Artificial neural networks (Fuzzy ARTMAP) analysis of the dataobtained with an electronic tongue applied to a ham-curing processwith different salt formulations

tThis paper describes the determination of optimum values of the parameters of a Simplified FuzzyARTMAP neural network for monitoring dry-cured ham processing with different salt formulations tobe implemented in a microcontroller device. The employed network must be set to the limited micro-controller memory but, at the same time, should achieve optimal performance to classify the samplesobtained from this application.Hams salted with different salt formulations (100% NaCl; 50% NaCl + 50% KCl and 55% NaCl + 25%KCl + 15% CaCl2+ 5% MgCl2) were checked at four processing times, from post-salting to the end of theirprocessing (2, 4, 8 and 12 months).Measurements were taken with a potentiometric electronic tongue system formed by metal electrodesof different materials that worked as nonspecific sensors. This study aimed to discriminate ham samplesaccording to two parameters: processing time and salt formulation.The results were analyzed with an artificial neural network of the Simplified Fuzzy ARTMAP (SFAM)type. During the training and validation process of the neural network, optimum values of the controlparameters of the neural network were determined for easy implementation in a microcontroller, and tosimultaneously achieve maximum sample discrimination. The test process was run in a PIC18F450 micro-controller, where the SFAM algorithm was implemented with the optimal parameters. A data analysiswith the optimized neural network was achieved, and samples were perfectly discriminated according toprocessing time (100%). It is more difficult to discriminate all samples according to salt formulation type,but it is easy to achieve salt type discrimination within each processing block time. Thus, we concludethat the processing time effect dominates salt formulation effects.This work was financially supported by the Spanish Government and European FEDER funds (MAT2012-38429-C04-04).Gil Sánchez, L.; Garrigues Baixauli, J.; Garcia-Breijo, E.; Grau Meló, R.; Aliño Alfaro, M.; Baigts Allende, DK.; Barat Baviera, JM. (2015). Artificial neural networks (Fuzzy ARTMAP) analysis of the dataobtained with an electronic tongue applied to a ham-curing processwith different salt formulations. Applied Soft Computing. (30):421-429. https://doi.org/10.1016/j.asoc.2014.12.037S4214293

Ethanol quantification in pineapple waste by an electrochemical impedance spectroscopy-based system and artificial neural networks

[EN] Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) technique has been applied to determine the ethanol concentration in pineapple waste samples. To do this, six different concentrations of ethanol were added to the pineapple samples and were analyzed using the system designed by our research group and consisting of the Advanced Voltammetry, Impedance Spectroscopy & Potentiometry Analyzer (AVISPA) device associated to a stainless steel double needle electrode. Results indicated that phase data in frequencies between 6.0 x 10(5) Hz and 8.0 x 10(5) Hz showed the highest sensitivity to ethanol concentrations. A principal component analysis (PCA) confirmed the potential discrimination and partial least squares (PLS) regression showed mathematical models able to quantify ethanol in samples accurately. In order to implement flexible and precise models in programmable equipment, different types of artificial neural networks (ANNs) have been studied: Fuzzy ARTMAP and multi-layer feed-forward (MLFF) algorithms. As a result, a coefficient of determination (R2) = 0.996 and a root mean square error of prediction (RMSEP) = 0.408 have been obtained. Therefore, it allows us to introduce this technique as an alternative method for ethanol quantification along the fermentation of pineapple waste in an easy, low-cost, rapid and portable way.Financial support from the European FEDER and the Spanish government (MAT2012-34829-C04-04), the Generalitat Valenciana (PROMETEOII/2014/047) and the FPI-UPV Program funds are gratefully acknowledged.Conesa Domínguez, C.; Gil Sánchez, L.; Seguí Gil, L.; Fito Maupoey, P.; Laguarda-Miro, N. (2017). Ethanol quantification in pineapple waste by an electrochemical impedance spectroscopy-based system and artificial neural networks. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 161:1-7. https://doi.org/10.1016/j.chemolab.2016.12.005S1716

DESARROLLOS TECNOLÓGICOS PARA LA MEJORA Y CONTROL DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE RESIDUOS AGROALIMENTARIOS

Tesis por compendioAs stated by the United Nations Department of Economic and Social Affairs, the first half of the present century will experience a significant increase in global energy demand due to the expected growth of world population and global economic development. On the other hand, recent reports from the Intergovernmental Panel on Climate Change definitely evidence the link between the continued use of fossil fuels and the increasing concentration of greenhouse gases into the atmosphere being responsible for climate change. In this context, a global commitment is needed in the search for cleaner, environmentally friendly and sustainable energy sources, such as second¿generation bioethanol from agro¿industrial waste. Thus, this PhD Thesis aims to advance in the agro¿industrial waste recovery of fruits such as pineapple and persimmon. Specifically, different strategies for enhancing the bioethanol production process were evaluated. Additionally on¿line monitoring of the saccharification step and final alcohol content in the studied wastes were taken into consideration. Thus, different technologies were studied to improve the enzymatic hydrolysis performance in pineapple waste. First, hydrolytic performances of