Cíle a popis technologie
NIR spektrometrie neboli spektrometrie v blízké infračervené oblasti („near-infrared spektroscopy“ – NIR spektroscopy) je metodou molekulové spektroskopie
, která využívá spektrální oblast blízkého infračerveného záření, tj. oblast vlnových délek 800-2500 nm resp. vlnočtů 12500-4000 cm-1. NIR spektra jsou výsledkem interakce záření a jeho odrazu ze vzorku s ohledem na jeho fyzikální a chemické složení. Záření interaguje se skupinami molekul, které jsou spojovány s kvalitativními parametry, jako například skupina C-H v cukrech a kyselinách nebo O-H ve vodě. Následně je z těchto spekter a dat z klasických destruktivních metod sestaven model, který je schopen předpovídat obsah testovaných látek
v daném ovoci nedestruktivně.
Pro stanovení stupně zralosti jablek odrůd ´Red Jonaprince´, ´Gala´ a ´Jonagored´ byly vytvořeny softwary pro mobilní přístroj MicroPhazir a laboratorní přístroj Antaris II. Jedná se o soubor celkem 6 softwarů – kombinace jednotlivých odrůd a přístrojů. Tyto softwary jsou založené na principu nedestruktivního měření vnitřní kvality jablek pomocí NIR spektrometrie.
Na základě rozborů jablek pomocí standardních destruktivních metod byly vytvořeny kalibrační modely pro stanovení pevnosti dužniny (penetrace), obsahu pevných rozpustných látek (refrakce), množství titrovatelných kyselin (kyselost) a byla změřena hodnota pH. Každý z těchto kalibračních modelů dokáže nedestruktivně určit hodnotu příslušného parametru kvality dané odrůdy. A na základě statistických a matematických výpočtů jsou tyto softwary následně schopny určit výslednou kvalitu jablek na stupnici 1 (excelentní), 3 (dobré) a 5 (nevyhovující).
Ověření navrženého technologického postupu
Technologie stanovení stupňů zralosti byla ověřena u plodů odrůdy ´Red Jonaprince´, ´Gala´ a ´Jonagored´. Na začátku byly jednotlivé vzorky změřeny oběma přístroji MicroPhazir a Antaris II. Tím byly získány teoretické předpovídané hodnoty třídy jakosti a zralosti. Následovaly destruktivní metody stanovení parametrů vnitřní kvality. Pro stanovení pevnosti dužniny (kg/cm2) byl použit penetrometr firmy LLOYD, pro stanovení obsahu pevných rozpustných látek (° Brix) refraktometr s označením ORD 45BM od firmy KERN optics a pro stanovení kyselosti (g/L) titrátor s využitím 0,1 mol/L hydroxidu sodného a pro měření pH pH-elektroda. Následně bylo provedeno senzorické hodnocení a skutečné zařazení vzorku do třídy jakosti a zralosti.
Tabulka 1 Počet bodů (měření) použitých do kalibrace při tvoření kalibračních modelů a počet měření použitých pro validaci hotových kalibračních modelů a software pro jednotlivé odrůdy a přístroje
|
Odrůda |
Přístroj |
Parametr Soubor |
Penetrace |
Refrakce |
Kyselost |
pH |
|
Gala |
Antaris II |
Kalibrace |
3430 |
3483 |
1157 |
1164 |
|
Validace |
119 |
120 |
40 |
40 |
||
|
MicroPhazir |
Kalibrace |
3166 |
3253 |
1083 |
1080 |
|
|
Validace |
119 |
120 |
40 |
40 |
||
|
Red Jonaprince |
Antaris II |
Kalibrace |
3051 |
3057 |
1046 |
1027 |
|
Validace |
120 |
120 |
40 |
40 |
||
|
MicroPhazir |
Kalibrace |
2893 |
2949 |
983 |
979 |
|
|
Validace |
120 |
120 |
40 |
40 |
||
|
Jonagored |
Amtaris II |
Kalibrace |
2929 |
3031 |
1001 |
995 |
|
Validace |
120 |
120 |
40 |
40 |
||
|
MicroPhazir |
Kalibrace |
2643 |
2688 |
896 |
899 |
|
|
Validace |
120 |
120 |
40 |
40 |
V tabulce 1 jsou uvedeny počty bodů respektive měření zahrnutých do kalibračního souboru jednotlivých metod pro všechny 3 odrůdy jablek a oba testované přístroje. Počet měření u parametru penetrace a refrakce je zhruba trojnásobný oproti měření kyselosti a pH z důvodu měření zmíněných parametrů na třech bodech jablka oproti použití vymačkané šťávy z celého plodu pro stanovení pH a kyselosti. V tabulce je taktéž uvedený počet měření, díky kterým byly jednotlivé metody validovány.
