Des nouveaux outils de mesure nondestructives. spectroscopie laser et IRM

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1 Des nouveaux outils de mesure nondestructives de la qualité du fruit: spectroscopie laser et IRM Mehinagic E., Musse M. SIVAL, 15 Janvier JP L'Hullier, M Askoura, E Madieta, V Piron G. Winisdorffer, F. Mariette, M. Lahaye

2 Qualité des fruits: pourquoi la mesurer? Maîtrise et contrôle de l état physiologique du fruit (avant récolte) Contrôle qualité pour répondre aux exigences réglementaires et cahiers de charges (à la récolte et en conservation) Apporter un niveau de qualité satisfaisant et régulier pour répondre aux attentes des consommateurs 2

3 Les outils de mesure «traditionnels» de qualité des fruits Contrôle qualité visuel: - Absence de défauts Acariose bronzée des tomates Anthracnose Oiseaux

4 Les outils de mesure «traditionnels» de qualité des fruits Couleur, diamètre (calibre), fermeté, indice brix, acidité: Calibreur éventail Minolta: couleur Code couleur Pénétromètre

5 5 Les outils de mesure non-destructifs déjà sur le marché

6 Limites des outils non-destructifs actuels Complexité, coût Nécessitant par fois une grande technicité Par directement liés aux propriétés structurales des produits (texture) et difficiles à relier à la qualité gustative par exemple 6

7 Quelles sont les outils en emergence? Optiques: spectroscopie laser Electromagnétiques: IRM Mécaniques : Ultrasons, vibrations par excitation Rayons X: Matrices dimages. 7

8 8 Spectroscopie laser

9 Caractéristiques optiques La caractérisation optique d un tissue biologique revient à déterminer ses propriétés optiques (capacité d absorber et/ou diffuser de la lumière). Le spectre d absorption d un tissu peut être un indicateur de sa composition chimique. Le coefficient de diffusion d un tissu est plutôt lié à sa structure, notamment à la densité des cellules et la taille des noyaux. 9

10 Principe Spectroscopie laser* repose sur l illumination d un échantillon par une lumière cohérente. On distingue trois types de spectroscopie laser: Spectroscopie de réflexion Spectroscopie d absorption Spectroscopie de transmission 10 *LASER: Light amplification by stimulated emission of radiation

11 Spectroscopie de réflexion Méthode non destructive, non invasive qui permet de décrire la qualité des matériaux biologiques solides. Méthodes de résolution développées à ce jour: fréquentielle, spatiale et temporelle Rayon de diffusion de lumière dans le fruit pouvant atteindre 2cm Chaque mesure se fait à une longueur d onde spécifique 11

12 Les résultats antérieurs prometteurs 12 - Sur les poires le coefficient de diffusion de photons (µ s ) à 720 nm est corrélé à la présence des imperfections internes à la chair du fruit- Zerbini et al. (2002) - Le coefficient de diffusion lié à la texture des fruits (fermeté, croquant et la jutosité), la combinaison de µa et µ s permettrait de classifier les fruits selon leur degré de maturité (A. Rizzoloa et al., 2010). - Sur les pommes µ s à 750 nm est corrélé au volume d espace intercellulaire, à la fermeté des fruits et la composition de leurs parois -Vanoli et al. (2006); - Détection du ramollissement des fruits au cours du stockage par µ s à 670nm dans les nectarines Zerbini et al. (2005)

13 Avancées technologiques au sein de AI FRUIT (ENSAM, ESA) Les sources Lasers, fragiles et onéreuses, remplacées par des DEL* lors de la mise en œuvre de la SRE Captage de l information à distance par le biais d une caméra CDD Instrumentation d un gant optoélectronique permettant de quantifier les propriétés optiques de différentes variétés de pommes 13 *diodes électroluminescentes

