Detección rápida y específica de almendras amargas en tiempo real a través de imágenes
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RESUMEN
EJECUTIVO

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Universidad de Alicante
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RESUMEN

El grupo de investigación de Espectrometría Atómica Analítica de la Universidad de Alicante ha desarrollado un nuevo procedimiento y un dispositivo para detectar almendras amargas basándose en el procesamiento de imágenes digitales. El fundamento técnico radica en la fluorescencia que emiten los compuestos cianogénicos presentes de forma natural en las almendras amargas y que se pueden detectar de forma específica iluminando la muestra con luz ultravioleta. Este procedimiento permite la clasificación automatizada de almendras dulces y amargas de forma rápida, simple, objetiva y en tiempo real utilizando un procedimiento óptico que es económico, respetuoso con el medio ambiente y no destructivo. Esta tecnología se puede implementar fácilmente a nivel industrial, pudiendo de este modo detectar la totalidad de las almendras amargas de un modo inequívoco. Se buscan empresas interesadas en adquirir esta tecnología para su explotación comercial.

INTRODUCCIÓN

El almendro tiene una gran variabilidad genética, hecho que le ha permitido adaptarse a condiciones ambientales muy diferentes. Aunque el sabor dulce de las almendras es el dominante, actualmente, todavía hay una gran presencia de almendras amargas en los cultivos españoles.

El sabor amargo de la almendra se debe a la presencia en su composición de amigdalina, que al entrar en contacto con la enzima amilasa de la saliva, se transforma en benzaldehído y ácido cianhídrico (compuestos tóxicos que le confieren el característico sabor amargo).

Respecto a la producción mundial de almendra, California ostenta el 80% de la cuota de mercado, seguida de Australia (8%) y España (5%). En este sentido, Estado Unidos comercializa variedades de almendra cuya calidad es homogénea y garantiza la ausencia total de almendras amargas, aunque sus características organolépticas son muy inferiores a las variedades mediterráneas.

España es un gran importador mundial de almendra. La industria española la procesa de diferentes formas, y posteriormente, la exporta a Alemania, Francia e Italia, principalmente.

La presencia de un pequeño porcentaje de almendras amargas en partidas de almendras dulces, conlleva toxicidad e importantes repercusiones económicas para los productores de almendra y de productos derivados (turrón, bebidas y patés vegetales, harinas, etc.). Evidentemente, esto provoca desconfianza en la industria de segunda transformación (fabricantes de productos y subproductos que contienen almendra).

En la actualidad, no existe ningún método discriminatorio que cumpla con las necesidades del sector y que se pueda implementar de forma rápida en las plantas de producción. Por tanto, el proceso subjetivo de cata aleatoria tiene como resultado devoluciones masivas de partidas y se acaba recurriendo a las importaciones.

Entre los principales métodos convencionales para detectar almendras amargas, cabe destacar:

Análisis sensorial: el responsable de la entrada de producto prueba varias almendras de la partida de forma aleatoria con el objetivo de establecer la relación porcentual entre almendras dulces/amargas. Este método es subjetivo y aparecen discrepancias según la sensibilidad de paladar del operador.

Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC): requiere instrumentación sofisticada y tiene un coste elevado. Además, el operador tiene que estar altamente cualificado y el tiempo de análisis oscila alrededor de los 30 minutos.

Cromatografía en capa fina o empleo de kits comerciales de ensayo: requiere el uso de reactivos altamente tóxicos (incluso cancerígenos), así como unas determinadas condiciones de seguridad.

Espectroscopía visible (VIS) y Espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR) en combinación con técnicas Raman: estas técnicas requieren el posicionamiento concreto de la almendra en la célula de clasificación y no permiten el muestreo del 100% del producto. Además, requieren un elevado tiempo de detección, son complejas y tienen un alto coste económico, por lo que no son adecuadas para una detección en tiempo real.

 



DESCRIPCIÓN TÉCNICA

La rapidez y precisión exigidas en los análisis, hacen que estas técnicas no sean óptimas ni operativas en el mundo empresarial. En este sentido, se requiere el desarrollo y la adecuación de métodos analíticos en línea para discriminar de forma rápida, sencilla y fiable las almendras amargas de las dulces en la línea de producción.