commercial enzymes produced by the filamentous fungi Aspergillus niger and Trichoderma reesei were compared. Next, the use of microwave pretreatments, alone or combined with an alkali treatment, was evaluated to improve the saccharification performance. On the other hand, "Rojo Brillante" persimmon waste wasstudied as a potentialsource of high added value products. Finally, electrochemical impedance spectroscopy based techniques were evaluated for monitoring saccharification and quantifying ethanol in pineapple waste. Results showed that A. niger cellulase is an effective alternative to that obtained from T. reesei for the saccharification of industrial pineapple waste, especially when combined with hemicellulase. On the other hand, microwave pretreatments at appropriate power and exposure times significantly improved the enzymatic hydrolysis performance. This improvement was particularly remarkable when microwaves were combined with an alkali treatment. On the other hand, industrial persimmon waste was shown to be a low¿cost source of bioethanol and antioxidant compounds, mainly carotenoids. Finally, electrochemical impedance spectroscopy was validated as an easy, fast, non¿destructive, inexpensive and alternative methodology to the traditional laboratory ones for monitoring saccharification and fermentation processes. This validation was achieved by combining impedance spectroscopy with mathematical models based on artificial neural networks, being robust, reliable, adaptive and easily implementable in electronic systems.   To conclude, the present PhD Thesis has provided substantial progress towards agro¿industrial waste recovery processes. In fact, several technological developments have been implemented in order to increase the saccharification yield in pineapple waste. Moreover, high added value products have been obtained from persimmon residue. Likewise, these processes can be accurately controlled on¿line by electrochemical impedance spectroscopy based techniques combined with specific mathematical models,  representing a significant advance in this field.Durante la primera mitad de este siglo, se espera que la demanda mundial de energía aumente significativamente debido al previsible incremento de la población mundial y al desarrollo económico global, tal como afirman recientes estudios de la Departamento de Asuntos Económicos y Sociales de las Naciones Unidas. Por otro lado, los datos del Panel Intergubernamental del Cambio Climático vinculan el uso continuado de los combustibles fósiles con el aumento de la concentración de CO2 y partículas contaminantes a la atmósfera causantes, entre otros, del cambio climático. En este contexto, es necesario seguir avanzando en la búsqueda de alternativas energéticas más limpias y medioambientalmente sostenibles, como es el caso del bioetanol de segunda generación obtenido a partir de residuos agroindustriales. Así, la presente Tesis Doctoral plantea como objetivo profundizar en la revalorización de los residuos agroindustriales de frutas como la piña y el caqui. En concreto, se evaluaron diferentes estrategias para la mejora del proceso de obtención de bioetanol y el control en línea de la sacarificación y contenido en alcohol en los residuos. Para ello, se estudiaron diferentes tecnologías para la mejora del rendimiento de la hidrólisis enzimática de los residuos de piña. En primer lugar se comparó la acción hidrolítica de las enzimas comerciales producidas por los hongos filamentosos Aspergillus niger y Trichoderma reesei. A continuación, se evaluó la aplicación de pretratamientos con microondas, solos o combinados con un medio alcalino, para la mejora del rendimiento de la sacarificación. Por otro lado, se analizó el potencial de revalorización del residuo industrial de caqui de la variedad "Rojo Brillante". Finalmente se estudió la aplicación de técnicas basadas en la espectroscopía de impedancias para la monitorización de la sacarificación y la cuantificación de bioetanol en piña. Los resultados obtenidos demostraron que la celulasa de A. niger es una alternativa eficaz a la obtenida a partir de T. reesei para la sacarificación de los residuos industriales de piña, especialmente cuando se combina con hemicelulasa. Por otra parte, la aplicación de pretratamientos con microondas a potencias y tiempos de exposición apropiados mejoraron significativamente el rendimiento de la hidrólisis enzimática. Esta mejora demostró ser particularmente destacable cuando se combinaron las microondas con un medio alcalino. Por otra parte, se demostró que los residuos industriales de caqui son una fuente de obtención de compuestos de alto valor añadido tales como: bioetanol y compuestos antioxidantes, principalmente carotenoides. Por último, se validó la espectroscopía de impedancias electroquímica como una metodología fácil, rápida, no destructiva, económica y alternativa a las técnicas de laboratorio tradicionales para el control de la sacarificación y fermentación. Esto se consiguió combinando la espectroscopía de impedancias con el desarrollo de modelos matemáticos basados en redes neuronales artificiales que se caracterizan por ser robustos, fiables, adaptativos y fácilmente implementables en sistemas electrónicos. A modo de conclusión, la presente Tesis Doctoral ha permitido avanzar en el conocimiento sobre el proceso de revalorización de los residuos industriales de frutas mediante la implementación de desarrollos tecnológicos para el aumento del rendimiento de la hidrólisis enzimática del residuo de piña y la obtención de compuestos de alto valor añadido a partir de caqui. Asimismo, se ha demostrado que es posible aplicar técnicas basadas en la espectroscopía de impedancias y modelos matemáticos específicos para mejorar la monitorización y control en línea de estos procesos, lo que supone un avance significativo