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.

Estructuras I: Ejercicios sobre sólido deformable (I)

Estructuras I: Ejercicios sobre sólido deformable (I)

Estructuras I: Ejercicios sobre sólido deformable (II)

Estructuras I: Ejercicios sobre sólido deformable (II)

Consideraciones y recomendaciones para el diseño de estructuras bajo amenaza de tsunamis

La visión del riesgo es muy importante a la hora de diseñar y construir estructuras. Sobre todo en presencia de catástrofes naturales. Esta tesis presenta las consideraciones y recomendaciones a tener en cuenta para proyectar estructuras en zonas con riesgo de tsunami, tras haber estudiado todos los riesgos y soluciones posibles mediante tres técnicas diferentes. Esto se ha obtenido aplicando el método LOGRO (Líder de Organización de Gestión de Riesgos y Oportunidades). Se puede pensar que la única solución posible ante esta catástrofe es no construir en zonas vulnerables, pero no es posible. Hay que tener en cuenta que no todos los tsunamis son de la misma magnitud e intensidad y este trabajo contempla todos ellos con distintos niveles de actuación para cada situación. Por otro lado, existen lugares costeros muy urbanizados en los que sería imposible fomentar la emigración, y zonas turísticas donde lo que prima es la cercanía a la costa. Las resultados obtenidos de esta investigación tienen como objetivo reducir el riesgo vinculado al tsunami, minimizando tanto probabilidades de ocurrencia como consecuencias. The hazard view is very important when designing and building structures, mainly, under natural disasters. This thesis presents the considerations and recommendations to take into account to project structures in tsunami prone areas after having studied all the hazards and possible solutions through three different techniques. This has been obtained using LOGRO´s method. It is easy to think that the only possible solution to this disaster is not to build in vulnerable areas, but it is not like this. It has to be taken into account that not all tsunamis are of the same magnitude neither of the same intensity and this work considers all of them with different performance levels for each situation. On the other hand, there are very developed coastal places where it would be impossible to encourage emigration, and touristic areas where the closeness to the coast is what comes first. The aim of the results obtained in this research is to reduce the tsunami hazard minimising not only probabilities but also consequences.

Estructuras de hormigón sometidas a deformaciones impuestas

En este trabajo se estudia el comportamiento de elementos de hormigón estructural sometidos a deformaciones impuestas, en donde la fisuración se produce, general y fundamentalmente, en secciones en las que los esfuerzos, y por tanto las fisuras, debidos a las acciones exteriores son inexistentes o prácticamente inexistentes. Se estudia la fisuración producida, a edades tempranas, por las deformaciones debidas al calor de fraguado y la retracción autógena y a lo largo de la vida útil de la estructura, por los fenómenos reológicos del hormigón y la variación de temperatura. Se han estudiado los resultados experimentales disponibles. Se ha identificado un programa de elementos finitos, ATENA, que permite el estudio de fenómenos no lineales, especialmente la fisuración. Se ha contrastado este programa de forma detallada con los resultados experimentales disponibles. Se han estudiado las fuentes de deformaciones impuestas para su caracterización: calor de hidratación, fenómenos reológicos del hormigón y variaciones de temperaturas. Se han estudiado la evolución de las características mecánicas y de conductividad térmica del hormigón a lo largo del tiempo y especialmente a edades tempranas. Se han estudiado las evidencias experimentales disponibles y las estimaciones teóricas propuestas. Se han estudiado las recomendaciones de la CIRIA 660, que es el documento de referencia para tener en cuenta, desde el punto de vista del proyecto este tipo de fenómenos. Con el programa ATENA se han estudiado distintos ejemplos. El objetivo principal ha sido, por un lado, entender el fenómeno y, por otro, contrastar los criterios expuestos en la CIRA 660. This document studies the behavior of structural reinforced concrete structures subjected to imposed deformations, where the cracking occurs, mostly, in sections where the stresses, and thus cracks, due to the exterior actions are none-existent or practically zero. Early age cracking produced by the imposed deformations, due to heat of hydration and autogenous shrinkage, and long term effects, due to the drying shrinkage and the thermal variation, is studied. Available experimental results have been studied. A finite element program has been identified, ATENA, which allows the study of non-lineal phenomena, especially cracking. This software has been contrasted with the available experimental results. The imposed deformation sources have been studied for its characteristically sources: heat of hydration, concrete shrinkage and thermal variation. Also the evolution of the mechanical properties and the thermal conductivity of concrete in time and especially at early age have also been studied. The available experimental evidence and the proposal theoretical estimates have been studied. CIRIA 660 recommendations have been studied, which is the reference document to take into account, form the design point of view, this kind of phenomena. With the ATENA software different examples have been studied. On the one hand the main objective has been to understand the phenomena and, on the other, to contrast the CIRIA 660 proposal.

