HR Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy for Authentication of Olive Oil Quality

The present work is a preliminary study to settle the optimum experimental conditions and data processing for accomplishing the strategies established by the Action Plan for the EU olive oil sector. The objectives of the work were: a) to monitor the evolution of extra virgin olive oil exposed to indirect solar light in transparent glass bottles during four months; b) to identify spectral differences between edible and lampant virgin olive oil by applying high resolution Nuclear Magnetic Resonance (HR-NMR) Spectroscopy. Pr esent study could contribute to determine the date of minimum storage, their optimum conditions, and to properly characterize olive oil.

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.

Valorización de subproductos agrícolas y forestales como sustratos de cultivo en el estado de Oaxaca (México)

El presente trabajo aborda el aprovechamiento de algunos subproductos agrícolas (bagazo de maguey y fibra de coco) y forestales (corteza de pino) en el Estado de Oaxaca (Sur de México). El objetivo principal se centra en localizar, cuantificar y caracterizar estos con vistas a su aplicación como sustratos o componentes de sustratos en cultivos ornamentales, forestales y hortícolas, y a su uso como enmiendas en cultivos tipo. Así mismo se persigue reducir el uso de la turba y la tierra de monte como sustratos mayoritarios en la actualidad. Para la localización de los subproductos se utilizaron los datos de los registros parcelarios de los productores de coco para la obtención de copra (generadores de fibra de coco) de la región costa y de los productores de mezcal (generadores del residuo de bagazo de maguey) de la región valles centrales, así como las ubicaciones de los aserraderos forestales en el Estado de Oaxaca. Se emplea un Sistema de Información Geográfica (SIG) con una cartografía digitalizada de los elementos del medio (clima, geología y suelo), de los cultivos generadores (bagazo de maguey, fibra de coco y corteza de pino), de la agricultura protegida como receptora (tomate) y de la agricultura extensiva con cultivos receptores de enmienda (café, hule, limón, mango, palma de coco y maguey). La producción anual de los residuos se cartografía y cuantifica con los siguientes resultados: bagazo de maguey 624.000 t, fibra de coco 86.000 m3 y 72.000 t de corteza de pino. Mediante el estudio de las características de los suelos de los cultivos receptores y de los requerimientos de materia orgánica de cada cultivo se calcularon las necesidades totales de materia orgánica para cada suelo. Los resultados de las cantidades globales para cada cultivo en todo el Estado muestran una necesidad total de 3.112.000 t de materia orgánica como enmienda. Con los datos obtenidos y a través de un algoritmo matemático se realiza una propuesta de localización de dos plantas de compostaje (de bagazo de maguey y fibra de coco) y cuatro plantas de compostaje de corteza de pino. Con el fin de conocer los subproductos a valorizar como sustrato o componente de sustrato se caracteriza su composición física‐química, siguiendo Normas UNE‐EN, y se analizan mediante Resonancia Magnética Nuclear (RMN). Para el acondicionamiento de bagazo de maguey y la corteza de pino se realizaron ensayos de compostaje. Al final de 241 días la temperatura y la humedad de ambos procesos se encontraban en los rangos recomendados, indicando que los materiales estaban estabilizados y con calidad para ser utilizados como sustrato o componente de sustrato. Para la fibra de coco se realizó el proceso de molienda en seco de conchas de coco provenientes de la comunidad de Río Grande Oaxaca (Principal zona productora de copra en Oaxaca). Posteriormente se emplean los materiales obtenidos como componentes para sustratos de cultivo. Se estudia el compost de bagazo de maguey y siete mezclas; el compost de corteza de pino y ocho mezclas y la fibra de coco con tres mezclas. Estos sustratos alternativos permiten obtener mezclas y reducir el uso de la tierra de monte, turba, arcilla expandida y vermiculita, siendo por tanto una alternativa sostenible para la producción en invernadero. Se elaboraron mezclas especificas para el cultivo de Lilium hibrido asiático y oriental (siete mezclas), sustratos eco‐compatibles para