Non-destructive spectroscopic technologies applied to sustainable food transformation processes for monitoring the vegetable supply chain

Abstract

The project aimed at generating advanced and innovative sensors with a high degree of digital integration and information for the development of new generation systems for the global quality of horticultural products from production to processing, and consumption. For the development of these systems, have been used NIR sensors positioned at the surface of horticultural products both fresh and under transformation processes using renewable energies. Solar dehydration processes, implemented with NIR sensors, as well as Arduino sensors for controlling humidity, temperature, weight loss and light intensity, inside and outside the transformation chambers have been studied. The following targets have been considered: i) evaluation of the effectiveness and efficiency of the dehydration processes; ii) verification of the suitability of the chosen digital methodologies for the monitoring of the supply chain; iii) evaluation of scalability of the chosen digital solutions; iv) development of protocols for data processing and transfer; identification of protocols and critical points for the realization of a NOT only documental traceability, transferable to other productions. The research plan has been divided into phases to achieve specific objectives. Phase 1: Laboratory tests on micro plants; phase 2: Scale transposition tests on small-sized plants - pilot scale; phase 3: Tests on commercial systems already in use by Italian SMEs (capacity: 20-40 kg of fresh edible product). The realisation of the scheduled activities started with the following actions: i) Choice of the most suitable sensors by type of detection, optical geometry, overall dimensions, etc.; ii) Design, programming and positioning of sensors for data collection; iii) Monitoring of transformation processes with continuous sensors: configuration optimization. The experiments made during the first year allowed the data validation on micro-drying systems. Then, two different experiments were carried out using the pilot scale plant available at CREA.IT (Milan), using different food matrices, implementing the plant with Arduino sensors. NIR data processing by multivariate analysis, and physico-chemical analyses have been carried out in order to both identify possible correlations between non-destructive and destructive data and prove the reliability of the Aquaphotomics approach in detecting the actual end of each drying process. The positive results obtained at pilot scale allowed the transfer of the selected configuration into a commercial plant already active at “Ca’ dal Saggia”, an Italian SME, to verify the actual transferability of this approach to agro-food realities with a view to "precision factory". It has been considered, as conclusion of this research, the potential development of a dedicated App, easy to consult, and to be made available through integration into a virtual platform.

Il progetto mira a sviluppare sensori avanzati e innovativi con un alto grado di integrazione digitale per lo sviluppo di sistemi avanzati di qualità globale dei prodotti orticoli dalla produzione alla trasformazione, al consumo. Per lo sviluppo di questi sistemi sono stati utilizzati sensori NIR su prodotti orticoli freschi e trasformati, applicati a processi di trasformazione che utilizzano energie rinnovabili. Sono stati studiati processi di disidratazione solare, implementati con sensori NIR, nonché sensori Arduino per il controllo di umidità, temperatura e perdita di peso all'interno e all'esterno delle camere di trasformazione. Sono stati considerati i seguenti obiettivi: i) valutazione dell'efficacia e dell'efficienza dei processi di disidratazione; ii) verifica dell'idoneità delle metodologie digitali prescelte per il monitoraggio della filiera; iii) valutazione della scalabilità delle soluzioni digitali; iv) sviluppo di protocolli per l'elaborazione e il trasferimento dei dati; individuazione di protocolli e punti critici per la realizzazione di una tracciabilità NON solo documentale, trasferibile ad altre produzioni. Il piano di ricerca è stato suddiviso in fasi per il raggiungimento di specifici obiettivi. Fase 1: Prove di laboratorio su micro impianti; fase 2: Prove di trasferimento di scala su impianti pilota; fase 3: Test su impianti commerciali già in uso presso le PMI italiane (capacità: 20-40 kg di prodotto fresco edibile). La realizzazione delle attività programmate ha previsto le seguenti azioni: i) Scelta dei sensori più idonei per tipologia di rilevazione, geometria ottica, ingombri, ecc.; ii) Progettazione, programmazione e posizionamento dei sensori per la raccolta dati; iii) Monitoraggio dei processi di trasformazione con sensori in continuo: ottimizzazione della configurazione. Le sperimentazioni effettuate durante il primo anno hanno permesso la validazione dei dati su sistemi di micro-essiccamento. Successivamente, sono stati condotti due diversi esperimenti utilizzando l'impianto su scala pilota disponibile presso CREA.IT (Milano), utilizzando diverse matrici alimentari, implementando l'impianto con sensori Arduino. L'elaborazione dei dati NIR mediante analisi multivariata e analisi fisico-chimiche sono state realizzate sia per identificare possibili correlazioni tra dati non distruttivi e distruttivi sia per dimostrare l'affidabilità dell'approccio Aquaphotomics nel rilevare l'effettiva fine di ogni processo. I risultati ottenuti su scala pilota hanno consentito di trasferire la configurazione selezionata su impianto commerciale già attivo presso “Ca' dal Saggia”, PMI italiana, per l'effettiva trasferibilità dell’approccio a realtà agroalimentari in un’ottica di "precision factory". È stato infine valutato lo sviluppo di App dedicate, di facile consultazione, da rendere disponibili tramite integrazione su piattaforma virtuale.