E
INFRARROJO EN FRUTAS.
ENSAYO DE EQUIPOS COMERCIALES.
Doctorando: Mª Teresa Riquelme Torres (Ingeniero Agrónomo)
Director: Constantino Valero Ubierna (Dr. Ing. Agrónomo)
Madrid 2008
Don CONSTANTINO VALERO UBIERNA, Profesor Titular del Departamento de
Ingeniería Rural de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos de la
Universidad Politécnica de Madrid.
CERTIFICO:
Que el presente trabajo “Transmisión óptica e imagen en visible e
infrarrojo en frutas. Ensayo de equipos comerciales” que presenta la
Ingeniera Agrónomo Mª Teresa Riquelme Torres, para optar al grado
de Doctor Ingeniero Agrónomo por la Universidad Politécnica de
Madrid, ha sido realizado bajo su dirección y autoriza con esta fecha
su presentación.
Y para que conste, extiende el presente certificado en Madrid, a de de 2008.
Fdo.: Constantino Valero Ubierna
Director de la tesis
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
Resumen
Las operaciones de selección de frutas y hortalizas están estrechamente ligadas con la comercialización, pudiendo realizarse de forma manual o por medios automatizados. La creciente exigencia de los consumidores de productos de calidad, junto a factores económicos ha inducido a las empresas a introducir innovaciones tecnológicas en sus instalaciones, en particular procedimientos no destructivos de evaluación y entre éstos los que utilizan las propiedades ópticas.
En esta tesis, con el empleo de estas técnicas emergentes se aborda la caracterización de productos hortofrutícolas, con ensayos en laboratorio y en las propias empresas de comercialización de frutas. Se han utilizado equipos ópticos (VIS-NIR) comerciales que evalúan la calidad externa e interna de las frutas, estudiando su fiabilidad y capacidad para clasificar adecuadamente los productos hortofrutícolas. Estas acciones se han agrupado en tres líneas de trabajo con equipos de medida (equipos de imagen, equipos espectrofotométricos en línea y equipos portátiles) y productos diferentes (aceitunas, melones, naranjas y mandarinas).
Las imágenes y los espectros adquiridos con los equipos, junto con las técnicas quimiométricas existentes, han permitido un adecuado manejo de los datos.
El proceso de caracterización de los principales parámetros de cada equipo constituye el aspecto más novedoso de esta tesis, pudiendo destacar los siguientes resultados:
- La combinación de técnicas ópticas y de procesos discriminantes, ha permitido la clasificación de las aceitunas por defectos, en ocho clases distintas.
- La adaptación de los equipos a cada producto hortofrutícola, exige una cuidadosa configuración para “modular” el efecto de los factores que influyen en su eficiencia.
- La repetibilidad en la estimación del contenido en sólidos solubles, permite asegurar que la utilización de los equipos on-line para cítricos y melones es fiable para sólidos solubles.
- La reproducibilidad de la determinación en la línea de cítricos no está afectada por la temperatura y la posición de los frutos en el soporte del transportador; sin embargo, en el equipo portátil ensayado la temperatura influye significativamente en el resultado obtenido.
- En los frutos que muestran heterogeneidad en su composición interna, como los melones, su posición en el elemento detector afecta a la reproducibilidad.
- Trabajando con frutos de piel gruesa se ha demostrado que los sistemas ópticos que utilizan el modo de transmitancia son más efectivos que los que emplean el modo de interactancia.
Los sistemas empleados en la medida de las propiedades ópticas, proporcionan una rica información de las características de cada unidad, con gran utilidad para la valoración de los productos hortofrutícolas. Sin embargo, para poder realizar una correcta discriminación es necesario un complejo tratamiento de los datos (análisis discrimínate, ANOVAS, mínimos cuadrados parciales y análisis de componentes principales) , que presenta metodologías específicas en cada caso; así como, una periódica configuración de calibración de los equipos, para un adecuado mantenimiento y utilización.
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
Abstract
The operations of selection and commercialization of fruits and vegetables are strongly related, no matter how they are processed, manually or automatically. Due to the increasing demand of quality products by the consumers and the global market constrains, the industry have had to install technological innovations, in particular non-destructive techniques for the internal evaluation, frequently based on optical properties.
In this work the characterization of fruit and vegetable products was achieved using emergent techniques, with tests in laboratory and in the packing companies. Optical (VIS-NIR) commercial equipment has been used to evaluate external and internal quality of fruits, studying the reliability of these devices, and their capacity for sorting the product into different categories. The experiments have been grouped in three lines of work (image analysis, on-line spectroscopic devices and portable devices) and applied on different species (olives, melons, mandarins and oranges).
The images and spectra acquired with the equipment, together with the wide number of the existing chemometric techniques, have allowed an appropriate managing of data.
The main result of this thesis is the characterization of the most important parameters related to each device, emphasizing the next conclusions:
- The mix of optical techniques and discriminant processes have made possible for sorting olives in eight categories attending to commercial defects.
- The equipment must be configured carefully for each product studied, in order to tune the effect of factors that influence in the measurement capacity.
- The repeatability for the estimation of soluble solid assures that both on-line equipment (for citrus and melons) are reliable.
- The fruit temperature and fruit position did not affect the final estimate for the reproducibility measurement.
- In the heterogeneous fruits in its internal composition like melons, the fruit position respect to the element detector affect in the measurements of reproducibility.
- An experiment with thick-skin fruits has proved that transmittance mode is more reliable than interactance mode.
The systems based on the measurement of the optical properties supply rich information; with great interest to analyze the quality of fruit and vegetable products. Nevertheless, a complex treatment of data (discriminant analysis, ANOVAS, partial least square and principal component analysis) specific in each case is necessary in order to carry out a correct discrimination. Besides, the equipment must be calibrated with a periodical configuration, for a suitable maintenance and use.
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
Mª Teresa Riquelme Tesis Doctoral
FE DE ERRATAS
Pág Línea Dice Debe decir
Resumen 44 discrimínate discriminante
Resumen 45 principales) , Principales),
V 18 Figura 5.1. Figura 5.2.
9 8 se fueron fueron
28 2 enviarlas enviar las
28 4 Sevillana sevillana
31 31 no‐destructivo no destructivo
36 9 have some research institutes and manufactures been looking
some research institutes and manufactures have been looking
40 16 include destructive and non‐destructive
include non‐destructive
40 20 online on‐line
41 13 sunlight). sunlight.
44 16 of interest. of interest).
58 10 20‐25 ºC, The 20‐25ºC. The
75 3 in‐line on‐line
92 10 advise advice
92 22 Tokyo,Japan,). Tokyo, Japan).
93 21 in same point. at the same point.
99 6 species specie
104 4 especial special
105 19 empresas, mediante empresas mediante
119 13 muestan muestran
122 7 on‐line en línea
122 11 ; sin embargo en las líneas ; sin embargo, en las líneas
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
AGRADECIMIENTOS
Normalmente cuando uno termina un trabajo, suele acordarse más de aquellas personas
que te han ayudado en los últimos momentos; sin embargo, durante varios años he tenido la suerte
de conocer a muchas personas que me han ayudado física y moralmente; y de una manera u otra
han dejado su huella, por ello, quisiera que las próximas líneas sirvan de reconocimiento, estas son
sin duda las palabras más difíciles, o quizás tímidas de expresar. Afortunadamente la lista es
larga, pero siento mucho no poderos nombrar a todos uno por uno; a todos, mi agradecimiento,
especialmente:
• A Dña. Margarita Ruiz-Altisent, por brindarme la posibilidad de pertenecer a su grupo de investigación donde aprendí todo lo referente al mundo de las propiedades físicas y tuve la
oportunidad de desarrollar la presente tesis doctoral.
• A D. Constantino Valero, profesor Titular de la E.T.S. de Ingenieros Agrónomos de la UPM, por haber dirigido esta tesis.
• Agradeciendo especialmente a Pilar Barreiro por su asesoramiento y gran ayuda en diversas fases de la realización de esta Tesis. Por el apoyo que me ha prestado desde un primer
momento, por compartir sus conocimientos y saber aconsejarme en muchos aspectos
• A todos los que han pasado por el LPF-TAG que me han ayudado cuando lo he necesitado, tanto a los miembros actuales: Jaime, Eva C., Lourdes, Belén, Guille, Natalia, Luis, Pablo, Ana
H., Eva B., Ángel, Dani, Mauricio; como a los antiguos miembros: Rosa, Víctor, José, Gonzalo,
Borja, Elena, María, Adolfo, Ian, Dani F., que hemos compartido no sólo despachos y
laboratorios sino diversas actividades y buenos momentos. Al personal técnico del
departamento en especial a José, Juan Manuel, Carlos, Antonio y Juanjo por su apoyo técnico
y funcional, como a Pepa la secretaria. A todos aquellos que han realizado estancias o ensayos
de colaboración en nuestro departamento y también a los compis de electro, que aún
perteneciendo al mismo departamento, sólo nos veíamos en el café del mediodía; A todos los
amigos que allí he ganado, especialmente a Diana y Ana R., de donde surgió una grandísima
amistad.
