< Terug naar vorige pagina

Project

Optische karakterisering van citrusvruchten voor kwaliteitsbewaking met Vis/NIR-spectroscopie

Citrusvuchten worden frequent geconsumeerd omwille van hun hoge voedingswaarde en hun bijdrage aan een gezonde levensstijl. Om klantentevredenheid te maximaliseren en voedselverliezen te minimaliseren is de citrusindustrie op zoek naar niet-destructieve en effectieve methoden voor kwaliteitsmeting. Optische technieken werden voorgesteld als interessante kandidaten voor het bouwen van detectiemodellen voor het opvolgen van de kwaliteit van citrusvruchten. Er werd echter gerapporteerd dat deze methoden onvoldoende robuust zijn tegen de biologische variabiliteit in vruchten van verschillende seizoenen, productieregio’s en zelfs boomgaarden. De robuustheid van deze modellen zou verhoogd kunnen worden door meer stalen met verschillende eigenschappen op te nemen in de calibratieset om zo de variabiliteit beter te omvatten. Dit blijkt in de praktijk echter moeilijk te realiseren. Vertrekkend van de aard van de interacties tussen licht en materie kan de lichtvoortplanting door citrusvruchten gezien worden als het resultaat van een complexe interactie tussen absorptie gerelateerd aan de chemische samenstelling en verstrooiing door de fysische structuren. Daarom vertrok dit onderzoek van de hypothese dat het scheiden van de bulk optische eigenschappen (BOP) gerelateerd aan de chemische en fysische kwaliteit van citrusweefsels zou bijdragen aan het bouwen van meer robuuste modellen voor kwaliteitsinspectie en het verkennen van de lichtvoortplanting in citrusfruit om het ontwerp van optische sensoren voor kwaliteitsinspectie te optimaliseren.

In een eerste experiment werden de BOP bepaald van verschillende citrusvruchten zoals pompelmoes, sinaasappel, limoen en citroen. Aangezien citrusvruchten opgebouwd zijn uit verschillende weefsellagen, nl. flavedo, albedo en sapblaasjes, werden de BOP van elk van deze lagen opgemeten. De diffuse reflectantie en transmissie opgemeten met dubbele integrerende sferen (DIS) en de onverstrooide transmissie werden gecombineerd met een routine voor inverse adding-doubling (IAD) om de BOP te schatten. In parallel werden de grootte van de olieklieren in de flavedo, het gehalte aan opgeloste vaste stof (SSC) en de titreerbare zuurtegraad (TA) in de sapblaasjes opgemeten met traditionele destructieve methoden. Op basis van deze metingen werd de relatie tussen de optische eigenschappen en de BOP onderzocht. Voor alle soorten en weefsellagen bleken de spectra voor de bulk absorptiecoëfficiënt (µa) in het nabij infrarode (NIR) gebied gedomineerd te worden door de absorptiepieken van water rond 980, 1200 en 1450 nm. In het visuele (Vis) gebied werden voor alle soorten absorptiepieken rond 480 nm gevonden die kunnen toegeschreven worden aan carotenoiden, terwijl bij limoen een specifieke absorptiepiek gerelateerd aan chlorofiel waargenomen werd rond 680 nm. Voor de verschillende weefsellagen werden verschillen in de bulkverstrooiingscoëfficiënt (µs) waargenomen met veel hogere waarden voor de schil (flavedo en albedo) dan voor het vruchtvlees (sapblaasjes). De veranderingen in de anisotropiefactor (g) als functie van de golflengte varieerden ook tussen de verschillende weefsellagen. De verschillen in µs en g tussen de verschillende soorten citrusvruchten bleken echter kleiner te zijn dan de variatie tussen verschillende weefsels. Er werd een negatieve correlatie gevonden tussen de gemiddelde waarde voor µs en de diameter van de olieklieren in de flavedo. De beste predictiemodellen voor SSC en TA werden respectievelijk bekomen op basis van de attenuatiecoëfficiënt (µt) en µa voor de sapblaasjes.