en este campo.Durant la primera meitat d'aquest segle, s'espera que la demanda mundial d'energia augmente significativament a causa del previsible increment de la població mundial i al desenvolupament econòmic global, tal com afirmen recents estudis del Departament d'Assumptes Econòmics i Socials de les Nacions Unides. D'altra banda, les dades del Panell Intergovernamental del Canvi Climàtic vinculen l'ús continuat dels combustibles fòssils amb l'augment de la concentració de CO2 i partícules contaminants a l'atmosfera causants, entre uns altres, del canvi climàtic. En aquest context, és necessari seguir avançant en la cerca d'alternatives energètiques més netes i mediambientalment sostenibles, com és el cas del bioetanol de segona generació obtingut a partir de residus agroindustrials. Així, la present Tesi Doctoral planteja com a objectiu aprofundir en la revalorització dels residus agroindustrials de fruites com la pinya i el caqui. En concret, es van avaluar diferents estratègies per a la millora del procés d'obtenció de bioetanol i el control en línia de la sacarificació i contingut en alcohol en els residus. Per a això, es van estudiar diferents tecnologies per a la millora del rendiment de la hidròlisi enzimàtica dels residus de pinya. En primer lloc es va comparar l'acció hidrolítica dels enzims comercials produïts pels fongs filamentosos Aspergillus niger i Trichoderma reesei. A continuació, es va avaluar l'aplicació de pretractaments amb microones, sols o combinats amb un medi alcalí, per a la millora del rendiment de la sacarificació. D'altra banda, es va analitzar el potencial de revaloració del residu industrial de caqui de la varietat "Rojo Brillante". Finalment es va estudiar l'aplicació de tècniques basades en l'espectroscòpia d'impedàncies per al monitoratge de la sacarificació i la quantificació de bioetanol en pinya. Els resultats obtinguts van demostrar que la cel¿lulasa d'A. niger és una alternativa eficaç a l'obtinguda a partir de T. reesei per a la sacarificació dels residus industrials de pinya, especialment quan es combina amb hemicel¿lulasa. D'altra banda, l'aplicació de pretractaments amb microones a potències i temps d'exposició apropiats van millorar significativament el rendiment de la hidròlisi enzimàtica. Aquesta millora va demostrar ser particularment destacable quan es van combinar les microones amb un medi alcalí. D'altra banda, es va demostrar que els residus industrials de caqui són una font d'obtenció de compostos d'alt valor afegit tals com: bioetanol i compostos antioxidants, principalment carotenoides. Finalment, es va validar l'espectroscòpia d'impedàncies com una metodologia fàcil, ràpida, no destructiva, econòmica i alternativa a les tècniques de laboratori tradicionals per al control de la sacarificació i fermentació. Això es va conseguir combinant l'espectroscòpia d'impedàncies amb el desenvolupament de models matemàtics basats en xarxes neuronals artificials que es caracteritzen per ser robustos, fiables, adaptatius i fàcilment implementables en sistemes electrònics. A manera de conclusió, la present Tesi Doctoral ha permès avançar en el coneixement del procés de revalorització dels residus industrials de fruites mitjançant la implementació de desenvolupaments tecnològics per a l'augment del rendiment de la hidròlisi enzimàtica del residu de pinya i l'obtenció de compostos d'alt valor afegit a partir de caqui. Així mateix, s'ha demostrat que és possible aplicar tècniques basades en l'espectroscòpia d'impedàncies i models matemàtics específics per a millorar el monitoratge i control d'aquests processos, fet que suposa un avanç significatiu en aquest camp.Conesa Domínguez, C. (2017). DESARROLLOS TECNOLÓGICOS PARA LA MEJORA Y CONTROL DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE RESIDUOS AGROALIMENTARIOS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86143TESISCompendi

Use of ultrasound for the characterization and correction of textural defects in dry-cured ham

Tesis por compendio[EN] Dry-cured ham is a product highly appreciated by consumers, nevertheless, there are a large number of manufacturing process-related parameters, as well as ham intrinsic factors, that compromise its final quality. One of the main problems in the quality of dry-cured ham is the appearance of textural defects, in particular, the development of pastiness. This defect is characterized by an excessive softness and loss of elastic behavior of the ham and when tasted, it provokes a feeling similar to the mouth-coating sensation produced by a flour-water paste during the mastication process. Pastiness also makes slicing difficult and promotes the adhesiveness between slices. Currently, the methods available to measure ham pastiness are time-consuming and destructive. For this reason, the seek of faster and non-destructive technologies capable of detecting pastiness is of great importance. In this sense, different technologies such as near infrared spectroscopy, X-rays or ultrasound, that have been previously tested for the nondestructive characterization of different meat products, could be of interest for the detection of ham pastiness. Different approaches, such as the use of high hydrostatic pressure (HHP) or the application of low-temperature long-time thermal treatments (LTLT) at the end of the ham manufacturing, have been previously addressed for the correction of pastiness in dry-cured ham. Notwithstanding, the high cost and the long time required for the HHP and LTLT treatments, respectively, highlights the need for moderate cost and faster alternatives. In this context, the main goals of this thesis were to determine the feasibility of using low intensity ultrasound to non-destructively detect the appearance of pastiness during ham manufacturing and to characterize the level of pastiness in the final