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Frutta matura? Ce lo dice il laser


 
 

Schema del prototipo di TRS

 
 

a cura di Mariachiara Albicocco

Pensate che sogno sarebbe comprare una cassetta di pesche nettarine e trovarle tutte mature al punto giusto, nessuna ammaccatura, nessuna pesca acerba o marcia. Non succede quasi mai! Tra poco invece potrebbe essere realtà. Attraverso una sofisticata tecnica laser non distruttiva è possibile valutare il grado di maturazione e di qualità della frutta. E' un'latra delle ricerche in campo agro-alimentare che vogliamo raccontarvi, così come abbiamo fatto le scorse puntate per le olive denocciolate passate ai raggi X, o per i nasi elettronici che valutano la bontà della passata, ma anche il packaging intelligente.

Il Centro Ultras del Politecnico di Milano sta effettuando ricerche proprio in questo campo. Ci facciamo spiegare tutto dal direttore del dipartimento di Fisica del Politecnico, Rinaldo Cubeddu.

Ascolta l'intervista a Rinaldo Cubeddu

RIFLETTANZA RISOLTA NEL TEMPO

La tecnica di spettroscopia di riflettanza risolta nel tempo (Time-resolved reflectance spectroscopy - TRS) per la valutazione non distruttiva della qualità dei prodotti ortofrutticoli. La ricerca si colloca nell'ambito della valorizzazione della qualità dei prodotti agricoli, e si occupa della valutazione non distruttiva della qualità dei prodotti ortofrutticoli con tecniche ottiche innovative. Attualmente la maggior parte delle tecniche utilizzate per la determinazione dei parametri di qualità di un vegetale sono distruttive e prevedono sia l'inserzione di una sonda nel campione (es. il penetrometro per la misura della durezza) sia l'estrazione di succhi dal campione (es. per la misura del grado zuccherino o dell'acidità). Questo comporta che solo una piccola frazione dei frutti lavorati venga effettivamente controllata, lasciando alla statistica la decisione sulla qualità di quantità più numerose. L'interesse principale della ricerca è quindi quello di individuare delle tecniche non invasive potenzialmente in grado di determinare i parametri di qualità per gli ortofrutticoli. A tutt'oggi le tecniche non invasive sono poche (ultrasuoni, fotoacustica, risonanza magnetica nucleare, rivelatori di aromi) e caratterizzate da risultati non direttamente trasferibili in ambito industriale, sia per la complessità delle apparecchiature sia per i risultati non sempre chiari. Recentemente l'utilizzo di tecniche ottiche che prevedono l'impiego di radiazione visibile o infrarossa (near infrared, NIR) ha dato risultati incoraggianti. La limitazione principale di tale tecnica è tuttavia la dipendenza dei risultati dal colore dell'epidermide dei prodotti, fenomeno che in molti casi può limitare la determinazione delle proprietà della polpa sottostante. Inoltre nella tecnica NIR l'intensità totale riflessa o trasmessa è determinata sia dall'assorbimento sia dalla diffusione della luce. Tali parametri contengono informazioni distinte: l'assorbimento dipende dalla presenza di cromofori (clorofilla, acqua, caroteni), il fenomeno della diffusione nasce invece dalla presenza di discontinuità nella costante dielettrica e nella struttura microscopica del vegetale (vacuoli, organelli, ecc). Per un utilizzo più completo delle informazioni ottiche è quindi auspicabile la separazione dei contributi di assorbimento e diffusione. Questo è possibile ricorrendo a sofisticate tecniche laser quali la spettroscopia di riflettanza risolta nel tempo (time-resolved reflectance spectroscopy, TRS).

