Application of NMR techniques for the evaluation of fruit internal quality and physical properties of food

Los alimentos son sistemas complejos, formados por diversas estructuras a diferentes escalas: macroscópica y microscópica. Muchas propiedades de los alimentos, que son importantes para su procesamiento, calidad y tratamiento postcosecha, están relacionados con su microestructura. La presente tesis doctoral propone una metodología completa para la determinación de la estructura de alimentos desde un punto de vista multi-escala, basándose en métodos de Resonancia Magnética Nuclear (NMR). Las técnicas de NMR son no invasivas y no destructivas y permiten el estudio tanto de macro- como de microestructura. Se han utilizado distintos procedimientos de NMR dependiendo del nivel que se desea estudiar. Para el nivel macroestructural, la Imagen de Resonancia Magnética (MRI) ha resultado ser muy útil para la caracterización de alimentos. Para el estudio microestructural, la MRI requiere altos tiempos de adquisición, lo que hace muy difícil la transferencia de esta técnica a aplicaciones en industria. Por tanto, la optimización de procedimientos de NMR basados en secuencias relaxometría 2D T1/T2 ha resultado ser una estrategia primordial en esta tesis. Estos protocolos de NMR se han implementado satisfactoriamente por primera vez en alto campo magnético. Se ha caracterizado la microestructura de productos alimentarios enteros por primera vez utilizando este tipo de protocolos. Como muestras, se han utilizado dos tipos de productos: modelos de alimentos y alimentos reales (manzanas). Además, como primer paso para su posterior implementación en la industria agroalimentaria, se ha mejorado una línea transportadora, especialmente diseñada para trabajar bajo condiciones de NMR en trabajos anteriores del grupo LPF-TAGRALIA. Se han estudiado y seleccionado las secuencias más rápidas y óptimas para la detección de dos tipos de desórdenes internos en manzanas: vitrescencia y roturas internas. La corrección de las imágenes en movimiento se realiza en tiempo real. Asimismo, se han utilizado protocolos de visión artificial para la clasificación automática de manzanas potencialmente afectadas por vitrescencia. El presente documento está dividido en diferentes capítulos: el Capítulo 2 explica los antecedentes de la presente tesis y el marco del proyecto en el que se ha desarrollado. El Capítulo 3 recoge el estado del arte. El Capítulo 4 establece los objetivos de esta tesis doctoral. Los resultados se dividen en cinco sub-secciones (dentro del Capítulo 5) que corresponden con los trabajos publicados bien en revistas revisadas por pares, bien en congresos internacionales o bien como capítulos de libros revisados por pares. La Sección 5.1. es un estudio del desarrollo de la vitrescencia en manzanas mediante MRI y lo relaciona con la posición de la fruta dentro de la copa del árbol. La Sección 5.2 presenta un trabajo sobre macro- y microestructura en modelos de alimentos. La Sección 5.3 es un artículo en revisión en una revista revisada por pares, en el que se hace un estudio microestrcutural no destructivo mediante relaxometría 2D T1/T2. la Sección 5.4, hace una comparación entre manzanas afectadas por vitrescencia mediante dos técnicas: tomografía de rayos X e MRI, en manzana. Por último, en la Sección 5.5 se muestra un trabajo en el que se hace un estudio de secuencias de MRI en línea para la evaluación de calidad interna en manzanas. Los siguientes capítulos ofrecen una discusión y conclusiones (Capítulo 6 y 7 respectivamente) de todos los capítulos de esta tesis doctoral. Finalmente, se han añadido tres apéndices: el primero con una introducción de los principios básicos de resonancia magnética nuclear (NMR) y en los otros dos, se presentan sendos estudios sobre el efecto de las fibras en la rehidratación de cereales de desayuno extrusionados, mediante diversas técnicas. Ambos trabajos se presentaron en un congreso internacional. Los resultados más relevantes de la presente tesis doctoral, se pueden dividir en tres grandes bloques: resultados sobre macroestructura, resultados sobre microestructura y resultados sobre MRI en línea. Resultados sobre macroestructura: - La imagen de resonancia magnética (MRI) se aplicó satisfactoriamente para la caracterización de macroestructura. En particular, la reconstrucción 3D de imágenes de resonancia magnética permitió identificar y caracterizar dos tipos distintos de vitrescencia en manzanas: central y radial, que se caracterizan por el porcentaje de daño y la