Hasta el momento, los métodos analíticos disponibles para detectar almendras amargas no cumplen con los requisitos exigidos por las empresas del sector, entre ellos: rapidez, fiabilidad, simplicidad, economía, facilidad de manejo, etc.

Con el objetivo de resolver los problemas técnicos descritos anteriormente, se ha desarrollado un nuevo procedimiento y un dispositivo que soluciona de forma satisfactoria el problema de detección de almendras amargas.

El nuevo procedimiento permite una clasificación rápida de las almendras sin tener que utilizar un panel entrenado de catadores, ni métodos instrumentales.

El nuevo procedimiento permite realizar la clasificación a partir exclusivamente del procesamiento de diferentes parámetros de imágenes digitales que se comparan con un sistema de almacenamiento de datos previamente analizados y procesados. Este nuevo procedimiento permite generar y almacenar modelos de discriminación para diferenciar de forma automática las almendras amargas de las dulces.

Las etapas que comprenden este novedoso procedimiento de detección de almendras amargas son las siguientes:

1. Colocar la muestra en una superficie plana mediante un sistema de suministro o dosificación automático o manual. Esta superficie se encuentra dentro de una celda cerrada en la que no penetra la luz solar, y la dosificación de la almendra hasta dicha superficie o celda puede realizarse de forma automática o manual, individualmente o por partidas, mediante una tolva o cinta transportadora adaptada a la línea que suministra las almendras de manera ordenada.

2. Distribuir la muestra de forma homogénea mediante cintas transportadoras o mesas vibrantes.

3. Iluminar la muestra con una fuente de luz ultravioleta. Esta fuente se encuentra situada en la parte superior de la celda.

4. Obtener una imagen gráfica de la muestra (por ejemplo, con una cámara fotográfica) en ausencia de luz solar y aplicando luz ultravioleta. El dispositivo para adquirir la imagen (por ejemplo, una cámara fotográfica), está situado en la parte superior de la celda. Esta imagen se almacena en un sistema interno o externo para seguidamente ser analizada.

5. Procesar la imagen adquirida mediante un sistema informático que controla y procesa la detección de almendras amargas, y que incluye un modelo de discriminación. Esta etapa está formada por las siguientes subetapas:

5.1. Procesar los datos de la imagen adquirida y la segmentación de la imagen para fijar los parámetros de color RGB.

5.2. Transformar los parámetros de color RGB en, al menos, un parámetro L*a*b* del espacio CIEL*a*b*.

5.3. Determinar en la imagen, al menos, uno de los parámetros L*, a* y/o b* del espacio CIEL*a*b*, y su valor correspondiente.

5.4. Para cuantificar la concentración, se interpola este valor en, como mínimo, un modelo de discriminación generado a partir de los valores obtenidos con distintos tipos de muestras de almendras amargas y dulces adquiridas bajo condiciones previamente determinadas y cuantificadas mediante HPLC.

6. Clasificar la muestra según el modelo de discriminación de la etapa anterior (para ello se utiliza un software en entorno MATLAB). Los valores obtenidos se comparan con los valores almacenados en la biblioteca de imágenes de algún dispositivo portátil o ubicado en un sistema remoto online, permitiendo su inmediata clasificación en un gráfico de coordenadas XY.

7. Retirar la muestra mediante un sistema de retirada automático o manual.


El dispositivo (véase Figura 1) para detectar las almendras amargas en función del contenido en compuestos cianogénicos presentes en las mismas, se puede adaptar de forma sencilla a cualquier proceso productivo, y comprende, al menos, los siguientes elementos:

a) Una celda cerrada donde se sitúa la muestra a analizar.

b) Un sistema de luz ultravioleta, con al menos una fuente, para conseguir una iluminación suficiente.

c) Una cámara para la adquisición digital de las imágenes (por ejemplo, una cámara fotográfica).

d) Un mecanismo de activación, que es un botón que permite el paso de la corriente eléctrica.

e) Un programa informático que permite clasificar y discriminar las almendras amargas de las dulces tras aplicar el modelo de discriminación.

