La demanda de calidad obliga a dedicar más esfuerzos en los procesos de inspección, acondicionamiento y distribución y por ello es imprescindible el desarrollo de dispositivos que permitan la estimación automática y no destructiva de los atributos de calidad. En la actualidad se está trabajando no sólo en el desarrollo de sistemas de inspección basados en visión artificial, sino también en sensores que permitan inspeccionar el interior de las frutas sin ser destructivos, o que midan parámetros como la firmeza, el contenido en azúcares y la acidez, ya que muy relacionados con las apreciaciones de la calidad por parte del consumidor.
Los criterios de calidad y las necesidades de inspección automática
La importancia de la producción hortofrutícola en la Comunidad Valenciana, tanto desde el punto de vista económico como social y cultural, exige una actualización continua de las labores de producción y de poscosecha del producto, de forma que permita su adaptación a unos mercados cada vez más competitivos y exigentes. La demanda de frutos de calidad por parte del consumidor obliga a dedicar más esfuerzos en los procesos de inspección, acondicionamiento y distribución de los mismos. En la actualidad, una gran parte de las labores de inspección de la fruta que se realizan en las centrales hortofrutícolas se lleva a cabo de forma manual. Mientras que las operaciones previas a la inspección (descarga, lavado, encerado, secado, cepillado, etc.) presentan un nivel satisfactorio de mecanización, las tareas determinantes de la calidad y de la capacidad de trabajo de una línea de confección, como son las operaciones de clasificación y envasado de los frutos, precisan de una mayor atención para incrementar el grado de automatización de las centrales.
La política agrícola comunitaria exige normas comunes de calidad que permitan homogeneizar la producción europea. Por otro lado, las administraciones locales y las asociaciones de productores potencian la creación de sellos y etiquetas de garantía para regiones y productos específicos ligados a unas condiciones microclimáticas y a unas técnicas de cultivo dadas, que avalen su calidad frente a productos provenientes de mercados exteriores. Esta situación requiere unos criterios objetivos en la clasificación de los productos que no se alcanzan de forma completa mediante la selección manual. La disminución de los costes de los componentes electrónicos y el aumento considerable de sus prestaciones, hacen que la inspección automática del producto esté cada vez más introducida en el sector.
Más allá de las Normas de Calidad, que fijan unos criterios mínimos, la calidad comercial se basa en propiedades relacionadas con el aspecto externo, las cualidades organolépticas, el aspecto interno, el valor nutritivo y el estado sanitario.
Excepto en lo que se refiere al aspecto externo, los controles de calidad actuales utilizan métodos destructivos, basados en muestreos de cada partida de producto que intentan representar su estado global. Sin embargo, estos procedimientos no aseguran la calidad individual de los frutos y, a menudo, ralentizan considerablemente el proceso de selección. El desarrollo de nuevos sensores permite actualmente procesar una gran cantidad de datos en tiempo real, referidos no sólo a los aspectos visibles de la calidad, sino también a aspectos que no puede observar el ser humano sin la ayuda de instrumentos o sin estropear el producto.
Si nos centramos en las técnicas específicas empleadas para la detección de daños en la fruta, tanto los debidos a lesiones mecánicas, a defectos o desórdenes fisiológicos, a ataques de insectos o a enfermedades criptogámicas, se pueden distinguir dos tipos de técnicas no destructivas:
Las técnicas orientadas a la identificación de lesiones externas que puedan observarse utilizando sensores sin capacidad de penetración en los tejidos.
Aquéllas cuyo objetivo es la identificación de daños internos que no presenten una exteriorización visible en la superficie del fruto. Para su puesta en práctica se necesitan sensores que posean capacidad de penetración en los tejidos vegetales del fruto.
La inspección de productos agrícolas mediante técnicas de visión artificial
La inspección de productos agrícolas mediante visión artificial presenta algunas particularidades respecto a sistemas similares que se emplean en otros sectores.
Por ejemplo, la gran variabilidad de los productos, debida tanto a diferencias entre especies y variedades como a diferencias individuales de forma, color, tamaño, etc. Asimismo, no hemos de olvidar la evolución fisiológica que continúan experimentando los frutos tras la recolección, dada su condición de elementos vivos. Por otra parte, la selección de las características apropiadas para evaluar la calidad depende del tipo de producto y su fragilidad condiciona el tipo de máquinas y técnicas que se utilizan. La estacionalidad de la producción y los bajos beneficios medios obtenidos limitan las posibles inversiones en automatización.