• A la Comunidad de Madrid por la beca pre-doctoral concedida, sin la cual no hubiera podido lanzarme a esta gran aventura.
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
• A la Comisión de Investigación de la C.A.M. y al Ministerio de Educación y Ciencia (M.E.C.) por la financiación de los dos proyectos en los cuales se enmarca esta tesis: OPTICAM y
OPTISCAN.
• A las empresas que han colaborado cediendo sus instalaciones y equipos.
• Dejando a un lado el ámbito profesional, quiero agradecer a todos esos nuevos amig@s que he tenido la oportunidad de conocer durante estos cuatro años en Madrid ahora desperdigados
por distintos puntos de la geografía. Especialmente a Susana y Amanda: ¡chicas! no sabré
como agradeceros todo vuestro apoyo una semana sí y otra también.
• A todos mis amig@s de Murcia y Orihuela, por el ánimo y los momentos tan agradables que hemos pasado, que probablemente son los que mejor han sabido aguantar y soportar toda
esta historia, incluso en la lejanía.
• A Marian y Carmen, compis de carrera y por compartir la afición por las catas; a Casi y Pepa y correspondientes niñas. Por todos los buenos ratos pasados que me han hecho desconectar
de la tesis.
• Pero sin duda a quién mas debo un agradecimiento especial es a toda mi familia por su esfuerzo, cariño y ayuda prestados en todo momento, y por saber comprender y respetar mí
trabajo. Pero si hay una persona a la que debo más que a nadie su dedicación y paciencia es a
mi padre … y a mi madre, amiga incondicional, a quien admiro por su superación personal,
gracias a los dos, me habéis dado todo el apoyo que necesitaba. Y con muchísimo cariño a mis
abuelos, que desde el rinconcito del salón de su casa me han dado una lección de la vida.
Gracias a todos … que de una manera u otra habéis estado junto a mí durante este largo
trayecto, animándome en los malos momentos y confiando en que terminaría la tesis algún día.
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
Lista de nomenclaturas
VII
LISTA DE NOMENCLATURAS
Acrónimos Descripción (castellano) Description (english)
ANOVA Análisis de varianza Analysis of variance
CAL* Calibración Calibration
CCD Dispositivo de cargas interconectadas Charge-coupled-device
cov(xi) Matriz de covarianza Covariance matrix
DA Análisis discriminante Discriminant analysis
df Grados de libertad Degrees of freedom
F Estadístico de Fisher Statistical of Fisher
G* Grupos obtenidos con el PCA Groups obtained with PCA
LSD Mínimas diferencias significativas Least significant difference
LV Variables latentes Latent variables
MI Índice de madurez Maturity index
MS Cuadrado medio Mean squares
MSC Corrección multiplicativa de la dispersión Multiplicative Scatter Correction
NIR Infrarrojo cercano Near infrared
p Nivel de significancia Significance level
PCA Análisis de componentes principales Principal Component Analysis
PLS Mínimos Cuadrados Parciales Partial Least Square
R Coeficiente de correlación Correlation coefficient
r,g,b Coordenadas normalizadas RGB normalizated RGB coordinates
R2 Coeficiente de determinación Determination coefficient
RGB Coordenadas de color Rojo Verde Azul Colour coordinates Red Green Blue
RPD Relación SD/SEP Ratio SD/SEP
RPDc Relación SD/SEP con el sesgo corregido Ratio SD/SEP with Bias-corrected
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Lista de nomenclaturas
VIII
Acrónimos Descripción (castellano) Description (english)
SD, SDj Desviación estándar Standard deviation
SD Media de la desviación estandard Standard deviation mean
Desviación estándar media Standard deviation mean
SD Error de repetibilidad de la medida Repeatability Error of the measurement
SEC Error estándar de calibración Standard error of calibration
SECV Error estándar de la calibración cruzada Estándar error of cross-validation
SEP Error estándar de predicción Standard error of prediction
SEPc Error estándar de predicción con el sesgo corregido Bias-corrected standard error of prediction
SEPV Error estándar de la validación cruzada Estándar error of cross-validation
SS Suma de cuadrados Sum of squares
SSC Contenido de sólidos solubles Soluble solids content
TA Acidez valorable Titratable acidity
VAL* Validación Validation
VIS Visible Visible
λ Longitud de onda Wavelengths
*Acrónimos particulares de esta tesis.
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
Índice
I
ÍNDICE GENERAL
Página
Lista de nomenclaturas…………………………………………………………………... VII
1. Introducción…………………………………………………………………………… 1
1.1 Organización del documento………………………………………………...… 1
2. Antecedentes………………………………………………………...…………………. 5
2.1 Situación del Mercado…………………………………………………………. 5
2.1.1 Importancia del sector hortofrutícola………………………………… 5
2.1.2 El consumo de frutas y hortalizas……………………………………. 8
2.1.3 El comercio internacional y la importancia de la calidad……………. 9
2.2 Situación tecnológica…………………………………………………….…….. 11
2.2.1 Los sistemas de selección aplicables a frutas y hortalizas…………… 11
2.2.2 Demanda de tecnología de evaluación de la calidad………………… 12
2.2.3 Técnicas ópticas……………………………………………………… 14
Equipos comerciales……………………………………………. 18
2.3 Actividad del grupo de investigación………………………………………….. 21
2.3.1 Proyecto de investigación……………………………………………. 21
3. Objetivos……………………………………………………………………………….. 23
4. Plan de trabajo……………………………………………………………………….... 25
4.1 Tareas iniciales………………………………………………………………… 26
4.2 Ejecución de los trabajos experimentales……………………………………… 27
4.3 Análisis de resultados………………………………………………………….. 30
5. Trabajos realizados……………………………………………………………………. 35
5.1 Clasificación de aceitunas mediante el análisis de imagen, de acuerdo a los daños externos………………………………………………………….……… 36
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
Índice
II
5.2 Estudio de un equipo comercial de NIR para la medida de calidad interna en melón.………………………………………………………….………………. 55
5.3 Ensayo de un equipo de infrarrojo en línea de clasificación de cítricos (mandarinas y naranjas) para el análisis de la calidad interna.………………… 71
5.4 Ensayo de un equipo comercial portátil de NIR para la estimación de sólidos solubles y acidez en cítricos.…………………………………………………... 88
6. Resultados y discusión………………………………………………………………... 105
6.1 Resultados más relevantes…………………………………………..………… 106
6.1.1 Adquisición de datos………………………………………………… 106
6.1.2 Manejo de datos……………………………………………………… 108
6.2 Discusión de resultados………………………………………………………... 114
6.2.1 Pre-tratamiento……………………………………………………….. 115
6.2.2 Creación del modelo y estudio de la exactitud………………………. 115
6.2.3 Visión conjunta de resultados………………………………………… 119
7. Conclusiones…………………………………………………………………………… 121
7.1 Conclusiones específicas………………………………………………………. 121
7.2 Conclusiones generales………………………………………………………… 122
8. Propuestas de futuras actividades……………………………………………………... 125
9. Bibliografía…………………………………………………………………..………… 127
10. Anejo: Normativas sobre frutas y hortalizas frescas….…………………………….…. 139
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
Índice
III
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Clasificación de técnicas analíticas utilizadas en la medida del espectro electromagnético………………………………………………………………………. 16
Tabla 2.2. Características técnicas de los equipos ópticos en línea existentes en el mercado, para el análisis de la calidad interna mediante visión artificial.…………… 18
Tabla 2.3. Características técnicas de los equipos ópticos en línea existentes en el mercado, para el análisis de la calidad interna mediante espectroscopia VIS-NIR.…. 19
Tabla 2.4. Características técnicas de los equipos ópticos portátiles existentes en el mercado, para el análisis de la calidad interna mediante espectroscopia VIS-NIR.…... 20
Tabla 5.1. Damage types identified in olives by product experts at processing companies. The set was divided for the calibration and validation test…………….… 40
Tabla 5.2. Results of ANOVA for “Manzanilla Sevillana” olives classified into damage type studied. Mean (Standard Deviation)………………………………….…. 46
Tabla 5.3. Correlations between colour features for the DA2………………………… 50
Tabla 5.4. Chi-Square Tests with Successive Roots Extracted for the DA2…………. 51
Tabla 5.5. Correlations between segmentation features for the DA3…………………. 52
Tabla 5.6. Chi-Square Tests with Successive Roots Extracted for the DA3…………. 53
