Aplicación de la tecnología de imágenes hiperespectrales al control de calidad de productos agroalimentarios de la región de Amazonas (Perú)

Abstract

[EN] The evaluation of the quality of food products is a constant concern for the different actors in the production chain and requires the use of a number of analytical methods: physical, chemical, biochemical and sensory; which are destructive, time-consuming, are expensive, laborious and, in the case of sensory, subjective, which makes its application process online. Unlike traditional methodologies, hyperspectral imaging technology emerges as a non-destructive tool for quality assessment. In the Amazon Region (Peru) quality evaluation is performed with traditional methodologies, which has significant limitations as, for example, late detection of infections in crops, if coffee rust; the inability to determine adulteration, if the presence of starch in cheese; or, the subjective classification as quality standards, case marbling of beef. On the other hand, the application of hyperspectral imaging technology requires a series of steps for obtaining, processing and analysing information, which have been developed and implemented by various researchers, but have not been unified in one system and procedures for use by users unfamiliar with the depth of the computer analysis. In this context, this thesis has been planned in order to develop an IT application for the use of hyperspectral imaging technology to assess the quality of three food products in the Amazon Region (Peru). For this purpose it was necessary to create a number of subsystems, modules and routines, which were subsequently implemented by user windows (Guides) and functions using the mathematical software Matlab 2010ª. The applicability of the developed system was tested in three case studies: detecting the degree of rust infection in samples of coffee leaves detecting adulteration in samples of fresh cheese with starch at different concentrations, and classification according to samples marbling standards beef. As a result of the system development, the developed IT toolswere implemented in a software that allows easy use of them and that is compatible with the system by reflectance imaging. As for the cases studied, the analysis results of early infection coffee leaf rust, showed statistically significant differences from the analysis judges attributable to the increased sensitivity of the system. For the analysis of fresh cheese adulteration has been shown that the application of the hyperspectral imaging technique to detect adulteration cornmeal in cheese, based on the relationship between the reflectance and the starch content in samples of fresh cheese. Also, the implemented methodology, based on hyperspectral imaging technology, proved to be valid for the determination of the quality of beef based on the Japanese standard of marbling. An advanced version of the software could be patented and transferred to industry, at a later stage to the realization of this thesis. Such software could be designed so that could include progressively new useful tools in quality control of other agro-food processes.

[ES] La evaluación de la calidad de los productos agroalimentarios es una preocupación constante para los diversos actores de la cadena agroproductiva y requiere del uso de una serie de métodos de análisis: físicos, químicos, bioquímicos y sensoriales; los cuales son destructivos, demandan mucho tiempo, son costosos, laboriosos y, en el caso de los sensoriales, subjetivos, lo cual dificulta su aplicación en procesos en línea. Frente a las metodologías tradicionales, la tecnología de imágenes hiperespectrales surge como una herramienta no destructiva de evaluación de la calidad. En la Región Amazonas (Perú) la evaluación de la calidad se realiza con las metodologías tradicionales, lo cual presenta importantes limitaciones como, por ejemplo, la detección tardía de infecciones en cultivos, caso de la roya del café; la imposibilidad de determinar adulteraciones, caso de la presencia de almidón en queso fresco; o bien, la clasificación subjetiva según estándares de calidad, caso del marmoleado de carne de res. Por otro lado, la aplicación de la tecnología de imágenes hiperespectrales requiere de una serie de pasos para la obtención, procesado y análisis de la información, los cuales han sido desarrollados y aplicados por diversos investigadores, pero que no han sido unificados en unsistema y procedimiento para su uso por usuarios no familiarizados con la profundidad del análisis informático. En este contexto, la presente tesis doctoral se plantea con el fin de desarrollar una aplicación informática para el uso de la tecnología de imágenes hiperespectrales en la evaluación de la calidad de tres productos agroalimentarios de la Región Amazonas (Perú). Para ello, fue necesario crear una serie de subsistemas, módulos y rutinas, que posteriormente fueron implementadas mediante ventanas de usuario (Guides) y funciones, empleando el software matemático Matlab 2010ª. La aplicabilidad del sistema desarrollado se probó en tres casos de estudio: detección del grado de infección por roya en muestras de hojas de café, detección de la adulteración en muestras de queso fresco con almidón a distintas concentraciones, y clasificación según estándares de marmoleado de muestras de carne de res. Como resultado del desarrollo del sistema, las herramientas informáticas desarrolladas se implementaron en un software que permite fácil uso de las mismas y que es compatible con el sistema de adquisición de imágenes mediante en modo de reflactancia. En cuanto a los casos estudiados, los resultados del análisis de la infección temprana por roya en hojas de café, muestrandiferencias estadísticamente significativas con respecto al análisis por jueces, atribuiblesa la mayor sensibilidad del sistema. Para el análisis de la adulteración queso fresco se ha demostrado que la aplicación de la técnica de imágenes hiperespectrales permite detectar la adulteración por harina de maíz en queso fresco, en base a la relación entre la reflactanciay el contenido de almidón en muestras de queso fresco. Asimismo, la metodología implementada, basada en tecnología de imágenes hiperespectrales, probo ser válida para la determinación de la calidad de carne de res en base a la norma japonesa de marmoleado. Una versión avanzada del software podría ser patentada y transferida a la industria, en una fase posterior a la realización de esta tesis doctoral. Dicho software podría ser diseñado de tal forma que pudiera incluir de forma progresiva nuevas herramientas útiles en el control de calidad de otros procesos agroalimentarios.

