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.

Determinación de la calidad interna del kiwi mediante técnicas no destructivas: impacto e imagen hiperspectral.

El kiwi es un fruto con epidermis pilosa de color pardo-verdoso cuyo aspecto externo no sufre cambios significativos a lo largo del proceso de maduración. El objetivo de este trabajo fue evaluar el potencial de distintas técnicas no destructivas para la determinación de la calidad interna de kiwi. Se trabajó con frutos de pulpa verde (Actinidia deliciosa) ?Hayward? y de pulpa amarilla (Actinidia chinensis) ?Hort16A? y tres estados de madurez. Se realizaron determinaciones mecánicas y acústicas con el impactador lateral LPF y el equipo comercial AWETA, ambos para la estimación no destructiva de la firmeza, y se adquirieron imágenes con cámara hiperespectral (rango 400-1000 nm), como herramienta para la estimación global del estado de madurez del fruto. Se encontró que existe una correlación positiva y significativa (0,94? rpearson ?0,97) entre las variables Fuerzamáx. (impactador) y Frecuenciaresonante máx. (AWETA) con la Fuerzamáx registrada en el ensayo de referencia ?compresión con bola? realizado sobre los mismos frutos con una máquina universal de ensayos. Las imágenes hiperespectrales permitieron evidenciar el distinto nivel de madurez de los frutos en evolución y dentro de cada lote e incluso en distintas zonas de un mismo fruto, apreciándose cierto patrón espacial común en la evolución de la madurez dentro de los frutos.

Evaluación del efecto de un recubrimiento a base de ceras en la calidad microbilógica y fisicoquímica en Mango (Mangifera indica)

Se fundamentó en evaluar el efecto del descubrimiento a bases de ceras (resina de colofonia y polietileno) en la calidad del mango (Mangifera indica). Las variedades utilizadas fueron: Tommy Atkins y Panades; procedente de los municipios de Suchitoto y Guazapa, en estado de madurez 3/4. Se realizó análisis micribiológico inicial (Salmonela, spp y Escherichia coli), para determinar si los mangos cumplían con los criterios microbiológicos de inocuidad establecidos en el grupo 4.1 del Reglamento Técnico Centroamericano, Criterios Microbiológicos para la Inocuidad de Alimentos. Los frutos se dividieron en cuatro bloques, dos bloques recubiertos fueron recubiertos por aspersión, con un formulario compuesto con una mezcla de cera; reconocida en el mercado como Teycer C Cp, y dos bloques sin recubrir. Todos los bloques se colocaron en bandejas plásticas a una temperatura de 10°C y cada cuatro días, hasta el día 36 fueron medidos parámetros físicoquímicos de calidad entre (sólidos solubles totales, acidez titulable, pérdida de peso e índice de maduración)y análisis microbiológicos (identificación de la presencia de Colletotrichum gloesporioides, Penicillium spp). Los resultados obtenidos fueron sometidos a un análisis de varianza, considerando como causas de variación el tiempo y el tratamiento aplicado para una condición de almacenamiento. Los valores medios significativamente diferentes, se compararon a través de pruebas de rangos múltiples, mediante el sistema de programa para el análisis estadísticos IBM SPSS Statics 23, para una probabilidad del 75%. El recubrimiento de cera es una tecnología postcosecha que permite prolongar la vida útil, mejorar la calidad y generar valor agregado al mango ya que se ha logrado extender la vida comercial del producto y mejorar su apariencia; debido a que esta tecnología actúa como una atmósfera modificada, que hace que los procesos metabólicos de la fruta se realicen de una manera gradual.

Diseño de un plan estratégico de comercialización para la competitividad de los agronegocios frutícolas inscritos en la Dirección general de agronegocios (DGA). Caso ilustrativo.

