Comprehensive evaluation of the acoustic impulse-response of apples as a measure of fruit quality

217 Pages·2007·4.82 MB·English

by  Sandra Landahl

Katholieke Universiteit Leuven
Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen
DISSERTATIONES DE AGRICULTURA
Doctoraatsproefschrift nr. 743 aan de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen van de K.U.Leuven
Comprehensive evaluation of the acoustic
impulse-response of apples as a measure of fruit quality
Promotor:
Prof. J. De Baerdemaeker, K.U.Leuven Proefschrift voorgedragen tot het
behalen van de graad van
Leden van de examencommissie: Doctor in de
Prof. G. Volckaert, voorzitter Bio-ingenieurswetenschappen
Prof. B. Nicolaï, K.U.Leuven
Prof. J. Keulemans, K.U.Leuven door
Prof. N. De Belie, UGent
Dr. B. Herold, ATB, Potsdam, Duitsland Sandra LANDAHL
Dr. ir. B. De Ketelaere, K.U.Leuven
JUNI 2007

i
Nederlandse samenvatting
In dit doctoraat wordt de akoestische impuls-responstechniek voorgesteld als middel
voor het evalueren van appelkwaliteit. Fysiologische veranderingen in de appel
werden bestudeerd en gerelateerd aan de akoestische techniek, om de interactie
tussen de evolutie van de vrucht en de meettechniek te begrijpen.
In de akoestische impuls-responstechniek wordt een vrucht met een hamertje
aangeslagen en trilt dan aan zijn resonantiefrequentie. De trillende vrucht produceert
geluidsgolven die worden opgenomen en geanalyseerd. Deze snelle methode levert
een gemiddelde waarde voor de vrucht: de stijfheid.
Experimenten tonen aan dat de akoestische impuls-responstechniek een
waardevolle, objectieve methode is voor evaluatie van de veranderende stijfheid
tijdens bewaring. Een beter begrip van deze niet-destructieve techniek is evenwel
nodig.
De stijfheid is strikt gezien een maat voor elasticiteit. Consumenten zouden dit als
een eigenschap van textuur bekijken, wanneer ze de kwaliteit van fruit en groenten
beoordelen. De rijpheid van een vrucht hangt af van zijn fysiologische ontwikkeling.
Om de rijpheid te bepalen, worden gewoonlijk fysische eigenschappen zoals
hardheid gemeten in de commerciële omgeving. Daarom werd de stijfheid met de
hardheid vergeleken in dit werk.
Een prototype werd gebouwd om niet-getraind personeel en kwaliteitsinspecteurs de
rijpheid van appels te laten meten op een objectieve manier. De prestaties van dit
toestel werden bestudeerd als een mogelijke commerciële toepassing van de
techniek. Een andere toepassing van de akoestische impuls-responstechniek zou de
detectie van interne eigenschappen van een vrucht kunnen zijn. Hiermee zou
kwaliteitsopvolging van vruchten kunnen verbeterd worden. Om dit verder te
onderzoeken, werd een experiment opgezet waarbij interne warmteschade in appels
met deze techniek werd gemeten. De schade kon aangetoond worden door de sterk
verlaagde stijfheid, hoewel de schade niet zichtbaar was aan de buitenkant van de
vrucht.
In een volgende stap werd informatie verzameld over de mogelijkheden van de
meettechniek voor het bepalen van rijpheid van de vruchten voor de oogst. Deze
testen werden over verschillende jaren herhaald, om seizoensgebonden effecten in
rekening te kunnen brengen. Vroegere studies toonden aan dat de vorm van de
appels effect heeft op de akoestische responsmeting. Er werden dan ook
verschillende appelvariëteiten met verschillende vormen opgenomen in de
experimenten. Indien de evolutie van de stijfheid tijdens het rijpen een duidelijke
trend vertoont, dan zou deze factor als maat voor rijpheid kunnen gebruikt worden.
De indexen voor rijpheid zijn nodig om de geschiktheid van geoogst fruit aan te
geven, voor de consument of voor bewaring. Anders dan verwacht, kon geen
duidelijke trend in de stijfheid aangetoond worden bij al de geteste appelvariëteiten:
Stijfheid ontwikkelde minder voorspelbaar of bleef zelfs constant tijdens het rijpen.
ii Nederlandse samenvatting
Het is al langer geweten dat de elastische eigenschappen van een weefsel bepaald
worden door de waterstatus en door de mechanische eigenschappen van de celwand.
