Guía integral de aplicaciones de la espectroscopía de infrarrojo cercano en pre y poscosecha

Las excelentes características de las frutas y hortalizas recién cosechadas deben preservarse a lo largo de su poscosecha hasta su consumo final. Para lograr esto, los técnicos deben tomar decisiones estratégicas en relación con su cultivo, acondicionamiento, almacenamiento y transporte con el objetivo de maximizar la calidad, lo que implica una monitorización constante. La espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR) destaca por ser la tecnología no destructiva más popular y prometedora en aplicaciones tanto en pre como en postcosecha.

Espectroscopía del infrarrojo cercano

Las frutas y hortalizas constituyen una fuente esencial de nutrientes, pero suelen ser altamente perecederas, lo que resulta en un desperdicio que oscila entre el 20% y el 40% desde la cosecha hasta llegar a los consumidores. Por lo tanto, los procesos de producción y manejo se enfocan en la reducción de las pérdidas y el mantenimiento de la calidad.

Los métodos convencionales para evaluar la calidad son destructivos, largos y poco automatizables. Por el contrario, las tecnologías no destructivas emergentes, especialmente la espectroscopía NIR, han encontrado amplias aplicaciones comerciales en el análisis cuantitativo de atributos químicos o físicos. Estas tecnologías pueden emplearse sin necesidad de preparación de muestras y son idóneas para analizar materiales envasados.

La tecnología NIR mide la interacción de la luz con los productos en el espectro de 780 a 2500 nm, especialmente en la región NIR de onda corta (750-1100 nm), basándose en los espectros NIR distintivos generados por la composición bioquímica de cada material.

A pesar de que existen sistemas fijos y portátiles, la tendencia más reciente es el desarrollo de dispositivos portátiles, como los medidores de calidad de Felix Instruments (F750 y F751s), diseñados para aplicaciones pre y poscosecha con la ayuda de técnicas quimiométricas.

Uso de NIR en la precosecha

El NIR se utiliza principalmente en las fases precosecha para evaluar la madurez de la fruta y la agricultura de precisión.

• Índices de Madurez: Los agricultores emplean índices de madurez para determinar el momento óptimo de la cosecha y así obtener la máxima calidad de sus cultivos. La espectroscopía NIR se utiliza para medir la madurez de la fruta, considerando características externas como el color, así como parámetros internos como el contenido de azúcar soluble (SST), materia seca (MS), firmeza, acidez total (AT) o degradación de la clorofila. La elección del parámetro a medir depende tanto de la especie de la fruta como de su tipo
• Gestión de Nutrición e Irrigación:Los dispositivos NIR portátiles y de campo pueden estimar con precisión macronutrientes esenciales, la mayoría de los micronutrientes y el contenido de agua en hojas y fertilidad del suelo para asesorar sobre la gestión de fertilizantes e irrigación en los campos con el fin de mejorar las condiciones de crecimiento, rendimiento y calidad del cultivo.
• Detección de Enfermedades y Plagas: Las enfermedades representan el 50% de las pérdidas de rendimiento debido a factores bióticos. Las imágenes captadas de forma remota, basadas en la espectroscopía NIR, permiten detectar enfermedades, malezas y estrés de plagas en sus etapas iniciales al estimar cambios en la composición química interna antes de que se manifiesten daños externos. Esta capacidad posibilita una intervención oportuna, evitando la pérdida de rendimiento y preservando la calidad del cultivo.

Figura 1. Principales causas de las pérdidas poscosecha a lo largo de la cadena, Palumbo et al. 2022. (Image credits:   https://www.mdpi.com/2304-8158/11/23/3925 )

Aplicaciones poscosecha del NIR

Los técnicos toman decisiones postcosecha para la clasificación, calificación, almacenamiento, maduración y venta al por menor en función de los atributos de calidad internos estimados por la espectrocopía NIR.