Tabla 5.7. Characteristics of sample sets of Galia melon used for the reliability study of a NIR commercial equipment. Values measured with the on-line equipment (sensor) and the laboratory references………………………………………………… 61
Tabla 5.8. Correlations (R) between four positions measured, for soluble solids (SSC) and firmness……………………………………………………………………. 62
Tabla 5.9. Results of the ANOVA testing for significance between the four measurement positions………………………………………………………………… 63
Tabla 5.10. Results of the ANOVA testing for significance (p
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
Índice
IV
Tabla 5.13. Technical data provided by the manufacturer……………………………. 74
Tabla 5.14. Characteristics of sample sets of mandarins and oranges used for the calibration and validation study. Values measured by the on-line equipment (20ºC and 10ºC) and by the laboratory techniques (references)…………………………….. 78
Tabla 5.15. Calibration and validation results for soluble solids (SSC) and titratable acidity (TA): Coefficient correlation (R), and standard errors of calibration and prediction………………………………………………………………………………. 79
Tabla 5.16. Classification in two commercial categories of mandarins and oranges according to the maturity index (MI). Percentages refer to rates of correctly-classified fruits…………………………………………………………………………………… 82
Tabla 5.17. Results of the ANOVA testing for significance (p
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
Índice
V
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Distribución porcentual de la producción de frutas (a) y hortalizas (b) en 2003. Fuente: MAPA (2006)...………………………………………………………... 7
Figura 2.2. Evolución de la participación de frutas y hortalizas en la producción agrícola nacional (1990–2007). Fuente: MAPA (2006)………………………………. 7
Figura 2.3. Importancia del sector hortofrutícola: % de producción europea y media 2003-2005. Fuente: European Commission (2007)…………………………………... 8
Figura 2.4. Consumo de frutas y hortalizas en países de la Unión Europea y media 2003-2005. Fuente: Mann y Renier (2007)…………………………………………… 8
Figura 2.5. Comercio interno de la UE y comercio exterior. Fuente: García (2007)………………………………………………………………………………….. 10
Figura 4.1. Cronograma de ejecución de las tareas para la realización de la tesis…….…………….………………………………………………………………… 26
Figura 4.2. Resumen de los trabajos de investigación realizados en esta tesis doctoral. 30
Figura 4.3. Proceso seguido para el estudio de los equipos ensayados…………..…… 32
Figura 5.1. Damage types identified in olives by expert technicians at processing companies: (a) undamaged olives, (b) ‘serpeta’, (c) ‘granizo’, (d) ‘rehús’, (e) ‘molestado1’, (f) wrinkled, (g) purple olive and (h) ‘molestado2’…………………… 38
Figura 5.1. Covariance matrix cov(xi) for the red channel. Areas where covariance is higher (red) were used to extract two gray levels (x, y) in each graph as discriminatory variables……………………………………………………………….. 45
Figura 5.3. Example of histograms obtained for all gray levels (256) in the red channel, for the different categories of olives with calibration sets. Each curve corresponds to an olive. The shape of distributions was used to establish groups……. 47
Figura 5.4. Classification into different categories of olives for three DAs performed. The percentages refer to fruit classification success rates: Calibration (CAL) and Validation (VAL)……………………………………………………………………… 49
Figura 5.5. Plot of canonical discriminant function for the DA2. Calibration (solid symbol) and Validation values (empty symbol) for global defect. □ Wrinkled, ○ Purple and Δ Rehús……………………………………………………………………. 50
Figura 5.6. Plot of canonical discriminant function for the DA3: Root1 and Root2. Calibration (solid symbol) and Validation values (empty symbol) for local defect. Undamaged, □ ‘Molestado1’, ◊ ‘Molestado2’, ○ ‘Serpeta’ and Δ ‘Granizo’………… 53
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
Índice
VI
Figura 5.7. Schematic picture of the tested commercial NIR equipment for melons…. 58
Figura 5.8. Variability of the soluble solids measured by on-line equipment and reference parameters, for homogeneous set (n=10)…………………………………… 65
Figura 5.9. Correlations for soluble solids (SSC) for the homogeneous (n=10) set between observed values (reference) and estimated by the on-line sensor. Dots indicate single measurements on fruits………………………………………………... 65
Figura 5.10. Correlations for soluble solids (SSC) for the heterogeneous set between observed values (reference) and predicted by the on-line sensor…………………..…. 66
Figura 5.11. Correlation for firmness for the heterogeneous set between observed values (reference) and predicted by the on-line sensor……………………………..…. 68
Figura 5.12. Schematic picture of the tested commercial NIR equipment for citrus fruit…………………………………………………………………………………….. 73
Figura 5.13. On-line fruit positions: (P1) with the calyx-stem axis in the vertical position; (P2) with the calyx-stem axis parallel to the conveyor belt movement; (P3) with the calyx-stem axis perpendicular to the conveyor belt movement……………... 77
Figura 5.14. Correlations for soluble solids and acidity between measured values (references) and values estimated by the model with the on-line equipment for a validation set. Mandarins (left) and oranges (right) for both temperatures measured: □ fruit at 20ºC and ○ fruit at 10ºC……………………………………………………... 81
Figura 5.15. Variability of the parameters measured by on-line equipment (20ºC and 10ºC) and reference parameters, in mandarins and oranges for soluble solids and acidity, measured for all the fruit from both harvests…………………………………. 83
Figura 5.16. NIR portable equipment and summary of applied methodology………… 92
Figura 5.17. Graph representation. (a) Raw spectra of absorbance for all citrus fruits (241 mandarins, 190 oranges) analyzed after MSC pretreatment. (b) Surface plot (gray map) of the autocorrelation matrix between wavelengths in abscissas and scores of PC in ordinates. White areas represent higher correlation………………… 99
Figura 5.18. Plots separating both species mandarins (left) and oranges (right). (a) and (b) raw spectra of absorbance for individual samples after MSC pretreatment. PC scores plots of three-dimensional are derived from (c) PC4, PC5 and PC2, and (d) PC1, PC5 and PC3; Plotted points represent individual samples (solid symbol: 20ºC; empty symbol: 10ºC) ………………………………………………………………….. 100
Figura 5.19. Plots of correlation coefficient (R) on left and external calibration errors on right (SECV and SEPV) for sample without PCA selection and with PCA selection………………………………………………………………………………... 102
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
1. Introducción
1
Capítulo 1
INTRODUCCIÓN
La presente tesis doctoral trata sobre la determinación de la calidad externa e
interna de frutas y hortalizas frescas a través de métodos no destructivos basados en
propiedades ópticas.
Se pretende dar una información más precisa sobre la viabilidad teórica y el
funcionamiento de equipos comerciales para la inspección de la calidad en línea,
mediante el desarrollo de procedimientos contrastados con sistemas de ensayo de
referencia.
Dicha investigación surge como respuesta a varios puntos:
• Importancia socioeconómica del mercado de frutas y hortalizas.
• Demanda de calidad por parte del consumidor final.
• Demanda de tecnologías certificadas para medidas de calidad por parte del
sector industrial.
• Investigación científica y desarrollo tecnológico aportados por diversos
equipos de investigación.
1.1. ORGANIZACIÓN DEL DOCUMENTO
La presente tesis está organizada en nueve capítulos y un anejo, siguiendo el
formato tradicional de una tesis doctoral. Sin embargo, de acuerdo con los
experimentos realizados se ha decidido reorganizar estos capítulos de forma interna
para facilitar la lectura y comprensión de los ensayos realizados.
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
1. Introducción
2
Por otra parte, debido a la importancia en el sector hortofrutícola de las
“propiedades ópticas para análisis de la calidad en frutas” objetivo principal de esta
tesis, la redacción de este documento se ha realizado parte en castellano
(introducción, objetivos, resultados generales y conclusiones finales) y parte en
inglés (del estado del arte de la tecnología de medida, objetivos específicos,
materiales y métodos, discusión y resultados) con objeto de dar mayor difusión
internacional a la misma.