conectividad (número de Euler). - La MRI proveía un mejor contraste para manzanas afectadas por vitrescencia que las imágenes de tomografía de rayos X (X-Ray CT), como se pudo verificar en muestras idénticas de manzana. Además, el tiempo de adquisición de la tomografía de rayos X fue alrededor de 12 veces mayor (25 minutos) que la adquisición de las imágenes de resonancia magnética (2 minutos 2 segundos). Resultados sobre microestructura: - Para el estudio de microestructura (nivel subcelular) se utilizaron con éxito secuencias de relaxometría 2D T1/T2. Estas secuencias se usaron por primera vez en alto campo y sobre piezas de alimento completo, convirtiéndose en una forma no destructiva de llevar a cabo estudios de microestructura. - El uso de MRI junto con relaxometría 2D T1/T2 permite realizar estudios multiescala en alimentos de forma no destructiva. Resultados sobre MRI en línea: - El uso de imagen de resonancia magnética en línea fue factible para la identificación de dos tipos de desórdenes internos en manzanas: vitrescencia y podredumbre interna. Las secuencias de imagen tipo FLASH resultaron adecuadas para la identificación en línea de vitrescencia en manzanas. Se realizó sin selección de corte, debido a que la vitrescencia puede desarrollarse en cualquier punto del volumen de la manzana. Se consiguió reducir el tiempo de adquisición, de modo que se llegaron a adquirir 1.3 frutos por segundos (758 ms por fruto). Las secuencias de imagen tipo UFLARE fueron adecuadas para la detección en línea de la podredumbre interna en manzanas. En este caso, se utilizó selección de corte, ya que se trata de un desorden que se suele localizar en la parte central del volumen de la manzana. Se consiguió reducir el tiempo de adquisicón hasta 0.67 frutos por segundo (1475 ms por fruto). En ambos casos (FLASH y UFLARE) fueron necesarios algoritmos para la corrección del movimiento de las imágenes en tiempo real. ABSTRACT Food is a complex system formed by several structures at different scales: macroscopic and microscopic. Many properties of foods that are relevant to process engineering or quality and postharvest treatments are related to their microstructure. This Ph.D Thesis proposes a complete methodology for food structure determination, in a multiscale way, based on the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) phenomenon since NMR techniques are non-invasive and non-destructive, and allow both, macro- and micro-structure study. Different NMR procedures are used depending on the structure level under study. For the macrostructure level, Magnetic Resonance Imaging (MRI) revealed its usefulness for food characterization. For microstructure insight, MRI required high acquisition times, which is a hindrance for transference to industry applications. Therefore, optimization of NMR procedures based on T1/T2 relaxometry sequences was a key strategy in this Thesis. These NMR relaxometry protocols, are successfully implemented in high magnetic field. Microstructure of entire food products have been characterized for the first time using these protocols. Two different types of food products have been studied: food models and actual food (apples). Furthermore, as a first step for the food industry implementation, a grading line system, specially designed for working under NMR conditions in previous works of the LPF-TAGRALIA group, is improved. The study and selection of the most suitable rapid sequence to detect two different types of disorders in apples (watercore and internal breakdown) is performed and the real time image motion correction is applied. In addition, artificial vision protocols for the automatic classification of apples potentially affected by watercore are applied. This document is divided into seven different chapters: Chapter 2 explains the thesis background and the framework of the project in which it has been worked. Chapter 3 comprises the state of the art. Chapter 4 establishes de objectives of this Ph.D thesis. The results are divided into five different sections (in Chapter 5) that correspond to published peered reviewed works. Section 5.1 assesses the watercore development in apples with MRI and studies the effect of fruit location in the canopy. Section 5.2 is an MRI and 2D relaxometry study for macro- and microstructure assessment in food models. Section 5.3 is a non-destructive microstructural study using 2D T1/T2 relaxometry on watercore affected apples. Section 5.4 makes a comparison of X-ray CT and MRI on watercore disorder of different apple cultivars. Section 