La fase de adquisición de la imagen es fundamental en todo el proceso de análisis, ya que la información que se obtiene no puede ser mejorada en las fases posteriores. Para ello se requiere que la iluminación de la escena sea uniforme, evitando sombras que modifiquen el color o los defectos de la piel. El sistema de iluminación ha de ser lo suficientemente potente para proporcionar luz adecuada a toda la escena, evitando brillos en la superficie de la fruta o en los rodillos de la línea.
Según el tipo de iluminante empleado, podemos encontrar en el mercado sistemas basados en la radiación ultravioleta, visible e infrarroja. La longitud de onda de la energía utilizada como fuente de iluminación es importante, ya que las modificaciones estructurales y de composición de los tejidos periféricos de los frutos, causadas por lesiones y enfermedades, se traducen a menudo en diferencias en la reflexión de la energía que son discernibles en determinadas zonas del espectro electromagnético. Así, la luz ultravioleta induce luminiscencia en áreas afectadas por podredumbres y se emplea para la detección de la oleocelosis.
El infrarrojo cercano permite eliminar de la imagen parte de la suciedad y detectar correctamente los pedúnculos.
Una adecuada selección del color del fondo, que debe contrastar con el del fruto, puede simplificar la inspección, pero se debe tener en cuenta que, al pasar la fruta por la línea, los rodillos, filtros y objetivos se cubren de polvo que, cuando es iluminado, produce efectos indeseados en la imagen, afectando negativamente a su posterior análisis.
Las cámaras comúnmente utilizadas en estas máquinas están basadas en uno o varios CCD. Un CCD es un elemento sensor de silicio, compuesto por pequeños puntos individuales (píxeles) que convierten la información luminosa que reciben en información eléctrica.
A menudo se trabaja con imágenes multibanda (Figura 1), que se consiguen empleando varias cámaras monocromas provistas de filtros ópticos centrados en longitudes de onda específicas, o con cámaras que contienen varios CCD y reciben simultáneamente la imagen a través de filtros diferentes para trabajar en varias zonas del espectro al mismo tiempo.
Una vez obtenida la imagen, las técnicas de segmentación se emplean para diferenciar e identificar los objetos de interés (que pueden ser los propios frutos o partes determinadas de ellos, como el pedúnculo o las manchas de la piel).
Las técnicas de segmentación conllevan, por lo general, un proceso de aprendizaje supervisado, esto es, el empleo de una muestra de entrenamiento de clase conocida, a partir de la cual se obtienen parámetros que permiten la clasificación de muestras de similares características durante el trabajo en línea.
Una vez identificadas las zonas de interés de la imagen, se procede a su clasificación en función de unos parámetros de interés (tamaño, forma, color, luminosidad y textura).
Las máquinas automáticas para la detección de los defectos de la piel de los frutos deben ser capaces de distinguir entre los defectos reales y otras partes del fruto que pueden confundir a un sistema de visión artificial, tales como el pedúnculo o el cáliz (presente en la mayor parte de las frutas), el ombligo (presente en las variedades de naranjas Navel) o las hojas. En algunos casos, la ausencia del pedúnculo implica una falta de calidad (tal es el caso de las manzanas y algunos cítricos) o la presencia de un pedúnculo mal cortado implica daños posteriores en la piel de otros frutos (como en las naranjas).
La resolución de las imágenes influye en la medida de los calibres y otras características geométricas y morfológicas, pero más aún en la detección de los defectos. La maquinaria actual trabaja con resoluciones bajas para cubrir las necesidades de procesamiento en tiempo real, pues a menor resolución, mayor velocidad en el procesamiento de las imágenes, lo que impide la detección de ciertos defectos. Se debe llegar a una solución de compromiso entre la velocidad de proceso y la resolución.
No debemos olvidar que las imágenes de video que se obtienen son planas.
Por lo tanto, no se dispone de información volumétrica, sino que se realiza una estimación a partir de diferentes vistas de la fruta colocada en distintas posiciones.
Pese a que se han ensayado muchas maneras de soslayar este problema, no hay en la actualidad ninguna máquina capaz de garantizar que cada fruta se ha podido inspeccionar la totalidad de su superficie exterior.