Finalmente los capítulos principales se han ordenado de la siguiente manera
para facilitar en lo posible la comprensión del trabajo:
o En este capítulo introductorio (Capítulo 1), se muestran los motivos la estructura
del documento con el fin de facilitar la lectura.
o El Capítulo 2 denominado “antecedentes” redactado en castellano, se divide en
tres partes tratando de dar una visión de la problemática y la situación del sector:
Una primera parte muestra la situación del mercado hortofrutícola, donde se
detecta la existencia de un consumidor cada vez más exigente en la calidad de
los productos.
La segunda parte expone las innovaciones tecnológicas orientadas al sector
de frutas y hortalizas, centrándonos en el tema principal de esta tesis: las
propiedades ópticas. Sin embargo, en esta sección solo se muestran unas
pinceladas generales que agrupan las técnicas ópticas utilizadas en la tesis, que
son ampliados en los epígrafes 4.1.1, 4.2.1, 4.3.1 y 4.4.1, donde se hace más
hincapié en las técnicas empleadas en la presente tesis, con una amplia revisión
bibliográfica para cada caso, bastante actualizada y relevante.
En la última parte se presentan los proyectos de investigación en los que se
encuadra la presente tesis doctoral, que surgen de la incesante actividad
investigadora del grupo de investigación en el cual se realiza.
o El Capítulo 3 plasma en castellano, los objetivos a alcanzar con el desarrollo de
este trabajo de investigación.
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
1. Introducción
3
o A continuación en el Capítulo 4 se muestra el plan de trabajo seguido para
alcanzar estos propósitos; se describe de manera resumida la evolución de los
experimentos y del análisis de datos a lo largo del tiempo. Sin embargo, para
lograr los objetivos marcados en el capítulo anterior se utiliza un equipamiento
muy variado, y aunque aparentemente tienen una estructura distinta, todos ellos,
muestran un mismo esquema de trabajo.
o Por este motivo y sin alejarnos del formato tradicional de tesis, se adoptó el
planteamiento de agruparlos en cuatro trabajos monográficos íntegramente
redactado en ingles (Capítulo 5), cuyo tema principal son “las propiedades
ópticas”. Cada trabajo incluye una introducción donde se muestra el estado del
arte y se muestran los objetivos específicos de cada experimento, una sección de
materiales y métodos, resultados y discusión, así como las conclusiones finales.
En la introducción particular de cada uno de estos cuatro trabajos se incluye una
revisión minuciosa de la literatura existente y los problemas metodológicos
sobre las técnicas ópticas utilizadas, orientadas a cada caso en particular y
enfocada principalmente a los productos estudiados. Finalmente el Capítulo 5
queda constituido de la siguiente forma:
1. Clasificación de aceitunas mediante el análisis de imagen de acuerdo a
los daños externos. Se ha desarrollado un modelo capaz de clasificar los
frutos en ocho categorías, combinando parámetros de color del fruto y
características morfológicas tanto del fruto como de los defectos
extraídos de las aceitunas.
2. Estudio de un equipo comercial de NIR para la medida de la calidad
interna en melón. Un trabajo realizado con melones: en el que se utilizan
solo tres longitudes de onda y mide sólidos solubles y firmeza. Un
ensayo más sencillo, pero que permitió estudiar la posición del fruto y la
variación de las medidas a lo largo del día, así como la repetibilidad o
exactitud del modelo.
3. Ensayo de un equipo de infrarrojo en línea para la clasificación de
cítricos (mandarinas y naranjas) según su calidad interna. Trabajo
dedicado a cítricos, con un amplio rango espectral, mide sólidos solubles
y acidez. Se estudió la influencia de la posición y la temperatura, así
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
1. Introducción
4
como la repetibilidad y el modelo de calibración, con el estudio de la
exactitud del modelo. Las determinaciones se realizaron en dos fechas de
recolección distintas.
4. Ensayo de equipo comercial portátil de NIR para la estimación de sólidos
solubles y acidez en cítricos. Presenta los resultados obtenidos con el
equipo portátil aplicado sobre una muestra de cítricos, también analizada
con uno de los equipos en línea, cuyas diferencias son discutidas, en la
sección correspondiente de resultados y discusión (apartado 4.4.3). Se
muestran datos de repetibilidad y reproducibilidad, así como estudios de
la exactitud del modelo proporcionado por el propio equipo y estudios de
calibración externa, utilizando técnicas quimiométricas (PLS y PCA),
examinando las posibilidades de mejorar los resultados.
o Posterior al apartado que incluye los trabajos realizados, se han agregado dos
importantes capítulos que resumen el contenido más destacado, permitiendo
obtener una valoración conjunta de los experimentos llevados a cabo:
1. Discusión general que unifica los resultados parciales presentados
en los diferentes trabajos experimentales (Capítulo 6).
2. Conclusiones generales más relevantes (Capítulo 7).
o A raíz de los estudios realizados y de los resultados y conclusiones obtenidos, se
ha incluido un epígrafe (Capítulo 8) que muestra una serie de propuestas de
futuras actividades planteadas para progresar en las líneas de investigación
abordadas en esta memoria de tesis.
o La bibliografía a la que se ha hecho referencia a lo largo de todo el documento,
se ha agrupado en un único apartado: Capítulo 9.
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
2. Antecedentes
5
Capítulo 2
ANTECEDENTES
En este apartado se van a abordar una serie de aspectos que pueden ayudar a
entender la situación del sector agroalimentario, así como el planteamiento del
problema que ha conducido a esta Tesis Doctoral.
2.1. SITUACIÓN ACTUAL DEL MERCADO
2.1.1. Importancia del sector hortofrutícola
Las frutas y hortalizas representan dentro del conjunto agroalimentario el
sector de mayor importancia, tanto a nivel mundial como de la Unión Europea y
particularmente en España (31%). Comprende un complejo de actividades
económicas en las que el valor de los productos, el comercio internacional, la mano
de obra, el dinamismo económico y la innovación tecnológica, le caracterizan como
el sector de mayor relevancia de la producción agraria.
Su importancia se refuerza por la relación con otras actividades económicas:
- Infraestructuras: transformación agraria, construcciones agrícolas y
agroindustriales, invernaderos, embalses y distribución de regadío,
caminos, etc.
- Instalaciones y maquinaria: agrícolas y agroindustrial, suministro de
energía, sistemas de riego, equipamiento frigorífico, etc.
- Servicios: transportes, mantenimiento de instalaciones y maquinaria,
comercialización, gestión financiera, fiscal, laboral y jurídica, etc.
- Suministros: fertilizantes, fitosanitarios, semillas y plantas, envases y
embalajes, energía, etc.
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
2. Antecedentes
6
Este conjunto de actividades ligadas al sector hortofrutícola, en el que se
imbrican tanto la producción y comercialización, como las actividades auxiliares
indicadas, generan gran cantidad de puestos de trabajo, en muchos casos
especializados, con una intensa actividad económica cuyos beneficios proceden
fundamentalmente de la propia comercialización, con una dependencia muy reducida
de ingresos derivados de subvenciones (OCM, MAPA, Comunidades), con menor
intervención que en otros sectores agrícolas, siendo las propias reglas del mercado
las que determinan su desarrollo. Se caracteriza por su orientación al mercado y con
escaso apoyo de la Política Agrícola Común (PAC), induciendo una fuerte
profesionalización y competitividad de muchos sectores hortofrutícolas (García et al.,
2007).
La diversidad del conjunto de frutas y hortalizas comercializadas
internacionalmente establece una gran riqueza, que nos ofrece productos a lo largo de
todo el año, con amplio origen botánico, de características muy diversas (cultivo,
estructura, morfología, color, valor nutritivo, coste, manipulación, conservación,
consumo, etc.) y en muchos casos ligadas a la cultura de los grupos étnicos.
La producción mundial de frutas y hortalizas experimenta un claro
incremento durante las últimas décadas, con mayor intensidad en los países de la
Unión Europea. En el período 2003-2005, la producción mundial de frutas y
hortalizas representaba 1314 millones de toneladas, (frutas 440 millones y hortalizas
874 millones de toneladas) y en la UE-27 se alcanzó una producción de frutas de
36,3 millones y en hortalizas 72 millones de toneladas.
Al hacer referencia a la producción en España (Figura 2.1), destaca más
intensamente que en otros países, su amplitud, favorecida por la gran variabilidad
agroclimática, que ejerce una influencia directa en la determinación de los cultivos
(especies y variedades) y sobre el calendario de las cosechas. Estas características
hacen a determinadas zonas más productivas y competitivas en los mercados
internacionales, aunque también deben tenerse en cuenta algunos factores limitantes
para el desarrollo de las explotaciones agrícolas, entre las que destaca
fundamentalmente el agua.
