Fotonica per l'Agroalimentare (PHOOD)

ATTIVITÀ SPERIMENTALI
Il laboratorio si occupa dello sviluppo, della caratterizzazione e dell’applicazione di tecniche fotoniche innovative per la valutazione non distruttiva della qualità dei prodotti agroalimentari.
In particolare la tecnica di spettroscopia di riflettanza risolta nel tempo (time-resolved reflectance spectroscopy, TRS) è applicata con il fine di determinare in modo non invasivo le proprietà ottiche di diversi frutti (es. mele, pesche, kiwi, meloni) e ortaggi (es. patate, pomodori). La tecnica TRS consiste nella determinazione del ritardo, dell’attenuazione e dell’allargamento temporale subiti da un breve (durata<100 ps) impulso ottico che si propaga in un mezzo torbido quale un tessuto biologico o la polpa di un frutto. L’iniezione e la raccolta dell’impulso ottico avvengono tipicamente mediante una coppia di fibre ottiche posizionate sulla superficie del mezzo da analizzare, separate da una distanza dell’ordine di 1-2 cm. E’ così possibile ricavare il valore del coefficiente di assorbimento e del coefficiente di diffusione. I vantaggi principali della tecnica TRS applicata alla caratterizzazione ottica degli ortofrutticoli derivano dal fatto che la tecnica TRS è non distruttiva, non è influenzata dal colore della buccia, e penetra nella polpa per più di 1 centimetro.
E’ stato dimostrato che i parametri ottici (coefficiente di assorbimento e coefficiente di diffusione) ottenuti con la tecnica TRS contengono informazioni utili per la stima della qualità interna degli ortofrutticoli. I dati raccolti su mele, pesche, kiwi e pomodori nella regione spettrale del visibile e del vicino infrarosso (600-1000 nm) mostrano che la tecnica TRS, affiancata da opportuni modelli di analisi statistica dei dati, fornisce risultati incoraggianti per la predizione della firmness, del brix e dell’acidità,, e infine fornisce la possibilità di correlare le informazioni ottiche alle caratteristiche chimico-fisiche del frutto (es. contenuto di acqua, clorofilla, carotenoidi; consistenza della struttura interna). E’ stato inoltre dimostrato che la tecnica TRS è utile per l’individuazione non distruttiva di difetti interni (es. farinosità, danni da freddo, imbrunimenti) nei prodotti ortofrutticoli. Altrettanto positiva è l’applicazione della tecnica TRS per monitorare e prevedere i cambiamenti nei parametri ottici degli ortofrutticoli durante conservazione a scaffale.

ATTREZZATURE
Il laboratorio è dotato di due prototipi TRS per la misura delle proprietà ottiche dei prodotti agroalimentari.
Un prototipo trasportabile per misure TRS a molte lunghezze d’onda nell’intervallo spettrale 500-1100 nm. Tale strumento è basato su un laser in fibra a cristallo fotonico per generazione di impulsi di luce bianca (durata <10 ps, potenza media 1 mW/nm, frequenza di ripetizione 40 MHz), su un sistema di ruote a filtri interferenziali per la selezione della lunghezza d’onda, su un fotorivelatore a stato solido con risposta spettrale fino a 1100 nm e ridotta dispersione temporale, su una scheda per acquisizione con tecnica di conteggio di singolo fotone correlato nel tempo (TCSPC) integrabile su personal computer.
Un prototipo compatto e portatile per misure TRS a singole lunghezze d’onda (670 nm, 780 nm). Tale strumento è basato su laser a semiconduttore impulsati (durata degli impulsi 100 ps, potenza media 1 mW, frequenza di ripetizione 80 MHz), accoppiatori e divisori di fascio in fibra ottica, fotorivelatore compatto e una scheda per acquisizione con tecnica TCSPC integrabile su personal computer. Le dimensioni contenute, la presenza di filtri interferenziali per eliminare il disturbo della luce ambiente e la possibilità di operare alimentato da un generatore elettrico portatile alimentato a benzina permettono al sistema di operare anche all’aperto per misure in campo.

PROGETTI

DIFFRUIT, EU FP4, 1996-1999
TRS APPLE, MAFF (UK), 2000
AGROTEC, MIUR (I), 2000-2002
CUSBO, LASERLAB, EU FP5+FP6+FP7, 2004-2014
INSIDEFOOD, EU FP7 2009-2013
TROPICO, Regione Lombardia (I), 2010-2012
3D Mosaic, EU ICT-AGRI, 2011-2013
USER-PA EU ICT-AGRI 2013-2016
 

COLLABORAZIONI

CREA-IAA, Milan (I), Paola Eccher-Zerbini , Anna Rizzolo, Maristella Vanoli, Maurizio Grassi
Laimburg (I), Angelo Zanella
Agricultural Research Organization, Bet Dagan (Israel), Susan Lurie, Victor Alchanitis
Wageningen Universiteit (NL), Pol Tijskens, Olaf Van Kooten, Rob Schouten
Planteforsk, Lofthus  (N),  Eivind Vangdal
Potsdam (D), Manuela Zude-Sasse
Leuven (B), Bart Nicolai, Bert Verlinden, Wouter Sayes, Pieter Verboven, Maarten Hertog
UPM, ETSI Agronomos Madrid (E),  Margarita Ruiz-Altisent, Constantino Valero
Horiculture Research International, East Malling, (UK) - David Johnson, Colin Dover