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Determinación de la penetración NIR en patata

Ainara López, Silvia Arazuri, Jesús Mangado y Carmen Jarén (Dpto. de Proyectos e Ingeniería Rural. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos-UPN)José Ignacio Ruiz de Galarreta (Instituto Vasco de Investigación y Desarrollo Agrario. Neiker-Tecnalia)11/10/2013
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La espectroscopía en el infrarrojo cercano (NIRS) es, tal y como se describió en un número anterior de esta revista (Horticultura Internacional-52, mayo de 2006), una de las tecnologías de evaluación no destructivas más avanzadas (Magwaza, 2012). Las primeras aplicaciones de esta técnica se remontan a los años 60 y desde entonces se ha empleado de forma exitosa en el análisis cualitativo y cuantitativo de numerosos productos agrícolas (Davies, 1987; Gunasekaran, 2000; Nicolaï, 2007). Además, en los últimos años ha ganado una gran aceptación dentro de la industria de ensayos de materias primas (Arias, 2013).
La gran acogida de esta técnica puede deberse sin duda a su rapidez a la hora de predecir diversos componentes de productos hortofrutícolas sin requerir una preparación previa de la muestra en la mayoría de casos (Jarén et al., 2006).

Lo que se busca es la determinación de la composición interna de las muestras, generalmente enteras y en muchos casos, incluso con piel. Debido a esto, es importante cerciorarse de que la radiación NIR penetra en los tejidos de manera suficiente para poder establecer parámetros de calidad relacionados con la composición interna de los productos a evaluar (Lammertyn, 2000).

Se ha comprobado cómo la penetración de la radiación NIR está directamente relacionada con la textura de la muestra. Algunos autores han demostrado que la intensidad de la luz detectada en fruta desciende exponencialmente con espesor de la muestra (Birth, 1978; Chen, 1980; Greensill, 2000; Lammertyn, 2000). También, se ha investigado la interferencia de la piel en la toma de datos NIR y posterior correlación de éstos con los datos químicos de referencia.

Difererentes variedades de patata. Foto: Neiker-Tecnalia

Difererentes variedades de patata. Foto: Neiker-Tecnalia.

En patata (Solanum tuberosum L.), el efecto interferente de la piel en la toma de espectros NIR es un tema de investigación en el desarrollo de métodos de medida no-destructivos y de control de la composición. Algunos autores han señalado que la presencia de la piel no altera la relación entre los datos químicos y espectroscópicos.

En estos tubérculos es habitual la aplicación de la técnica NIRS para la predicción de sus principales componentes (López, 2013), sin embargo, la capacidad de penetración de la radiación NIR no es un tema muy discutido en la bibliografía y es por ello que el objetivo de este estudio es determinar si la penetración de la radiación NIR en patata resulta suficiente para obtener datos de composición interna, pero además, también vamos a comprobar la interferencia de la piel en la toma de datos espectrales. Este objetivo parcial se enmarca dentro de un objetivo principal centrado en el análisis de la composición interna de la patata por un método no destructivo, asegurándonos de que la radiación penetra en los tejidos y no nos estamos quedando únicamente con la información de la superficie de la patata. Así, los modelos que obtengamos serán robustos en este aspecto y nos cercioraremos que los datos que tomamos corresponden a la composición interna de la patata y no modelamos en función de características de la piel.

