Wytworzenie aparatury do niedestrukcyjnej oceny jakości warzyw i owoców na podstawie zjawiska biospeckli

Tytuł: Wytworzenie aparatury do niedestrukcyjnej oceny jakości warzyw i owoców na podstawie zjawiska biospeckli

NR 12 0137 10

Kierownik: Artur Zdunek

Okres: 2011-2012

Typ projektu i finansowanie: badawczo-rozwojowy, NCBiR

Projekt trwający

Streszczenie projektu

Planowanym efektem końcowym realizacji projektu jest innowacyjne urządzenie, które umożliwi niedestrukcyjną ocenę jakości konsumpcyjnej i technologicznej owoców i warzyw, co przyczyni się do efektywniejszego ich wykorzystania w praktyce gospodarczej. Urządzenie będzie oparte na mało znanej w Polsce i Europie metodzie biospeckli. Ocena jakości i przydatności konsumpcyjnej oraz technologicznej owoców i warzyw może być dokonywana wieloma metodami, zarówno destrukcyjnymi jak i niedestrukcyjnymi. Jednak te drugie mają istotną przewagę: 1) mogą być stosowane na liniach sortujących oraz 2) te same owoce mogą być poddane dodatkowym uzupełniającym testom, co jest istotne ze względu między innymi na indywidualną zmienność cech owoców w danej partii. Oba powody są na tyle ważne, że w nauce światowej (szczególnie w europejskiej) obserwuje się w ostatnich latach intensywny rozwój badań naukowych nad metodami niedestrukcyjnymi.

Biospeckle są zjawiskiem związanym z powstawaniem zmieniającego się bardzo dynamicznie obrazu interferencyjnego w wyniku oświetlenia powierzchni obiektu biologicznego koherentnym światłem laserowym. Analiza dynamiki zmian obrazu interferencyjnego (nazywanego obrazem plamkowym) dostarcza informacji o stanie badanego materiału związanym z ruchem cząstek wewnątrz materiału biologicznego. Udowodniono, że biospeckle dają możliwość niedestrukcyjnej oceny owoców i warzyw pod kątem ich świeżości, wewnętrznych i zewnętrznych uszkodzeń mechanicznych, jak i zmian chorobowych. Istotną i dowiedzioną zaletą proponowanej metody jest możliwość wczesnego wykrywania uszkodzeń i niepożądanych zmian zarówno na zewnątrz jak i wewnątrz badanego materiału, zanim zostaną zaobserwowane na powierzchni. Nie stwierdzono dotychczas jakiejkolwiek nieodwracalnej interakcji między światłem laserowym (o mocy <1mW) a tkanką roślinną, co pozwala stwierdzić, że metoda biospeckli jest metodą niedestrukcyjną. Metoda biospeckli była dotychczas rozwijana przy wykorzystaniu systemów laboratoryjnych o dużych możliwościach naukowych, jednak wymagającymi interdyscyplinarnej wiedzy z zakresu optyki, matematycznych metod analitycznych oraz programowania komputerowego. Naszym zdaniem spowalnia to implementację tej metody do praktyki gospodarczej. Efektywne wprowadzenie metody biospeckli do praktyki gospodarczej wymaga znacznego uproszczenia systemu pomiarowego oraz analizy wyników do formy kompaktowego, samodzielnego urządzenia pomiarowego, które nie wymagałoby od użytkownika gruntownej wiedzy z powyższych dziedzin. Dlatego proponujemy wytworzenie w ramach projektu innowacyjnej aparatury przeznaczonej do rejestracji i analizy dynamiki biospeckli owoców i warzyw, która będzie prostym narzędziem stosowanym przez różne podmioty gospodarcze zorientowane na ocenę jakości i przydatności tych materiałów w procesie produkcji i obrotu handlowego. Wynikiem końcowym realizacji projektu będzie prototyp urządzenia, wraz z dokumentacją techniczną i instrukcją obsługi, wykorzystującego metodę biospeckli, do niedestrukcyjnej oceny cech jakościowych owoców i warzyw. Główne cechy urządzenia to samodzielność, funkcjonalność, prostota, bezpieczeństwo. Urządzenie zostanie wstępnie skalibrowane na materiałach modelowych, takich jak roztwory i zawiesiny zawierające podstawowe substancje występujące w tkankach owoców oraz na materiale roślinnym, tj. jabłku, gruszce i pomidorze. Planuje się również złożyć wniosek o ochronę prawną wzoru użytkowego.

Opracowane w niniejszym projekcie urządzenie jest skierowane do instytucji naukowych oraz do producentów i przetwórców owoców i warzyw. Urządzenie będzie przydatne w wielu praktycznych zastosowaniach, pozwalając na niedestrukcyjną i obiektywną ocenę cech istotnych dla konsumenta i przetwórcy zarówno w Polsce jak i na świecie.

Rezultaty

Publikacje

• Adamiak A., Zdunek A., Kurenda A., Rutkowski K.. 2012. Application of the biospeckle method for monitoring bull’s eye rot development and quality changes of apples subjected to various storage methods-preliminary studies. Sensors, 12(3), 3215-3227. link
• Zdunek A., Cybulska J.. 2011. Relation of Biospeckle Activity with Quality Attributes of Apples. Sensors, 11, 6317-6327. link
• Adamiak A., Zdunek A., Kurenda A., Kuczyński A.P. 2011 Characteristics and application of biospeckle phenomenon in the study of plant materials (a review). Acta Agrophysica vol. 18, nr. 2, 215-224.

Prezentacje

• Kurenda A., Adamiak A., Zdunek A. „Biological basis of biospeckle”. Agrophysics for Quality of Life, Lublin, 31.05 – 03.06.2011.
• Kurenda A., Adamiak A., Zdunek A. „Effect of temperature on biospeckle activity in apples”. 11^th International Congress on Engineering and Food, Ateny, 22-26.05.2011.
• Zdunek A. Biospeckle – the application for evaluation of fruits and vegetables,  2nd Symposium on Horticulture in Europe – SHE 2012, Angers, France, July 1st to 5, 2012.
• Zdunek A., Herppich W.B., Cybulska J.,  The role of chlorophyll and starch content in biospeckle activity of apples, International Conference of Agricultural Engineering, July 8-12, 2012. Valencia, Spain.
• Kurenda A., Zdunek A. Effect of cytochalasin B on biospeckle activity in apple tissue. International Conference of Agricultural Engineering, July 8-12, 2012. Valencia, Spain.
• Adamiak A., Zdunek A., Kurenda K., Rutkowski K.  Application of biospeckle method for monitoring the bull’s eye rot development and quality changes of apples after various storage methods International Conference of Agricultural Engineering, July 8-12, 2012. Valencia, Spain.