Εκτίμηση Της Ποιότητας Λαχανικών Με Τη Χρήση Αναλυτικών, Οπτικών Και Τηλεπισκοπικών Μεθόδων

Abstract

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.