Na het bepalen van de BOP van de verschillende weefsellagen werd het lichttransport in citrusvruchten gesimuleerd met meerlaagse Monte Carlo-simulaties (MCML). De lichtvoortplanting in het golflengtebereik van 490 tot 1880 nm werd gesimuleerd voor bron-detector-afstanden tot 1 cm. Voor verschillende detectiemodes (diffuse reflectantie, absorptie en transmissie) werd de gesimuleerde lichtenergie geabsorbeerd door verschillende weefsellagen en hun bijdrage tot de diffuse reflectantieprofielen opgeslaan. Vervolgens werden de gesimuleerde spatiaal verdeelde reflectantieprofielen voor intacte vruchten vergeleken met deze geëxtraheerd uit hyperspectrale verstrooiingsbeelden om de nauwkeurigheid van de simulaties te valideren. Met uitzondering van de afwijkingen veroorzaakt door het ruwe oppervlak en de dichtste olieklieren kwamen de simulaties over het algemeen goed overeen met de metingen. De simulatieresultaten gaven aan dat de flavedo het meeste licht reflecteert en absorbeert. Voor alle golflengten buiten de absorptiebanden van water en de flavedopigmenten wordt ongeveer 15% van het licht geabsorbeerd in de albedo. In vergelijking met de flavedo en de albedo absorberen de sapblaasjes maar een zeer kleine fractie van het licht die meestal onder de 3% valt. De flavedo- en albedolagen bleken het meest bij te dragen aan de diffuse reflectantie bij 800 nm en hun bijdrage nam respectievelijk af en toe met toenemende bron-detector-afstand. Hoewel de bijdrage van de sapblaasjes toenam met de afstand, werd de maximale diffuse reflectantie afkomstig van de sapblaasjes gevonden bij een afstand van 0,56 cm van het belichtingspunt. Op basis van deze resultaten kan de combinatie van belichtingsvermogen en bron-detector-afstand geoptimaliseerd worden voor extractie van maximale informatie over de te bestuderen laag.

In een volgende fase werden de effecten van oogsttijdstip, vruchtgrootte en cultivar op de BOP van Satsuma-mandarijnweefsel onderzocht. Aangezien de diffuse reflectantieprofielen vooral de eigenschappen van de buitenste flavedolaag weerspiegelden terwijl de beoogde kwaliteitseigenschappen (e.g. suiker- en zuurgehalte) vooral bepaald worden door de diepere laag met sapblaasjes, werd de variatie in de BOP gerelateerd aan deze invloedsfactoren zowel bestudeerd voor de binnenste (sapblaasjes) en buitenste (flavedo) weefsellagen. Satsuma-mandarijnen van 3 cultivars (Iwasaki, Okitsu en Goku Wase) geoogst op 3 tijdstippen rond de aangeraden oogstdatum werden gebruikt als stalen in dit experiment. Analoog aan het experiment met verschillende soorten citrusvruchten werden de BOP, SSC, TA, kleurparameters (L*a*b*) en Brix minus zuur (BrimA) opgemeten voor de Satsuma-mandarijnen. De piek in de absorptiespectra (µa) gerelateerd aan de carotenoiden bleek in beide lagen toe te nemen met het oogsttijdstip, terwijl de piek gerelateerd aan chlorofiel in de flavedo afnam. Daarnaast werd ook een licht stijgende trend in de verstrooiingsspectra van de sapblaasjes waargenomen over de oogstperiode, vooral in het vroege stadium. De µa-waarden van beide weefsellagen en de µs-waarden voor de sapblaasjes verschilden voor de verschillende vruchtgroottes, wat kan gerelateerd worden aan het ontwikkelingsstadium. Kleinere vruchten hadden een hoger carotenoide-gehalte in hun sapblaasjes, een sterkere kleurverandering in hun flavedo tijdens het afrijpen, en hogere µs-waarden voor hun sapblaasjes in vroege stadia. De verschillen in µa gerelateerd aan pigmenten tussen de verschillende cultivars bleken vooral gerelateerd te zijn aan de volgorde waarin deze afrijpen. Vroeger afrijpende cultivars hadden hogere µa-waarden gerelateerd aan carotenoiden in hun sapblaasjes en meer geavanceerde kleurveranderingen in hun flavedo. De verschillen in de µs-waarden voor de flavedolaag tussen de cultivars namen toe tijdens het afrijpen.

BOP-waarden kunnen ook geëxtraheerd worden uit niet-destructieve hyperspectrale laserverstrooiingsbeelden door middel van een metamodel dat de BOP koppelt aan de diffuse reflectantieprofielen. Hoewel goede resultaten gerapporteerd werden voor meting-gebaseerde metamodellen, zouden simulatiegebaseerde metamodellen meer flexibiliteit bieden in het ontwerp van de zoekruimte. Daarom werden de afwijkingen tussen metingen en simulaties onderzocht door het bestuderen van de effecten van lichtbron, belichtingshoek en detectiehoek op de diffuse reflectantieprofielen opgemeten met een opstelling voor hyperspectrale verstrooiingsbeeldvorming. De resultaten toonden aan dat de intensiteit van de diffuse reflectantie proportioneel is met het vermogen van de lichtbron en dat het effect van de grootte van de lichtbundel afneemt bij toenemende bron-detector-afstand. De profielen die geëxtraheerd werden van de zijdes loodrecht op de lichtbundel bleken minder beïnvloed te worden door de belichtingshoek. Bovendien bleek het meenemen van de juiste regio en belichtingshoek de afwijking tussen de simulaties en de metingen verder te reduceren. Voor een detectiehoek relatief tot de normaal op het staaloppervlak tussen 0° en 30° bleven de relatieve afwijkingen tussen metingen en simulaties voor bron-detector-afstanden tussen 0,04 en 0,07 cm onder de 6%. Na het reduceren van de afwijkingen veroorzaakt door bovenvermelde factoren kwamen de gesimuleerde diffuse reflectantieprofielen goed overeen met de opgemeten profielen met R2-waarden boven 0,99. Vervolgens werden op basis van de gemeten en gesimuleerde diffuse reflectantieprofielen metamodellen opgebouwd die deze profielen linken aan de BOP. De predictieperformantie van de inverse simulatiegebaseerde metamodellen was vergelijkbaar met deze van deze op basis van metingen, met R2-waarden boven 0,96. Gepaste correctie voor deze bronnen van afwijkingen tussen metingen en simulaties laat dus toe om simulatiegebaseerde metamodellen te bouwen over een breed bereik van gewenste optische eigenschappen die kunnen toegepast worden op verschillende meetconfiguraties.