Om het onverwachte resultaat te kunnen evalueren is het aangetoond de interactie
tussen de fysische en fysiologische eigenschappen van de appel te bestuderen.
De fysiologische eigenschap 'waterstatus' werd vergeleken met verschillende
elasticiteitsmetingen van de modelvrucht radijs. De veranderingen op korte termijn
in niet-gunstige bewaaromstandigheden waren het gevolg van een daling in
celwaterpotentiaal. Die veranderingen waren voornamelijk te wijten aan een
vermindering in watervolume, terwijl de celwandeigenschappen onveranderd
bleven. De onderlinge afhankelijkheid van een grote verscheidenheid aan parameters
van vruchtkwaliteit werden herhaaldelijk gemeten tijdens snelle uitdroging bij
middel van verschillende niet-destructieve technieken. Het werd duidelijk dat de
quasi-statisch gemeten elasticiteit een duidelijker relatie had tot de waterpotentiaal
van de vrucht, dan de dynamisch gemeten stijfheid, die op zichzelf een waardevolle
indicator is van de verandering in waterinhoud in de vrucht. De resultaten toonden
aan dat de stijfheid weinig gerelateerd was met de korte-termijn veranderingen in de
hardheid van de vrucht, minder dan de quasi-statisch gemeten elasticiteit. Een
combinatie van beide eigenschappen zou daarom een betere indicatie geven van de
status van de vrucht.
De mogelijkheid dat de stijfheid meer gerelateerd zou zijn aan de veranderingen in
celwand, werd in eerste instantie geëvalueerd. Een snelle meetmethode werd
gezocht voor het aangeven van veranderingen op het niveau van de celwand. De
dynamica van de veranderingen in de celwand bij een rijpende vrucht worden
mogelijk bepaald door de lokale zuurtegraad. De veranderingen van de apoplastische
zuurtegraad heeft effect op de enzymes die verbonden zijn aan de celwand. De
apoplastische zuurtegraad daalt bij het rijpen van tomaat, perzik en abrikoos. Het is
mogelijk dat de appel zachter wordt onder invloed van de veranderingen in de
apoplastische zuurtegraad. Een methode om apoplastische vloeistof te oogsten werd
beschreven. Er is evenwel verder biochemisch onderzoek nodig om de rol van de
apoplastische zuurtegraad bij het zachter worden van de vrucht te bevestigen en om
de zuiverheid van de geoogste vloeistof te verzekeren. Een relatie tussen
apoplastische zuurtegraad en de stijfheid van de vrucht leek mogelijk.
Multi-sensortoestellen zouden fruitinspectoren kunnen bijstaan en de
sorteermachines verbeteren zodat vruchten van meer uniforme kwaliteit aan de
consument aangeboden worden. Vroegere studies toonden aan dat fusie van
verschillende technieken tot betere resultaten leiden, en voorheen onbekende
informatie leveren, b. v. de klassering van cultivars. De combinatie van spectrale
techniek en akoestische impuls-responstechniek heeft potentieel om het voorspellen
van de hardheid voor de oogst en in bewaring te verbeteren.
iii
Abstract
The acoustic impulse-response technique is a means to evaluate apple quality. In this
work the effect of physiological changes in the fruit on the physical measurements
of fruit quality are examined.
In the acoustic impulse-response technique the fruit is mechanically excited by an
impact force and starts to vibrate at its own natural frequency. The resulting sound
waves are then recorded and analysed. It is a fast method and yields a produce-
averaged value: the stiffness factor. Experiments confirmed that the acoustic
impulse-response technique is a valuable objective method for evaluation of the
changes of firmness during storage.
The stiffness factor is strictly speaking a measure for elasticity. It could be perceived
by consumers of fruit and vegetables as an indicator of texture. The maturity of the
fruit depends on its physiological development. To determine the maturity usually
physical properties, e.g. firmness measured means of penetrometer, are recorded in
the commercial environment. Therefore the stiffness is compared to firmness
throughout this thesis.
A prototype was built to enable unskilled workers and quality inspectors to measure
ripeness of apples objectively. The performance of this device was examined as a
possible commercial application of the technique. Another application for the
acoustic impulse-response technique could be the detection of internal properties of
the fruit. This could enhance fruit quality monitoring. An experiment is presented,
where the method is used to detect internal heat damage in apples. It is shown that it
was possible to detect this damage, which is invisible on the outside of the apple, by
drastically lowered values of the stiffness factor.