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
2. Antecedentes
7
Figura 2.1. Distribución porcentual de la producción de frutas (a) y hortalizas (b) en 2003.
Fuente: MAPA (2006).
En España, la producción de frutas y hortalizas (Figura 2.2) ha crecido
constantemente durante los últimos diez años (1990-2007) con una importante
participación en la producción agrícola total, por encima del 50% del valor (Deloitte,
2004). Este incremento ha sido inducido por la incorporación a la Comunidad
Europea en el año 1986 y por el desarrollo de mejoras agronómicas en estos cultivos,
que han permitido incrementar los rendimientos y los beneficios de los agricultores
(MAPA, 2006). Esta evolución ha situado a España como el país de mayor
producción de la Unión Europea (Figura 2.3).
1990
1991
1992
1993
1994
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1996
1997
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Figura 2.2. Evolución de la participación de frutas y hortalizas en la
producción agrícola nacional (1990–2007). Fuente: MAPA (2006).
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Limón; 8
Manzana; 6Pera; 5Albaricoque;
1Melocotón y nectarina; 10
Frutos secos; 2Uva mesa; 3
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Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
2. Antecedentes
9
El Reglamento del Consejo, relativo a la Reforma del Sector de Frutas y
Hortalizas, aprobado en enero del 2007 (COM, 2007), considera esencial “la
orientación del mercado y la competitividad” así como “fomentar el consumo de
frutas y hortalizas”; estima que para realizar un abastecimiento con productos de
calidad homogénea y satisfactoria son necesarias normas de comercialización
referidas a: definición, calidad, clasificación, peso, calibre, envase, embalaje,
almacenamiento, transporte, presentación, comercialización y etiquetado. Sin
embargo, las normas vigentes (Anejo) se fueron elaboradas con criterios de
simplificación para conceder flexibilidad al mercado, por lo que al analizar las
variables que afectan a la competitividad, entre otras se debe tener en cuenta los
estándares y la calidad, en los que se contempla la diferenciación del producto. Las
certificaciones voluntarias y las normas técnicas (García et al., 2007) son
imprescindibles.
En la actualidad, la competencia comercial se establece en las
especificaciones de la gran distribución, que están reguladas y supervisadas en los
sistemas y protocolos de calidad, que representan una garantía, no sólo para tener
éxito en el mercado, sino para permanecer en él. Los sistemas privados de
certificación (EurepGap, QS, Nature’s Choice, BRC, IFS, Certificación de Gestión,
UNE 155000, etc.) se basan en la adopción del Sistema de Análisis y Control de
Puntos Críticos (APPCC), la implantación de un sistema de “Gestión de la Calidad”
eficaz y el establecimiento de requisitos específicos para instalaciones, productos,
procesos y personal. Es imprescindible poder aplicar estas normas en condiciones de
eficacia y competitividad; para ello es necesario el desarrollo de sistemas de trabajo
en línea que hagan posible garantizar la “diferenciación” de los productos; así lo
entiende la Comisión Europea, pues en la reforma de la OCM de frutas y hortalizas
considera que puede ser necesario adoptar métodos actualizados de análisis que
permitan determinar las características en relación con la calidad y autenticidad de
los productos (COM, 2007).
2.1.3. El comercio internacional y la importancia de la calidad
En la UE-27 y en otros muchos países desarrollados, durante las últimas
décadas se ha alcanzado un marcado progreso económico, que ha provocado cambios
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Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
2. Antecedentes
11
La adhesión a un tipo de valoración, con despreocupación del otro, puede
tener graves consecuencias; es necesario realizar una adecuada valoración de las
diferencias entre ambas, para desarrollar los mejores sistemas de manipulación y
distribución que sean sensibles a las demandas del consumidor. El consumidor es
quien decide finalmente el éxito o fracaso comercial de cualquier alimento, pero en
un mercado cada vez más competitivo los distribuidores, en alguna medida,
determinan su demanda; suministran de forma constante productos, comunicando
eficazmente su mensaje a los consumidores influyentes, que deciden la compra
(Shewfelt, 2006). El estricto cumplimiento de las especificaciones de calidad es
fundamental para mantener la confianza del consumidor y el éxito comercial, pero no
todos los productos recolectados cumplen las estipulaciones de calidad, siendo
imprescindible realizar una adecuada selección que permita una comercialización
ágil, dinámica y transparente, con satisfacción para el consumidor.
2.2. SITUACIÓN TECNOLÓGICA
2.2.1. Los sistemas de selección aplicables a frutas y hortalizas
Como se ha expuesto anteriormente, la importancia de la producción y
comercialización de productos hortofrutícolas, junto con la existencia de un
consumidor cada vez más exigente, tanto a nivel nacional como internacional, es un
hecho muy reciente que obliga a dedicar más esfuerzos a los procesos de inspección,
acondicionamiento y distribución.
Debido a la heterogeneidad y variabilidad de la producción agrícola siempre
existe una fracción del producto que no cumple las exigencias de calidad y debe ser
eliminada eficientemente, sin dañar el producto considerado apto o simplemente es
necesario realizar la separación en distintas categorías de calidad (Bullen et al.,
1993). Éstas características de los productos hortofrutícolas implican que las
operaciones de selección estén estrechamente ligadas a su comercialización y que se
pueden llevar a cabo por la acción humana directa o por aplicación de medios
mecánicos.
La inspección visual del producto y la separación manual de las unidades
designadas posee una alta capacidad para identificar y discriminar defectos, así como
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
2. Antecedentes
12
flexibilidad para establecer límites en las características de las unidades a rechazar,
pero presenta grandes restricciones: eficiencia, productividad, cansancio, falta de
experiencia, coste de mano de obra, etc.
Son muchos los desarrollos que han permitido automatizar la selección de
frutas y hortalizas, pues cualquier diferencia en las propiedades físicas puede ser
utilizada para realizar la separación en diferentes niveles de calidad. La operación de
selección más fácil de automatizar es el calibrado, donde el parámetro de separación
es relativamente simple (dimensiones, peso, volumen), por lo que en la actualidad
todas las operaciones de calibrado en los almacenes de manipulación están
automatizadas, tanto por sistemas mecánicos como ópticos.
Otros atributos de clasificación son más complejos (color, forma, textura,
madurez, lesiones, alteraciones, etc.) pero los adelantos de la investigación y el
desarrollo tecnológico han hecho posible grandes avances en este sector.
2.2.2. Demanda de tecnología de evaluación de la calidad
Las crecientes exigencias del consumidor inducen a las empresas a introducir
innovaciones tecnológicas en sus procesos, que proceden de la oferta internacional
de las empresas especializadas o pueden demandar un desarrollo más específico a las
universidades y centros de investigación, con aplicaciones adaptadas a las
necesidades particulares. Estos grupos de investigación, financiados con fondos
públicos y en muchos casos por las propias empresas, han desarrollado equipos
innovadores de sistemas para el análisis, evaluación y control en línea de la calidad
de frutas y hortalizas, externa e interna, por procedimientos no destructivos.
En los últimos años, las empresas han introducido en las líneas de
manipulación estas nuevas tecnologías, superando los ancestrales métodos de
muestreos y análisis en laboratorio; técnicas avanzadas que presentan múltiples
ventajas: no destrucción de producto, control de todas y cada una de las unidades,
fiabilidad de las determinaciones, automatización de los procedimientos, economía
en mano de obra, etc. Sin embargo todavía surgen problemas en su aplicación, por
falta de una adecuada formación técnica, inexistencia de normativa sobre calidad
interna y de ensayos de referencia para la certificación de estos sistemas de medida,
que dificultan a los usuarios una adecuada verificación de su fiabilidad.
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
2. Antecedentes
13
Estos factores justifican la necesidad de la realización de investigaciones que
proporcionen un mejor conocimiento de las tecnologías basadas en medidas ópticas,
de modo que hagan posible su transferencia al sector con mayor eficacia. Estos
trabajos deben desarrollarse como colaboración entre los grupos de investigación y
las propias empresas, para desarrollar soluciones innovadoras, con altos
rendimientos, adaptando cada sistema y tecnología a cada situación concreta. Estas
nuevas tecnologías ponen de manifiesto problemas con las herramientas de gestión
tradicionales, que no son capaces de resolver con éxito los nuevos desafíos generados
y hace falta renovar.
