Development of a data acquisition system for the non-destructive determination of fruit internal quality in an automated calibration line equipped with a visible/near infrared spectrometer

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Clemente, Hélio F. B
Data de Publicação: 2012
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.1/3354
Resumo: Dissertação de mest., Engenharia Electrónica e Telecomunicações, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2012
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spelling Development of a data acquisition system for the non-destructive determination of fruit internal quality in an automated calibration line equipped with a visible/near infrared spectrometerEngenharia electrónicaEspectroscopiaCalibraçãoLabviewConservação de frutosDissertação de mest., Engenharia Electrónica e Telecomunicações, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2012Non-destructive methods for the evaluation of fruit internal quality are of major interest for the agricultural and food processing industry. Until recently the process of evaluating internal quality of fruits was performed manually, involving intensive hand labour and the destruction of fruits. The availability of non-destructive methods for the evaluation of fruit internal quality allowed to speed up the measurements while avoiding fruit destruction, but much of the evaluations are still done manually. Current agro-industrial demands are pushing this type of methods to be more automated, efficient and widespread, in an effort to respond to consumers’ demands. Despite the good results shown in laboratory for non-destructive ºBrix prediction, the application of the method in automatic calibration lines is an enormous challenge. In this project a system was developed to aid in the transfer of the technology from the laboratory to the automated calibration line. The investigation is focused on non-destructive methods for the prediction of sugar content (ºBrix) on ‘Rocha’ pears, in automatic calibration lines, using partial least squares regression (PLSR) and diffuse reflectance spectroscopy. All the components of the method were implemented in a software program written in LabVIEW™, including the equipment control and data acquisition, the algorithms of PLSR and the user interface. The system is based on the acquisition of reflectance spectra from the fruits, through a spectrometer, an optical setup consisting of light, fibres and lenses, and a small prototype of an automated grading line. The developed software provides tools for the creation of models to predict the ºBrix and, at the same time, to validate them. Its main goal is to provide rapid design and evaluation of new methods to improve the predictions. The system was tested by investigating two problems with practical relevance. The first problem was to determine the utility of model recalibration when analysing batches of fruits with characteristics that may differ significantly from those of the fruits used for calibration. The second problem was the quantification of the error induced in the predictions by the random orientation of the fruit in the calibration line. In connection with this question, we have compared the advantages of creating models from fruits with randomized positions versus models created from fruits in aligned positions.A produção mundial de fruta tem vindo a aumentar em todo o mundo nos últimos anos devido à introdução de melhores técnicas agrícolas e de armazenamento, que permitem que culturas sazonais estejam disponíveis todo o ano. Atualmente a procura por frutos continua a aumentar, especialmente na cultura ocidental, onde se procuram hábitos alimentares mais saudáveis, de que os frutos fazem parte integrante. Existe também uma maior preocupação com a qualidade dos frutos por parte do consumidor, a que produtores e cooperativas precisam de responder. A qualidade é um conceito bastante subjetivo do ponto de vista do consumidor. No entanto, características de cor, tamanho, odor e sabor são com certeza determinantes na sua avaliação. Convém fazer a separação entre propriedades relativas à qualidade externa (cor, tamanho, peso, defeitos) e qualidade interna (teor de açúcares, firmeza, acidez, etc.) Enquanto as qualidades externas dos frutos já são alvo da atenção de produtores e cooperativas, através da integração de balanças e câmaras fotográficas nas linhas de calibração, as características internas ainda são um pouco descuradas por falta de equipamento adequado. Com o aumento da procura de produtos de qualidade, é necessário desenvolver meios para avaliar as características internas dos frutos que possam ser integrados nas linhas de calibração e dar uma resposta rápida e fiável . Existem formas de avaliar características como o sabor e valor nutricional dos frutos, mas estas técnicas são destrutivas. A avaliação extensiva de um lote de fruta por métodos destrutivos implicaria portanto grandes perdas financeiras, pelo que não é viável. A avaliação destrutiva dos lotes de fruta baseia-se portanto em pequenas amostragens, que podem levar a grandes erros de inferência estatística. Torna-se assim necessário utilizar técnicas não destrutivas para determinar a qualidade interna do frutos e o processo deverá ser o mais automatizado possível de forma a poder avaliar grandes quantidades de frutos. Este trabalho é parte de um projeto para determinar o teor de sólidos solúveis (medido em ºBrix) de frutos em linhas automatizadas de calibração através de um método não destrutivo. O projeto surgiu de uma parceria entre o Centro de Electrónica, Optoelectrónica e Telecomunicações (CEOT, Universidade do Algarve), a empresa Calibrafruta (produtores de linhas de calibração automatizadas) e a empresa MCM-Electronics (automação industrial). O teor de sólidos solúveis afere uma das qualidades internas dos frutos, já que é muito aproximadamente proporcional à concentração de açucares no sumo e portanto é uma medida da doçura dos frutos. A técnica utilizada neste trabalho baseia-se na espectroscopia de refletância difusa na gama do visível e do infravermelho próximo para determinar o ºBrix de forma não destrutiva. Na aplicação específica da espectroscopia de refletância feita neste trabalho, recolhe-se a luz que emerge da polpa do fruto depois de ter sido focada na sua casca. A óptica do sistema é feita de forma a recolher apenas os fotões que entraram dentro da polpa do fruto e não aqueles que foram simplesmente reflectidos pela casca. Assim garante-se que a luz recolhida traz