A menudo en los almacenes se alcanzan velocidades de trabajo realmente elevadas, lo cual es un problema a la hora de diseñar algoritmos de tratamiento de imagen. El coste temporal de estos algoritmos suele ser muy elevado, y depende de la cantidad de parámetros que se desee calcular, del número de imágenes que se procesen y de su tamaño.
Posibilidades de inspección utilizando otras partes del espectro electromagnético
El espectro electromagnético abarca un amplio rango de ondas, caracterizadas por una frecuencia o una longitud de onda. En el espectro electromagnético se pueden diferenciar zonas o bandas que van desde las ondas de radio usadas en telecomunicaciones (radio y TV), pasando por la luz visible, hasta los rayos Gamma.
Cuando un sensor puede cuantificar la cantidad de energía que recibe en función de la longitud de onda, como resultado de su medida se obtiene lo que denominamos un espectro. El sensor y la fuente de emisión de la radiación se sitúan convenientemente respecto del objeto que se va analizar, con el fin de medir la absorción, la reflexión o la transmisión de la energía que incide sobre el objeto.
La mayoría de los recientes avances en la inspección automática de los productos agroalimentarios se han realizado gracias a la interpretación de los espectros y las imágenes que se obtienen en la zona del espectro electromagnético cercana al visible. Los avances tecnológicos permiten adquirir información adicional, que no es perceptible por nuestros sentidos y, a menudo, está relacionada con la composición química de la materia, lo que la hace de especial interés.
La radiación infrarroja próxima es absorbida por los enlaces CH, NH y OH y, por lo tanto, se puede emplear para determinar indirectamente la concentración de componentes tales como proteínas, agua, azúcares y grasas. La aplicación de técnicas de regresión múltiple ha facilitado la calibración de instrumentos que funcionan en el IR próximo, según una combinación de funciones derivadas de las propiedades de reflectancia y transmitancia del material a determinadas longitudes de onda. En la actualidad empiezan a ser comercializados algunos sensores para la determinación del contenido en azúcar de las frutas que emplean técnicas de espectrometría infrarroja. Se han obtenido buenos resultados en manzanas, nectarinas y melocotones. Los cítricos presentan la dificultad de que la corteza es muy gruesa y su contenido en azúcar no está bien relacionado con el contenido de azúcar de la pulpa.
La fluorescencia se utiliza en el análisis de productos agroalimentarios, en particular, para medir concentraciones de compuestos biológicos fluorescentes, tales como los metales y las vitaminas. Se investiga sobre la utilidad de estas técnicas para el control de infecciones de hongos, control de determinados residuos de fitosanitarios en frutos, etc. La fluorescencia de la clorofila esta inversamente relacionada con la actividad fotosintética y puede ser usada para determinar el grado de envejecimiento en la poscosecha. En cítricos se utiliza la fluorescencia para detectar la rotura de las glándulas y consiguiente liberación de aceites esenciales de la piel (oleocelosis), que posteriormente deriva en un ennegrecimiento de la misma. Además, con iluminación UV pueden hacerse visibles algunos ataques por hongos.
Los rayos X son capaces de atravesar tejidos biológicos opacos a la radiación visible. Esta radiación se disocia o se ioniza, según el grosor, densidad y otros parámetros de la muestra. La capacidad de penetración de los rayos X depende de su energía y para inspeccionar productos agrícolas, de densidades relativamente bajas, se necesitan los de baja energía. Con ellos se puede obtener información de la estructura sub-superficial de un amplio rango de muestras. Por este motivo se han empleado para la evaluación de propiedades físicas de frutas, la detección de patatas con "corazón hueco", o incluso la composición de carnes. Se aplican también en la detección de cuerpos extraños, como cristal, plástico, metal, piedras o huesos en productos alimentarios ya elaborados.
El análisis de imágenes de rayos X es complejo, ya que proporcionan una imagen bidimensional que puede ser confusa. La tomografía axial computerizada (TAC) permite la adquisición de imágenes de secciones transversales de los frutos. Se ha trabajado en la detección de la calidad interna de varias frutas y hortalizas (cítricos, manzana, albaricoque, cebolla, col, etc.) utilizando escáners electrónicos industriales y obteniéndose buenos resultados, por ejemplo, para la detección del "bufado" en mandarinas y deficiencias hídricas internas de los frutos.
Otras técnicas para la obtención de información sobre la calidad interna de los productos agroalimentarios basadas en métodos físicos
La resonancia magnética es un fenómeno que se debe a que los núcleos de los átomos que componen la materia se comportan como pequeños imanes.