La informática, las comunicaciones y el adecuado tratamiento de la
información, como instrumentos para programar, organizar y favorecer
tecnológicamente la producción, deben ser la base de esta nueva revolución
tecnológica, que llegará a ser una realidad cuando sean asumidas por los empresarios
del sector agroalimentario. Pero estas nuevas tecnologías deben incorporarse, tanto
para apoyar áreas como organización, transferencia del conocimiento y trazabilidad,
como para facilitar la gestión y toma de decisiones en los procesos productivos.
Entre las tecnologías poscosecha que aseguran la calidad de los productos
hortofrutícolas ofertados al consumidor, ocupan un lugar destacado los métodos de
control no destructivos; son métodos rápidos, fiables, de control continuo, de
aplicación en línea y trabajo en tiempo real. En la actualidad entre estas técnicas
podemos citar algunas que aún están siendo desarrolladas como simulador en línea
para la clasificación de fruta por impactos, tecnología láser microondas, biosensores
enzimáticos (análisis del sabor), resonancia magnética o respuesta acústica, entre
otras, y otras que están utilizándose como infrarrojo o visión artificial.
El interés de los sectores económicos por estas tecnologías ha sido recogido
en los últimos años en la planificación de la financiación, como podemos comprobar
en el Plan Nacional de Investigación Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica
2008-2011 (CICYT, 2007), que en el Área de Desarrollo e Innovación Tecnológica
Sectorial está concebida para facilitar a los sectores industriales los instrumentos y
programas necesarios para acometer las actividades dirigidas al diseño de productos,
procesos o nuevos servicios, modificados o mejorados. El fin último es la mejora de
la competitividad empresarial mediante la resolución de los problemas identificados
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
2. Antecedentes
14
en los sectores de interés para el desarrollo socioeconómico del país, entre los que se
encuentra el programa de Alimentación, Agricultura y Pesca.
De una forma más específica en la convocatoria del año 2008 (Secretaría de
Estado de Universidades e Investigación, 2007) se establecen las líneas estratégicas
del subprograma de recursos y tecnologías agrarias, incluyendo en el ámbito
temático de “Obtención y elaboración de productos agroalimentarios seguros,
saludables y de calidad”, la línea estratégica correspondiente a Calidad de los
alimentos: desarrollo de técnicas para la determinación del origen, trazabilidad y
autenticidad de los mismos y su control sanitario. Identificación de residuos (INIA,
2008).
2.2.3. Técnicas ópticas
Actualmente las técnicas más prácticas y satisfactorias para la evaluación no
destructiva de la calidad y clasificación de productos agrícolas son las técnicas
electro-ópticas, basadas en las propiedades ópticas de los productos (Chen, 1996). Se
trata de métodos cuyo fundamento se centra en medir la interacción entre la materia
y la energía en forma de luz.
En sentido amplio, el concepto “luz” es un tipo de energía radiante (radiación
electromagnética) que se transmite a través del espacio mediante un movimiento
ondulatorio con una velocidad de propagación, una longitud de onda y una
frecuencia determinadas. Dicha longitud de onda permite clasificar la luz en varios
rangos, abarcando el espectro electromagnético en todo su rango (Maier, 1981).
Estas ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricos y magnéticos,
alternantes y perpendiculares entre sí, y transportan energía de un lugar a otro.
Desde el siglo XIX, al conjunto de radiaciones que van aproximadamente
desde 10-8 m hasta 10-3 m (ultravioleta, visible e infrarrojo) se denominó “espectro
óptico”, y corresponde con la gama completa de la luz solar, que es sólo una parte
del espectro electromagnético.
En esta memoria de tesis los equipos ópticos ensayados se centran sólo en las
zonas del espectro óptico correspondientes al visible e infrarrojo cercano:
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
2. Antecedentes
15
• Coloquialmente se entiende por luz sólo la parte visible (400-800 nm) del
espectro electromagnético, es decir, el rango de longitudes de onda que es
percibido por el ojo humano. El color de los objetos depende del espectro de
la luz que incide y de la absorción del objeto, la cual determina qué ondas
son reflejadas.
• Los rayos infrarrojos o “radiación de calor” (800-1·106 nm); están asociados
al calor, pues a temperatura normal los objetos emiten espontáneamente
radiaciones en el campo de los infrarrojos. Se considera dividido en tres
regiones: infrarrojo cercano (800-2500 nm), infrarrojo medio (2500-25000
nm) e infrarrojo lejano (25000-1·106 nm), Estas radiaciones son producidas
por las vibraciones atómicas de los cuerpos calientes y absorbidas por
ciertas moléculas (Moshenin, 1970).
Desde la antigüedad se han estudiado ampliamente todos estos fenómenos
relacionados con la luz, desde el modo en cómo es emitida la radiación, hasta la
forma de propagase a través de los medios o la interacción de la misma con los
materiales.
La luz interacciona con la materia de varias maneras. Parte de la luz se
modifica por factores geométricos, macroscópicos, y microscópicos, que causan
distintas modificaciones en la radiación. Otra parte es absorbida por las sustancias
que componen la materia, que queda excitada, y puede emitir de nuevo energía. Los
efectos sobre la materia son muy diferentes dependiendo de la longitud de onda
incidente sobre la superficie del objeto y de las características del propio producto. El
análisis de la respuesta a esta interacción, proporciona valiosa información sobre la
materia que se estudia, que van a influir en las características de los movimientos de
las ondas; estos fenómenos ópticos clásicos se pueden agrupar en los siguientes tipos
de interacción (Ruiz-Altisent, 1998; Valero, 2002):
Transmisión: refracción y dispersión.
Reflexión: reflexión especular, dispersión y dispersión Raman.
Absorción: absorción atómica, absorción molecular e inducida por un campo magnético.
Emisión: no radiantes (tras una absorción), rayos X, rayos γ, fluorescencia y fosforescencia.
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
2. Antecedentes
16
Desde los inicios de la investigación de la luz se han podido observar dos
ramas orientadas al estudio del espectro electromagnético: una de ellas basada en el
estudio de las propiedades ópticas de la radiación y sus componentes, y otra
encaminada a la obtención y manejo de imágenes en general, aunque no hayan sido
necesariamente formadas con luz visible o métodos ópticos convencionales,
similares a las registradas por el ojo humano. La Tabla 2.1 muestra una clasificación
de las técnicas analíticas empleadas en el ámbito de las propiedades físicas, para la
medida del espectro electromagnético (Barreiro, 2003).
Tabla 2.1. Clasificación de técnicas analíticas utilizadas en la medida del espectro
electromagnético.
RAMA ÓPTICA TECNICA ANALÍTICA
Medida de propiedades ópticas de las radiaciones electromagnéticas
Refractrometría e interferometría
Polarimetría
Nefelometría y turbidimetría
Colorimetría
Espectroscopia óptica: visible (VIS), ultravioleta (UV), infrarrojo (IR), fluorescencia, Raman, rayos γ, rayos X, resonancia magnética nuclear (RMN), ondas de radio, ondas eléctricas.
Obtención de imágenes
Imagen fija:
- 2D (fotografía plana): VIS, blanco y negro, color, UV, IR.
- 3D (imagen tridimensional): estereoscopía y proyección de luz estructurada.
Imagen en movimiento (video):
- 2D: blanco y negro, color, UV, IR, termografía.
- 3D
Holografía
El empleo de propiedades ópticas supone la aplicación sobre el objeto a medir
de una fuente de energía definida y la posibilidad de detectar la modificación que
sufre esa energía debida al objeto (Skoog et al., 2001). El tipo de energía a emplear
depende de factores como el material o las características físicas o anomalías que se
pretenden observar.
Para medir las propiedades en que se basan los métodos ópticos, la mayoría
de los componentes del aparato de medida son muy parecidos, aunque difieren algo
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
2. Antecedentes
17
en su configuración. Además, los componentes básicos de los instrumentos ópticos
son los mismos, con excepción de la zona del espectro a utilizar:
• Fuente de radiación: lámparas de H2 o D2, lámparas de filamento de
tungsteno, lámparas de arco de xenón, lámparas halógenas o
incandescentes, láseres, etc.
• Selector de longitud de onda: monocromadores o filtros.
• Receptor transductor o detector de energía. Elemento crucial para el
funcionamiento de los sistemas ópticos.
• Procesador de señal y sistema de lectura.
La luz es una poderosa herramienta para muchas de las disciplinas de las
ciencias experimentales. En física, química, biología o incluso en medicina se utiliza
frecuentemente algún tipo de radiación para obtener información de la materia objeto
de estudio (Gutierrez et al., 2004).
