Εκτίμηση της ποιότητας λαχανικών με τη χρήση αναλυτικών, οπτικών και τηλεπισκοπικών μεθόδων

Abstract

In the present PhD thesis, the efficacy of several non destructive techniques in assessing qualitative components, degree of ripening and freshness status of vegetables, as well as in discriminating the commodities according to the above traits was investigated. In particular, non destructive measurements were recorded on tomato, pepper fruit and in potato tubers with optical sensors such as colormeter and chlorophyll fluorometer, as well as with remote sensing ones such as Digital single-lens reflex R-G-B camera, digital compact R-G-NIR or R- B-NIR cameras, spectroradiometer (400- 25000 nm) and Vis (400- 1100 nm) spectrograph, in order to investigate their possibility of implementation, the accuracy, consistency and reliability of the prediction models. Tomato fruit classification and postharvest ripening monitoring based on maturity stage of fruit at the time of harvest are necessary, in order to guarantee the highest possible quality and marketability of the final ripe product. The aim of this study was to investigate, if three innovative and convenient, in terms of rapidness, accuracy and expense, non-destructive protocols can be exploited in identifying the maturity stage of tomato fruit, while also estimating the pericarp’s pigments content, as well as further monitoring the postharvest ripening of tomato fruit during storage. These protocols included the measurement chlorophyll fluorescence (OJIP), the non-photochemical quenching of photosystem (NPQ) and the light harvesting complex (LHC). The efficiency of these methods was compared to that of the colorimeter, which is widely used for such purpose. According to the results, specific parameters of all the three protocols can classify the tomato fruit according to their maturity stage, as efficiently as the hue angle parameter of the color measurements. Additionally, certain parameters of these protocols were identified that can monitor the tomato fruit ripening during storage more reliably even compared to the colorimeter parameters, while also being strongly correlated with the tomato fruit pericarp pigments’ content. Among the three protocols, the OJIP is the most accurate one which also excels in generating data faster than the rest. Moreover, the ‘fix area’ parameter of the OJIP protocol retains the efficiency to discriminate fruit during 16 days of storage according to their initial ripening stage at harvest, even when all tomatoes turn red, in contrast to hue angle parameter, which was less efficient in distinguishing the different initial maturity stages, beyond the 8th day of storage. Models based on ‘fix area’ parameter better reflect the actual ripening process of fruit per maturity stage than the ones based on hue angle data. The optimal quality, the marketability and the shelf-life of pepper fruit often depend on the ripening stage at harvest. Moreover, it is necessary to estimate the process of ripening in various steps of the supply chain. The potential of four non- destructive techniques as rapid tools for discriminating the process of ripening was investigated. Chlorophyll fluorescence, Vis/NIR spectroscopy, two commercial digital imaging cameras- one R-G-B dslr and a modified R-G-NIR compact camera were