כללי: לדאבוננו, איננו יכולים לקבוע את איכותם של פירות טריים בשלים על ידי צורתם החיצונית בלבד. פרי המנגו שנראה צבעוני או אבוקדו שנראה מלא חיות, אמורים להיות יותר מאשר תוספת צבע לצלחת. הטעם והטריות חיוניים ביותר. מאחר שאין אפשרות לקבוע את איכות הפרי על ידי טעימה של פרי ופרי בנפרד, יש צורך במדידה אובייקטיבית ולא הרסנית כדי לקבוע את איכותו של הפרי החבוי מתחת לקליפה. בדף תיאור מוצר זה מתוארת מדידת ספקטרומים של החזרה של אור אינפרה-אדום קרוב (NIR) מפוזר בבדיקת אבוקדו ומנגו, שמטרתה להדגים את היכולת של מדידות באור NIR לצורך הערכה לא פולשנית של איכות הפרי.
איור 1: מערך מדידת הפירות: NIRQuest256-2.5 ומקור האור Vivo.
איור 2: מדידות החזרת אור NIR מפוזר ממנגו ומאבוקדו: ממוצעי המדידות מארבעה מיקומים שונים בכל דגימה.
רקע
צרכנים משתמשים בטכניקות רבות על מנת להעריך את האיכות של פירות,בהן ריח הפרי, קשיותו, המראה שלו ואפילו אינטואיציה. לכל אחד יש גישה ייחודית משלו עם תוצאות מעורבות. בעוד טכניקות הערכה איכותיות אלו מספקות את הצרכנים, לצוות שעוסק בגידול ובאריזה של פירות באופן מסחרי נדרשת גישה כמותית לקביעת איכות הפירות, על מנת להבטיח את שביעות הרצון של הלקוחות ולשמור על נתח השוק או אולי אף להרחיב אותו (ראויה לציון העובדה שהגידול העולמי של מנגו בלבד מקיף יותר מ-62 מיליוני טון בשנה). לקביעת פרמטרים חיוניים לאיכות כגון תכולת סוכר, העמילן והלחות, יש צורך במדידה מהירה, לא פולשנית, שתתבצע תוך כדי טיפול בפרי, על מנת לבדוק אותו לפני האיסוף או האריזה. ספקטרוסקופיית אור NIR עומדת בדרישות האלה.
ספקטרוסקופיית אור NIR משמשת מאז שנות השבעים לצורך ניתוח של מוצרים חקלאיים. נתונים ספקטרליים של אור NIR המוחזר מדגימה של מוצר חקלאי, כמו למשל גרעינים, פירות או ירקות טריים, נאספים ועוברים השוואה אל מול מודל מכויל שנוצר מנתונים ספקטרליים אשר נאספו מדגימות בעלות רמות ידועות של מרכיבים חיוניים. במדידות של פירות טריים עם קליפה, אורכי הגל הארוכים יותר המשמשים לניתוח של אור NIR נבלעים מעט בעת המעבר דרך הקליפה, ומאפשרים בכך את דגימת הציפה של הפרי שמתחת לקליפה. המדידה של החזרת אור NIR מהירה (אין צורך בהכנה כלשהי לדגימה), מספקת תוצאות כמותיות (בעזרת מודלים שהוכנו בכיול קפדני) ואינה הרסנית. מאז החל השימוש הראשוני בשיטה זו כבכלי חקלאי, התפשטה ספקטרוסקופיית אור NIR באופן משמעותי לתחומים שנמצאים בטווח שבין ניתוח חומרים לניטור תרופות ולאבחון רפואי.