Figura 1: vista interior de la celda cerrada donde se introducen y posicionan en una superficie plana las almendras. A su vez, el dispositivo está conectado a un sistema informático que permite el procesamiento de la imagen.


Elementos opcionales del dispositivo:

• Una tolva o cinta distribuidora vibracional adaptada a la línea.

• Un sistema de retirada de muestras manual o automático (por ejemplo: boquillas de aire ajustables en función del posicionamiento de la almendra).

VENTAJAS Y ASPECTOS INNOVADORES DE LA TECNOLOGÍA
A continuación, se enumeran las principales ventajas de este novedoso procedimiento:

1) Es rápido.

2) Es exacto.

3) Es objetivo.

4) Es sencillo.

5) Es reproducible.

6) No es destructivo.

7) Puede ser utilizado por cualquier operador sin formación previa específica.

8) Es respetuoso con el medioambiente.

9) No requiere utilizar ningún tipo de reactivo químico.

10) No genera residuos de ningún tipo.

11) Es una tecnología totalmente segura para los operadores y para los consumidores.

12) Permite analizar la totalidad de las almendras.

13) Es económico.

14) Permite la implantación industrial automatizada y en línea.























ASPECTOS INNOVADORES DE LA TECNOLOGÍA

El fundamento de esta tecnología se debe a la diferencia clara y automática en el color de las almendras amargas respecto de las almendras dulces tras ser iluminadas con luz ultravioleta. Esta diferencia de color entre ambas está basada en la fluorescencia que emiten los compuestos cianogénicos presentes de forma natural en las almendras amargas, mientras que las almendras dulces carecen de este compuesto y, por tanto, al ser iluminadas con luz ultravioleta, no emiten fluorescencia (véase Figura 2).


Figura 2: fotos de almendras amargas vs dulces tras ser iluminadas con luz ultravioleta. La almendra de la izquierda es dulce, mientras que la almendra de la derecha es amarga (emite más fluorescencia).

Tras adquirir la imagen de la muestra, se miden y determinan los parámetros RGB. Como estos valores pueden cambiar en función del dispositivo con el que se procesan, se utiliza un programa informático que los traduce a los valores L*, a*, b* (CIEL*A*B*).

Al crear escalas para estos atributos, se puede expresar de forma precisa el color. La interpolación de dichos valores está asociada a un modelo de discriminación y curva de calibrado generado a partir de valores previos obtenidos con almendras de diferentes variedades sometidas a las mismas condiciones ya determinadas. Este modelo de discriminación previo sirve para clasificar de forma fiable las unidades de almendra en “amarga” o “no amarga”.

Una vez detectadas las almendras amargas de forma objetiva, rápida y no destructiva, se pueden retirar de la zona de control de calidad de forma automática o manual.








ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA
Se ha construido con éxito un prototipo a nivel laboratorio (TRL 5) para validar experimentalmente la tecnología (véase Figura 3):

                

                                 Figura 3: fotografía del prototipo.






















APLICACIONES DE LA OFERTA
La presente invención se enmarca en el campo de la identificación de almendras amargas, y en particular, se refiere a un nuevo procedimiento y a un dispositivo que permite discriminar entre almendras amargas y almendras dulces.

Por tanto, esta tecnología encuentra su aplicación en los siguientes sectores industriales:

→Productores de almendras.

→Cooperativas agroalimentarias.

→Fabricantes de productos que incluyen almendras:

• Empresas turroneras.

• Fabricantes de helados.

• Pasteleros/reposteros.

• Proveedores de ingredientes que incluyen almendras en su cartera de productos.

COLABORACIÓN BUSCADA

Se buscan empresas interesadas en adquirir esta tecnología para su explotación comercial mediante:

• Acuerdos de licencia de la patente.

• Desarrollo de nuevas aplicaciones para otros frutos secos.





DERECHOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL

La presente invención se encuentra protegida mediante solicitud de patente:

• Título de la patente: “Procedimiento para la detección de almendras amargas basado en el procesamiento de imágenes digitales y el dispositivo asociado”.

• Número de solicitud: P201930561.

• Fecha de solicitud: 20 de junio de 2019.









SECTORES DE APLICACIÓN (2)
Agroalimentación y Pesca
Ingeniería, Robótica y Automática

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