informação sobre o interior do fruto; é esta luz que é analisada pelo espectrómetro, que fornece um espectro de refletância. A informação contida no espectro pode então ser ‘convertida’ para determinar o ºBrix do fruto. Para ‘converter’ esta informação são necessárias métodos estatísticos que relacionem o espectro com o ºBrix. Portanto é necessário conhecer o ºBrix dos frutos, o que, na fase inicial do trabalho, tem de ser feito ainda de forma destrutiva, que habitualmente é a refratometria. É também essencial que se façam muitas medições (de preferência de vários e diversos frutos da mesma variedade) para que se possa inferir uma relação robusta entre os espectros e a qualidade interna dos frutos. Neste trabalho o método estatístico dos mínimos quadrados parciais (Partial Least Squares - PLS) foi usado para relacionar espectros com os valores de ºBrix de amostras conhecidas, bem como para prever o ºBrix de amostras desconhecidas a partir dos seus espectros. O PLS é um método que determina as direções no hiperespaço das variáveis independentes (neste caso as refletâncias para cada comprimento de onda medido) que simultaneamente melhor explicam a variância dos dados e melhor se correlacionam com as variações correspondentes das variáveis dependentes (neste caso apenas o ºBrix). Usando este método é então possível gerar um modelo que relaciona os espectros com os valores de ºBrix. O modelo pode depois ser aplicado ao espectro de frutos desconhecidos para prever o seu ºBrix. Como em qualquer regressão, as previsões são sempre afectadas de uma certa incerteza ou erro de previsão. No caso presente esta incerteza é considerável devido à variabilidade biológica das frutos, o que implica correlações relativamente baixas entre os espectros e o ºBrix. O conteúdo bioquímico e estrutural dos frutos varia dentro de parâmetros pouco controlados ou mesmo desconhecidos (por exemplo, é impossível controlar as variações de todos os componentes químicos que podem causar variações nos espectros). Por outro lado, o desempenho de um modelo de previsão pode ir sendo melhorado pela inclusão sucessiva de mais amostras, de forma a poder simular de forma o mais realista possível o comportamento médio da população. Mas isto também quer dizer que a finitude da amostragem representa em si um factor adicional de erro de previsão. Já foi comprovado por vários grupos de investigação que é possível usar o método de espectroscopia de refletância para determinar o ºBrix com alguma exatidão (dentro de uma margem de erro aceitável). No entanto aplicar estes métodos numa linha de calibração automatizada (e obter erros aceitáveis) ainda é uma tarefa complexa. O trabalho que se apresenta neste relatório foi desenvolvido para apoiar a transposição dos métodos descritos acima (usados em laboratório) para uma linha de calibração automatizada. Para isto foi desenvolvido software que permite adquirir espectros, criar modelos e validá-los (uma etapa essencial para verificar a performance de um modelo) em condições que simulam o ambiente real de um calibrador automático industrial. O software desenvolvido permite controlar o espectrómetro, adquirir e guardar espectros. Os espectros são usados posteriormente (usando o PLS) para criar os modelos que permitem realizar a previsão do ºBrix. O software permite também alterar alguns parâmetros para criação dos modelos. Podem então ser criados e testados diversos tipos de modelos (com parâmetros diferentes) que efetuam previsões ligeiramente diferentes. O objectivo é então gerar um modelo que faça as melhores previsões possíveis (com menor erro). Os testes aos diversos modelos são feitos com base em repetições independentes dos ensaios. O software é construído de forma a gerir de forma simples as repetições de medidas e a estatística associada ao tratamento dos dados decorrentes dessas repetições. Toda a informação é fornecida ao utilizador através de uma interface simples, que lhe permitirá tirar conclusões em tempo real sobre a robustez dos modelos investigados. Para fazer a prova de teste do software investigaram-se duas questões importantes que surgem na transposição dos modelos do laboratório para a linha de calibração. Os testes foram feitos em pêra 'Rocha'. A primeira questão surge quando os modelos são criados a partir de um conjunto de frutos com características muito diferentes das características dos frutos para os quais se pretende fazer a previsão (por exemplo, um modelo feito com peras de sequeiro para prever o ºBrix de peras de regadio). Neste caso é comum acontecer que as previsões do modelo apresentem alguma forma de viés relativamente aos valores reais. De uma forma geral, este viés manifesta-se na forma de alguma translação ou rotação da linha de tendência dos resultados esperados. Para eliminar o viés foi testado um método de recalibração dos modelos. A recalibração envolve medir algumas amostras (do lote de frutos que se pretende realizar a previsão do ºBrix) não destrutivamente (espectros) e destrutivamente (ºBrix). Estes dados são depois usados para fazer o ajuste da previsão ao lote em questão (minimizando o viés). Os resultados mostraram que a recalibração não é recomendável quando os lotes de calibração e validação são semelhantes. Quando os lotes apresentam diferenças a recalibração pode ser útil. Os testes mostraram que no caso em que o lote de validação é o mais heterogéneo possível, a recalibração pode, por vezes, melhorar os resultados. No entanto, a limitação temporal do trabalho não permitiu recolher peras com características suficientemente distintas para se poder tirar conclusões definitivas. A segunda questão surge devido à orientação aleatória dos frutos na linha de calibração. Enquanto que no laboratório se posicionam os frutos para se realizar a medição no melhor ponto do fruto (região equatorial), no calibrador a posição é aleatória. Foi demonstrado que a posição aleatória dos frutos faz com que existam flutuações nas previsões. Para minorar este efeito foi testado um método com objectivo de aumentar a robustez dos modelos. Foram medidos os espectros do mesmo fruto em várias posições (realizado em vários frutos), e foram criados modelos usando esses espectros. O modelo criado com espectros repetidos foi comparado com o modelo criada a partir de somente um espectro por fruto. Os resultados demonstram que usar na etapa de calibração múltiplos espectros do mesmo fruto, em várias posições, reduz os erros da previsão do ºBrix.Guerra, RuiSapientiaClemente, Hélio F. 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