assessed as alternatives to color measurements in classifying pepper fruit according to their ripening stage. Freshly harvested mature bell pepper fruit ‘cv. Denver’ were sorted in six distinct ripening stages (S1-S6), from green to full red (mature green 100% green-S1, green to brown-S2, brown-S3, orange-S4, red-S5 and full red-S6 stage), by visually assessing their color. From the results, it is concluded that the a*/b* color parameter that was determined using a Chroma meter was proven to be the most accurate descriptor in ripening stage classification, either at harvest or during storage, as confirmed by chemometrics, such as principal component (PCA), partial least square (PLS) and support vector machine (SVM) analyses and mean comparisons, as well. Therefore, the increase of a*/b* ratio can be used as an indicator to estimate the degree of fruit ripeness. The a*/b* ratio was strongly correlated with fruit spectral reflectance and chlorophyll fluorescence data, as well as withtwo imaging indices generated by digital R-G-B and R-G-NIR imaging technique that are reported for the first time on fruit in this study. The above results indicate that it is possible to estimate the a*/b* ratio and simultaneously the ripening stage of pepper fruits with high accuracy and consistency, by using individually several non-destructive techniques. However, freshness status of bell pepper fruit can be reliably assessed, irrespectively of the ripening stage at harvest, only by spectral reflectance data even by processing specific wavelengths that were identified after implementing the genetic algorithm. The most significant nutritional components of bell pepper fruit (dry matter, soluble solids, ascorbic acid, soluble phenols, chlorophylls and carotenoids, as well as the total antioxidant capacity) in each ripening stage and during storage were determined. Several non-destructive techniques (color, chlorophyll fluorescence, Vis/NIR spectroscopy, image processing using a conventional R-G-B digital single-lens reflex (DSLR) and a modified R-G-NIR compact camera) as rapid tools for assessing the nutritional quality of peppers was investigated. Mature bell pepper fruit were sorted in six distinct ripening stages (S1-S6), from green to full red and were stored at 10oC for 8 days. The nutritional composition in peppers was mainly affected by the ripening stage of bell fruit at harvest and only slightly by the postharvest storage period. All of the non destructive techniques accurately predicted fruit internal quality (r= 0,835- 0,942) with each models’ accuracy being related to the individually assessed components. Fresh harvested potato tubers from three commercial varieties (Spunta, Banba and Sylvana) were stored for 5 months at 5 oC in darkness. During storage, color and chlorophyll fluorescence were measured, digital images with three compact cameras (R-G-B, R-G-NIR and R-B-NIR) were captured and proper image analysis was performed, as well as spectral reflectance was acquired both on the external periderm of the tuber and in the inner flesh part, as well. Partial least square regression and discriminant analysis, combined with multilinear regression and feature selection techniques (forward iPLS, variance inflation factor and variable importance scores) were implemented, in order to identify