cultivo de tomate (nueve mezclas), para la producción de planta forestal (siete mezclas) y para la producción de plántula hortícola (ocho mezclas). Como resultados más destacados del bagazo de maguey, corteza de pino y las mezclas obtenidas se resume lo siguiente: el bagazo de maguey, con volúmenes crecientes de turba (20, 30, 50 y 60 %) y la corteza de pino, con volúmenes de turba 40 y 60%, presentan valores muy recomendados de porosidad, capacidad de aireación, capacidad de retención de humedad y equilibrio agua‐aire. Para la fibra de coco, la procedente de Río Grande presenta mejor valoración que la muestra comercial de fibra de coco de Morelos. Por último se llevó a cabo la evaluación agronómica de los sustratos‐mezclas, realizando cinco experimentos por separado, estudiando el desarrollo vegetal de cultivos tipo, que se concretan en los siguientes ensayos: 1. Producción de Lilium asiático y oriental en cama para flor de corte; 2. Producción de Lilium oriental en contenedor para flor de corte; 3. Producción de plántula forestal (Pinus greggii E y Pinus oaxacana M); 4. Producción de tomate (Solanum lycopersicum L) y 5. Producción de plántula de tomate en semillero (Solanum lycopersicum L). En relación a la producción de Lilium hibrido asiático en cama los sustratos corteza de pino (CPTU 80:20 v/v), corteza de pino + sustrato comercial (CPSC 80:20 v/v) y corteza de pino+turba+arcilla expandida+vermiculita (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) presentan los mejores resultados. Dichos sustratos también presentan adecuados resultados para Lilium hibrido oriental con excepción de la corteza de pino + turba (CPTU 80:20 v/v). En la producción de Lilium hibrido oriental en contenedor para flor de corte, además de los sustratos de CPSC y CPTAEV2, la mezcla de corteza de pino+turba+arcilla expandida+vermiculita (CPTAEV 70:20:5:5 v/v) manifestó una respuesta favorable. En el ensayo de producción de plántulas de Pinus greggii E y Pinus oaxacana Mirov, las mezclas con corteza de pino+turba+arcilla expandida+vermiculita (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) y bagazo de maguey turba+arcilla expandida+vermiculita (BMTAEV2 30:60:5:5 v/v) son una alternativa que permite disminuir el empleo de turba, arcilla expandida y vermiculita, en comparación con el sustrato testigo de turba+arcilla expandida+vermiculita (TAEV 60:30:10 v/v). En la producción de tomate (Solanum lycopersicum L) frente a la utilización actual del serrín sin compostar (SSC), las mezclas alternativas de bagazo de maguey+turba (BMT 70:30 v/v), fibra de coco de Río Grande (FCRG 100v/v) y corteza de pino+turba (CPT 70:30 v/v), presentaron los mejores resultados en rendimientos. Así mismo, en la producción de plántulas de tomate las dos mezclas alternativas de bagazo de maguey+turba+ arcilla expandida+vermiculita (BMTAEV5 50:30:10:10 v/v) y (BMTAEV6 40:40:10:10 v/v) presentaron mejores resultados que los obtenidos en la mezcla comercial (Sunshine 3), mayoritariamente utilizada en México en la producción de plántula de tomate y hortícola. ABSTRACT This paper addresses the use of some agricultural products (maguey bagasse and coconut fiber) and forestry (pine bark) in the State of Oaxaca (southern Mexico). The principal purpose is to locate, quantify and characterize these with the idea of applying them as substrates or substrate components in ornamental crops, forestry, horticultural, and their use as crop amendments. On the other hand, the reduction of peat and forest soil as main substrates is pursued. For the location of the products, registry parcel data from copra producers (coconut fiber generators) of the coastal region and mescal producers (maguey bagasse residue generators) of the central valleys region, as well as the locations of forest mills in the State of Oaxaca. A Geographic Information System (GIS) with digital mapping of environmental factors (climate, geology and soil), crop generators of residues (maguey bagasse, coconut and pine bark) receptors of amendments such as protected agriculture (tomato) and extensive agriculture crops (coffee, rubber, lemon, mango, coconut and agave). The annual production of waste is mapped and quantified with the following results: 624,000t maguey bagasse, coconut fiber 72,000 m3 and 86,000 t of pine bark. Through the study of receiving crops