product, as well as to explore the feasibility of mild ultrasonic assisted thermal treatments to correct this textural defect. To meet the goal of ham pastiness characterization and correction, a customized drycured ham manufacturing was designed and carried out in order to obtain hams with different levels of pastiness with no remarkable differences on the salt content. During ham manufacturing, the feasibility of using contact ultrasound to monitor the appearance of pastiness was addressed. The ultrasonic velocity was measured in the raw ham, at the end of the salting and post-salting stages, 3 times during the drying-maturation and once the manufacturing was finished. At the end of the manufacturing, the pastiness level (high, medium and no pasty) was also sensory evaluated by an expert panel. As the manufacturing progressed, a progressive increase in the ultrasonic velocity, from 1536 m/s in the raw ham to 1713 m/s in the final dry-cured ham, was found. Notwithstanding, the increase in the ultrasonic velocity was not related with the pastiness defect, probably because the ham texture changes linked to pastiness were masked by the great influence of the compositional changes (salt gain and moisture loss) on the ultrasonic velocity. Therefore, the ultrasonic velocity was not an effective parameter to detect the appearance of pastiness in hams during manufacturing, neither to classify them according to its pastiness level at the end of the manufacturing. Contact ultrasound was also used to monitor the compositional and textural changes taking place along the ham post-salting stage. For this purpose, another batch of hams was salted and post-salting times from 7 to 56 days were tested. During post-salting, the hams were weighted and the ultrasonic velocity was measured every 2 days. Each 7 post-salting days, the composition and the textural properties of a different ham were destructively analyzed. The ham weight loss during the post-salting stage was satisfactorily (r=0.95) described by the increase in the ultrasonic velocity. Moreover, the salt distribution and the moisture loss in the internal parts of the ham were satisfactorily related (r=0.93 and r=0.86, respectively) with the increase in the ultrasonic velocity. The variation in the ham hardness during post-salting was negligible and hence, the velocity increase was mainly attributed to the compositional changes, being barely affected by the changes in texture. The hams obtained after the customized manufacturing were sliced and the ultrasonic velocity and attenuation were measured on the Biceps femoris muscle with the aim of nondestructively finding out its pastiness level. Furthermore, in order to better analyze this textural defect, the composition, protein degradation, instrumental texture and microstructure of the hams were analyzed. Pasty samples presented the highest proteolysis index (38.7% compared to 33.1% for non-pasty hams), exhibited the more relevant structural degradation (merged myofibril structures and appearance of large gaps) and consequently, were the softest (5.4 N of hardness compared to 16.7 N for non-pasty hams) and presented the most intense viscous behavior (0.434 compared to 0.372 for non-pasty hams), although a high degree of experimental variability was found. The non-destructive assessment performed with ultrasound revealed that ultrasonic attenuation could be successfully applied for the grading of dry-cured ham slices according to its pastiness level. Thus, the greater the pastiness, the higher the ultrasonic attenuation, being the average attenuation coefficient for high, medium and no-pasty samples 48.2, 45.4 and 43.1 Np/m, respectively. Notwithstanding, the ultrasonic velocity was similar in all the ham samples, regardless its pastiness level. As observed in whole hams, the ultrasonic velocity was not a satisfactory parameter to detect pastiness in sliced ham, since the large influence of the composition on the ultrasonic velocity added to a similar salt and moisture content of the samples, regardless its pastiness level, led to a similar velocity for the different pastiness levels. Air-coupled ultrasonic techniques in both through-transmission and pulse-echo modes were developed for the characterization of dry-cured ham texture. The non-invasive nature of aircoupled ultrasound allows a contactless measurement, which makes easier its industrial implementation compared to conventional ultrasound techniques for high speed applications without material surface alteration and cross-contamination between food items. As for corrective actions of the texture defects in dry-cured ham, mild thermal treatments in two different heating media (water and air) were evaluated. Furthermore, the feasibility of intensifying these mild thermal treatments with the assistance of power ultrasound was considered. For that purpose, commercial vacuum-packed dry-cured ham slices were heated in a liquid medium, with and without ultrasonic assistance, at different temperatures (40, 45 and 50 ºC), measuring the temperature in the Biceps femoris and in the Semimembranosus muscles. Regarding the treatments in air, commercial vacuum-packed dry-cured ham cylinders were used. In the first set of experiments, ham was heated at a constant air velocity (2 m/s) until different temperatures (40, 45 and 50 ºC) were reached. While in the second set of experiments, ham was treated at constant air temperature (50 ºC) at different air velocities (1, 2, 3, 4 and 6 m/s). In both sets, the treatments were performed with and without power ultrasound application, measuring the temperature in the center of the cylinder. Thermal treatments were extended until a target temperature of 5 ºC lower than the medium (water-air) heating temperature was reached, thus, holding temperature stage did not exist and the treatments