PT103290B

PT103290B - Um novo método e aparelho para controlar a qualidade e maturidade da fruta usando luminiscência induzida por luz

Info

Publication number: PT103290B
Application number: PT103290A
Authority: PT
Inventors: Hugh Douglas Burrows; Alexander Kharlamov
Original assignee: Univ De Coimbra
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2007-04-30
Also published as: WO2006135267A3; WO2006135267B1; WO2006135267A2; PT103290A

Abstract

O PRESENTE INVENTO DIZ RESPEITO A UM MÉTODO PARA CARACTERIZAÇÃO IN VIVO DA QUALIDADE E ESTADO DE MATURIDADE DE FRUTAS E VEGETAIS CARACTERIZADO POR UTILIZAR A LUMINESCÊNCIA INDUZIDA POR LUZ DO SEU AROMA COMO FACTOR CARACTERIZADOR. O APARELHO PARA MONITORIZAÇÃO IN VIVO DA QUALIDADE E ESTADO DE MATURIDADE DAS FRUTAS E VEGETAIS DE ACORDO COM O MÉTODO ANTERIORMENTE REFERIDO COMPREENDE: UM SUPORTE 8 PARA COLOCAÇÃO DA AMOSTRA; UM EMISSOR DE LUZ MONOCROMÁTICA 1 LIGADO A UMA PRIMEIRA FIBRA ÓPTICA 2, USADO PARA EXCITAÇÃO DE LUMINESCÊNCIA NUMA REGIÃO INTERFACIAL IRRADIADA DE UM VEGETAL OU FRUTA 7; UMA SEGUNDA FIBRA ÓPTICA 3 LIGADA A UM ESPCTÓMETRO 4, USADA PARA DETECTAR O ESPECTRO DE LIMINESCÊNCIA; UM MEDIDOR DOS VALORES DE OARÂMETROS BASEADOS NA INTENSIDADE DA DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL DA EMISSÃO EM COMPRIMENTOS DE ONDA DISCRETOS; UM COMPUTADOR 5 E ESPECTRÓMETRO 4 E PROGRAMA 6 DE COMPUTADOR PARA COMPARAR AS REFERIDAS MEDIÇÕES DE INTENSIDADE ESPECTRAL COM CURVAS LIMITE EM ETAPAS DE 10-20 NM.

Description

UM NOVO MÉTODO E APARELHO PARA CONTROLAR A QUALIDADE E MATURIDADE DA FRUTA USANDO LUMINESCÊNCIA INDUZIDA POR LUZ Âmbito do invento

A invenção consiste num novo método e aparelho para caracterização in vivo em tempo real do aroma de frutas e espécies vegetais usando luminescência induzida por luz.

É desenvolvido um aparelho que usa o método referido e permite monitorar a maturidade e qualidade de uma variedade de frutas, bem como a qualidade e estado de certas espécies vegetais. A descrição concentra-se no caso de maçãs, mas o método e aparelho são aplicáveis à caracterização de outras frutas e a espécies vegetais (plantas).

Técnica anterior

A monitorização e melhoria da qualidade de frutas e vegetais é um assunto de reconhecida importância. Apesar de os componentes voláteis habitualmente constituírem uma pequena fracção dos alimentos, a análise destes componentes é cada vez mais necessária, uma vez que foi reconhecido que as suas propriedades odoríferas podem ser usadas no controlo de qualidade dos produtos alimentares e na identificação da sua região de proveniência.

Uma vez que os aromas influenciam a aceitação pelo consumidor, tornam-se atributos de qualidade importantes e o

conhecimento considerável.	das	suas propriedades	ganha um	valor
Os componentes,	aromas são constituídos com estruturas químicas	por uma vasta diversificadas	gama de e estão

presentes numa vasta gama de concentrações. Os compostos responsáveis por um aroma em particular estão normalmente acompanhados por muitos outros componentes voláteis. A abundância relativa dos voláteis emitidos identificados constitui-se como uma impressão digital de uma espécie em particular. A monitorização em tempo real dos voláteis emitidos por frutas e vegetais pode dar informações fundamentais para a agricultura e indústria alimentar na determinação de datas óptimas para colheita e condições de armazenamento que mantenham e melhorem a qualidade.