Material y métodos

Para llevar a cabo este estudio, se realizó primero un análisis preliminar para determinar la capacidad de penetración de la radiación NIR en patatas de la variedad Monalisa. Para el registro de los datos NIR, los tubérculos fueron cortados en dos mitades, una de las cuales se empleó para la toma de datos con piel mientras que a la otra mitad se le eliminó ésta. A continuación se realizaron cortes transversales sobre ambas muestras a diferentes espesores siendo la dimensión inicial de aproximadamente 3 cm. La tabla 1 muestra los diferentes espesores obtenidos en cada muestra con piel y sin piel.
Figura 1: Espectrofotómetro NIR Luminar 5030 de Brimrose
Figura 1: Espectrofotómetro NIR Luminar 5030 de Brimrose.
La toma de datos espectrales se realizó con un espectrofotómetro NIR Luminar 5030 de Brimrose que utiliza tecnología AOTF en modo reflectancia (R) (Figura 1). Los espectros fueron registrados en el rango espectral de 1.100 a 2.300 nm a intervalos de 2 nm (601 variables). Cada espectro obtenido es la media de 50. Se tomaron diez espectros por muestra para cada espesor. Para evitar la influencia de la base sobre los espectros de las patatas a analizar, éstas se colocaron sobre el visor del espectrofotómetro, como se observa en la figura 2, obteniéndose también el espectro sin muestra. Esta última información fue utilizada como referencia con el objetivo de establecer en qué punto la energía en vez de ser reflejada, atraviesa la muestra y el detector no es capaz de adquirir ninguna información espectral (Figura 2).
Tabla 1: Espesor de las muestras con piel y sin piel. Ensayo preliminar
Tabla 1: Espesor de las muestras con piel y sin piel. Ensayo preliminar.
Una vez analizados los datos del estudio preliminar se procedió a realizar un ensayo definitivo. Para ello se tomaron muestras de dos variedades comerciales, Universa y Monalisa y se siguió el mismo procedimiento que en el estudio preliminar, tomando espectros en diferentes grosores tanto en muestras con piel, como sin piel. Se tomaron 10 espectros para cada espesor. La dimensión inicial de la muestra en este caso fue inferior a 3 cm dado que se comprobó en el estudio preliminar que no era necesario un tamaño mayor. Por ello, y con el objetivo de agilizar la toma de datos, las muestras iniciales presentaban un espesor de aproximadamente 3 mm.
Figura 2: Modo de registro de los espectros de reflectancia de las muestras de patata
Figura 2: Modo de registro de los espectros de reflectancia de las muestras de patata.

Resultados y discusión

En las figuras 3a y 3b se representan los espectros de la variedad Monalisa registrados sobre las muestras con piel y sin piel respectivamente. En ambos casos, los últimos espectros fueron registrados sin muestra y se pueden observar en estas figuras cómo éstos difieren claramente del resto. En el caso de las muestras con piel, los penúltimos datos corresponden a tan sólo la piel (0,44 mm) y como se observa en la figura 3(a), los espectros obtenidos para ese espesor de muestra también presentan una forma diferente al resto. Esto se traduce en que cuando se registran datos de sólo la piel, la luz incidente atraviesa la muestra y parte de la energía se pierde. En la figura 3a observamos que a partir de la longitud de onda 1.300 nm, los picos del espectro de la piel coinciden con los picos de los espectros de piel+carne, pero el nivel radiación reflejada es muy inferior en el caso de ‘sólo piel’. Por tanto, según este resultado, se puede afirmar que la piel no interfiere a la hora de registrar datos NIR en patata.
Figura 3a: Espectros de reflectancia de las muestras con piel

Figura 3a: Espectros de reflectancia de las muestras con piel.

Figura 3b: Espectros sin piel
Figura 3b: Espectros sin piel.
En cuanto a los espectros de las muestras sin piel (Figura 3b), se observa claramente cómo todos tienen un comportamiento muy similar entre ellos y diferente a los espectros de referencia sin importar el espesor de la muestra.

Por tanto, los resultados obtenidos en este ensayo preliminar demuestran que la radiación NIR es capaz de penetrar en muestras de patata y ser reflejada, por muy fina que sea dicha muestra, proporcionando datos de la composición interna de estos tubérculos.

Tabla 2: Espesor de las muestras con piel y sin piel. Ensayo definitivo
Tabla 2: Espesor de las muestras con piel y sin piel. Ensayo definitivo.
En cuanto a los resultados del ensayo definitivo, en la tabla 2 se muestran los diferentes espesores empleados en la toma de datos NIR para las dos variedades (Universa y Monalisa) tanto con piel como sin piel. En todos los casos, los últimos espectros fueron registrados sin muestra, se pueden observar en las figuras 4a y 4b cómo éstos difieren claramente del resto. Estos datos concuerdan con los obtenidos en el estudio preliminar.

En la variedad Monalisa los resultados obtenidos son similares a los del estudio preliminar. Para las muestras con piel (Figura 4a), los espectros de diferentes espesores muestran un comportamiento similar, excepto los registrados sobre tan sólo la piel y al aire. En las muestras sin piel (Figura 4b), no se observan diferencias en los espectros adquiridos a diferentes espesores exceptuando los de referencia. En ambas muestras el último espesor del cual se obtuvo información espectral situó entre 0,4-0,58 mm.