the optimal method to estimate freshness of the potatoes and discriminate them according to the genotype. The partial least square regression analysis of spectra reflectance at the vis/NIR region of the electromagnetic spectrum (400- 1000 nm) that was captured at three distinct areas on the potato tubers, externally or internally, produced the most reliable model in assessing potato freshness irrespectively of the variety, with a cross- validated regression coefficient (Rcv) equal to 0,916 and 0,929, as determined by external or internal measurements, respectively. Feature selection algorithms not only indicated specific regions of interest that mostly affected the accuracy of the model, but further processing identified 460 nm and 656 nm as the most informative wavelengths to provide the most accurate multilinear model in terms of highest probability, strongest regression and lowest collinearity and root mean cross validation error. Similarly, the best discrimination of the three potato varieties, was achieved with the spectral reflectance measurement on the skin of the tubers (93% of the cross-validation sample sets), while R-G-NIR and R-B-NIR image components combined with selected chlorophyll fluorescence parameters (Fi, Fv and Phi_Eo) performed better than color measurement in both potato freshness assessment irrespectively of the variety tested or cultivar classification irrespectively of the storage period.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η δυνατότητα χρήσης μη καταστρεπτικών τεχνικών για εκτίμηση και αξιολόγηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών, του βαθμού ωρίμανσης και της φρεσκάδας των λαχανικών, καθώς επίσης και ταξινόμησή τους. Ειδικότερα, σε καρπούς τομάτας, πιπεριάς και κονδύλους πατάτας ελήφθησαν μη καταστρεπτικές μετρήσεις με οπτικούς αισθητήρες, όπως το χρωματόμετρο και το φθορισμόμετρο, αλλά και τηλεπισκοπικούς, όπως ο ψηφιακός απεικονιστής DSLR, o ψηφιακός απεικονιστής NIR, το σπεκτροραδιόμετρο 400-2500nm) και ο φασματογράφος (400-1100nm), προκειμένου να διερευνηθεί η δυνατότητα εφαρμογής των τεχνικών αυτών, αλλά και η ακρίβεια, η αξιοπιστία και η σταθερότητα των μοντέλων πρόβλεψης. Η ταξινόμηση καρπών τομάτας και η καταγραφή της ωρίμανσής τους μετασυλλεκτικά βάσει του σταδίου ωρίμανσης κατά τη συγκομιδή, είναι σημαντικά, ώστε να εξασφαλιστεί η άριστη ποιότητα και εμπορευσιμότητα του τελικού προϊόντος. Ο σκοπός της μελέτης αυτής ήταν να διερευνηθεί η δυνατότητα αξιοποίησης τριών καινοτόμων και λειτουργικών, από άποψη ταχύτητας, ακρίβειας και κόστους, μη καταστρεπτικών πρωτοκόλλων στην εκτίμηση του σταδίου ωρίμανσης καρπών τομάτας και της περιεκτικότητας των χρωστικών στοπερικάρπιο, καθώς και την παρακολούθηση της ωρίμανσης κατά τη διατήρηση. Αυτά τα πρωτόκολλα αφορούν στη μέτρηση του φθορισμού χλωροφύλλης (OJIP), τη μη φωτοχημική απόσβεση του φωτοσυστήματος (NPQ) και το σύστημα δέσμευσης του φωτός (LHC). Η απόδοση αυτών των μεθόδων συγκρίθηκε με εκείνη του χρωματόμετρου, το οποίο χρησιμοποιείται για ανάλογο σκοπό. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, συγκεκριμένες παράμετροι των τριών πρωτοκόλλων μπορούν να ταξινομήσουν τους καρπούς στο ανάλογο στάδιο ωρίμανσης, το ίδιο επιτυχημένα, όσο και η γωνία hue των μετρήσεων χρώματος με το χρωματόμετρο. Επίσης, συγκεκριμένοι παράμετροι των πρωτοκόλλων μπορούν να εντοπιστούν μέσω των οποίων είναι εφικτή η καταγραφή της ωρίμανσης των καρπών ακόμη πιο αξιόπιστα, σε σύγκριση με τις μετρήσεις χρώματος, ενώ είναι ταυτόχρονα στενά συσχετισμένες με την περιεκτικότητα των χρωστικών στο περικάρπιο. Ανάμεσα στα τρία πρωτόκολλα, το OJIP είναι το πιο ακριβές και μάλιστα παράγει δεδομένα γρηγορότερα, σε σχέση με τα άλλα δύο. Επίσης, η παράμετρος ‘fix area’ του πρωτοκόλλου OJIP διατηρεί την ικανότητα να διακρίνει τους καρπούς τομάτας, ανάλογα με το αρχικό στάδιο ωρίμανσης κατά τη συγκομιδή τους, καθ’ όλη τη διάρκεια των 16 ημερών, ακόμη και όταν οι καρποί απέκτησαν το κόκκινο χρώμα εξωτερικά, σε αντίθεση με την παράμετρο hue του χρώματος, η οποία βρέθηκε λιγότερο αποτελεσματική στο να διακρίνει τα διαφορετικά στάδια μετά την 8η ημέρα διατήρησης. Τα μοντέλα βασισμένα στην παράμετρο ‘fix area’ αντικατοπτρίζουν καλύτερα την πραγματική εξέλιξη της ωρίμανσης των καρπών, απ’ ότι εκείνα που βασίζονται στα δεδομένα του χρώματος. Η άριστη ποιότητα, η εμπορευσιμότητα και η ζωή στο ράφι καρπών πιπεριάς συχνά εξαρτώνται από το στάδιο ωρίμανσης κατά τη συγκομιδή. Επίσης, είναι απαραίτητο να εκτιμηθεί ο βαθμός ωρίμανσης σε διάφορα στάδια της εφοδιαστικής αλυσίδας. Διερευνήθηκε η δυνατότητα αξιοποίησης τεσσάρων μη καταστρεπτικών τεχνικών ως ταχύτατα εργαλεία στη διάκρισης της ωρίμανσης. Ο φθορισμός χλωροφύλλης, η φασματοσκοπία στο οπτικό και εγγύς υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, μια R-G-B DSLR ψηφιακή κάμερα και μια τροποποιημένη R-G-NIR compact ψηφιακή κάμερα δοκιμάστηκαν ως εναλλακτικές μέθοδοι των μετρήσεων χρώματος στην ταξινόμηση καρπών πιπεριάς, ανάλογα με το στάδιο ωρίμανσης. Νωποί καρποί πιπεριάς της ποικιλίας ‘Denver’ ταξινομήθηκαν σε 6 στάδια ωρίμανσης (S1-S6), από πράσινο έως βαθύ κόκκινο χρώμα (ώριμο πλήρως πράσινο-S1, πράσινο προς καφέ-S2, καφέ-S3, πορτοκαλί-S4, κόκκινο-S5 και βαθύ κόκκινο-S6 stage), μετά από οπτική εκτίμηση του χρώματος με το μάτι. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, διαπιστώθηκε ότι η παράμετρος του χρώματος a*/b*, που προσδιορίστηκε με το χρωματόμετρο, αποδείχτηκε ότι διακρίνει ακριβέστερα τα διαφορετικά στάδια ωρίμανσης, όπως επιβεβαιώθηκε και με χημειομετρικές αναλύσεις, όπως η ανάλυση κυρίων συνιστωσών (PCA), των μερικώς ελαχίστων τετραγώνων (PLS) και της συσκευής υποστήριξης διανυσμάτων (SVM), καθώς και από τη σύγκριση μέσων όρων. Επομένως, η αύξηση της παραμέτρου a*/b* μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης εκτίμησης του βαθμού ωρίμανσης των καρπών. Η παράμετρος a*/b* συσχετίστηκε σημαντικά με τη φασματική ανάκλαση και τις μετρήσεις φθορισμού της χλωροφύλλης, καθώς και με δείκτες που προέκυψαν από τους ψηφιακούς R-G-B και R-G-NIR απεικονιστές, οι οποίοι για πρώτη φορά αναφέρονται σε αυτή τη μελέτη. Σύμφωνα με τα παραπάνω αποτελέσματα, είναι εφικτό να εκτιμηθεί η παράμετρος a*/b* του χρώματος και ταυτόχρονα το στάδιο ωρίμανσης των καρπών πιπεριάς με μεγάλη ακρίβεια και σταθερότητα, χρησιμοποιώντας διάφορες μη καταστρεπτικές τεχνικές. Ωστόσο, η φρεσκάδα των καρπών μπορεί να εκτιμηθεί αξιόπιστα, ανεξάρτητα από το στάδιο ωρίμανσης των καρπών κατά τη συγκομιδή, από τα δεδομένα των φασματικών ανακλάσεων και μάλιστα αξιοποιώντας συγκεκριμένα τμήματα του φάσματος μετά από εφαρμογή του γενετικού αλγόριθμου (genetic algorithm). Προσδιορίστηκαν τα σημαντικότερα ποιοτικά χαρακτηριστικά