Vroegtijdig puffen is één van de belangrijkste naoogstdefecten in makkelijk te pellen citruscultivars zoals Satsuma-mandarijnen. Om meer inzicht te verwerven in dit defect werden voor gezonde en puffende mandarijnen de structurele eigenschappen (weefseldikte, oppervlakte/volume, percent volume en oppervlakte/weefselvolume) van de flavedo en albedolagen in de schil berekend op basis van X-ray CT scans. De albedo- en flavedo-laag bleken dunner te zijn in puffende mandarijnen. Er werden geen verschillen waargenomen in de grootte van de olieklieren in de flavedo, maar de poriegrootte in de albedo van puffende mandarijnen was groter op een later oogsttijdstip. Vervolgens werden de BOP van individuele weefsellagen in het golflengtebereik van 530 tot 970 nm opgemeten met DIS en onverstrooide transmissiemetingen, terwijl deze voor de intacte vruchten geschat werden op basis van laserverstrooiingsbeelden met het meting-gebaseerd metamodel. De waarden voor de gereduceerde verstrooiingscoëfficiënt (µs’) van de volledige vruchten waren lager in puffende mandarijnen dan in de overeenkomstige gezonde vruchten. De grootte van de olieklieren in de flavedo en de luchtporiën in de albedo bleken negatief gecorreleerd te zijn met de µs’-waarden van de respectievelijke weefsellagen. Voor de intacte vruchten bleken de µs’-waarden gedomineerd te worden door de verstrooiingseigenschappen van de flavedo en positief gecorreleerd met de grootte van de olieklieren. Aangezien er geen verschillen in de grootte van de olieklieren waargenomen werden tussen de gezonde en puffende mandarijnen, kunnen de waargenomen verschillen in de µs’-waarden van de intacte vruchten toegeschreven worden aan veranderingen in de verstrooiingseigenschappen van de albedo die negatief gecorreleerd zijn met de grootte of het percentage van de luchtporiën. Dit levert een solide basis voor niet-destructieve optische detectie van puffende vruchten in een vroeg stadium.

Samengevat, leverden de optische metingen op citrusweefsels nieuwe inzichten in de optische verschillen tussen weefsels en de relatie tussen de BOP en de kwaliteitseigenschappen. Het onderzoek naar de invloed van oogsttijdstip, vruchtgrootte, cultivar en puffen op de BOP kwantificeerde het effect van de mogelijke bronnen van variatie in de praktijk als basis voor de ontwikkeling van betere systemen voor kwaliteitsinspectie. Het simuleren van de lichtvoortplanting doorheen citrusvruchten weerspiegelde het effect van de eigenschappen van de verschillende lagen goed en vormde hiermee een goede basis voor het ontwerpen en optimalizeren van de optische sensoren voor kwaliteitsmetingen op citrusvruchten. De meting- en simulatiegebaseerde metamodellen lieten toe om de BOP van intacte vruchten niet-destructief te schatten op basis van de spatiaal-verdeelde diffuse reflectantieprofielen. Bovendien opende het onderzoek naar de afwijking tussen de twee metamodellen het pad naar hun praktische toepassing op meetdata.

Datum:3 nov 2016 →  25 aug 2021
Trefwoorden:Spectroscopy, Satsuma oranges
Disciplines:Andere chemie, Voeding en dieetkunde, Productie van landbouwdieren, Levensmiddelenwetenschappen en (bio)technologie, Analytische chemie, Macromoleculaire en materiaalchemie, Landbouw, land- en landbouwbedrijfsbeheer, Biotechnologie voor landbouw, bosbouw, visserij en aanverwante wetenschappen, Visserij
Project type:PhD project