תחום האור האינפרה–אדום הקרוב מתפרש מ–780 עד 2500 ננו–מטר. בליעה של אור בתחום זה גורמת לויברציה של המולקולות. ויברציות מולקולריות אלו מפיקות נתונים ספקטרליים עם תכונות שתלויות בהרכב הכימי של הדגימה. במקרה של דגימת מוצרים חקלאיים, הספקטרומים של אור NIR מורכבים בדרך כלל משיאים רחבים שנובעים מבליעות חופפות הנגרמות מקומבינציות של מצבי הויברציה של קבוצות אורגניות, למשל קשרי C-H, O-H ו-N-H. הספקטרום של אור NIR מספק “תמונת מצב” של הדגימה עם מידע הנוגע למרכיבים רבים שקיים בספקטרום NIR יחיד. מאפיינים אלו ומאפיינים אחרים הופכים את מכשור ספקטרוסקופיית NIR המודרני למתאים במיוחד לניטור תוך כדי טיפול ולבקרת תהליכים.
עמילן וסוכר (בעיקר פרוקטוז, גלוקוז וסוכרוז) נמדדים לא פעם, על מנת לקבוע את בשלותו של הפרי ואת איכותו. בעוד השיאים של מרכיבים אלו ממוקמים קרוב ביניהם, לעמילן יש כמה אורכי גל ייחודיים אשר מאפשרים יצירת מודל בריבוי פרמטרים לצורך קביעה של איכות הפרי, בהתבסס על רכיבי העמילן. ספקטרומטר לאור NIR עם טווח מורחב, כמו למשל NIRQuest256-2.5 הוא אפשרות מצוינת לביצוע מדידות אלו, מפני שהוא יכול לגלות שיאים חשובים ביותר של עמילן בקרבת 1722 ננו-מטר, 2100 ננו-מטר ו-2139 ננו-מטר, וכן שיאים של סוכר שמופיעים בעיקר בין 900 לבין 1200 ננו-מטר (כמה שיאים מופיעים גם באורך גל גדול מ-2100 ננו-מטר). NIRQuest256-2.5 מאפשר גילוי של כל אורכי גל אלו בתוך ספקטרום יחיד.
בנוסף לספקטרומטר נדרש מקור אור בהיר, כגון מקור האור Vivo של חברת Ocean Optics. במקור האור Vivo מותקנים ארבע נורות טונגסטן-הלוגן רבות עוצמה וסיבים אופטיים שמעבירים את האור בנצילות גבוהה להשגת מדידות יעילות של פירות באור NIR. מאחר ורוב האור מתפזר מפני השטח של הפרי, מומלץ להשתמש בסיב אופטי בעל ליבה בקוטר גדול (600 מיקרון) על מנת להגדיל את היעילות ולשפר את הרגישות.
תצורה נכונה של המערכת חיונית ביותר למדידות אלו. בנוסף לאור שאובד כתוצאה מהפיזור מפני השטח של הפרי, אורכי גל של אור NIR ייבלעו על ידי המים המצויים בפרי. נוסף לכך, מרכיבי הפרי (או של כל מוצר טבעי או חקלאי) אינם מפוזרים באופן אחיד בתוך המוצר הנדגם. מומלץ לבצע דגימה על פני שטח נרחב של הפרי על מנת לספק ערך ממוצע של המרכיבים שבפרי. בזכות שטח ההארה הגדול שלו, מקור האור Vivo הוא כלי מצוין להארה של פרי בעת הבדיקה.
התוצאות המופיעות כאן הן איכותיות, אולם לצורך הערכה כמותית של איכות הפרי עם פרמטרים מרובים נדרש להרכיב בקפדנות מודל כימו-מטרי. עם מערך טוב של ספקטרומים לייחוס ועם יצירה טובה של מודל ריבועיים מינמליים חלקיים (PLS) אפשר לפתח מודל כיול שבו אפשר להשתמש כדי למדוד פרמטרים מרובים של הפרי (סוכר, עמילן ומרכיבים נוספים של הפרי) לצורך חיזוי של איכות הפרי. היכולת למדוד בו זמנית באופן כמותי פרמטרים מרובים הופכת את הספקטרוסקופיה של אור NIR לכלי רב עוצמה עבור תיעוש החקלאות.