Evolución de los métodos de cálculo de láminas plegadas. Una aportación al análisis de estructuras no prismáticas

Se describen someramente las más importantes técnicas de cálculo de estructuras láminas plegadas, y se realiza una comparación entre los métodos analíticos, en particular los procedimientos armónicos y los numéricos. Entre estos últimos, que hacen posible el tratamiento de situaciones reales que se encuentran en la práctica profesional, se expone uno original que permite englobar dentro de un mismo análisis matricial y, por tanto, dentro de un mismo programa de computador, estructuras muy diversas: no prismáticas, con sección transversal múltiple, con apoyos intermedios y con diversos tipos de continuidad transversal. En los ejemplos estudiados se comprueba la bondad de los resultados obtenidos y la excelente eficiencia computacional, en comparación con otros métodos numéricos más universales, que se muestran inadecuados para estos tipos particulares de estructuras.

Análisis elasto-plástico de estructuras porticadas con grandes movimientos

La determinación de la carga última o de rotura de una estructura, constituye un problema importante que, en esencia, consiste en conocer su nivel de seguridad respecto al colapso. El objetivo de esta comunicación consiste en presentar un modelo elastoplástico de cálculo de estructuras de entramado plano, las características del programa de computador y una comparación entre los resultados obtenidos con este modelo y los deducidos mediante procedimientos aproximados. La finalidad del estudio realizado reside en la obtención de unos criterios de proyecto que consideren la influencia de los errores de ejecución en la carga última y, de esta forma, estimar de un modo consistente los niveles de tolerancia admisibles en la construcción de una estructura. Si bien la formulación que sigue se dirige, de un modo específico a las estructuras metálicas de edificación, la extensión al hormigón y otros tipos estructurales es directa.

Un método de cálculo sísmico aproximado de estructuras planas de edificación

Se presentan las expresiones explícitas de las frecuencias y modos de vibración de un edificio homogéneo y regular. A efectos prácticos se propone una fórmula de interpolación de las frecuencias para casos intermedios entre las situaciones de viga de cortante y viga de flexión. Los resultados obtenidos permiten su extensión al análisis de estructuras, entramados planos irregulares y heterogéneos, mediante la utilización de la técnica de Ritz. Se presentan algunos ejemplos de la eficiencia y aproximación del método.

Estructuras I: Ejercicios sobre estructuras trianguladas

Ejercicios de calculo de esfuerzos, dimensionado y comprobación de estructuras trianguladas.

Estructuras I: Ejercicios sobre estructuras trianguladas

Ejercicios de calculo de esfuerzos, dimensionado y comprobación de estructuras trianguladas.

Estructuras I: vigas de alma llena, resistencia y rigidez

Ejercicios de dimensionado y comprobación de vigas de alma llena.

Influencia de las imperfecciones en la carga crítica de estructuras de entramados planos