14 Dans les perspectives 14 Intensifier les campagnes de mesure fondées sur la mise en œuvre de la spectroscopie résolue dans l espace (réseau de fibres optiques et caméra). Quantifier les paramètres optiques µ a, µ s voire même g (coefficient d anisotropie) de différentes variétés de pommes, à plusieurs longueurs d onde, et constituer une base de données intégrant les résultats issus de la littérature. Confronter les résultats obtenus par spectroscopie résolue dans l espace à ceux appréhendés par la méthode spatio-temporelle Simuler la propagation des photons dans une structure (réaliste) de pomme, en s appuyant sur les données de l imagerie IRM (Collaboration Maja Musse / IRSTEA),

15 Valorisations récentes 15 L Huillier J-P (2011). Photons diffusion throughout complex biological structures. Oral communication, Session-1, Visible and Near-Infrared Spectroscopy, applications and recent advances. Workshop / Université du Maine, Le Mans, June Le Pommellec J-Y, L Huillier J-P (2011). Theoretical and experimental analysis of the diffusion of light generated by a LED inside tissue-like media. IRBM 32: Piron V, Madieta E, L Huillier J-P, Mehinagic E (2011). Near-Infrared detection of pressure-induced changes in apple structure. In Proceedings, Qualita Congress, Angers / Le Pommellec, J-Y, Piron V, L Huillier J-P (2013). Méthode d extraction des propriétés optiques des fruits fondée sur l utilisation de la Transformée de Fourier discrète. Résumé (2 pages), Congrès Société Française d Optique, SFO, CMOI, Orléans / Askoura M.L., Piron V, Madieta E, L Huillier J-P, Mehinagic E (2013). Assessement of apple optical properties using the spatially resolved spectroscopy laser method. In Proceedings (4 pages), Laser Florence 2013, Session: Basic Science and Laser Physics.

16 Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) appliqué aux végétaux SCANNERS IRM

17 IRM appliqué aux fruits Quantification de la structure des fruits Exemples : structure interne de la courgette structure interne de la tomate Caractérisation des tissus Exemple : porosité Caractérisation de l eau dans les cellules 17

18 IRM appliqué aux fruits Quantification de la structure des fruits Exemples : structure interne de la courgette structure interne de la tomate Caractérisation des tissus Exemple : porosité Caractérisation de l eau dans les cellules 18

19 19 Caractérisation de la structure des fruits

20 Caractérisation de la structure des fruits JOUR 1 JOUR 2 JOUR 4 JOUR 8 JOUR 9 JOUR 11 JOUR 14 JOUR 16 JOUR 18 Autres exemples: développement et maturation (kiwi, mandarine, citron), stockage (pomme, fraise, framboise, pèche), détection de pépins dans la mandarine,

21 IRM appliqué aux fruits Quantification de la structure des fruits Exemples : structure interne de la courgette structure interne de la tomate Caractérisation des tissus Exemple : porosité Caractérisation de l eau dans les cellules 21

22 Caractérisation des tissus microstructure POMME CELLULES GAZ VOLUME ÉLÉMENTAIRE POROSITÉ = VOLUME RELATIF DE LA PHASE GAZEUSE Porosité intervient dans le transfert et des échanges des gaz. 22 Porosité - texture farinosité?

23 Caractérisation des tissus microstructure POMME 5 mm Porosité [%] 23

24 Caractérisation des tissus microstructure (avancées AI-FRUIT) Objectif: approfondir les connaissances sur les mécanismes responsables des changements de microstructure liés la texture. Variétés étudiées: Granny Smith, Ariane, Fuji, Florina, Rome Beauty. Plusieurs calibres pour Fuji Stockage à 4 C 24

25 Caractérisation des tissus microstructure La texture semble être liée à la porosité La porosité varie selon la taille du fruit et la variété Elle ne varie pas significativement durant 2 mois de stockage

26 Conclusion Informations à différentes échelles : échelle macroscopique : taille et répartition des tissus en 3D ou 2D échelle microscopique : micro-porosité locale au sein des tissus échelle cellulaire : répartition hydrique intra cellulaire Technique non-invasive => étude dynamique 26

27 FIN Merci de votre attention! 27

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