תנאי המדידה
ספקטרומים של אור NIR נמדדו עבור פירות אבוקדו ומנגו באמצעות הספקטרומטר לאור NIRQuest256-2.5 (בעל טווח של 900 עד 2500 ננו-מטר) ובעזרת הארה ישירה – Vivo – המתוקנת על מחזיק דגם המאפשר מדידות העברה או החזרה (ניתן לכיוונון) STAGE-RTL-T. מקור האור Vivo סיפקה הארה בהירה ואחידה באמצעות ארבע נורות טונגסטן-הלוגן על הדגימה. סיב אופטי באורך 2 מטרים מסוג VIS-NIR בעל קוטר ליבה של 600 מיקרון (הסיב QP600-2-VIS-NIR) אשר מוקם בזווית של 45 מעלות ביחס לנורות הטונגסטן-הלוגן שימש למדידת ספקטרום ההחזרה המפוזרת מפני הפרי. מדידות ייחוס בוצעו ע”י שימוש בדגם ייחוס להחזרה מפוזרת (Diffuse Reflection) .
מדידת מצב חושך (dark measurement) נעשתה כשהנורות דולקות. מחזיק הדגם כוסה במעטה מגן מפני התאורה במהלך מדידת מצב החושך. המערך ששימש למדידות מוצג באיור 1.
החזרת אור NIR המפוזר (Diffuse) נמדדה עבור דגימות של פירות שלמים עם מדידות שנלקחו בארבעה מקומות שונים על הפרי. הפירות שנמדדו הוצבו על הטבעת המגנטית של מקור האור Vivo, על מנת שהפרי לא יוכל להתגלגל וליפול. בוצעו מדידות רבות בגלל האופי המשתנה של הפרי, כגון פגיעות, חוסר אחידות בצבע והבדלים בתכולת הסוכר (הנובעים מהבדלים בחשיפה לאור השמש), כל אלה מובילים להבדלים ספקטרליים בהחזרת אור NIR. על מנת לקחת בחשבון את חוסר האחידות של הפרי ואת השינויים ב’פני השטח’ שלו, יש לבצע מדידות נוספות רבות בנקודות שונות על פני השטח החיצוני של הפרי.
תוצאות
מדידות של החזרת אור NIR מפוזר בוצעו עבור פירות מנגו ואבוקדו בשלים, ועבור כאלו שאינם בשלים. באיור 2 מוצגים הממוצעים של הספקטרומים שנמדדו בארבעה מקומות על שני מנגו ושני אבוקדו. בוצע רישום של ספקטרומים מרובים (n=4) עבור כל יחידת פרי על מנת לקחת בחשבון את חוסר האחידות של הפרי. ספקטרומים אלו מדגימים שאף שספקטרומים של אותו סוג של פרי, מציגים השתנות על פני האזור הספקטרלי, כאשר אבוקדו קצת יותר עקבי באזור שהוא גבוה יותר מ-1100 ננו-מטר בערך. בעוד שהתכונות הספקטרליות דומות בשני סוגי הפירות, נצפו הבדלים בעוצמה, על פני הספקטרומים. ביצוע של דגימות במקומות נוספים על פני השטח של הפרי יכול לעזור ליצור ממוצע של יחידת פרי נתונה ולשפר את הדיוק ואת ההדירות של התוצאות. למרבה המזל, מהירותה של טכניקת אור NIR מאפשרת לדגום שטח גדול יותר של פני הפרי באמצעות ביצוע מדידות מרובות, מבלי שהדבר יהיה כרוך בהארכה של זמני המדידה.
באופן מיוחד, התכונות הספקטרליות שנצפו בספקטרומים אלו של החזרת אור מפוזר נגזרות משילוב של תופעות התלויות בכמות האור המתפזר מפני השטח של הפרי ומעומק החדירה של אור NIR אל תוך הדגימה. אור שלא מתפזר מפני הפרי עובר דרך הקליפה וחודר לתוך הפרי, שם אפשר להבחין בו, בהתבסס על ההרכב הכימי. בעוד שבאופן יחסי די פשוט לבצע מדידות החזרת אור מפוזר, החזרת אור מפוזר מפני דגימה עגולה עם פני שטח משתנים, כמו למשל של יחידת פרי, יוצרת ספקטרום מורכב, שעל מנת להפיק ממנו מידע כמותי נדרשים מודלים לפרשנות שנוצרו בקפדנות.