Os métodos mais importantes actualmente utilizados podem separar-se em três grupos.

1.Métodos de isolamento. Análise de aromas baseada em métodos compreendendo a extracção, separação e identificação de componentes orgânicos voláteis através de cromatografia gasosa de alta resolução (high-resolution gas GC) ou cromatografia líquida de alta resolução (high performance liquid chromatography - HPLC) combinadas com espectrometria de massa (mass-spectrometry) e/ou espectrometria de infravermelhos (infrared spectroscopy). Contudo, em todos os métodos de isolamento, o extracto final nunca é completamente fiel ao verdadeiro aroma e, uma vez que se torna frequente a necessidade de preparar derivados químicos desse extracto, os métodos tornam-se muito morosos. Importa, igualmente, referir que a análise se torna ainda mais complexa pelo facto de já ter sido relatado, com base em métodos de isolamento, que as frutas podem produzir misturas complexas de voláteis com mais de duzentos componentes identificados.

2. Um sistema electrónico sensível aos aromas (nariz electrónico ou electronic snuffer) baseado num conjunto de sensores para diferentes aromas (sensor array) foi já desenvolvido. 0 conjunto de sensores responde à presença de aromas específicos através de mudanças de resistência, podendo . ser utilizado para monitorização em tempo real do total de concentração de voláteis autênticos.

3. Um método baseado em espectrometria de massa por reacçao de transferência do protão (proton-transfer-reactionmass spectrometry) foi introduzido para detectar a presença de vestígios de gases em tempo real. 0 método foi aplicado com sucesso à monitorização em tempo real de voláteis orgânicos emitidos por frutas durante o seu processo de envelhecimento. Demonstrou-se que as concentrações de voláteis emitidas pelas frutas podem ser relacionadas com uma sequência de compostos: metanol, etanol, acetaldeído, acetato de metilo, acetona, ácido acético, acetato de etilo, mistura de cetonas e aldeídos, e estéres.

Este métodos são caros e morosos.

Como referências podem apontar-se exemplos de patentes relatando métodos de teste (monitorização) de frutas, vegetais e sementes ópticos não-destrutivos, aplicáveis após a colheita, usando absorção (EP97402493 e US5708271), usando transmissão (EP99110130 e DK8000028), usando reflexão (EP87302018, Cl, US6020587) e usando a fluorescência da pele e folhas (US5822068, WO99/56127, US6512577, US5822068) e de sementes (EP97919750) ou a visualização directa de traços de luz das sementes (Cl e EP86112627), todos estes métodos desenvolvidos para operar em regiões do espectro de ultravioleta (UV) , visível (VIS) e quase infravermelho (NIR). Estes métodos baseiam-se na interacção da luz com uma superfície e/ou volume das amostras (frutas, vegetais ou sementes).

Na patente US5708271 A absorção da luz nas regiões ópticas NIR é usada para determinação não-destrutiva da quantidade de açúcar numa fruta ou vegetal.

Existem descrições da aplicação da transmissão de luz para testar a qualidade interna de uma fruta ou vegetal através de luz visível (EP99110130) e para carnes (em carcaças individuais) na região de infravermelho (DK8000028).

A detecção da luz reflectida por uma amostra na região VIS-NIR foi usada para controlo de qualidade de sementes como grão ou arroz (Cl, EP87302018) e num «medidor da quantidade de clorofila em plantas (US6020587).