La aparición de errores o pequeñas diferencias entre la situación ideal prevista y la real durante la ejecución o proyecto de una obra constituye un fenómeno inherente a la limitación humana. Las Normas Oficiales suelen recoger en su articulado tolerancias máximas admisibles para estos errores deducidos, muchas veces, mediante criterios empíricos. Un planteamiento acaso más racional será indicar los valores límites de las imperfecciones de la obra en función del nivel de seguridad adoptado. En este artículo, se estudia desde este punto de vista, la influencia de los errores de ejecución en el valor de la carga crítica de la estructura. Evidentemente, las imperfecciones no deben ser limitadas únicamente por criterios de estabilidad global de la estructura, puesto que existen otras causas de colapso de la misma, que pueden verse afectados más seriamente por las imperfecciones y por consiguiente ser más exigentes en los niveles de las tolerancias máximas. Las imperfecciones que se consideran aquí, corresponden a valores relativamente pequeños producidos por un conjunto de causas simultáneas y por lo tanto son susceptibles de un tratamiento estadístico. Se excluyen de este estudio las equivocaciones o errores groseros cuya descripción matemática mediante métodos probabilistas no es adecuada. Se utilizarán aquí la conjunción de dos técnicas de cálculo -un modelo estructural basado en la teoría de la inestabilidad elástica lineal y un modelo probabilista con distribución gaussiana o uniforme- que se desarrollan de un modo numérico mediante el procedimiento de simulación de Monte-Carlo. Se comprende que la extensión del procedimiento de Monte-Carlo al análisis de otros tipos de modelos estructurales más refinados o bien que consideren otros mecanismos de colapso, así como distintas imperfecciones, es directo a causa del carácter eminentemente numérico del método

Cálculo convencional de estructuras, teoría: estructuras articuladas

El objetivo de esta publicación es desarrollar la fase segunda dentro del proceso de un cálculo estructural, que se designa con el nombre de cálculo de estructuras. Si bien existen muchos e importantes problemas que pueden ser incluidos dentro de este ámbito, aquí únicamente serán tratados aquellos que son específicos del análisis, es decir, los correspondientes al estudio de las relaciones entre las excitaciones estructurales (acciones) y las respuestas (resultados). Por lo tanto, se dejan de lado todos los problemas fundamentales de síntesis o proyecto de sistemas estructurales incluidos dentro del término diseño óptimo de estructuras, así como los relativos a la cada vez más importante rama del cálculo de estructuras denominada Teoría de la Identificación.

Cálculo de estructuras espacialmente periódicas. Aplicación a tableros de puente

Se muestra un procedimiento de cálculo de estructuras constituidas por una más simple, que se repite bien mediante una rotación finita (estructuras cíclicas) o según una traslación (estructuras traslacionales). Es posible, según el método que se expone, obtener el comportamiento de la estructura bajo la acción de cargas arbitrarias, mediante el cálculo repetido de la estructura elemental modificada. De esta forma, estructuras con un número elevado de grados de libertad pueden ser analizadas con un esfuerzo computacional relativamente pequeño, el preciso para el estudio de una estructura de dimensión igual a la de la estructura elemental. Se muestran algunos ejemplos ilustrativos muy simples, así como una aplicación al caso práctico correspondiente a losas de tableros de puentes rectos de vigas.

Cálculo matricial de estructuras

Este libro sirve de texto para estudiantes de las Escuelas Técnicas, pero es de utilidad inmediata también para el profesional que busca comprender las raíces de los métodos de cálculo actuales y/o disponer de una herramienta que le permita resolver problemas inabordables con los métodos no computerizados (descripción de la editorial). Estas notas están dirigidas a personas que comiencen su aprendizaje en los métodos modernos de cálculo de estructuras. Se ha procurado mantener un tono elemental y sólo en muy contadas ocasiones se han avanzado temas que pueden requerir un tiempo de reflexión superior al que dedica a sus asignaturas un estudiante medio. En general, se ha pretendido desarrollar ideas, más que técnicas de computación, para que el lector se convenza de la potencia del modelo de razonamiento utilizado por los métodos proyectivos, cuya generalidad permite su aplicación a áreas muy distintas de la ciencia y de la técnica. No obstante, siguiendo la filosofía de la colección en la que se publica la obra, se ha dedicado también una parte sustancial del texto a la descripción de ciertos manejos informáticos y de un sencillo programa de ordenador que ha sido documentado cuidadosamente para que el principiante no encuentre inconveniente en desentrañar el procedimiento. Se espera con ello romper el sentimiento de misterio, mezcla de prevención y asombro, con que se ha intentado en ocasiones rodear un método de cálculo cuyas bases son absolutamente clásicas y cuya metodología entronca con la mejor tradición mecánica (extracto del prólogo).