5.5, that is a study of online MRI sequences for the evaluation of apple internal quality. The subsequent chapters offer a general discussion and conclusions (Chapter 6 and Chapter 7 respectively) of all the works performed in the frame of this Ph.D thesis (two peer reviewed journals, one book chapter and one international congress).Finally, three appendices are included in which an introduction to NMR principles is offered and two published proceedings regarding the effect of fiber on the rehydration of extruded breakfast cereal are displayed. The most relevant results can be summarized into three sections: results on macrostructure, results on microstructure and results on on-line MRI. Results on macrostructure: - MRI was successfully used for macrostructure characterization. Indeed, 3D reconstruction of MRI in apples allows to identify two different types of watercore (radial and block), which are characterized by the percentage of damage and the connectivity (Euler number). - MRI provides better contrast for watercore than X-Ray CT as verified on identical samples. Furthermore, X-Ray CT images acquisition time was around 12 times higher (25 minutes) than MRI acquisition time (2 minutes 2 seconds). Results on microstructure: - 2D T1/T2 relaxometry were successfully applied for microstructure (subcellular level) characterization. 2D T1/T2 relaxometry sequences have been applied for the first time on high field for entire food pieces, being a non-destructive way to achieve microstructure study. - The use of MRI together with 2D T1/T2 relaxometry sequences allows a non-destructive multiscale study of food. Results on on-line MRI: - The use of on-line MRI was successful for the identification of two different internal disorders in apples: watercore and internal breakdown. FLASH imaging was a suitable technique for the on-line detection of watercore disorder in apples, with no slice selection, since watercore is a physiological disorder that may be developed anywhere in the apple volume. 1.3 fruits were imaged per second (768 ms per fruit). UFLARE imaging is a suitable sequence for the on-line detection of internal breakdown disorder in apples. Slice selection was used, as internal breakdown is usually located in the central slice of the apple volume. 0.67 fruits were imaged per second (1475 ms per fruit). In both cases (FLASH and UFLARE) motion correction was performed in real time, during the acquisition of the images.

Comportamiento térmico y mecánico del yeso con adiciones de aerogel de sílice granulado

La presente tesis doctoral aborda el estudio de un nuevo material mineral, compuesto principalmente por una matriz de yeso (proveniente de un conglomerante industrial basado en sulfato de calcio multifase) y partículas de aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso, compatibilizadas mediante un surfactante polimérico, debido a su alto carácter hidrófugo. La investigación se centra en conocer los factores que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica del material compuesto generado. Este estudio pretende contribuir al conocimiento sobre el desarrollo de nuevos morteros de elevado aislamiento térmico que puedan ser utilizados en la rehabilitación energética de edificios de viviendas existentes, debido a que estos representan gran parte del consumo energético del parque de viviendas de España, aunque también a nivel internacional. De los materiales utilizados para desarrollar los morteros estudiados, el yeso, además de ser un material muy abundante, especialmente en España, requiere una menor cantidad de energía para la fabricación de un conglomerante (debido a una menor temperatura de fabricación), en comparación con el cemento o la cal, por lo que presenta una menor huella de carbono que estos últimos. Por otro lado, el aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso es, de acuerdo con la documentación disponible, el material que posee actualmente la mayor capacidad de aislamiento térmico en el mercado. El desarrollo de nuevos morteros minerales con una capacidad de aislamiento térmico mayor que los materiales aislantes utilizados tradicionalmente, tiene una aplicación relevante en los casos de rehabilitación energética de edificios históricos y patrimoniales, en los que se requiere la aplicación del aislamiento por el interior de la fachada, ya que este tipo de soluciones tienen el inconveniente de reducir el espacio habitable de las áreas involucradas, especialmente en zonas climáticas en las que el aislamiento térmico puede suponer un espesor