only considered the heating one. The heating kinetics of the ham treated in both water and air heating media were mathematically described by means of a heat conduction model. Once the heating finalized, the textural changes of ham (hardness and elastic behavior) were evaluated. The experiments showed that power ultrasound application sped up the heat transfer, significantly (p<0.05) shortening the heating time and increasing the apparent thermal diffusivity up to 51 and 37% for water and air heat treatments, respectively. For the thermal treatments using water, the increase in temperature during the heating brought about a lower ultrasonic intensification (the apparent thermal diffusivity was increased by 51% at 40 ºC compared to the 21% at 50 ºC). On the contrary, in experiments with air, the higher the temperature, the greater the ultrasonic enhancement (the apparent thermal diffusivity was increased by 5% at 40 ºC compared to the 38% at 50 ºC). The effect of the ultrasound application decreased as the air velocity increased, being minimal when the air velocity was the highest (the apparent thermal diffusivity was increased by 21% at 1 m/s compared to the 5% at 6 m/s). As regards the changes in the textural properties of ham after the mild thermal treatments at short times, an increase in hardness and elastic behavior was observed. Finally, the texture correction in dry-cured ham with different levels of pastiness was tackled. For this purpose, vacuum-packed dry-cured ham slices with high, medium and no pastiness were heated in a liquid medium at 40 and 50 ºC for a longer time (5 h, including heating and holding stages) than heating experiments, with and without the assistance of power ultrasound during the heating phase. The texture (hardness, elastic behavior and adhesiveness) and the microstructure of the ham was evaluated in both treated and control samples. After the mild thermal treatments, the texture of ham was improved since the hardness was increased (102%) and the viscous behavior diminished (11%). On average, the increase of hardness at 50 ºC was 159% higher than at 40 ºC, while the decrease of the viscous behavior was 13.5% larger at 50 ºC compared to 40 ºC. The ham adhesiveness was also enhanced independently of the treatment temperature, with a 55% reduction being observed. The application of power ultrasound during the heating phase did not involve any additional textural change. Likewise, after the thermal treatments, the microstructure of hams with pastiness notably changed, experiencing a severe shrinkage of the myofibrils, which contributed to explain the reported textural changes. In conclusion, pastiness is a relevant and highly complex textural defect in dry-cured ham. The use of contact ultrasound and the measurement of the ultrasonic attenuation could be considered a potential technology to non-destructively detect and characterize pastiness in sliced dry-cured ham. Future work should focus on extending this approach to identify pasty whole hams, considering for this purpose the use of air-coupled ultrasound. Moreover, the use of mild thermal treatments in liquid or gas media could be a feasible method to correct the defective texture of dry-cured hams and the application of power ultrasound during the heating phase could be a relevant means of speeding up the thermal treatments.[ES] El jamón curado es un producto muy apreciado por los consumidores, sin embargo, existen numerosos parámetros relacionados con el procesado, así como factores intrínsecos del jamón, que comprometen su calidad final. Uno de los principales problemas de calidad del jamón curado es la aparición de defectos de textura, concretamente, el desarrollo de pastosidad. Este defecto se caracteriza por una textura excesivamente blanda y un comportamiento menos elástico del jamón. A nivel sensorial, provoca una sensación de recubrimiento en boca similar a la masticación de una pasta de harina y agua. La pastosidad también dificulta el loncheado y promueve la adhesividad entre lonchas. Actualmente, los métodos disponibles para caracterizar la pastosidad requieren mucho tiempo y son destructivos. Por esta razón, la búsqueda de tecnologías más rápidas y no destructivas capaces de detectar la pastosidad es de gran importancia. En este sentido, distintas tecnologías como espectroscopía de infrarrojo cercano, rayos-X o ultrasonidos, que han sido ensayadas previamente para la caracterización no destructiva de diferentes productos cárnicos, podrían ser de interés para la detección de pastosidad en jamón. Diferentes alternativas, como el uso de altas presiones hidrostáticas (HHP) o la aplicación de tratamientos térmicos de larga duración a baja temperatura (LTLT) al final del proceso de elaboración del jamón, han sido abordadas previamente para la corrección de pastosidad en jamón curado. Sin embargo, el elevado coste y el largo tiempo requerido para los tratamientos HHP y LTLT, respectivamente, pone de manifiesto la necesidad de encontrar alternativas con un coste moderado y más rápidas. En este contexto, los principales objetivos de esta tesis fueron determinar la viabilidad de la utilización de ultrasonidos de baja intensidad para detectar de manera no destructiva la aparición de pastosidad durante el proceso de elaboración de jamón curado y caracterizar el nivel de pastosidad en el producto final, así como explorar la viabilidad de tratamientos térmicos moderados asistidos por ultrasonidos de alta intensidad para corregir dicho defecto de textura. Para cumplir el objetivo de caracterizar y corregir el defecto de pastosidad en jamón, se diseñó y se llevó a cabo un proceso de elaboración para obtener jamones con distintos niveles de pastosidad sin diferencias considerables del contenido en sal. Durante el procesado, se abordó la viabilidad de utilizar ultrasonidos