As a next step, information about the technique's power to examine fruit maturation
before harvest was collected. This was done over a number of years to take seasonal
changes into account. Various varieties were examined to obtain stiffness values of
apples with different shapes, because former studies showed that the shape of the
apples has an influence on the acoustic impulse-response test. If the development of
the stiffness factor during maturing would show a clear trend, then there could be
scope to use the value as a maturity index. Maturity indices can indicate the
acceptability of freshly harvested fruit for the consumer and the storability. The
results revealed, other than first expected, that no clear trend of the stiffness
development could be found in all examined apple varieties: Stiffness develops less
predictably or even stays constant during maturation.
iv Abstract
It is known that water status and cell wall mechanical parameters determine tissue
elastic properties. In order to understand the unexpected results it is necessary to
examine the interaction between the physical and the physiological properties of the
apple. The physiological water status was compared to various elasticity
measurements on the model produce radish. Short-term texture changes under
unfavourable storage conditions result from a decline in cell water potential. Those
changes are mainly due to a decline in water volume, while physical cell wall
properties may remain unchanged. The interdependence of a large number of
parameters of produce quality were repeatedly examined by means of various non-
destructive instrumental techniques during rapid desiccation. It becomes apparent
that the elasticity measured in a quasi-static way has a stronger relation to the
produce’s water potential than the stiffness measured dynamically, which itself is a
valuable indicator for the water content change in the produce. The results revealed
that stiffness showed very low relationship with short-term changes of product
rigidity, less than the elasticity measured in a quasi-static way. A combination of
both properties may therefore be a more appropriate indication of the produce
condition.
To start an evaluation of the possibility that the stiffness factor is more related to cell
wall changes, a quick method was sought to indicate changes at the cell wall level.
The dynamics of changes in the cell wall of a ripening fruit are possibly controlled
by local pH. The changes of apoplastic pH have impact on the cell wall-associated
enzymes. The pH of the apoplast declines during ripening in tomato, peach and
apricot fruit. It is possible in apple that changes in apoplastic pH induce softening. A
method is described, to collect apoplastic fluid. However, further biochemical
research is needed to confirm a role of apoplastic pH in softening and to confirm the
absence of contaminants in the collected fluid. A relation between apoplastic pH and
stiffness seemed possible.
Multi-sensor devices could support fruit inspectors and could improve machine
sorting to provide more homogenous fruit packages to consumers. Former studies
have shown that fusion of different techniques improve results and offer former
hidden information, e.g. classify cultivars. A combination of the spectral technique
with the acoustic impulse-response technique seems suitable to enhance prediction
of firmness before harvest and in storage.
Table of contents v

NEDERLANDSE SAMENVATTING i
ABSTRACT iii
TABLE OF CONTENTS v
CHAPTER 1 INTRODUCTION 1
CHAPTER 2 NON-DESTRUCTIVE MEASUREMENT OF APPLE STIFFNESS
USING A PORTABLE DEVICE 9
2.1 INTRODUCTION 9
2.2 MATERIALS AND METHODS 13
2.2.1 The importance of the mass measurement 13
2.2.2 Measurement set-ups for the acoustic impulse-response 14
2.2.3 Performance of the portable prototype "Glove" 23
2.2.4 Influence of grip force on frequency measurement on apples 26
2.3 RESULTS 29
2.3.1 The effect of mass on the acoustic impulse-response measurement
on peaches 29
2.3.2 The apple quality 30
2.3.3 The effect of mass on the acoustic impulse-response measurement
on apples 32
2.3.4 Performance of the portable prototype "Glove" 34
2.3.5 Influence of grip force on frequency measurement on apples 39