considerable, por lo que es ideal utilizar materiales de altas prestaciones de aislamiento térmico capaces de aportar el mismo nivel de aislamiento (o incluso mayor), pero en un espesor considerablemente menor. La investigación se desarrolla en tres etapas: bibliográfica, experimental y de simulación. La primera etapa, parte del estudio de la bibliografía existente, relacionada con materiales aislantes, incluyendo soluciones basadas, tanto en morteros aislantes, como en paneles de aislamiento térmico. La segunda, de carácter experimental, se centra en estudiar la influencia de la microestrucrura y macroestructura, del nuevo material mineral, en las propiedades físicas elementales, mecánicas y conductividad térmica del compuesto. La tercera etapa, mediante una simulación del consumo energético, consiste en cuantificar teóricamente el potencial ahorro energético que puede aportar este material en un caso de rehabilitación energética en particular. La investigación experimental se centró principalmente en conocer los factores principales que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica de los materiales compuestos minerales desarrollados en esta tesis. Para ello, se llevó a cabo una caracterización de los materiales de estudio, así como el desarrollo de distintas muestras de ensayo, de tal forma que se pudo estudiar, tanto la hidratación del yeso en los compuestos, como su posterior microestructura y macroestructura, aspectos fundamentales para el entendimiento de las propiedades mecánicas y conductividad térmica del compuesto aislante. De este modo, se pudieron conocer y cuantificar, los factores que influyen en las propiedades estudiadas, aportando una base de conocimiento y entendimiento de este tipo de compuestos minerales con aerogel de sílice hidrófugo, no existiendo estudios publicados hasta el momento de finalización de esta tesis, con la aproximación al material propuesta en este estudio, ni con yeso (basado en sulfato de calcio multifase), ni con otro tipo de conglomerantes. Particularmente, se determinó la influencia que tiene la incorporación de partículas de aerogel de sílice hidrófugo, en grandes proporciones en volumen, en un compuesto mineral basado en distintas fases de sulfato de calcio. No obstante, para llevar a cabo las mezclas, fue necesario utilizar un surfactante para compatibilizar este tipo de partículas, con el conglomerante basado en agua. El uso de este tipo de aditivos tiene una influencia, no solo en el aerogel, sino en las propiedades del compuesto en general, dependiendo de su concentración, por lo que se establecieron dos porcentajes de adición: la primera, determinada a partir de la cantidad mínima necesaria para compatibilizar las mezclas (0,1% del agua de amasado), y la segunda, como límite superior, la concentración utilizada habitualmente a nivel industrial para estabilizar burbujas de aire en hormigones espumados (5%). El surfactante utilizado mostró la capacidad de modificar la superficie del aerogel, cambiando el comportamiento de las partículas frente al agua, permitiendo una invasión parcial de su estructura porosa, por parte del agua de amasado. Este comportamiento supone un aumento muy importante en la relación agua/yeso, afectando el hábito cristalino e influenciando negativamente las propiedades mecánicas de la matriz de yeso, presentando un efecto aún notable a mayor concentración de surfactante (5%). En cuanto a las propiedades finales alcanzadas, fue posible lograr un compuesto mineral ultraligero (200 kg/m3), con alrededor de un 60% de aerogel en volumen y de alta capacidad aislante (0,028 W/m•K), presentando una conductividad térmica notablemente menor que los morteros aislantes del mercado, e incluso también menor que la de los aislantes tradicionales basado en las lanas minerales o EPS; no obstante, con la limitante de presentar bajas propiedades mecánicas, condicionando su posible aplicación futura. Entre los factores principales relacionados con las propiedades mecánicas, se encontró que estas dependen exponencialmente del volumen de yeso en el compuesto; no obstante, factores de segundo orden, como el grado de hidratación, o una mejor distribución del conglomerante entre las partículas de aerogel, debido al aumento de la superficie específica del polvo mineral, pueden aumentar las propiedades mecánicas entre el doble y el triple, dependiendo del volumen de aerogel en cuestión. Además, se encontró que el aerogel, en conjunto con el surfactante, es capaz de introducir una gran cantidad de aire (0,70 m3 por cada m3 de