por contacto para monitorizar la aparición de la pastosidad. Así, la velocidad ultrasónica se midió en el jamón fresco, al final de las etapas de salado y postsalado, 3 veces durante el secado-maduración y una vez terminado el proceso de elaboración. Al final del procesado, también se evaluó el nivel de pastosidad (alto, medio y sin pastosidad) en el jamón loncheado por un panel experto. A medida que avanzó el proceso de elaboración, se observó un aumento progresivo de la velocidad ultrasónica, de 1536 m/s en jamón fresco hasta 1713 m/s en jamón curado. Sin embargo, el aumento en la velocidad ultrasónica no se relacionó con el defecto de pastosidad, probablemente porque los cambios de textura del jamón vinculados con la pastosidad fueron enmascarados por la gran influencia de los cambios composicionales (ganancia de sal y pérdida de humedad) en la velocidad ultrasónica. Así, la velocidad ultrasónica no fue un parámetro útil para detectar la aparición de pastosidad en jamón durante su procesado ni para clasificar los jamones según su nivel de pastosidad al final del procesado. Los ultrasonidos por contacto también se utilizaron para monitorizar los cambios composicionales y texturales que tienen lugar a lo largo de la etapa de postsalado del jamón. Para ello, se saló otro lote de jamones y se evaluaron distintos tiempos de postsalado, desde 7 hasta 56 días. Durante el postsalado, los jamones se pesaron y se midió su velocidad ultrasónica cada 2 días. Cada 7 días de postsalado, se analizó destructivamente la composición y las propiedades texturales de un jamón. La pérdida de peso de los jamones durante la etapa de postsalado fue descrita satisfactoriamente (r=0.95) por el aumento de la velocidad ultrasónica. Además, la distribución de sal y la pérdida de humedad en el interior del jamón se relacionaron de forma satisfactoria (r=0.93 y r=0.86, respectivamente) con el aumento de la velocidad ultrasónica. La variación en la dureza del jamón durante el postsalado fue no significativa y, por ello, el aumento de la velocidad ultrasónica se atribuyó principalmente a los cambios de composición, siendo apenas afectada por los cambios de textura. Los jamones obtenidos con distintos niveles de pastosidad después del proceso de elaboración, se cortaron y se midió la velocidad y la atenuación ultrasónica del músculo Biceps femoris con el objetivo de averiguar de forma no destructiva su nivel de pastosidad. Además, con el fin de analizar mejor este defecto de textura, se analizaron el índice de proteólisis, la microestructura, la textura instrumental y la composición de los jamones. Las muestras pastosas presentaron el índice de proteólisis más alto (38.7% comparado con el 33.1% de los jamones no pastosos), mostraron la degradación estructural más relevante (estructuras miofibrilares fusionadas y aparición de grandes huecos) y, en consecuencia, fueron las más blandas (5.4 N de dureza en comparación con los 16.7 N de los jamones no pastosos) y presentaron el comportamiento viscoso más intenso (0.434 comparado con el 0.372 de los jamones no pastosos), aunque se encontró una gran variabilidad experimental. La evaluación no destructiva llevada a cabo mediante ultrasonidos reveló que la atenuación ultrasónica se podría aplicar con éxito para la clasificación de las lonchas de jamón curado según su nivel de pastosidad. Así, cuanto mayor fue la pastosidad, mayor fue la atenuación ultrasónica, siendo el coeficiente de atenuación promedio de las muestras con alta, media y sin pastosidad de 48.2, 45.4 y 43.1 Np/m, respectivamente. Sin embargo, la velocidad ultrasónica fue muy similar en todas las muestras de jamón, independientemente de su nivel de pastosidad. Como se observó en los jamones enteros, la velocidad ultrasónica no fue un parámetro útil para cuantificar el defecto de pastosidad en jamón loncheado, ya que la gran influencia de la composición en la velocidad ultrasónica sumada al contenido similar de sal y humedad de las muestras, independientemente de su nivel de pastosidad, dio lugar a una velocidad similar en todos los niveles de pastosidad. Se desarrollaron dos técnicas de ultrasonidos acoplados por aire, tanto en modo transmisión-recepción como en pulso-eco, para caracterizar la textura de jamón curado. El carácter no invasivo de los ultrasonidos acoplados por aire permite llevar a cabo medidas sin contacto, facilitando su aplicación a nivel industrial en comparación con las técnicas ultrasónicas convencionales, ya que pueden realizarse medidas a mayor velocidad, sin alterar la superficie del material y evitando la contaminación cruzada entre alimentos. En cuanto a las medidas de corrección de defectos texturales en jamón curado, se evaluaron tratamientos térmicos moderados en dos medios de calentamiento diferentes (agua y aire). Además, se consideró la viabilidad de intensificar dichos tratamientos mediante la aplicación de ultrasonidos de alta intensidad (o de potencia). Para ello, se calentaron lonchas de jamón curado comercial envasadas al vacío en medio líquido, con y sin la aplicación de ultrasonidos, a diferentes temperaturas (40, 45 y 50 ºC), midiendo la temperatura en los músculos Biceps femoris y Semimembranosus. Respecto a los tratamientos en aire, se utilizaron cilindros de jamón curado comercial envasado al vacío. En el primer set de experimentos, el jamón se calentó a velocidad de aire constante (2 m/s) a diferentes temperaturas (40, 45 y 50 ºC); mientras que, en el segundo experimento, el jamón se calentó a temperatura de aire constante (50 ºC) a distintas velocidades (1, 2, 3, 4 y 6 m/s). En los dos sets, los tratamientos se llevaron a cabo con y sin la aplicación de ultrasonidos de potencia, midiendo la temperatura en el centro del cilindro. Los tratamientos térmicos se prolongaron hasta alcanzar la temperatura objetivo, definida como 5 ºC por