• Clasificación, selección y envasado: La tecnología NIR se incorpora en las líneas de acondicionamiento para llevar a cabo la clasificación y selección, asegurando la conformidad con las especificaciones de productos al evaluar parámetros internos, defectos y deterioro de frutas, como se muestra en la Figura 1. Para el muestreo de lotes, se utilizan dispositivos portátiles, mientras que la clasificación en línea se realiza mediante dispositivos fijos
• Maduración de frutas: La tecnología NIR se utiliza para verificar y monitorizar la maduración durante el almacenamiento, en cámaras, transporte y venta al por menor, utilizando parámetros como SST, AT, color y firmeza.
• Seguridad alimentaria: La tecnología NIR se se emplea para identificar la contaminación biológica y química en alimentos. La contaminación biológica puede manifestarse en forma de aflatoxinas producidas por hongos o deterioro microbiano. Por otro lado, la contaminación química podría implicar la acumulación de nitratos en cultivos como espinacas, situación regulada por normativas europeas que actualmente demandan la detección de fertilizantes de nitrógeno en vegetales.
• Contenido de nutrientes: Varios nutracéuticos presentes en las frutas y hortalizas, como vitaminas, antioxidantes, polifenoles, carotenoides, etc., pueden estimarse mediante la espectroscopía NIR.
• Almacenamiento: La tecnología NIR ayuda a determinar la duración y condiciones de almacenamiento adecuadas para varias especies y variedades .
• Control de procesos: La selección de frutas y la supervisión del proceso pueden llevarse a cabo eficazmente mediante la espectroscopía NIRS. Por ejemplo, es posible elegir frutas con un rango específico de SST para la producción de zumos, o seguir el proceso de elaboración de vinos mediante la medición de diferentes productos químicos durante la fermentación.
• Autenticidad y clasificación: La tecnología NIRS ayuda a autentificar productos frescos para determinar el área de origen, métodos de cultivo ecológico sin productos químicos y para identificar variedades protegidas.
• Distribución: Las herramientas de NIRS pueden estimar la madurez, detectar plagas y enfermedades, y detectar deterioro y madurez para ayudar en decisiones como clasificación, almacenamiento, descarte y fijación de precios.

Las herramientas portátiles de espectrocopía NIR son útiles en el almacenamiento, maduración, reempaque, transporte y distribución.

Las Aplicaciones tempranas son más útiles

La calidad y el rendimiento de los alimentos pueden mejorarse al emplear la espectroscopía NIR en las primeras etapas ('upstream'), ya que los atributos de madurez en la cosecha influyen en las decisiones posteriores a la recolección. Estos aspectos incluyen la vida útil del almacenamiento, la clasificación, la calificación, la gestión y las decisiones de marketing..

Fuentes

Beghi, R., Buratti, S., Giovenzana, V., Benedetti, S. & Guidetti, R. (2017). Electronic nose and visible-near infrared spectroscopy in fruit and vegetable monitoring. Reviews in Analytical Chemistry, 36(4), 20160016. https://doi.org/10.1515/revac-2016-0016

Cattaneo, T.M.P., & Stellari, A. (2019). Review: NIR Spectroscopy as a Suitable Tool for the Investigation of the Horticultural Field. Agronomy, 9, 503. https://doi.org/10.3390/agronomy9090503

Habib, M. K, & Rizk, H. (2021). Pre-Harvest and Post-Harvest Techniques for Plant Disease Detections. IntechOpen. doi: 10.5772/intechopen.97612

Palumbo, M., Attolico, G., Capozzi, V., et al. (2022). Emerging Postharvest Technologies to Enhance the Shelf-Life of Fruit and Vegetables: An Overview. Foods, 11, 3925. https://doi.org/10.3390/foods11233925

Pérez-Marín, D., Torres, I., Entrenas, J.-A., Vega, M., & Sánchez, M.-T. (2019). Pre-harvest screening on-vine of spinach quality and safety using NIRS technology. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 207, 242–250. https://doi.org/10.1016/j.saa.2018.09.035

Prananto, J. A., Minasny, B., & Weaver, T. (2021). Rapid and cost-effective nutrient content analysis of cotton leaves using near-infrared spectroscopy (NIRS). PeerJ, 9, e11042. https://doi.org/10.7717/peerj.11042

Recena, R., Fernández-Cabanás, V. M., & Delgado, A. (2019). Soil fertility assessment by VIS-NIR spectroscopy: Predicting soil functioning rather than availability indices. Geoderma, 337, 368–374. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.09.049

Sohaib Ali Shah, S., Zeb, A., Qureshi, W. S., Arslan, M., Ullah Malik, A., Alasmary, W., & Alanazi, E. (2020). Towards fruit maturity estimation using NIR spectroscopy. Infrared Physics & Technology, 111, 103479. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2020.103479

Walsh, K. B., McGlone, V. A., & Han, D. H. (2020). The uses of near infra-red spectroscopy in postharvest decision support: A Review. Postharvest Biology and Technology, 163, 111139. https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2020.111139