aerogel), que unido al agua evaporada (no consumida por el conglomerante durante la hidratación), el volumen de aire total alcanza, generalmente, un 40%, independientemente de la cantidad de aerogel en la mezcla. De este modo, el aire introducido en la matriz desplaza las proporciones en volumen del aerogel y del yeso, disminuyendo, tanto las propiedades mecánicas, como la capacidad aislante de compuesto mineral. Por otro lado, la conductividad térmica mostró tener una dependencia directa de la contribución de las tres fases principales en el compuesto: yeso, aerogel y aire ocluido. De este modo, se pudo desarrollar un modelo matemático, adaptado de uno existente, capaz de calcular, con bastante precisión, la relación de los tres componentes mencionados, en la conductividad térmica de los compuestos, para el rango de volúmenes y materiales utilizados en esta tesis. Finalmente, la simulación del consumo energético realizada a una vivienda típica de España, de los años 1900 a 1959 (basada en muros de ladrillo macizo), para las zonas climáticas estudiadas (A, D y E), permitió observar el potencial ahorro energético que puede aportar este material, dependiendo de su espesor, como aislamiento interior de los muros de fachada. Particularmente, para la zona A, se determinó un espesor óptimo de 1 cm, mientras que para la zona D y E, 3,5 y 3,9 cm respectivamente. En este sentido, el nuevo material estudiado es capaz de disminuir, entre un 35% y un 80%, el espesor de la capa aislante, en comparación con paneles de lana de roca o los morteros minerales de mayor capacidad aislante del mercado español respectivamente. ABSTRACT The present doctoral thesis studies a new mineral-based composite material, composed by a gypsum matrix (based on an industrial multiphase gypsum binder) and mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, compatibilized with a polymeric surfactant due to the high hydrophobic character of the insulating particles. This study pretends to contribute to the development of new composite insulating materials that could be used in energy renovation of existing dwellings, in order to reduce their high energy consumption, as they represent a great part of the total energy consumed in Spain, but also internationally. Between the materials used to develop de studied insulating mortars, gypsum, besides being an abundant material, especially in Spain, requires less energy for the manufacture of a mineral binder (due to lower manufacturing temperatures), compared to lime or cement, thus presenting lower carbon footprint. In other hand, the hydrophobic mesoporous silica aerogel, is, according to the existing references, the material with the highest know insulating capacity in the market. The development of new mineral mortars with higher thermal insulation capacity than traditional insulating materials, presents a relevant application in energy retrofitting of historic and cultural heritage buildings, in which implies that the insulating material should be installed as an internal layer, rather than as an external insulating system. This type of solution involves a reduced internal useful area, especially in climatic zones where the demand for thermal insulation is higher, and so the insulating layer thickness, being idealistic to use materials with very high insulating properties, in order to reach same insulating level (or higher), but in lower thickness than the provided by traditional insulating materials. This research is developed in three main stages: bibliographic, experimental and simulation. The first stage starts by studying the existing references regarding thermally insulating materials, including existing insulating mortars and insulating panels. The second stage, mainly experimental, is centered in the study of the the influence of the microstructure and macrostructure in the physical and mechanical properties, and also in the thermal conductivity of the new mineral-based material. The thirds stage, through energy simulation, consists in theoretically quantifying the energy savings potential that can provide this type of insulating material, in a particular energy retrofitting case study. The experimental research is mainly focused in the study of the factors that influence the mechanical properties and the thermal conductivity of the thermal insulating mineral composites developed in this thesis. For this, the characterization of the studied materials has been performed, as well as the development of several experimental samples, in order to study the hydration