En los últimos años se ha avanzado notablemente en el conocimiento de la
interacción entre las técnicas electromagnéticas y de los productos, así como en el
desarrollo de instrumentación económica y técnicamente viable para su aplicación en
las industrias agroalimentarias. Así mismo se ha avanzado en el desarrollo de
potentes herramientas de análisis de datos y de modelización, que han permitido la
extracción de diferentes parámetros ópticos para la estimación de algunas
características que conforman la calidad de los productos. En el sector
agroalimentario, estos desarrollos se dirigen fundamentalmente a aplicaciones
relativas a inspección y clasificación de frutas y hortalizas frescas, atendiendo tanto a
la calidad interna como externa de los mismos. De esta manera, los métodos ópticos
de análisis cubren un amplio campo de aplicaciones debido a su rapidez, a la gran
gama de instrumentación disponible y sus grandes posibilidades de automatización.
De esta manera la mayoría las técnicas que se muestran en la Tabla 2.1 se han
utilizado en multitud de aplicaciones.
Nota: En los epígrafes 4.1.1, 4.2.1, 4.3.1 y 4.4.1 se hace más hincapié en las
técnicas empleadas en la presente tesis, con una amplia revisión bibliográfica para
cada caso.
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2. Antecedentes
18
Equipos comerciales
Con el fin de conocer los principios de funcionamiento particularmente los
correspondientes a las técnicas ópticas utilizadas en la presente tesis, se realizó una
recopilación de información sobre los equipos ópticos actualmente comercializados,
resumidos en las Tablas 2.2, 2.3 y 2.4.
Son dispositivos no destructivos que ayudan a conocer la calidad de los
productos hortofrutícolas, y que según la técnica empleada así como la forma de
utilización pueden clasificarse en tres grupos:
1) Equipos instalados en línea para la calidad externa de frutas
mediante visión artificial.
2) Equipos instalados en línea para la calidad interna de frutas
mediante espectroscopia VIS-NIR.
3) Equipos portátiles para la calidad interna de frutas mediante
espectroscopia VIS-NIR.
Tabla 2.2. Características técnicas de los equipos ópticos en línea existentes en el mercado,
para el análisis de la calidad interna mediante visión artificial.
Modelo Empresa o Institución Rango
espectral (nm)
Productos Parámetros Velocidad (frutas/s)
Power Vision AWETA SISTEMI S.p.A. (Cesena, Italia)
(VIS, NIR) Diferentes frutas Defectos externos, Color, calibres, etc. 8-10
InVision Compac Sorting Equipment Ltd. (Nueva Zelanda)
(VIS) Cítricos, frutos de hueso, manzanas, etc.
Color, forma, calibres, volumen, y defectos externos.
10-15
(Varios modelos) Multiscan Technologies S.L.
(VIS) Aceituna, cereza y tomate cherry. Tipos de daños, calibre, color.
1 muestra de 5 kg en
< 1 min
ULTRAVISION Unitec S.p.A. (Revenne, Italia) (VIS) Diferentes frutas Peso, calibres, color y defectos externos 10
MAXSORTER SELECTOR
MAXFRUT S.L. (Aizira, Spain) (VIS) Cítricos, manzanas, etc.
Defectos exteriores. Peso, color, tamaño
15
Color & size sensor Kalman Peleg (Israel) (VIS, NIR) Manzanas Color, calibres y madurez —
Insight
Colour Vision Systems Pty Ltd (CVS) part of Mafroda
(NIR)
Manzanas, kiwis, tomates, aguacates, albaricoques, cítricos, mangos, ciruelas, melones, y nectarinas,
SSC y DM 10
Nota: Recopilación personal utilizando los manuales de los equipos y diversas referencias. SSC= contenido en sólidos solubles, TA= acidez total.
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2. Antecedentes
19
Tabla 2.3. Características técnicas de los equipos ópticos en línea existentes en el mercado,
para el análisis de la calidad interna mediante espectroscopia VIS-NIR.
Modelo Empresa Rango
espectral (nm)
Productos Parámetros Velocidad (frutas/s)
Internal Quality Analyzer (IQA)
AWETA SISTEMI S.p.A. (Cesena, Italia)
(NIR) — Pardeamiento interno, SSC, TA y madurez.
6-10
Fruit Analyzing System F5
SACMI IMOLA S.C. (Imola, Italia)
650-970
Melones, sandias, peras, cítricos, ciruelas, caquis, melocotones, manzanas, etc.
SSC, madurez, TA, vitrescencia y pardeamiento interno.
5
Intelligent Flavour analyzer (IFA)
GREEFA (Holanda) (NIR)
Cítricos, kiwis, manzanas y frutos de hueso.
Pardeamiento interno y SSC. 6
TasteMark Instrument
Taste Technologies Ltd. (Nueva Zelanda)
(NIR) Manzanas, kiwis, melones, ciruelas, melocotones y nectarinas.
SSC, defectos internos, etc. —
Quality Station on line
Unitec S.p.A. (Revenne, Italia)
400-1000 Manzanas, peras, nectarinas, kiwis, uvas, albaricoques y fresas.
Firmeza, SSC, peso, calibres, color y calidad exterior.
—
UNI-BRIX Unitec (Ravenne, Italia)
(NIR) Melones SSC, peso y calibres —
Pimprenelle*
SETOP Giraud Technologies (Cavaillon, Francia)
NIR Manzanas, melocotones, peras, nectarinas, kiwis, cítricos y bayas.
Vitrescencia, SSC, firmeza, peso, calibres, acidez (málico y cítrico), y jugosidad
4-5 frutos/min
Nota: Recopilación personal utilizando los manuales de los equipos y diversas referencias.
SSC= contenido en sólidos solubles, TA= acidez total y DM= materia seca.
*Sistema automático de control de calidad por muestreo
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2. Antecedentes
20
Tabla 2.4. Características técnicas de los equipos ópticos portátiles existentes en el
mercado, para el análisis de la calidad interna mediante espectroscopia VIS-NIR.
Modelo Empresa o Institución Fuente de luz Rango
espectral (nm)
Productos Parámetros
Quality Station
Unitec S.p.A. (Ravenne, Italia)
LEDs en diferentes bandas de
emisión
400-1000
Manzanas, peras, nectarinas, kiwis, uvas, albaricoques y fresas.
Firmeza y SSC.
FQA-NIR GUN
Fantec (Shizouoka, Japón)
Pequeñas fuentes
halógenas 600-1100
Manzanas, peras, tomates, naranjas, mandarinas, kiwis, melocotones, etc.
SSC, TA y madurez.
Luminar 5030 “Le Vigneron”
Brimrose corporation (Maryland, USA)
Lámparas halógenas de
cuarzo 1100-2300 Uva de vinificación y vinos.
SSC, pH, TA, color, estrés hídrico, ácidos orgánicos, etc. (dependiendo del lugar: viñedo, laboratorio o bodega)
GLOVE
CEMAGREF (Francia) VERHAERT (Belgica) APOFRUIT (Italia) KUL (Belgica) ATB (Alemania)
Lámparas halógenas 300-1150
Manzanas y melocotones. Fácil de adaptar a kiwis, aguacates albaricoques, peras, etc.
SSC, madurez, firmeza, color interno y calibres.
Optical Taster TD-2000C
Towa Electric Industry & Co. (Aomori, Japón)
Lámparas halógenas 800-1000
Manzanas, peras, cerezas, tomates y melocotones.
SSC
Pigment Analyzer 1101
Control in applied Physiology (Falkense)
Lámparas halógenas 350-1100
Manzanas, plátanos, cítricos, zanahorias, etc.
—
— Institut Agricultural Engineering Bornim (Postdam, Alemania)
Lámparas halógenas 500-1000 Manzanas SSC y firmeza.
iQ Integrated Spectronics — 300-1100
Manzanas, frutas de hueso, kiwis, tomates, uvas, mangos y caquis.
SSC, DM, color interno, temperatura, y otros atributos.
Tromblon ITV, Cemagref, INRA , CTIFL and ACTA Cinco micro
lámparas 400-1100 Uvas SSC, TA y contenido de antocianinas.
Multiplex
FORCE-A French National Research Centre (CNRS).
— — Diversas frutas —
Fruit quality meter
Kubota — — — SSC, TA, y peso
FQA NIR Case
SACMI IMOLA S.C. (Italia)
Lámparas halógenas 600-1000
Manzanas, peras, melocotones, ciruelas, melones, albaricoques, kiwis, tomates, mandarinas, clementinas, naranjas, mangos y papayas.
Madurez, firmeza, SSC, TA, contenido en agua, DM y pardeamiento interno.