הספקטרומים של פירות אבוקדו ופירות מנגו בשלים מקולפים לעומת אלו שלא מקולפים מוצגים באיור 3 ובאיור 4. במקרה של אבוקדו, המוצג באיור 3, התכונות הספקטרליות בולטות יותר באבוקדו מקולף מאשר באבוקדו שאינו מקולף. הסיבה לכך יכולה להיות שפחות אור מוחזר על ידי הקליפה, ומכאן שהבליעה גדלה כתוצאה מההרכב הכימי של האבוקדו.
עבור המנגו המוצג באיור 4, ההשפעה של קילוף הפרי דומה להבדלים הספקטרליים שנצפו בין אבוקדו מקולף לאבוקדו שאינו מקולף. ואולם, ההשפעה של הסרת הקליפה אינה כה משמעותית עבור המנגו (קיימת פחות החלקה הנובעת מהסרת הקליפה). ההבדלים הספקטרליים שנצפו לאחר קילוף אבוקדו או מנגו מצביעים על כך שלקליפות של פירות שונים יש תכונות שונות אשר משפיעות על ספקטרום הפרי כולו, בין אם כתוצאה מההרכב הכימי או בגלל תכונות ההחזרה שלהן.
הספקטרומים של פירות אבוקדו ופירות מנגו בשלים לעומת אלו של פירות שאינם בשלים מוצגים באיור 5 ובאיור 6. הספקטרומים של אבוקדו שאינו בשל עקביים מאוד באזור שבין 1900 לבין 2500 ננו-מטר בערך. הספקטרום של אבוקדו בשל באזור זה הופך להיות שטוח בהשוואה לאבוקדו שאינו בשל.
באיור 6, הספקטרומים של מנגו בשל לעומת מנגו שאינו בשל דומים מאוד עם הבדלים קלים מאוד בלבד המופיעים בין 1900 לבין 2500 ננו-מטר בערך. אפשר להניח בסבירות רבה ביותר שהבדלים אלו מיוחסים להבדלים בתכולת הסוכר ובתכולת העמילן המשתנים ככל שהפרי מבשיל והולך. בעוד שרבים מבין ההבדלים הספקטרליים עדינים מאוד, מודל כיול שנוצר בקפדנות וגישה נכונה לביצוע הדגימה יכולים לשמש על מנת להפיק מידע כמותי נוסף מהספקטרומים האלו ביחס לבשלות של הפרי.
מסקנות
ספקטרוסקופיית אור NIR היא כלי מדידה רב עוצמה לצורך אפיון דגימות חקלאיות. במקרה של פירות, אורכי גל ארוכים של אור NIR, שבהם הבליעה חלשה, מאפשרים ביצוע של דגימה דרך הקליפה של הפרי. עובדה זו הופכת את הכנת הדגימה למיותרת. אם מצרפים את היתרונות האלו עם היכולת לבצע מדידות מהירות, הרי שספקטרוסקופיית אור NIR הופכת להיות אפשרות מצוינת למדידה של פירות תוך כדי טיפול בפרי.
בעוד שהנתונים הספקטרליים המוצגים כאן מתארים הבדלים איכותיים בין פירות אבוקדו ומנגו בשלבים השונים של ההבשלה, אפשר להפיק מספקטרומים אלו מידע כמותי בנוגע לאיכות הפרי, באמצעות מודל כימו-מטרי מתאים וביצוע קפדני של הדגימה, על מנת לקחת בחשבון את חוסר האחידות של הפירות.
מאת: אושן אופטיקס וניו טכנולוגי ש.ק
