Adquisición de propiedades dieléctricas DETECCIÓN NO INVASIVA DE LOS SÓLIDOS SOLUBLES DE LA MANZANA “RED DELICIOUS” MEDIANTE ESPECTROSCOPIA DIELÉCTRICA MsC. Tony S. Chuquizuta Trigoso1*, Est. Alexandra C. Reyes Riofrio2, Dr. Manuel A. Yarlequé Medina2, Dr. Wilson M. Castro Silupu3 1Facultad de Ingeniería y Ciencias Agrarias, Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza de Amazonas. E-mail: steven_ct_20@hotmail.com 2Sección Telecomunicaciones, Departamento de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica del Perú 3Facultad de Ingeniería, Universidad Privada del Norte, Cajamarca, Perú Resumen La investigación realizada tuvo como objetivo principal desarrollar un método de detección no invasivo del contenido de sólidos solubles en manzana “Red Delicious” mediante espectroscopia dieléctrica. Para este fin, se utilizaron 140 manzanas de la variedad “Red Delicious”, determinándose en estas el contenido de los sólidos solubles (ºBrix) y la permisividad (e’) en el rango de frecuencias de 10 MHz a 1 GHz, siendo estas manzanas antes seleccionadas, lavadas, desinfectadas y exentas de defectos físicos para su respectiva evaluación. Se modeló la relación entre los ºBrix y la e’ mediante métodos multivariantes análisis de componentes principales – regresión lineal múltiple (ACP-MLR) y regresión de mínimos cuadrados parciales (RMCP). Para el ACP-MLR se obtuvieron tres componentes principales ACP (con una varianza del 99.8 %) y un ajuste de predicción de R2 = 0.46, en cuanto al RMCP se determinó que las longitudes de onda se concentran en el rango 0.1 a 1.0 GHz y se obtuvo un ajuste de 0.876 respectivamente. Por lo que, podemos concluir que la técnica de la espectroscopia dieléctrica puede ser usada para determinar los ºBrix mediante análisis multivariado. Métodos Medida de las propiedades dieléctricas: Se utilizaron 140 manzanas, las cuales, fueron medias por una sonda coaxial de terminación abierta, conectada a un analizador de redes vectoriales Anritsu MS4622A (VNA), trabajando en el rango de frecuencias de 10 MHz a 1 GHz (fig. 1). Las permitividades dieléctricas fueron calculadas a través del modelo capacitivo, el cual permitió calcular la permitividad relativa a partir del coeficiente de reflexión (ecuación 1). Modelado: Previo a la modelización de los datos, se realizó un pre tratamiento de reducción de dimensionalidad , corrección – suavizado y selección de los datos de e’ y ºBrix, para luego, obtener los R2 a partir de los modelos de ajuste lineal como: PCA – RMSE y PLSR (optimizado) (fig. 2). Donde: Γ* es el coeficiente de reflexión, ω la frecuencia angular, Z0 es la impedancia característica, C0 es la capacitancia cuando la línea está en el aire y Cf es la capacitancia que representa el campo de franjas en el Teflón. Determinación de los sólidos solubles totales: Se determinó los ºBrix del zumo de manzana mediante un refractómetro (ABBE ATAGO 3 – T). Fig. 1. Adquisición de propiedades dieléctricas de manzana Fig. 2. Modelización de parámetros de calidad de manzana Adquisición de propiedades dieléctricas ecuación 1. Resultados y Discusiones En figura 3 a. se evidencia un descenso de la e’ de 52 a 20 en el rango de 0.1 MHz hasta 0.3 MHz y, manteniéndose e’ relativamente constante entre los valores de 20 y 23 en el rango de 0.3 MHz a 1 GHz. b. se observa que a partir de 2 componentes podemos explicar a un 99% la varianza de los datos e’ y ºBrix. Figura 4. a. Predicción (RMCP) de º Brix entre los valores predichos y experimentales; b. Número de variables latentes vs error cuadrático ; c. frecuencias puntuales por metodología de β – coeficientes. Tabla 1. Factor de correlación para sólidos solubles totales (ºBrix) . Los espectros dieléctricos obtenidos de manzanas frescas en la presente investigación han mostrado tener una similitud a investigaciones realizadas por: Shang et al., (2015) y Guo et al.,(2011) en frecuencias de trabajo de: 10 a 1,800 MHz y 10 a 4,500 MHz, respectivamente. Sin embargo, los espectros obtenido en zumos de manzana presentan valores más altos en relación a una manzana frescas (Guo et al., 2011), debido a la liberación de calcio y otras especies químicas producto de la destrucción de la estructura interna, las misma que aumenta la conductividad eléctrica en el medio y por ende disminuyen el almacenamiento de energía eléctrica en el medio (Nelson S. , 2015). Figura 3. a. Espectros dieléctricos de muestras de manzana vs º Brix ; b. Varianza acumulada vs Nº de componentes principales ; c. Predicción de º Brix entre los valores predichos y experimentales En la figura 4. a. Podemos observar un ajuste lineal de los valores experimentales y predichos de los ºBrix (RMCP) cercano a un pronóstico ideal; b. Se ha obtenido 10 variables latentes con un mínimo de error, para la predicción de los ºBrix; c. Las frecuencias puntuales obtenidas por la metodologia de β – coeficientes se encuentran acumuladas en rangos de 0.1 a 0.3 GHz. Las predicciones de los sólidos solubles de manzanas frescas mediante métodos multivariantes (métodos quimiométricos y redes neuronales) realizadas por Guo et al., (2015) y Guo et al., (2011), han reportado un R2 de 0.48 y 0.61 al utilizar de la técnica de la espectroscopia dieléctrica, siendo estos muy bajos para las variedades de “Funji” y “Granny Smith”, respectivamente. En relación a la presente investigación se ha reportado valores de ajuste por encima de las investigaciones antes mencionadas, con aproximaciones de ajuste lineal (RMCP) de R2 = 0.876, esta aproximación se ha logrado gracias a la utilización de β – coeficientes, obteniendo frecuencias puntuales, las mismas que se utilizaron para RMCP. a b c Modelo SSC (R2) PCA-MLR 0.4647 PLSR - Optimizado 0.8768 b c a Referencias Conclusiones Se ha desarrollado una metodología objetiva y científica para la predicción los sólidos solubles en manzanas frescas “Red Delicious”. Los resultados han demostrado la viabilidad de la espectroscopia dieléctrica como una técnica que puede ser usada para determinar los ºBrix mediante análisis multivariado. Guo, W., Shang, L., Zhu, X., & Nelson, S. (2015). Nondestructive Detection of Soluble Solids Content of Apples from Dielectric Spectra with ANN and Chemometric Methods. Food and Bioprocess Technology, 1126 - 1138 Guo, W., Zhu, X., Nelson, S., Yue, R., Liu, H., & Liu , Y. (2011). Maturity effects on dielectric properties of apples from 10 to 4500 MHz. LWT - Food Science and Technology, 224 – 230 Nelson, S. (2015). Measurement of Dielectric Properties. En S. O. Nelson, Dielectric Properties of Agricultural Materials and their Applications (págs. 11 - 32). Tokyo: Academic Press is an imprint of Elsevier.