Si se aplica una emisión de ondas de radio, se pueden orientar dentro de un campo magnético y cuando cesa la emisión, los núcleos vuelven a su orientación inicial y devuelven la energía, de forma que se puede medir el fenómeno.
Este proceso sólo se realiza con suficiente amplificación a una determinada frecuencia, que llamamos de resonancia que depende de la naturaleza de los átomos que componen el cuerpo. Igualmente, el tiempo que dura el fenómeno también depende de la naturaleza del cuerpo. Combinando las frecuencias de resonancia y observando los tiempos en los que se devuelve la energía, se pueden diferenciar, por ejemplo, los tejidos con mucho contenido en agua de los tejidos que tienen grasas.
Los espectros de resonancia magnética se han utilizado para estimar el contenido en azúcar de algunas frutas y también para evaluar la madurez de los aguacates, midiendo la relación entre el contenido en aceite y el contenido en agua. También se pueden obtener imágenes las que se aprecien las semillas de las frutas (con mayor contenido en grasas) diferenciadas de los demás tejidos (con mayor contenido en agua). Esta técnica, en general, se puede emplear para determinar la composición y la estructura interna de algunos alimentos para la industria de procesado, incluyendo la detección de lesiones en los frutos, los daños ocasionados por larvas, el estrés hídrico y la presencia de oquedades.
Uno de los problemas de los equipos de resonancia que se utilizan en medicina es que, por necesitar imanes muy potentes, basados en superconductores, necesitan grandes inversiones y generan grandes gastos de mantenimiento, que no pueden ser asumidos por una central citrícola. Sin embargo, el precio del imán depende de su tamaño y, para las aplicaciones en frutas se puede recurrir a imanes más sencillos, imanes permanentes que, con menor campo magnético, requieren menores costes de adquisición y mantenimiento. El otro problema que se plantea con esta técnica es que la adquisición de las imágenes lleva bastante tiempo, por ello todavía está en fase de investigación y desarrollo.
También se trabaja con ecografías, que se producen mediante el estudio del eco de ultrasonidos que pasan a través de materiales biológicos blandos. Las ecografías presentan una serie de problemas, entre los que destacan la poca resolución de las imágenes que se obtienen y la necesidad de que el emisor esté acoplado acústicamente a la muestra. Por ello, las aplicaciones agrícolas son pocas. Se han empleado ultrasonidos para la medida de la firmeza de frutas como manzanas o aguacates y ondas sonoras en la detección de oquedades en sandías.
Muchas frutas destinadas a la venta en fresco deben recolectarse en un determinado estado de madurez, adecuado para minimizar los daños durante el encajado y transporte, pero además debe tener una calidad aceptable para el mercado final. Para poder satisfacer ambas necesidades debemos tener en cuenta las propiedades mecánicas de la misma, concretamente lo que se denomina la firmeza de la fruta. Tradicionalmente la valoración de la firmeza de los productos hortofrutícolas se realiza mediante ensayos destructivos. Sin embargo, existen diferentes tipos de sensores electrónicos para la medida de esta característica, basados en vibraciones, ultrasonidos, deformaciones cíclicas o impactos.
Las características olfativas son probablemente una de las más importantes en nuestra apreciación de la calidad en el momento del consumo, ya que influyen enormemente en el sabor del producto. Un aroma es un conjunto complejo de entre decenas y centenares de sustancias químicas (por ejemplo, se han aislado alrededor de 300 sustancias en el aroma de manzana). La relación entre la estructura de las moléculas de los volátiles y su impacto en la sensación olfativa todavía no se comprende a la perfección. La detección y medida instrumental de los componentes mayoritarios de un aroma está prácticamente resuelta con la tecnología actual, basada en la separación de los volátiles mediante métodos cromatográficos. Sin embargo, la sensación aromática no suele estar relacionada con un solo compuesto, sino que depende de la interacción entre varios de ellos. La cromatografía presenta el inconveniente de ser muy complicada y costosa.
Los sensores de aromas pretenden simular la forma en que los humanos percibimos los olores: no se procede al análisis de las sustancias presentes en la atmósfera, sino que se registra la información necesaria que permita reconocer un aroma. Los sensores de aromas deben producir, por tanto, un patrón de respuesta que caracterice los aromas que se estudian, es decir, deben generar un perfil característico de la muestra sin necesidad de precisar su composición química.
