Nicht-invasive Zucker- und Festigkeitsmessung von Früchten

Zusammenfassung

Ziel dieser methodischen Arbeit ist der Vergleich der konventionellen, destruktiven Bestimmung der Fruchtfestigkeit mit dem Hand-Penetrometer an geschälten Früchten bzw. mit dem ART-Penetrometer nach Ausstanzen der Fruchtschale mit dem neuen nicht-invasiven „Intelligent Firmness Detector“ (IFD). Verwendet wurden ausgelagerte Apfelfrüchte der Sorten ‘Golden Delicious’, ‘Braeburn’, ‘Topaz’ und ‘Elstar’, die im Februar 2004 zur Sortierung und zum Verkauf anstanden, und gekaufte Früchte.

Der IFD misst – mit Hilfe eines Drucksensors – die Fruchtelastizität bis zu 20× entlang des Fruchtäquators, während sich die Frucht dreht. Die Werte werden automatisch korrigiert, wenn sich eine Frucht seitlich verdreht und der Apfelstiel gemessen wird. Wiederholte Messungen der gleichen Frucht zeigten die geringste Variabilität bei festen Apfelfrüchten, wobei die Abweichung mit±1–2 Einheiten des Festigkeitsindexes oder umgerechnet ±0,2 kg/cm² gering war.

Die genaueste Differenzierung und beste Korrelation zwischen dem IFD und den herkömmlichen, destruktiven Methoden bestand bei festeren, vermarktungsfähigen Äpfeln wie ‘Braeburn’ über 6 kg/cm². Eine Ursache kann die einmalige Eichung des IFD mit einem Hartgummiball in oberen Messbereich sein. Die geringere Korrelation zwischen dem IFD und den beiden destruktiven Methoden bei weichen Früchten unter 4 kg/cm² wird darauf zurückgeführt, dass die Festigkeitsmessung mit dem Hand-Penetrometer durch das vorherige Schälen genauer ist, während der Stempel im ART – System die Schale erst eindrückt und dann ausstanzt bevor er das Fruchtfleisch durchdringt und die Festigkeit somit ebenso überschätzt.

Die nicht-invasive Zuckerbestimmung mit dem „Intelligent Fruit Analyser“ (IFA) beruht auf bis zu fünf optischen Transmissionsmessungen pro Frucht im Bereich 400–1100 nm. Alle Transmissionsspektren zeigten die typische Chlorophyllabsorption bei 672–679 nm und darüber im NIR – Bereich zwei Spitzenwerte bei 710–730 nm und 814–824 nm. Bei diesem Verfahren wird die ganze Frucht, d. h. z. B. ein Apfel, eine Kiwi oder Apfelsine durchleuchtet. Die VIS/NIR – Transmissionsspektren werden mit einem Siliziumdetektor mit Diodenarray unter der Frucht aufgezeichnet, einer Faktorenanalyse unterzogen und vor der Messreihe mit den im Refraktometer gemessenen Zuckergehalten der gleichen Früchte korreliert. Die Korrelation stieg bei nur 50 Früchten von r² = 0,62 bei ‘Elstar’ durch eine größere Stichprobe auf r² = 0,84. Bei derart hohen r²-Werten betrug die Genauigkeit der Zuckerbestimmung mit dem IFA ca. 4%, d. h. ±0,65°Brix bei Zuckergehalten in Äpfeln von 14–19°Brix.

Beim Zuckermodul IFA ist entweder eine umfangreiche, repräsentative Stichprobe oder sowohl für jede Sorte als auch für unterschiedliche Standorte eine eigene Korrelation notwendig, die der Hersteller berechnet und im IFA speichert. Bei beiden Bestimmungen mit dem IFD und IFA traten keine Druckstellen oder sonstige Schäden an den untersuchten Früchten auf.

Abstract

The objective of this work was to compare three devices which measure the firmness of fruit, viz. the destructive handheld and the destructive ART penetrometer (both with peeled apple fruit), with the new non-invasive ’intelligent firmness detector’ (IFD). CA-stored apples of cvs ‘Golden Delicious’, ‘Braeburn’, ‘Topaz’ and ‘Elstar’ and commercially obtained fruits were used in this study in February 2004.

The IFD firmness module records the elasticity 20times per fruit on its equator during one rotation and corrects for irregular rotations, which measure the firmness of the pedicel rather than the fruit. Replicate measurements of the same fruit showed the least variation or best reproducibility of ±1–2 elasticity units with firm cv. ‘Braeburn’ apples, equivalent to penetrometer values of ±0.2 kg/cm².

Reliable, reproducible data and a good correlation between the IFD and the two conventional, destructive methods were recorded with firm apple fruits in excess of6 kg/cm² such as cv. ‘Braeburn’. This may be due to the calibration of the IFD with a relatively hard rubber ball. Soft apples with penetrometer readings of less than 4 kg/cm² gave a poor correlation between the firmness detected by IFD and the two destructive methods. The handheld penetrometer, where the apples are manually peeled first, gave more accurate results for soft fruit. The ART penetrometer dents the fruit skin before its plunger removes the respective skin area resulting in artificially “firm” fruit values.

The non-invasive sugar assessment of the ‘intelligent fruit analyser’ (IFA) is based on VIS/NIR (400–1100 nm) spectra transmitted by an entire fruit such as apple, kiwi fruit or orange. Transmission spectra of all apples were characterised by a chlorophyll absorption trough at 672–679 nm in the visible (VIS) range and two peaks at 710–730 nm and 814–824 nm in the near-infrared (NIR) range. These spectra were recorded by a silicon detector with a diode array underneath the fruit and multiple regression analysis based on five IFA values per fruit and refractometer readings from the same 50 apples for each cultivar and growing region. Correlation between IFA and refractometer values improved from r² = 0.62, using only 50 apples, to r² = 0.84 with cv. ‘Elstar’ by employing further replicates. This resulted in an accuracy of the non-destructive IFA sugar determination of ca. 4% variation from refractometer values, e.g. an accuracy of ±0.65°Brix in apple fruit with 14–19°Brix.

The work has shown that non-invasive sugar determination with the IFA requires regression curves in the grading machine for each apple cultivar, growing region and year, or replicates representing all possible fruit features, whose values are stored in the grading machine. Neither bruises nor heat damage were observed on fruit measured by either the IFD or IFA.