Imagen
En cuanto a la variedad Universa, los resultados obtenidos también concuerdan con los del estudio preliminar. Como se observa en la figura 4c, los espectros obtenidos a diferentes grosores de las muestras con piel, desde 3,27 mm hasta 1,04 mm presentan un comportamiento similar. En las muestras sin piel, (Figura 4d) el último espesor del cual se obtuvo un espectro con información, se situó en 0,49 mm.

Conclusiones

Una vez realizado el análisis de los resultados de este estudio, se concluye por una parte que la presencia de la piel en patata no interfiere en la toma de datos NIR y por otra, confirma cómo la radiación NIR penetra de manera suficiente para la obtención de datos de composición interna.

Tanto en el estudio preliminar como en el definitivo, los espectros de reflectancia registrados sobre la piel de las muestras presentan un comportamiento muy diferente a los registrados sobre el conjunto piel y carne, reflejando menos la luz. Por tanto, esta radiación atraviesa la muestra y no es reflejada. De la misma manera, en ambos estudios, el último espesor del cual se obtuvo un espectro de aspecto igual al resto, es decir, conteniendo información interna, se situó entre aproximadamente 0,40 y 1 mm.

Por tanto, se concluye que para futuros estudios de predicción de compuestos de patata como almidón, proteína bruta, hierro, etc, los ensayos podrán realizarse sobre los tubérculos enteros y sin pelar, lo cual supone agilizar la toma de datos de manera considerable, y de este modo ampliar la toma de datos a un número mayor de tubérculos. También, estos resultados abren las puertas a la utilización de la tecnología NIR en procesos automatizados de clasificación y caracterización por calidad de patatas, tanto para consumo en fresco como para su uso en la industria agroalimentaria.

Agradecimientos

A los autores nos gustaría agradecer al Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria por la financiación del Proyecto ‘Mejora genética de la patata: caracterización del material por tecnología NIRS’ (RTA 2011-00018-C03-03). Asimismo, a la Universidad Pública de Navarra por la concesión de una ayuda predoctoral de investigación. 

Referencias bibliográficas

  • Bergara, G.; Jarén, C.; Arazuri, S. Introducción a la espectroscopia de infrarrojo cercano en la horticultura. Horticultura Internacional 2006, 52, 58-63.
  • Magwaza, L.S.; Opara, U.L.; Nieuwoudt, H.; Cronje, P.J.R.; Saeys, W.; Nicolaï, B. NIR Spectroscopy Applications for Internal and External Quality Analysis of Citrus Fruit—A Review. Food and Bioprocess Technology 2011, 1-20.
  • Davies, A.M.C.; Grant, A. Review: Near infra-red analysis of food. Int. J. Food Sci. Tech. 1987, 22, 191-207.
  • Gunasekaran, S.; Irudayaraj, J. Optical methods: visible NIR and FTIR spectroscopy, In Nondestructive Food Evaluation. Techniques to Analyse Properties and Quality, Anonymous; New york: 2000; Vol.105.
  • Nicolaï, B.M.; Beullens, K.; Bobelyn, E.; Peirs, A.; Saeys, W.; Theron, K.I.; Lammertyn, J. Nondestructive measurement of fruit and vegetable quality by means of NIR spectroscopy: A review. Postharvest Biol. Technol. 2007, 46, 99-118.
  • Arias, N.; Arazuri, S.; Jarén, C. (2012). Ability of NIRS technology to determine pesticides in liquid samples at maximum residue levels. Pest management science. 2012, 64(4), 471-477.
  • Lammertyn, J.P.A.; De Baerdemaeker, J.; Nicolaï, B. Light penetration properties of NIR radiation in fruit with respect to non-destructive quality assessment. Measurement Science and Technology. 200, 18, 121-132.
  • Birth, G. S. The light scattering properties of foods. Journal of Food Science. 1978, 43, 916-925.
  • Chen, P.; Nattuvetty, V.R. Light transmittance through a region of an intact fruit. Transactions of the ASAE. 1980, 23, 0519-0522.
  • Greensill, C.V.W.; Walsh, K.B. A remote acceptance probe and illumination configuration for spectral assessment of internal attributes of intact fruit. Measurement Science and Technology. 2000, 11, 1674.
  • Lopez, A.; Arazuri, S.; García, I.; Mangado, J.; Jarén, C. A review on the application of near-infrared spectroscopy for the analysis of potatoes. Journal of agricultural and food chemistry. 2013, 61(23), 5413-5424.