debajo de la temperatura del medio de calentamiento (agua o aire). Así, no se llevó a cabo una fase de mantenimiento de la temperatura y sólo se consideró la fase de calentamiento de los tratamientos térmicos. Las cinéticas de calentamiento del jamón tratado tanto en agua como en aire se describieron matemáticamente considerando que la transferencia de calor estuvo únicamente controlada por conducción. Una vez finalizado el calentamiento, se evaluaron los cambios texturales del jamón (dureza y comportamiento elástico). Los experimentos mostraron que la aplicación de ultrasonidos de potencia aceleró la transferencia de calor, reduciendo significativamente (p<0.05) el tiempo de calentamiento y aumentando la difusividad térmica aparente hasta un 51 y 37% en los tratamientos térmicos en agua y aire, respectivamente. En el caso de los tratamientos térmicos en agua, el aumento de la temperatura durante el calentamiento provocó una intensificación ultrasónica menor (la difusividad térmica aparente aumentó un 51% a 40 ºC comparado con el 21% a 50 ºC). Por el contrario, en las experiencias en aire, cuanto mayor fue la temperatura, más efectiva fue la aplicación de los ultrasonidos (la difusividad térmica aparente incrementó un 5% a 40 ºC comparado con el 38% a 50 ºC). El efecto de la aplicación de los ultrasonidos disminuyó con el aumento de la velocidad del aire, siendo mínimo con la velocidad de aire más alta ensayada (la difusividad térmica aparente aumentó un 21% a 1 m/s comparado con el 5% a 6 m/s). En cuanto a los cambios de las propiedades texturales del jamón después de los tratamientos térmicos moderados limitados a la fase de calentamiento, se observó un aumento en su dureza y en su comportamiento elástico. Por último, se abordó la corrección de textura en jamón curado con distintos niveles de pastosidad. Para ello, se calentaron lonchas de jamón con alta, media y sin pastosidad envasadas al vacío en medio líquido a 40 y 50 ºC durante tiempos más largos (5 h, incluyendo las fases de calentamiento y mantenimiento) que en las experiencias sólo de calentamiento, con y sin la aplicación de ultrasonidos de potencia únicamente durante la

Redes neuronales artificiales aplicadas a la predicción de parámetros en alimentos acogidos a marcas de calidad

[ES] Los alimentos acogidos a Marcas de Calidad presentan características particulares debidas a su origen geográfico, a las materias primas utilizadas o a los propios procesos de elaboración. Estos alimentos deben cumplir requisitos de calidad adicionales no exigidos al resto de los alimentos, por lo que pertenecer a una Marca de Calidad garantiza a los consumidores la adquisición de un alimento con características excepcionales y a los productores de situaciones fraudulentas derivadas de la competencia desleal de las imitaciones. Por esta razón se requieren métodos objetivos, rápidos y baratos que puedan caracterizar las materias primas empleadas para la elaboración de un alimento, determinar características composicionales del mismo o predecirsu calidad y características organolépticas finales. Dentro de las técnicas analíticas, la Espectroscopía de Infrarrojo Cercano (NIRS) es una herramienta que cumple con estos requisitos además de ser no destructiva, no requerir preparación previa de las muestras ni emplear reactivos cuyo uso pudiera ser tóxico o contaminante. Por otro lado, las Redes Neuronales Artificiales(ANN) han demostrado su utilidad tanto para la categorización de las muestras como para la predicción de valores de parámetros característicos a partir de los datos de entrada. En esta tesis se propone el uso de las ANN como herramienta quimiométrica para interpretar los resultados obtenidos con técnicas analíticas como el NIRS, marcándose como objetivos los de la construcción de un modelo de ANN capaz de clasificar alimentos conforme a criterios preestablecidos, la determinación de las variables que más influyen sobre el comportamiento de la red, la optimización de los parámetros de la red que mejoran su rendimiento y la bonanza de la misma para la predicción de parámetros característicos de productos acogidos a Marcas de Calidad En los tres artículos recogidos en esta tesis, se han empleado ANN para la interpretación de los resultados analíticos obtenidos sobre muestras de jamón curado, chorizo y queso. En un primer artículo, se ha tratado de predecir parámetros sensoriales relacionados con el aspecto, el olor, el sabor y la textura, a partir de los datos obtenidos por espectroscopia NIR sobre muestras de jamón curado procedente de cerdos con genética y sistemas de alimentación diferentes. En un segundo artículo, se han comparado dos técnicas de regresión múltiple como son las ANN y la Regresión por Mínimos Cuadrados Parciales Modificada, a partir de los resultados obtenidos por NIRS, para predecir parámetros sensoriales sobre chorizo relacionados con la degustación en boca y las percepciones externas y al corte. Un tercer artículo aborda la estimación del recuento de células somáticas (SCC) de la leche de oveja empleada para la elaboración de quesos, a partir del análisis composicional físicoquímico y su interpretación con redes neuronales. Las conclusiones que se derivan de los estudios realizados, señalan que la utilización conjunta de la espectroscopía NIR y las ANN para procesar sus resultados, puede predecir parámetros sensoriales de jamón ibérico y chorizo con precisiones relativamente altas, permitiendo su implementación “in-line” en las líneas de procesado, ahorrando tiempo y el coste derivados respecto del análisis sensorial a través de un panel de cata. También que las ANN son una herramienta eficaz para la clasificación de quesos en función del SCC de la leche de oveja utilizada como materia prima. Por todo lo anterior, se puede decir que el uso de las Redes Neuronales Artificiales, aplicadas en el sector de los productos asociados a Marcas de Calidad, son una herramienta adecuada que permite obtener excelentes resultados tanto en la predicción de parámetros sensoriales, como en la clasificación de los productos según criterios de calidad diferenciada