V následujících tabulkách (2 – 7) jsou uvedeny přesnosti jednotlivých kalibračních modelů použitých pro predikci zralosti a kvality jablek pro jednotlivé odrůdy a přístroje a přesnosti zařazení jablek jednotlivých odrůd do správné třídy jakosti a zralosti jednotlivými přístroji.
Tabulka 2 Přesnost jednotlivých kalibračních modelů použitých pro predikci zralosti a kvality jablek odrůdy ´Gala´ přístroji Antaris II a MicroPhazir
|
Sledovaný parametr |
Antaris II |
MicroPhazir |
||||||
|
Průměrná odchylka [%] |
Odchylka v jednotkách daných parametrů |
Průměrná odchylka [%] |
Odchylka v jednotkách daných parametrů |
|||||
|
Prům. |
Min. |
Max. |
Prům. |
Min. |
Max. |
|||
|
Penetrace [kg/cm2] |
18,602 |
0,970 |
0,022 |
2,617 |
21,017 |
1,088 |
0,009 |
3,557 |
|
Refrakce [° Brix] |
3,672 |
0,493 |
0,000 |
2,730 |
6,566 |
0,865 |
0,000 |
2,900 |
|
Kyselost [g/L] |
16,562 |
0,461 |
0,008 |
1,674 |
63,140 |
1,776 |
0,028 |
5,062 |
|
pH |
3,461 |
0,128 |
0,003 |
0,387 |
15,669 |
0,577 |
0,001 |
2,021 |
Tabulka 3 Přesnost zařazení jablka odrůdy ´Gala´ do správné třídy jakosti a zralosti přístroji Antaris II a MicroPhazir
|
Zařazení jablek do tříd jakosti a zralosti |
Antaris II % |
MicroPhazir % |
|
Správně zařazené kategorie |
69,59 |
55 |
|
Záměna - třída 3 zařazena jako tř. 1 nebo třída 5 jako tř. 3 (posun o třídu nahoru) |
12,85 |
21,25 |
|
Záměna – třída 1 zařazena jako tř. 3 nebo třída 3 jako tř. 5 (posun o třídu dolu) |
5,64 |
3,13 |
|
Záměna – třída 5 zařazena jako tř. 1 (posun o dvě třídy nahoru) |
5,96 |
18,13 |
|
Záměna – třída 1 zařazena jako tř. 5 (posun o dvě třídy dolu) |
5,96 |
2,5 |
Tabulka 4 Přesnost jednotlivých kalibračních modelů použitých pro predikci zralosti a kvality jablek odrůdy ´Red Jonaprince´ přístroji Antaris II a MicroPhazir
|
Sledovaný parametr |
Antaris II |
MicroPhazir |
||||||
|
Průměrná odchylka [%] |
Odchylka v jednotkách daných parametrů |
Průměrná odchylka [%] |
Odchylka v jednotkách daných parametrů |
|||||
|
Prům. |
Min. |
Max. |
Prům. |
Min. |
Max. |
|||
|
Penetrace [kg/cm2] |
15,266 |
0,704 |
0,007 |
2,403 |
26,283 |
1,038 |
0,011 |
2,857 |
|
Refrakce [° Brix] |
3,521 |
0,501 |
0,010 |
3,521 |
4,659 |
0,662 |
0,000 |
2,520 |
|
Kyselost [g/L] |
8,015 |
0,348 |
0,005 |
1,504 |
86,569 |
3,570 |
0,081 |
8,886 |
|
pH |
5,706 |
0,184 |
0,008 |
0,398 |
19,675 |
0,632 |
0,010 |
2,841 |
Tabulka 5 Přesnost zařazení jablka ´Red Jonaprince´ do správné třídy jakosti a zralosti přístroji Antaris II a MicroPhazir
|
Zařazení jablek do tříd jakosti a zralosti |
Antaris II % |
MicroPhazir % |
|
Správně zařazené kategorie |
77,5 |
72,5 |
|
Záměna - třída 3 zařazena jako tř. 1 nebo třída 5 jako tř. 3 (posun o třídu nahoru) |
12,5 |
15,0 |
|
Záměna – třída 1 zařazena jako tř. 3 nebo třída 3 jako tř. 5 (posun o třídu dolu) |
10 |
0 |
|
Záměna – třída 5 zařazena jako tř. 1 (posun o dvě třídy nahoru) |
0 |
0 |
|
Záměna – třída 1 zařazena jako tř. 5 (posun o dvě třídy dolu) |