καρπών πιπεριάς (ξηρή ουσία, διαλυτά στερεά συστατικά, ασκορβικό οξύ, διαλυτές φαινόλες, χλωροφύλλες και καροτενοειδή, καθώς και η αντιοξειδωτική ικανότητα), σε κάθε στάδιο ωρίμανσης και κατά τη διάρκεια της διατήρησης. Δοκιμάστηκαν διάφορες μη καταστρεπτικές τεχνικές (χρώμα, φθορισμός της χλωροφύλλης, φασματοσκοπία στο ορατό και εγγύς υπέρυθρο τμήμα φάσματος, απεικονίσεις με συμβατή ψηφιακή R-G-B DSLR κάμερα και τροποποιημένη R-G-NIR κάμερα) ως ταχύτατα εργαλεία στην εκτίμηση της διατροφικής αξίας. Πλήρως ανεπτυγμένοι καρποί πιπεριάς συγκομίστηκαν και διαχωρίστηκαν σε 6 διακριτά στάδια ωρίμανσης (S1-S6), από πράσινο έως βαθύ κόκκινο και διατηρήθηκαν στους 10 oC για 8 ημέρες. Η περιεκτικότητα των καρπών σε διατροφικά συστατικά επηρεάστηκε κυρίως από το στάδιο ωρίμανσης κατά τη συγκομιδή και ελάχιστα μόνο από την περίοδο διατήρησης. Όλες οι μη καταστρεπτικές τεχνικές προέβλεψαν με ακρίβεια την εσωτερική ποιότητα (r= 0,835-0,942), ενώ η ακρίβεια της κάθε τεχνικής είναι ανάλογη με το υπό εξέταση συστατικό ποιότητας. Κόνδυλοι τριών εμπορικών ποικιλιών πατάτας (Spunta, Banba και Sylvana) διατηρήθηκαν για 5 μήνες στους 5 οC σε συνθήκες πλήρους σκότους. Κατά τη διάρκεια της διατήρησης μετρήθηκαν το χρώμα και ο φθορισμός της χλωροφύλλης, πάρθηκαν ψηφιακές φωτογραφίες με R-G-B, R-G-NIR και R-B-NIR απεικονιστές, οι οποίες επεξεργάστηκαν ανάλογα και ελήφθησαν φασματικές ανακλάσεις τόσο εξωτερικά στο περίδερμα, όσο και εσωτερικά στη σάρκα των κονδύλων. Εφαρμόστηκε ανάλυση συσχέτισης καθώς και διάκρισης με τη μέθοδο των μερικώς ελαχίστων τετραγώνων, σε συνδυασμό με πολυμεταβλητή συσχέτιση και τεχνικές επιλογής μεταβλητών (iPLS, συντελεστή διόγκωσης παραλλακτικότητας και δείκτες σημαντικότητας μεταβλητών στην πρόβλεψη), ώστε να εντοπιστεί η άριστη μέθοδος εκτίμησης της φρεσκάδας στην πατάτα και διάκρισης των κονδύλων ανάλογα με το γενότυπο. Η συσχέτιση με τη μέθοδο μερικών ελαχίστων τετραγώνων των ανακλάσεων στο ορατό και εγγύς υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (400- 1000 nm) που ελήφθησαν σε τρεις διακριτές περιοχές των κονδύλων πατάτας εξωτερικά ή εσωτερικά, παρήγαγε τα πιο αξιόπιστα μοντέλα εκτίμησης της φρεσκάδας, ανεξάρτητα από την ποικιλία, με συντελεστή συσχέτισης του επικυρωμένου μοντέλου (Rcv) ίσο με 0,916 and 0,929, όπως προέκυψε από εξωτερικές και εσωτερικές μετρήσεις, αντίστοιχα. Οι αλγόριθμοι επιλογής μεταβλητών όχι μόνο υπέδειξαν συγκεκριμένα τμήματα του φάσματος, τα οποία άσκησαν μεγαλύτερη επίδραση στην ακρίβεια του μοντέλου, αλλά με κατάλληλη επιπλέον επεξεργασία επισήμαναν και συγκεκριμένα μήκη κύματος (460 nm και 656 nm) ως τα πιο σημαντικά, ώστε να παράγουν ακριβέστατα πολυπαραγοντικά μοντέλα σε ότι αφορά την υψηλότερη στατιστική πιθανότητα, τη μεγαλύτερη συσχέτιση, τη χαμηλότερη συμμεταβλητότητα και το χαμηλότερο μέσο τετράγωνο σφάλμα επικύρωσης. Όμοια, η καλύτερη διάκριση των κονδύλων πατάτας στους τρεις γενότυπους επιτεύχθηκε με τα δεδομένα φασματικών ανακλάσεων εξωτερικά στο περίδερμα (93% των επικυρωμένων δειγμάτων), ενώ τα δεδομένα απεικονίσεων R-G-NIR και R-B-NIR σε συνδυασμό με τις παραμέτρους φθορισμού χλωροφύλλης (Fi, Fv και Phi_Eo) έδωσαν καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με τις μετρήσεις χρώματος, στην εκτίμηση της φρεσκάδας, ανεξάρτητα από την ποικιλία ή στη διάκριση των ποικιλιών ανεξάρτητα από την περίοδο διατήρησης.