of the mineral binder within the composites, but also the final microstructure and macrostructure, fundamental aspects for the understanding of the composite’s mechanical and insulating properties. Thus, is was possible to determine and quantify the factors that influence the studied material properties, providing a knowledge base and understanding of mineral composites that comprises mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, being the first study up to date regarding the specific approach of the present study, regarding not just multiphase calcium sulfate plaster, but also other mineral binders. Particularly, the influence of the incorporation of hydrophobic silica aerogel particles, in high volume ratios into a mineral compound, based on different phases of calcium sulfate has been determined. However, to perform mixing, it is necessary to use a surfactant in order to compatibilize these particles with the water-based mineral binder. The use of such additives has an influence, not only in the aerogel, but the overall properties of the compound, so two different surfactant concentration has been studied: the first, the minimum amount of surfactant (used in this thesis) in order to develop the slurries (0.1% concentration of the mixing water), and the second, as the upper limit, the concentration usually used industrially to stabilize air bubbles in foamed concrete (5%). One of the side effects of using such additive, was the modification of the aerogel particles, by changing their behavior in respect to water, generating a partial invasion of the aerogel’s porous structure, by the mixing water. This behavior produces a very important increase in water/binder ratios, affecting the crystal habit and negatively influencing the mechanical properties of the gypsum matrix. This effect further increased when a higher concentration of surfactant (5%) is used. Regarding final materials properties, it was possible to achieve an ultra-lightweight mineral composite (200 kg/m3), with around 60% by volume of aerogel, presenting a very high insulating capacity (0.028 W/m•K), a noticeable lower thermal conductivity compared to the insulating mortars and traditional thermal insulating panels on the market, such as mineral wool or EPS; however, the limiting factor for future’s material application in buildings, is related to the very low mechanical properties achieved. Among the main factors related to the mechanical properties, it has been found an exponential correlation to the volume of gypsum in the composite. However, second-order factors such as the degree of hydration, or a better distribution of the binder between the aerogel particles, due to the increased surface area of the mineral powder, can increase the mechanical properties between two to three times, depending aerogel volume involved. In addition, it was found that the aerogel, together with the surfactant, is able to entrain a large amount of air volume (around 0.70 m3 per m3 of aerogel), which together with the evaporated water (not consumed by the binder during hydration), can reach generally around 40% of entrained air within the gypsum matrix, regardless of the amount of aerogel in the mixture. Thus, the entrained air into the matrix displaces the volume proportions of the aerogel and gypsum, reducing both mechanical and insulating properties of the mineral composite. On the other hand, it has been observed a direct contribution of three main phases into the thermal conductivity of the composite: gypsum, aerogel and entrained air. Thus, it was possible to develop a mathematical model (adapted from an existing one), capable of calculating quite accurate the thermal conductivity of such mineral composites, from the ratio these three components and for the range of volumes and materials used in this thesis. Finally, the energy simulation performed to a typical Spanish dwelling, from the years 1900 to 1959 (mainly constructed with massive clay bricks), within three climatic zones of Spain (A, D and E), showed the energy savings potential that can provide this type of insulating material, depending on the thickness of the applied layer. Particularly, for the climatic A zone, it has been found an optimal layer thickness of 1 cm, while for zone D and E, 3.5 and 3.9 cm respectively. In this manner, the new studied materials is capable of decreasing the thickness of the insulating layer by 35% and 80%, compared with rock wool panels or mineral mortars with the highest insulating performance of the Spanish market respectively.