Los sensores electrónicos de aromas se basan en la tecnología desarrollada para los sensores de gases. Actualmente podemos distinguir tres tipos de sensores en fase avanzada de desarrollo: los basados en semiconductores, los basados en compuestos orgánicos polímeros y las microbalanzas de cuarzo. En términos generales, su principio de detección se basa en la modificación de la resistencia eléctrica, la generación de corriente o la variación de la frecuencia de vibración del elemento sensible.
Si los sensores de aromas son a priori una alternativa interesante a los métodos clásicos de análisis de aromas de los productos agroalimentairos, los instrumentos actuales suelen todavía presentar algunos límites, normalmente en términos de reproducibilidad, repetibilidad y sensibilidad. Los últimos desarrollos tecnológicos se centran en mejorar el sistema de preparación de las muestras, el aumento de la fiabilidad y especificidad de los sensores y el tratamiento de los datos con el objetivo de minimizar dichos inconvenientes.
Cabe destacar que se está incrementando continuamente el control sobre el nivel de residuos procedente de tratamientos fitosanitarios. La cromatografía es actualmente el método más aplicado para la detección de estos compuestos y, aunque puede ser muy preciso, no se puede usar para efectuar un control rápido de gran cantidad de muestras, o es muy laborioso y caro cuando se quieren determinar residuos de diferentes familias no detectados por el mismo método analítico. Las técnicas inmunoquímicas de análisis utilizan como reactivo principal los anticuerpos, producidos de manera natural por los animales vertebrados, como respuesta a la presencia en el organismo de moléculas o cuerpos extraños cuya principal característica es la de reaccionar específicamente con estos agentes invasores. La posibilidad de producir anticuerpos que reconozcan cualquier especie química ha permitido la aplicación de los inmunoensayos al campo agroalimentario y medioambiental. Mediante el uso de indicadores adecuados se puede conseguir que una reacción inmunológica provoque la modificación de alguna propiedad física, como el color, la conductividad eléctrica, la fluorescencia o la luminiscencia, que puede ser medida por un transductor.
A este sistema sensor se le denomina inmunosensor o biosensor.
La gran ventaja de este método de detección es la alta especificidad del anticuerpo hacia el analito, permitiendo diferenciar especies químicas muy parecidas.
A su vez, esta característica supone el inconveniente de tener que hacer un ensayo diferente para cada analito que se quiera detectar.
Desarrollo de sensores no destructivos para la estimación de la calidad en el Centro de Agroingeniería del IVIA
El Centro de Agroingeniería del IVIA tiene una experiencia de más de 13 años en el desarrollo de diversos sensores para la estimación automática de la calidad por medios no destructivos. El inicio de su actividad está relacionado con el desarrollo de sistemas de visión artificial que, en su comienzo, fueron dedicados a la robótica agrícola (robot Citrus para la recolección de cítricos, Patchwork para la escarda no química, Shiva para la inspección y clasificación de frutas) y, posteriormente, esta experiencia se trasladó al campo de la inspección de frutas y hortalizas. El grupo ha trabajado con las empresas nacionales más importantes del sector en el diseño de cámaras especiales, hardware y software para la inspección de cítricos en tiempo real. En los últimos años ha desarrollado máquinas para la inspección de granos de granada y gajos de mandarinas (Figura 2) con tecnología propia, que se encuentran instaladas en empresas valencianas. Preparando el futuro, tiene una línea de trabajo dedicada no sólo a la detección de defectos en cítricos, sino a su identificación y otra línea al estudio de la resonancia magnética como método para la inspección de la calidad interna de la fruta (Figura 3).
El laboratorio de Sensores y Calidad del Centro de Agroingeniería ha diseñado sensores para la medida de la firmeza en tiempo real, que se han probado con éxito en melocotones y manzanas. También ha realizado sensores para la medida de la acidez y del color. Asimismo, tiene una larga experiencia en el desarrollo de sensores de aromas, que se han aplicado en la detección de atributos negativos de la calidad de aceites de oliva extra vírgenes y en mostos para la fabricación de vinos (Figura 4). Recientemente se ha desarrollado con éxito una aplicación de estos sensores para la selección varietal de tomates con determinadas características organolépticas. Asimismo, este laboratorio ha colaborado en el diseño de un inmunosensor para la detección de productos fitosanitarios en el aceite de oliva.
Comprar Revista Phytoma 189 - MAYO 2007