soils properties of and organic matter requirements of each crop, total needs of organic matter for each soil were estimated. The results of the total quantities for each crop across the state show a total of 3,112,000 t of organic matter needed as amendment. Using that data and a mathematical algorithm, the location of two composting plants (agave bagasse and coconut fiber) and four composting plants pine bark was proposed. In order to know the by‐products that were going to be used as substrates or substrate components, their physical‐chemical composition was analyzed following UNE‐EN technics. Furthermore they were analyzed by Nuclear Magnetic Resonance (NMR). For conditioning of maguey bagasse and pine bark, composting essays were conducted. At the end of 241 days the temperature and humidity of both processes were at the recommended ranges, indicating that the materials were stabilized and had reached the quality to be used as a substrate or substrate component. Coconut shells from the community of Rio Grande Oaxaca (Main copra producing area in Oaxaca) were put through a process of dry milling. Subsequently, the obtained materials were used as components for growing media. We studied the maguey bagasse compost and seven mixtures; the pine bark compost and eight blends and coconut fiber with three mixtures. These alternative substrates allow obtaining mixtures and reduce the use of forest soil, peat, vermiculite and expanded clay, making it a sustainable alternative for greenhouse production. Specific mixtures were prepared for growing Lillium, Asian and eastern hybrids (seven blends), eco‐compatible substrates for tomato (nine mixtures), for producing forest plant (seven mixtures) and for the production of horticultural seedlings (eight mixtures). Results from maguey bagasse, pine bark and mixtures obtained are summarized as follows: the maguey bagasse, with increasing volumes of peat (20, 30, 50 and 60%) and pine bark mixed with 40 and 60% peat by volume, have very recommended values of porosity, aeration capacity, water retention capacity and water‐air balance. Coconut fiber from Rio Grande had better quality than commercial coconut fiber from Morelos. Finally the agronomic evaluation of substrates‐mixtures was carried out conducting five experiments separately: 1. Production of Asiatic and Eastern Lilium in bed for cut flower, 2. Production of oriental Lillium in container for cut flower, 3.Production of forest seedlings (Pinus greggii E and Pinus oaxacana M), 4. Production of tomato (Solanum lycopersicum L) and 5. Tomato seedling production in seedbed (Solanum lycopersicum L). In relation to the production of hybrid Asian Lilium in bed, pine bark substrates (CPTU 80:20 v/v), pine bark + commercial substrate (CPSC 80:20 v/v) and pine bark + peat + expanded clay + vermiculite (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) showed the best results. Such substrates also have adequate results for Lilium Oriental hybrid except pine bark + peat (CPTU 80:20 v / v). In the production of Lilium oriental hybrid container for cut flower, besides the CPSC and CPTAEV2 substrates, the mixture of pine bark + peat + vermiculite expanded clay (CPTAEV 70:20:5:5 v / v) showed a favorable response. In the production of Pinus greggii E and Pinus oaxacana Mirov seedlings trial, mixtures with pine bark + peat + expanded clay + vermiculite (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) and maguey bagasse+ peat+ expanded clay + vermiculite (BMTAEV2 30:60:5:5 v / v) are an alternative which allows reducing the use of peat, vermiculite and expanded clay in comparison with the control substrate made of peat + expanded clay+ vermiculite (60:30 TAEV: 10 v/v). In the production of tomato (Solanum lycopersicum L), alternative mixes of maguey bagasse + peat (BMT 70:30 v/v), coconut fiber from Rio Grande (FCRG 100 v / v) and pine bark + peat (CPT 70:30 v / v) showed the best results in yields versus the current use of sawdust without compost (SSC). Likewise, in the production of tomato seedlings of the two alternative mixtures maguey bagasse + peat expanded clay + vermiculite (BMTAEV5 50:30:10:10 v/v) and (BMTAEV6 40:40:10:10 v/v) had better results than those obtained in the commercial mixture (Sunshine 3), mainly used in Mexico in tomato seedling production and horticulture.