2.4 DISCUSSIONS 44
2.4.1 The importance of the mass measurement 44
2.4.2 Performance of the portable prototype "Glove" 44
2.4.3 Influence of grip force on frequency measurement on apples 45
2.5 CONCLUSIONS 46
CHAPTER 3 NON-DESTRUCTIVE MEASUREMENT OF APPLE STIFFNESS
OF THERMALLY DAMAGED APPLES 47
3.1 INTRODUCTION 47
3.2 MATERIALS AND METHODS 48
3.3 RESULTS 49
3.4 DISCUSSION 52
3.5 CONCLUSIONS 53
CHAPTER 4 THE STIFFNESS DEVELOPMENT OF VARIOUS APPLE
VARIETIES DURING MATURATION 54
4.1 INTRODUCTION 54
4.2 MATERIALS AND METHODS 56
4.2.1 Material 56
4.2.2 Software to process impulse-response 57
4.2.3 Sequence of reference tests 57
4.2.4 Statistics 58
4.3 RESULTS 58
4.3.1 Development of stiffness of different apple varieties 59
4.3.2 Development of OHD parameters 60
4.3.3 Relation between OHD parameters and stiffness 66
4.4 DISCUSSION 72
4.4.1 Mass development during maturation 72
4.4.2 Firmness development during maturation 72
4.4.3 Stiffness development during maturation 73
4.4.4 Stiffness as maturity indicator 76
4.5 CONCLUSIONS 77
vi Table of contents
CHAPTER 5 ACOUSTIC IMPULSE-RESPONSE OF APPLES MEASURED ON
AND OFF THE TREE 78
5.1 INTRODUCTION 78
5.2 MATERIALS AND METHODS 79
5.2.1 Materials 79
5.2.2 Separate test for frequency change on and off the tree 80
5.2.3 Methods 80
5.3 RESULTS 84
5.3.2 Separate test for frequency change on and off the tree 85
5.3.3 Development of apples measured by means of reference tests 87
5.3.4 Acoustic impulse-response of apples measured repeatedly on the tree
91
5.3.5 Stiffness of apples after harvest 94
5.3.6 Comparison of acoustic impulse-response of apples measured on and
off the tree 96
5.3.7 Development of the water potential of the apple tissue 97
5.3.8 Relation between stiffness and destructive tests 98
5.4 DISCUSSION 107
5.4.1 Development of apples measured by means of reference tests 107
5.4.2 Acoustic impulse-response of apples measured repeatedly on the tree
108
5.4.3 Stiffness of apples after harvest 109
5.4.4 Comparison of acoustic impulse-response of apples measured on and
off the tree 109
5.4.5 Development of the water potential of the apple tissue 110
5.4.6 Relation between stiffness and destructive tests 110
5.5 CONCLUSIONS 111
CHAPTER 6 INTERACTIONS BETWEEN WATER STATUS AND TEXTURE
112
6.1 INTRODUCTION 112
6.2 MATERIALS AND METHODS 114
6.2.1 Overview 114
6.2.2 Stiffness 115
6.2.3 Apparent elastic modulus 115
6.2.4 Volumetric elastic modulus 116
6.2.5 Data description 117
6.3 RESULTS 118
6.3.1 Tuber characteristics 118
6.3.2 Tuber changes in time 119
6.3.3 Interaction between radish water status and texture 123
6.4 DISCUSSION 132
6.4.1 Data description 132
6.4.2 Interaction between radish water status and texture 132
6.5 CONCLUSIONS 135
CHAPTER 7 COLLECTION OF APOPLASTIC FLUID FROM DEVELOPING
APPLES USING A SCHOLANDER PRESSURE BOMB 137
7.1 INTRODUCTION 137
7.2 METHODS 140
7.2.1 Material 140
7.2.2 Weather 141
7.2.3 Stiffness 141
7.2.4 Red edge 142
Table of contents vii
7.2.5 Firmness and SSC measurement 143
7.2.6 Water potential measurement during storage 143
7.2.7 Tissue photos 144
7.2.8 Apoplastic pH 145
7.3 RESULTS 150
7.3.1 Tissue structure 150
7.3.2 Picking-maturity and ripeness characteristics 157
7.4 DISCUSSION 161
7.4.1 Apple development 161
7.4.2 Softening detection with the acoustic technique 162
7.5 CONCLUSION 163
CHAPTER 8 COMBINING SENSORS FOR DETECTING APPLE QUALITY
ATTRIBUTES 165
8.1 INTRODUCTION 165
8.2 METHODS 167
8.2.1 Optical reflection spectra collection and analysis 167
8.2.2 Wavelengths of principal absorption bands for common constituents of
biological material 171
8.3 RESULTS 172
8.3.1 Overview non-spectral data 174
8.3.2 Prediction of firmness and SSC by combining data from non-spectral
techniques 177
8.3.3 Vis and NIR reflectance 178
8.3.4 Visible and NIR reflectance predicting firmness 180
8.3.5 Influence of measurement day 186
8.4 DISCUSSION 188
8.4.1 Prediction of firmness and SSC by combining data from non-spectral
techniques 189
8.4.2 Wavelength analysis 189
8.4.3 Prediction of firmness by combining non-destructive techniques 191
8.5 CONCLUSIONS 193
GENERAL CONCLUSIONS AND FUTURE OUTLOOK 195
BIBLIOGRAPHY 199
LIST OF PUBLICATIONS 203
ABBREVIATIONS 205
ACKNOWLEDGEMENTS 207