Nota: Recopilación personal utilizando los manuales de los equipos y diversas referencias. SSC= contenido en sólidos solubles, TA= acidez total y DM= materia seca.
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2. Antecedentes
21
2.3. ACTIVIDAD DEL GRUPO DE INVESTIGACIÓN
El Laboratorio de Propiedades Físicas y Técnicas Avanzadas en
Agroalimentación (LPF-TAG), realiza su labor de investigación y desarrollo
tecnológico dentro del Departamento de Ingeniería Rural de la Escuela de Ingenieros
Agrónomos de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). El grupo, dirigido por
la Dra. Margarita Ruiz-Altisent (Catedrática de Universidad), lleva 25 años
trabajando intensamente en el estudio de la calidad poscosecha de frutas y hortalizas.
De esta forma el grupo, lleva tiempo trabajando en numerosos proyectos de
investigación tanto nacionales como europeos, en colaboración con otros organismos
españoles y extranjeros. Estas tareas son compaginadas a su vez con servicios a
empresas, como medio para realizar transferencia de tecnología, y haciendo llegar los
resultados de investigación a los propios destinatarios, tanto el agricultor como el
empresario del sector agroalimentario.
En los últimos años se ha centrado especialmente en los métodos no
destructivos (óptica, RMN, acústica, etc.), contribuyendo a la introducción de
equipos de medida específicos en los centros de producción y comercialización de
fruta.
El LPF-TAG ha realizado avances sustanciales en técnicas ópticas, que se
encuentran en el diseño de presentaciones, de modelos de estimación de sólidos
solubles (SS) en melón, cebollas, melocotón, de diseño de equipos con presentación
automatizada (clasificación en tiempo real), detección de errores en la adquisición
por parte del sensor; obtención de las primeras imágenes MRI de defectos internos en
movimiento. Tanto los resultados de estos estudios de investigación, como la
colaboración con las empresas, hicieron factible la solicitud y concesión del proyecto
que ha conducido a esta tesis doctoral.
2.3.1. Proyecto de investigación
La tesis doctoral se encuadra dentro de un proyecto de Investigación de la
C.A.M. conocido como OPTICAM (CAM 07G/0014/2003 1) “Desarrollo de
métodos de ensayo de equipos ópticos para la inspección y el control en línea de la
calidad interna de frutos”, cuyas tareas, dado su corto periodo de duración, se
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2. Antecedentes
22
enlazan con las de un proyecto Nacional de Investigación de objetivos similares
OPTISCAN (AGL2004-03659/ALI) “Desarrollo de técnicas ópticas y de resonancia
magnética viables para la inspección de frutos en línea”, este último mezcla a su vez
tareas ópticas con resonancia magnética. Siendo el profesor responsable de ambos
proyectos el catedrático Jaime Ortiz-Cañavate, miembro del grupo de investigación.
La incorporación a este proyecto tuvo lugar el día 1 de octubre de 2003
coincidiendo con el inicio del primer proyecto OPTICAM y con la concesión de la
beca de la Comunidad de Madrid. Los experimentos se llevan a cabo en las
instalaciones del Laboratorio de Propiedades Físicas (Departamento de Ingeniería
Rural, E.T.S.I. Agrónomos, U.P.M.) así como en distintas instalaciones de las
empresas colaboradoras.
El planteamiento del trabajo, es la mejora de técnicas ópticas basadas en la
radiación óptica del espectro electromagnético: visible (VIS) e infrarrojo cercano
(NIR) alcanzable a través de los objetivos específicos planteados en esta propuesta
que permitirá establecer y optimizar las condiciones de diseño de equipos para la
inspección de la calidad de frutos.
La finalidad última de la investigación llevada a cabo por la becaria en estos
proyectos, ha sido establecer la viabilidad teórica de dichos equipos, estudiar su
modo de funcionamiento y desarrollar procedimientos para contrastarlos con ensayos
de referencia.
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
3. Objetivos
23
Capítulo 3
OBJETIVOS
Los sistemas de selección de productos hortofrutícolas presentan una serie de
cuestiones y necesidades que en la actualidad afectan a su desarrollo de forma
notable; estos antecedentes expuestos en el capítulo anterior sirven de base para
definir el objetivo global de la tesis doctoral: “Estudio de la calidad externa e
interna por métodos ópticos”. El desarrollo de esta idea desde consideraciones
diferentes permite aportaciones complementarias, contribuyendo a una mejor
resolución de la problemática planteada. Las líneas de actuación planteadas para la
consecución de estos retos permiten responder a las demandas de las empresas
hortofrutícolas, y las podemos reflejar en los siguientes puntos:
Establecer una metodología de trabajo que permita obtener funciones de
clasificación para seleccionar frutos en diferentes categorías, de acuerdo con
los defectos externos. La metodología final también debe ser útil para evaluar
las prestaciones de los sistemas comerciales.
Estimar la capacidad de los sistemas instalados en líneas comerciales de
selección de fruta, para medir su calidad interna, considerando diferentes
factores y evaluando la fiabilidad de los equipos.
Evaluar la capacidad de un sistema portátil para medir la calidad interna de
frutos, estudiando la optimización de su funcionamiento a partir de un
adecuado tratamiento de la información registrada por los sistemas ópticos.
Establecer la viabilidad teórica de dichos equipos, estudiar su modo de
funcionamiento y desarrollar procedimientos para contrastarlos con ensayos de
referencia.
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3. Objetivos
24
Tesis Doctoral Mª Teresa Riquelme
4. Plan de trabajo
25
Capítulo 4
PLAN DE TRABAJO
Para alcanzar los objetivos fijados en el desarrollo de este trabajo, incluidos
en los proyectos de investigación OPTICAM y OPTISCAN, ha sido necesario
superar diversos niveles de formación en el conocimiento; sobre esta base, algunos
objetivos se establecieron en el diseño experimental, mientras que otros surgieron
durante el desarrollo de los trabajos experimentales y en el análisis de sus resultados,
así como de nuevas ideas surgidas de actividades complementarias o de la
experiencia del grupo de investigación en el que se integró la doctoranda. Por tanto,
los retos acometidos en este trabajo fueron los siguientes:
- Aplicación de técnicas emergentes en la caracterización de productos
hortofrutícolas. Utilización de equipos ópticos (VIS-NIR), para evaluar la
calidad externa e interna en frutas.
- Desarrollo del trabajo en colaboración con las propias empresas,
principales conocedoras de la problemática a resolver.
- Estudio de la fiabilidad de los equipos y la posibilidad de su utilización
para clasificar productos hortofrutícolas.
Persiguiendo estos retos, los trabajos que han dado lugar a esta memoria se
desarrollaron durante cuatro años (septiembre 2003 a septiembre 2007) coincidiendo
con el periodo de desarrollo de ambos proyectos, indicados en el apartado 2.3.1, de
acuerdo con el cronograma expuesto en la Figura 4.1 y que se comentan a
continuación.
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4. Plan de trabajo
26
Actividad (2003) Año1 (2004) Año2 (2005)
Año3 (2006)
Año4 (2007) (2008)
Tare
as
inic
iale
s Revisión bibliográfica
Revisión equipos comerciales
Cursos, etc.
Ensayos
Congresos
Análisis de datos
Evaluación de resultados
Redacción de la memoria de tesis
Figura 4.1. Cronograma de ejecución de las tareas para la realización de la tesis.
4.1. TAREAS INICIALES
Los equipos comerciales para los ensayos pertinentes fueron puestos a
disposición desde los primeros momentos del desarrollo experimental de la actividad
planteada, por lo que hubo que adaptar y preparar rápidamente un protocolo, lo cuál
supuso el comienzo de una etapa de intensa actividad, pues era necesario compaginar
el desarrollo de los experimentos con muchas otras tareas, permitiendo entender
tanto la problemática del sector como las nuevas tecnologías aplicables en el ámbito
de la agricultura. A este periodo corresponden las siguientes actividades:
Inmersión en la actividad del laboratorio: recopilación de información técnica
sobre los principios de funcionamiento de diversos equipos ópticos de
laboratorio, con el fin de conocer sus características y su funcionamiento, de
cara a entender correctamente los equipos comerciales y sus modos de trabajo.
Intensificación de la formación científica con la realización de los cursos de
doctorado.
Actualización de la revisión bibliográfica sobre técnicas no-destructivas,
propiedades ópticas, tecnología de infrarrojo, etc.
Análisis de los equipos existentes en el mercado, instalados en líneas de
manipulación de frutas y hortalizas, que ayudan a conocer la calidad de estos
productos.
Informes de resultados preliminares para las em