Aplicación del análisis de imagen hiperespectral y tridimensional al control de procesos y productos en la industria harinera y sus derivados

Tesis por compendio[EN] This work is focused on studying of hyperspectral and structured light based tridimensional image analysis about their application on quality and process control of cereal flour industry and derived products. The structured light based tridimensional image analysis has been used to develop a bread dough dynamic fermentation control system. Descriptors obtained from dough shape evolution were used to describe differences between wheat flour batches during fermentation process. In the same way, that system was used to characterize the effect of new ingredients on fermentation process. Those behaviors were analyzed joint to the intern structure of dough during the process, establishing relationships between it and the tridimensional information. Differences in fermentation process were also studied using hyperspectral image analysis. Flours were analyzed using the obtained diffuse reflectance spectra, which contained information within 400-1000 nm of wavelength range. Differences in several spectral bands were correlated with fundamental components of flours such as gluten. That spectral characterization of flours was used to detect adulterations with different grains. Adulterations until 2, 5% of oat, sorghum and corn were detected both flour and bread crumb. The hyperspectral image analysis was also used to control the heat treatment of wheat and oat flours, where spectral information was related to properties of end products.[ES] El presente trabajo está centrado en el estudio de los sistemas de análisis de imagen hiperespectral y tridimensional basado en luz estructurada para su aplicación en el control de procesos y calidad de la industria harinera y de sus derivados. El sistema de imagen tridimensional basado en luz estructurada fue la base para el desarrollo de un sistema de monitorización en continuo de la fase de fermentación de masas panarias. A partir de descriptores desarrollados relacionados con la variación de la forma del producto durante la operación, se establecieron diferencias entre lotes de harinas de trigo y describió el comportamiento de masas reformuladas con nuevos ingredientes. Dicho comportamiento fue analizado en conjunto con la estructura interna de la masa durante la operación, estableciendo relaciones concretas entre esta y la información obtenida a partir de las imágenes. Las diferencias de comportamiento durante la operación de fermentación también fueron estudiadas mediante el sistema de imagen hiperespectral. En este caso, las harinas fueron analizadas directamente mediante imágenes espectrales, obteniendo espectros de reflectancia difusa en el rango de longitudes de onda 400-1000, donde se observaron diferencias en determinadas bandas del espectro. Dichas diferencias fueron correlacionadas con determinados componentes fundamentales como el gluten. La caracterización espectral de la harina de trigo se utilizó posteriormente para la detección de cereales diferentes mezclados con esta. Adulteraciones de hasta un 2,5% de avena, sorgo y maíz fueron detectadas tanto en harina como en panes de trigo. El análisis de imagen hiperespectral también ha sido aplicado al control del tratamiento térmico de harinas de trigo y avena, donde se ha conseguido relacionar la información espectral con las características del producto final.[CA] El present treball està centrat en l'estudi dels sistemes d'anàlisis d'imatge hiperespectral i tridimensional basat en llum estructurada per a la seua aplicació en el control de processos i qualitat de la indústria farinera i dels seus derivats. El sistema d'imatge tridimensional basat en llum estructurada va ser la base per al desenvolupament d'un sistema de monitoratge en continu de la fase de fermentació de masses panaries. A partir dels descriptors desenvolupats relacionats amb la variació de la forma del producte durant l'operació, es van establir diferències entre lots de farines de blat i es va descriure el comportament de masses reformulades amb nous ingredients. Aquest comportament va ser analitzat en conjunt amb l'estructura interna de la massa durant l'operació, establint relacions concretes entre aquesta i la informació obtinguda a partir de les imatges. Les diferències de comportament durant l'operació de fermentació també van ser estudiades mitjançant el sistema d'imatge hiperespectral. En aquest cas, les farines van ser analitzades directament mitjançant imatges espectrals, obtenint espectres de reflectància difusa en el rang de longituds d'ona 400-1000, on es van observar diferències en determinades bandes de l'espectre. Aquestes diferències van ser correlacionades amb determinats components fonamentals com el gluten. La caracterització espectral de la farina de blat es va utilitzar posteriorment per a la detecció de cereals diferents barrejats amb aquesta. Adulteracions de fins a un 2,5% de civada, sorgo i dacsa van ser detectades tant en farina com en pans de blat. L'anàlisi d'imatge hiperespectral també ha sigut aplicat al control del tractament tèrmic de farines de blat i civada, on s'ha aconseguit relacionar la informació espectral amb les característiques del producte final.Verdú Amat, S. (2016). Aplicación del análisis de imagen hiperespectral y tridimensional al control de procesos y productos en la industria harinera y sus derivados [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/65354TESISPremios Extraordinarios de tesis doctoralesCompendi