La tecnica TRS è stata applicata per la prima volta a livello internazionale dal gruppo Photonics for Health, Food and Cultural Heritage del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano facente capo al prof. Rinaldo Cubeddu con il fine di determinare in modo non invasivo le proprietà ottiche (coefficiente di assorbimento e coefficiente di scattering) di diversi frutti (mele, pesche, kiwi, meloni) e ortaggi (pomodori) e di correlarle ai parametri classici (durezza, residuo secco rifrattometrico, acidità). La tecnica TRS consiste nella determinazione del ritardo, dell'attenuazione e dell'allargamento temporale subiti da un breve impulso ottico (durata ~100 ps) che si propaga in un mezzo torbido quale un tessuto biologico o la polpa di un frutto. L'iniezione e la raccolta dell'impulso ottico avvengono tipicamente mediante una coppia di fibre ottiche posizionate sulla superficie del mezzo da analizzare, separate da una distanza dell'ordine di 1-2 cm. In prima approssimazione il ritardo e l'allargamento temporale dell'impulso rivelato dipendono dalla velocità finita con cui la luce si propaga all'interno del mezzo tra sorgente e rivelatore e dai diversi cammini che la luce percorre all'interno del mezzo a seguito del fenomeno della diffusione. Infine l'attenuazione dipende dal fenomeno di assorbimento e da quello di diffusione che determinano rispettivamente la rimozione di fotoni e la dispersione di fotoni lungo direzioni diverse da quella di raccolta. L'utilizzo di un opportuno modello teorico (teoria della Diffusione o "Random Walk") consente di ricavare il valore del coefficiente di assorbimento e del coefficiente di diffusione. I vantaggi principali della tecnica TRS applicata alla caratterizzazione ottica degli ortofrutticoli derivano dal fatto che la tecnica TRS è non distruttiva, non è influenzata dal colore dell'epidermide, penetra nella polpa per più di 1 centimetro, e infine fornisce la possibilità di correlare le informazioni ottiche alle caratteristiche chimico-fisiche del frutto (presenza di acqua, clorofilla, zuccheri; consistenza della struttura interna).

Esperimento
La tecnica TRS è stata oggetto di studi e ricerche in un recente progetto finanziato dal MIUR per il trasferimento tecnologico (Progetto strategico Legge 449/97 "Valutazione non distruttiva della qualità interna di frutti mediante tecniche laser a impulsi ultracorti" Agrotec- 2002/2004). In tale ambito grazie alla collaborazione dei ricercatori dell' Istituto Sperimentale per la Valorizzazione Tecnologica dei Prodotti Agricoli, Milano (ora CRA- IAA, Unità di ricerca per i processi dell'industria agroalimentare) guidati dalla dr.ssa Paola Eccher Zerbini si è verificato che la tecnica TRS è potenzialmente applicabile a una vasta classe di prodotti ortofrutticoli ed in particolare ai principali prodotti della frutticoltura italiana ovvero mele, nettarine e actinidia. Sono stati ottenuti in particolare buoni risultati sulla stima del grado di maturazione alla raccolta delle nettarine (in base al valore del coefficiente di assorbimento a 670 nm sul picco della clorofilla) e sulla previsione delle variazioni della durezza durante la conservazione. Tali risultati potrebbero essere estesi ad altre drupacee, come le susine, dove la colorazione dell'epidermide impedisce di valutare la maturazione alla raccolta. Sono incoraggianti inoltre i risultati relativi alle mele, nelle quali resta tuttavia da esplorare il potenziale delle informazioni ricavabili dal coefficiente di diffusione e le possibili correlazioni con costituenti quali le pectine, importanti per la definizione della durezza dei frutti. Sono emersi alcuni problemi nell'impiego della tecnica sui kiwi, principalmente a causa dell'elevato assorbimento di fondo della polpa e del disturbo introdotto dalla fluorescenza della clorofilla. Nell'ambito del progetto è stato effettuato infine uno studio di pre-fattibilità del trasferimento tecnologico della tecnica TRS su sistemi in linea per la classificazione automatica non distruttiva di frutti.

Il grado di utilizzabilità della tecnica TRS è in parte già stato sperimentato con prove campione recentemente relizzate in Olanda e Italia. Mediante la tecnica TRS si è ad esempio effettuata una selezione alla raccolta di nettarine in quattro classi per la maturazione prevista dopo il trasporto dal luogo di produzione (Italia) al distributore (Olanda). Le classi sono state costruite (basandosi sui risultati della stima del contenuto di clorofilla della polpa effettuata con la tecnica TRS e sui modelli di
evoluzione già sviluppati) nel seguente modo: classe 1, frutti pronti al consumo all’arrivo o poco dopo; classe 2, frutti in grado di sopportare una shelf life di 4 giorni; classe 3, frutti in grado di sopportare una shelf life di 6 giorni, ma ancora in grado di maturare normalmente; classe 4, frutti che non maturano mai perché raccolti troppo acerbi. Prove di assaggio effettuate da esperti della distribuzione hanno verificato la correttezza della classificazione.

17.05.08

 

 

 

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