0 |
12,5 |
Tabulka 6 Přesnost jednotlivých kalibračních modelů použitých pro predikci zralosti a kvality jablek odrůdy ´Jonagored´ přístroji Antaris II a MicroPhazir
|
Sledovaný parametr |
Antaris II |
MicroPhazir |
||||||
|
Průměrná odchylka [%] |
Odchylka v jednotkách daných parametrů |
Průměrná odchylka [%] |
Odchylka v jednotkách daných parametrů |
|||||
|
Prům. |
Min. |
Max. |
Prům. |
Min. |
Max. |
|||
|
Penetrace [kg/cm2] |
15,484 |
0,750 |
0,007 |
4,056 |
28,011 |
1,158 |
0,020 |
5,450 |
|
Refrakce [° Brix] |
3,626 |
0,546 |
0,000 |
1,930 |
6,024 |
0,920 |
0,010 |
3,000 |
|
Kyselost [g/L] |
8,826 |
0,348 |
0,008 |
1,022 |
58,926 |
2,384 |
0,018 |
9,242 |
|
pH |
4,065 |
0,134 |
0,036 |
0,356 |
10,217 |
0,335 |
0,001 |
1,866 |
Tabulka 7 Přesnost zařazení jablka ´Jonagored´ do správné třídy jakosti a zralosti přístroji Antaris II a MicroPhazir
|
Zařazení jablek do tříd jakosti a zralosti |
Antaris II % |
MicroPhazir % |
|
Správně zařazené kategorie |
80,48 |
57,5 |
|
Záměna - třída 3 zařazena jako tř. 1 nebo třída 5 jako tř. 3 (posun o třídu nahoru) |
10,95 |
27,5 |
|
Záměna – třída 1 zařazena jako tř. 3 nebo třída 3 jako tř. 5 (posun o třídu dolu) |
7,62 |
7,5 |
|
Záměna – třída 5 zařazena jako tř. 1 (posun o dvě třídy nahoru) |
0,95 |
0 |
|
Záměna – třída 1 zařazena jako tř. 5 (posun o dvě třídy dolu) |
0 |
7,5 |
Předpokládaná aplikace navrženého technologického postupu
Velkou výhodou těchto technik je jejich nedestruktivnost, možný online proces a rychlost na rozdíl od klasických většinou destruktivních metod. Dále také nenáročnost přípravy vzorků, flexibilnost, univerzálnost a schopnost měřit několik parametrů v jednom okamžiku. Proto je vhodná pro použití ve výrobním procesu. Rozvoji NIR spektrometrie pomohlo i vyvinutí ručního bateriového přístroje (MicroPhazir), který může být tím pádem použit i v terénu. Jeho největší výhody jsou malá velikost, nízká cena, robustnost a uživatelsky příjemné ovládání.
Uvedená technologie je nástrojem pro rychlé stanovení sklizňové a konzumní zralosti jablek. Je totiž vhodné danou odrůdu ovoce sklízet, tak aby došlo ke sklizni plodů o vyrovnané vnitřní kvalitě (tzn. zabránění výskytu podtržených nezralých plodů, nebo naopak přezrálých a pro dlouhodobé skladování nevhodných plodů). Zároveň je možné po zjištění třídy jakosti stanovit i optimální čas vyskladnění ovoce ze skladů, tak aby se konzumentům dostávala nejvyšší možná jakost ovoce. Toto zefektivnění a optimalizování sklizně i vyskladnění má pozitivní dopady i na ekonomickou stránku pěstitelů, skladovatelů a prodejců.
Obrázek 1 Laboratorní FT-NIR spektrometr Antaris II
Obrázek 2 Proces nedestruktivního měření jablka přístrojem Antaris II
Obrázek 3 Změřená NIR spektra jednoho jablka
Obrázek 4 Proces měření pomocí mobilního NIR spektrometru MicroPhazir
Autor: Ing. Martina Marečková
Financováno v rámci projektu TAČR ZÉTA TJ01000175 „Stanovení stupně zralosti plodů pomocí NIR spektroskopie“.