Los cambios estructurales experimentados en los últimos años (apertura económica, liberalización y privatización de los mercados sectoriales, las reformas legales en la tenencia de la tierra) y la globalización de las actividades económicas han tenido un fuerte impacto en la agricultura de la región, dando lugar a nuevas oportunidades, pero también planteando grandes desafíos a los agentes productivos y en particular a la agricultura de América Latina. Si bien estos cambios han definido un marco más favorable a las inversiones y al desarrollo de agronegocios en el sector agroalimentario, también han acelerado el proceso de diferenciación de la estructura productiva de dicho sector. Las reformas económicas de los años ochenta y noventa con sus programas de ajuste destinados a corregir los grandes desequilibrios, junto con la apertura comercial y la globalización de las actividades económicas dieron lugar a grandes cambios tanto en las políticas macro como en las sectoriales de la región. Por lo que la creación de los "Agronegocios" significó incentivar distintos eslabones que componen la cadena productiva de cada producto en cuestión, es decir, desde la provisión de insumos y servicios, la producción primaria, el manejo postcosecha e industrialización de los productos agropecuarios, hasta los mercados terminales y su conexión con los canales de comercialización y distribución existentes. Por lo que los agronegocios se han convertido en "motores" de la economía en el siglo XXI, representando un 50% del comercio global, por lo que se le ha considerado como un conductor del desarrollo económico, mismos que estimulan a su vez a otras actividades relacionadas. Pese a este trabajo de parte de las instituciones comprometidas con la expansión de los agronegocios, estos todavía necesitan un mayor impulso y apoyo técnico para poder penetrar los mercados potenciales del extranjero. La recolección de la información de datos se llevó a cabo a través de en muestras, entrevistas y observación directa, los cuales finalmente se analizaron para determinar las fortalezas y oportunidades así como también las debilidades y amenazas de los agronegocios fruticultores inscritos en la DGA. De acuerdo al diagnóstico realizado se terminaron las principales causas que inciden en la demanda de sus frutas tanto frescas como deshidratadas, por su características orgánicas. También se pudo determinar que los agronegociantes cuenta con precios accesibles, lo cual les permite ser competitivos, no obstante, estos no tienen un método determinado para calcularlos que le permitan evaluar la rentabilidad de sus operaciones. En función de los resultados de la investigación se diseñó un plan estratégico de mercadotecnia en el que se propone desarrollar estrategias a largo plazo que conlleven al posicionamiento y ventajas competitivas y diferenciales de sus frutas que comercializan. Los planes a corto plazo y a largo plazo finalmente ese establecen de forma tal que se puedan implementar, evaluar y controlar de forma efectiva para el logro de los objetivos previstos por la asociación de los agronegocios fruticultores.

Plan de negocio para la exportación de Quinua al mercado de China

El comercio es uno de los grandes motores del desarrollo, contribuye a la asignación eficiente de recursos y genera riqueza necesaria para la satisfacción de necesidades. Los planes de negocio permiten investigar, anticipar y diseñar estrategias comerciales adecuadas para fundamentar los procesos comerciales, propiciando un buen uso de las inversiones. Bajo estas premisas y con los resultados de la Misión Empresarial a China de la Universidad del Rosario, en el programa de Administración de Negocios Internacionales, a través de un estudio descriptivo, se construyen los componentes del sistema de negocio para la exportación de Quinua a ese mercado.

Snackggies

Snackggies, es una empresa ubicada en la ciudad de Bogotá cuya actividad económica es la elaboración y distribución de Snacks. Esta pretende entrar al mercado con una línea de productos poco convencional. Su enfoque, es ofrecer alternativas a los niños y jóvenes para que consuman verduras de una manera diferente, rica y agradable. Esto se realizará por medio de la elaboración de chips de verduras con sabor naturales. Con estos productos se busca que los niños y jóvenes disfruten y se diviertan consumiéndolas, pues se conoce que ellos son la población que mayor inconveniente presenta al comerlas y por ende sus padres lo perciben de la misma manera. La característica principal de Snackggies es desarrollar productos saludables comparados con los Chips que ofrece el mercado, pues se usará materia prima de calidad y a esto se le suma la forma de cocción; ya que se utilizará tecnología de aire caliente o AirFryer, cuya función es freír alimentos con una porción mínima de aceite, aportando una cantidad reducida de calorías vacías y grasas trans a los alimentos. Además, son productos creados para la lonchera de los niños y con diseño atractivo para ellos. Para la empresa lanzar al mercado estos productos es muy significativo y gratificante, pues se ha desarrollado durante un año un estudio en el cual se ha venido conociendo tanto al cliente como el consumidor, con el fin de desarrollar un producto que cumpla con sus necesidades y se logre posicionar como una alternativa innovadora para el consumo de verduras.