Qualquer luz dispersa ou fluorescente detectada a partir da amostra (sob irradiação óptica) pode ser analisada para identificar luz característica de componentes bioquímicos da amostra, na superfície ou no volume, sendo que a presença de certos componentes determina a qualidade da amostra. Devido à sua alta sensibilidade, a fluorimetria foi usada no controlo de qualidade de produtos como peixe e carne (EP84850177) ou para a detecção de algas em água através da análise da fluorescência da clorofila (US4500841). Por exemplo, a presença de compostos semelhantes à clorofila na pele da fruta, vegetal ou sementes foi usada para estimar indirectamente a qualidade de amostras usando-se para tal a fluorescência da clorofila (US5822068, WO99/56127,

US6512577). A qualidade da amostra pode ser estimada como função da intensidade da fluorescência da clorofila. Uma vez que a quantidade de clorofila está directamente relacionada com a qualidade da amostra, torna-se possível seleccionar as amostras de acordo com a sua qualidade.

Ά presente invenção reclama [1-3] que a luminescência dos voláteis orgânicos emitida a partir da superfície de várias espécies de frutas e vegetais pode ser usada para, in vivo, monitorizar a evolução química das mesmas.

Esta nova aproximação serve-se da capacidade dos compostos voláteis emitidos para produzir luminescência, na vizinhança da superfície da fruta ou vegetal, quando irradiadas por uma luz com o comprimento de onda adequado. Esta nova aproximação serve-se da capacidade dos compostos voláteis produzidos pela fruta ou vegetal de luminescerem na vizinhança da sua superfície quando irradiados por uma luz com o comprimento de onda adequado. Conquanto a origem desta emissão ainda não tenha sido confirmada, a sua mera existência permite que quantidades ínfimas de substância sejam detectadas e caracterizadas com sucesso. Mais ainda, a resolução espectroscópica (spectroscopic capacity) de um tal método possibilita uma discriminação confiável entre diferentes estados fisiológicos das espécies vivas, enquanto que a convergência óptica e varrimento da luz excitada permite mapear regiões emissoras tão pequenas como alguns microns da superfície da planta. Como se demonstra em [1] , a maioria dos voláteis orgânicos podem luminescer efectivamente durante o processo de libertação através da pele da fruta, o que transforma este «nariz artificial» remoto baseado na óptica numa aproximação muito genérica e numa ferramenta de diagnóstico extremamente poderosa para ser usada no controlo das plantas.

Descrição das figuras

A descrição que se segue é feita com base na folha de desenhos anexa que apresenta sem qualquer carácter limitativo:

Na figura 1, um diagrama de uma aparelho para monitorização da qualidade e estado de maturidade de frutas e vegetais através da luminescência induzida por luz do seu aroma.

Na figura 2, o estado de maturidade de um número de maçãs de diferentes estados que foi colhido nos dias de medição;

Na figura 3, o efeito de um mês de envelhecimento sobre uma maçã.

Descrição detalhada

De acordo com a presente invenção, reivindicam-se um novo método e aparelho para monitorização da qualidade e estado de maturidade de frutas e vegetais através da luminescência, induzida por luz, do seu aroma, compreendendo: detecção do espectro de luminescência excitado por luz de um comprimento de onda capaz de induzir luminescência, comparação com o espectro com curvas-limite predeterminadas para fruta (ou vegetal) madura e amostras de boa qualidade, e extraindo conclusões sobre o estado da fruta (ou vegetal) testada método inclui; excitação da superfície da fruta ou vegetal pela luz de comprimento de onda específico no intervalo 500-650 nm para induzir luminescência; detecção da distribuição espectral (ou seja, de intensidades) da luz emitida no intervalo 650-800 nm a partir de uma região interfacial irradiada; medição dos valores de parâmetros baseados na intensidade da distribuição espectral da emissão num comprimento de onda discreto em etapas de 10-20 nm; monitorização dos valores dos referidos parâmetros; detecção de alterações nos valores dos referidos parâmetros; comparação das alterações nos valores dos parâmetros com valores de desvio determinados; interpretação de alterações nos valores dos referidos parâmetros acima dos referidos desvios enquanto variáveis dependentes tanto em termos de qualidade da fruta ou vegetal como do seu grau de maturidade.