[CA] L'avaluació de la qualitat dels productes agroalimentaris és una preocupació constant per als diversos actors de la cadenaagroproductiva i requereix de l'ús d'una sèrie de mètodes d'anàlisis: físics, químics, bioquímics i sensorials; els quals són destructius, demanden molt temps, són costosos, laboriosos i, en el cas dels sensorials, subjectius, la qual cosa dificulta la seua aplicació en processos en línia. Enfront de les metodologies tradicionals, la tecnologia d'imatges hiperespectrals sorgeix com una eina no destructiva d'avaluació de la qualitat. En la Regió Amazones (Perú) l'avaluació de la qualitat es realitza amb les metodologies tradicionals, la qual cosa presenta importants limitacions com, per exemple, la detecció tardana d'infeccions en cultius, cas de la roia del cafè; la impossibilitat de determinar adulteracions, cas de la presència de midó en formatge fresc; o bé, la classificació subjectiva segons estàndards de qualitat, cas del marmolejat de carn de cap de bestiar. D'altra banda, l'aplicació de la tecnologia d'imatges hiperespectrals requereix d'una sèrie de passos per a l'obtenció, processament i anàlisi de la informació, els quals han sigut desenvolupats i aplicats per diversos investigadors, però que no han sigut unificats en un únic sistema i procediment per al seu ús per usuaris no familiaritzats amb la profunditat de l'anàlisi informàtica. En aquest context, la present tesi doctoral es planteja amb la finalitat de desenvolupar una aplicació informàtica per a l'ús de la tecnologia d'imatgeshiperespectrals en l'avaluació de la qualitat de tres productes agroalimentaris de la Regió Amazones (Perú). Per a açò, va ser necessari crear una sèrie de subsistemes, mòduls i rutines, que posteriorment van ser implementades mitjançant finestres d'usuari (Guides) i funcions, emprant el programari matemàtic Matlab 2010ª. L'aplicabilitat del sistema desenvolupat es va provar en tres casos d'estudi: detecció del grau d'infecció per roia en mostres de fulles de cafè, detecció de l'adulteració en mostres de formatge fresc amb midó a diferents concentracions, i classificació segons estàndards de marmolejat de mostres de carn de cap de bestiar. Com a resultat del desenvolupament del sistema, les eines informàtiques desenvolupades es van implementar en un programari que permet un fàcil ús de les mateixes i que és compatible amb el sistema d'adquisició d'imatges mitjançant reflactància. Quant als casos estudiats, els resultats de l'anàlisi de la infecció primerenca per roia en fulles de cafè, mostren diferències estadísticament significatives pel que fa a l'anàlisi per jutges, atribuïbles a la major sensibilitat del sistema. Per a l'anàlisi de l'adulteració formatge fresc s'ha demostrat que l'aplicació de la tècnica d'imatges hiperespectrals permet detectar l'adulteració per farina de dacsa en formatge fresc, sobre la base de la relació entre la reflactpància i el contingut de midó en mostres de formatge fresc. Així mateix, la metodologia implementada, basada en tecnologia d'imatges hiperespectrals, va provar ser vàlida per a la determinació de la qualitat de carn de cap de bestiar sobre la base de la norma japonesa de marmolejat. Una versió avançada del programari podria ser patentada i transferida a la indústria, en una fase posterior a la realització d'aquesta tesi doctoral. Aquest programari podria ser dissenyat de tal forma que poguera incloure de forma progressiva noves eines útils en el control de qualitat d'altres processos agroalimentaris.