0	aparelho reivindicado	para	monitorização da
qualidade e	estado de maturidade	das	frutas	e vegetais
através de	luminescência induzida	por	luz do	seu aroma,

compreende: emissor de luz monocromática 1; uma primeira fibra óptica 2 ligada ao referido emissor 1, usada para excitação de luminescência; uma segunda fibra óptica 3 ligada a um espectrómetro 4, usada para detectar o espectro de luminescência; certos meios são usados para medir os valores dos parâmetros com base na intensidade, em comprimentos de onda discretos, da distribuição espectral da emissão; e um computador pessoal 5, espectrómetro 4 e programa de computador 6 são usados para comparar as referidas intensidade espectrais medidas com umas curvas-limite predeterminadas em etapas de 10-20 nm.

O aparelho tem um emissor monocromático de luz 1 ligado a uma fibra óptica 2 excitadora, usada para irradiação da região vizinha da superfície da amostra 7. A amostra 7 é colocada em suporte próprio 8. Luminescência da região interfacial da amostra 7 é detectada pelo uso da segunda fibra óptica 3 ligada ao espectrómetro 4 controlado por um PC 5. As extremidades excitadora e detectora de luz das fibras ópticas, respectivamente 2 e 3 estão localizadas a uma distância de 2-5 mm da superfície da amostra como indicam as linhas tracejadas I e II.

A nível experimental e ilustrativo, o aparelho poderá incluir os seguintes componentes: Comprimentos de onda fotoexcitantes (±2 nm) no intervalo 500-650 nm de uma fonte adequada, tal como uma lâmpada de arco de Xenon de 150 W, que pode ser isolada por um monocromador adequado com combinações de filtros ou usando excitação por laser ou laser de diodo com comprimentos de onda k_exc=514.5, 632.8, 650 nm (para evitar que a luz provoque danos na fruta, o output poderá ser na ordem de 1 mW); fibras ópticas são usadas para a excitação e detecção de luminescência; medições podem ser realizadas numa configuração não polarizada usando ângulos desde 90° até geometrias de retrodifusão (back-scattering), de uma região interfacial irradiada da fruta ou vegetal, com a orientação da luz excitante a variar de ângulos tangenciais a ângulos rectos em relação à superfície da fruta ou vegetal; o espectro de luminescência é medido à temperatura ambiente com um monocromador apropriado com ±2 nm de resolução, equipado com CCD ou detector fotomultiplicador, sensível na região 600-800 nm região para a detecção do fluxo molecular de luminescência de 10 ⁹ fotões por segundo; a detecção é levada a cabo num modo de contagem de fotões com uma velocidade de contagem no detector de cerca de 10³ contagens por segundo.

II

Controlo da maturidade e qualidade das frutas

Caracterizou-se o efeito da evolução do espectro de luminescência monitorizado durante o processo de maturação e envelhecimento de frutas, tal como descrito em [1,3].

Apresentam-se dois exemplos ilustrativos mas não limitativos do método, de acordo com a presente invenção.

1. Um número de maçãs de diferentes estados de maturidade foi colhido nos dias de medição e estes resultados são apresentados na figura 2. Os espectros foram obtidos nas mesmas condições experimentais e sob os mesmos níveis de excitação do laser de díodo (comprimento de onda de excitação Z_exc=650 nm) . 0 amadurecimento das maçãs desde «verdes» a «maduras» e o posterior apodrecimento foi acompanhado de modificação do espectro e um aumento significativo na luminescência em regiões de alta energia (transição no azul ou blue shift).

2. 0 envelhecimento das maçãs é também acompanhado por mudanças do espectro de luminescência excitado em comprimentos de onda de X_exc=632.8 nm usando um laser He-Ne. Maças de várias origens foram compradas localmente e mantidas à temperatura ambiente e atmosfera não controlada por várias semanas (sem indicação disponível dos locais onde as frutas haviam sido colhidas). Os espectros foram também recolhidos em condições semelhantes entre si. 0 efeito de um mês de envelhecimento sobre uma maçã é apresentado na Figura 3. 0 envelhecimento das maçãs é acompanhado pelas mudanças na forma da banda em regiões de alta energia e um crescimento (até quatro vezes) da intensidade da luminescência.

References

1. A.A.Kharlamov, H.D.Burrows, Visualisation of fruit odor by photoluminescence, J. Appl. Biochem. Microbiol., Vol. 37, No. 2 (2001) 206.

2. A.A.Kharlamov, H.D.Burrows, About visualization of the aroma of fruits, Sensors and Actuators B, Vol. 77 (2001) 593.

3. A.A.Kharlamov, H.D.Burrows, Monitoring of the aroma of fruits at their surface by luminescence, Progress in Colloid and Polymer Science, Springer-Verlag, (2002) accepted for publication.

4 .	EP97402493
5.	EP87302018
6.	EP99110130
7.	US5708271
8.	EP86112627
9.	US4713781
10	. US5822068
11	. EP84850177
12	. WO99/56127
13	. US6512577

US6020587

US4500641

DK8000028

ΕΡ97919750

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para caracterização in vivo da qualidade e estado de maturidade de frutas e vegetais caracterizado por utilizar a luminescência induzida por luz do seu aroma como factor caracterizador e compreendendo as seguintes etapas:

- Excitação da superfície da fruta ou vegetal por uma luz de comprimento de onda específico para induzir luminescência;

- Detecção da distribuição espectral da luuminescência;

- Medição dos valores de parâmetros baseados na intensidade da distribuição espectral da emissão;

- Monitorização dos valores dos referidos parâmetros;

- Detecção de mudanças nos valores dos referidos parâmetros;

Comparação das mudanças nos valores dos referidos parâmetros com valores de desvio predeterminados;

Interpretação das mudanças nos valores dos referidos parâmetros acima dos desvios indicados como dependentes tanto da qualidade como do estado de maturidade das frutas e vegetais.
2. Um método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por os referidos parâmetros estarem relacionados com o espectro da luminescência do aroma da fruta ou vegetal que afecta a sua qualidade ou estado de maturidade.
3. Um método de acordo com as reivindicação 1 caracterizado por a medição dos valores dos referidos parâmetros baseados na intensidade da distribuição espectral da emissão ser realizada em comprimentos de onda discretos;
4. Um método de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por a referida Comparação das mudanças nos valores dos referidos parâmetros ser realizada por comparação com curvas-limite em etapas de 10-20 nm.
5. Um método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a luz emitida para excitação da luminescência ser monocromática.
6. Um método de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por realizar medições em tempo real dos referidos parâmetros.
7. Um método de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por reduzir o tempo de excitação pela luz indutora entre cada medição.
8. Um aparelho para monitorização in vivo da qualidade e estado de maturidade de frutas e vegetais caracterizado por utilizar a luminescência induzida por luz do seu aroma como factor caracterizador e compreendendo:

- Suporte 8 para colocação da amostra;

- Um emissor de luz monocromática 1 ligado a uma primeira fibra óptica 2, usado para excitação de luminescência numa região interfacial irradiada de um vegetal ou fruta 7;

- Uma segunda fibra óptica 3 ligada a um espectrómetro 4, usada para detectar o espectro de luminescência;

- Medidor dos valores de parâmetros baseados na intensidade da distribuição espectral da emissão em comprimentos de onda discretos;

- Computador 5 e espectrómetro 4 e programa 6 de computador para comparar as referidas medições de intensidade espectral com curvas limite em etapas de 10-20 nm.