Zerstörungsfreie Messung der spektralen Lichtabsorption im

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1 Zerstörungsfreie Messung der spektralen Lichtabsorption im Fruchtgewebe Einsatz eines Spektrometers zur Reifebestimmung bei Früchten Welches Ziel wird verfolgt? Sicherung hoher Erträge bei bestmöglicher Qualität der Früchte unter Beachtung des Verwendungszwecks Unterstützung der Entscheidung über die geeignete Verwendung z.b. sofort für den Frischmarkt oder für eine Lagerung über eine vorgegebene Zeitspanne Bestimmen des optimalen Erntetermins, der entsprechend dem vorgesehenen Verwendungszweck sowohl hohe Erträge und Qualität sichert, um zeitnah Informationen über den tatsächlichen Reifeverlauf der Früchte zu erhalten Verbesserung der Planung des Einsatzes von Pflückarbeitskräften und der anschließenden Prozesse zur Verwertung Wie wird die Reife bei Früchten bestimmt? Fruchtentwicklung in Bezug auf Größenzunahme und Formveränderung Farbwechsel häufig von grün nach gelb oder rot im Reifeverlauf Abnahme der elastischen Steifigkeit und Festigkeit Inhaltsstoffveränderung

2 Kriterien zur Reifebestimmung bei Äpfeln: Festigkeit Stärkeabbau Gehalt an löslichen Feststoffen (Brixwert) Chlorophyllabnahme (Verblassen der Grundfarbe) Gasstoffwechsel (Atmungsrate, Ethylenbildung) Was ist ein Spektrometer? ein optisches Messgerät, mit dessen Hilfe schnell und zerstörungsfrei die spektrale Lichtabsorption im Fruchtgewebe bestimmt werden kann Korrelation der optischen Information mit im Labor gewonnen Messdaten über die Inhaltsstoffe (im Rahmen einer Kalibrierung) aus Messdaten Datengewinnung über Gehalte an unterschiedlichen Pigmenten (Chlorophyll, Anthozyane, Carotinoide) und an Wasser und Kohlenwasserstoffen selektive Lichtabsorption bei charakteristischen Wellenlängen des sichtbaren und nah-infraroten Spektrums Anlegen einer mit dem Spektrometer verbundenen Sonde (Messkopf) an die Frucht miniaturisierte Spektralsensoren ermöglichen Aufbau von leicht tragbaren Geräten und damit Messung am Baum bzw. an der Pflanze Prinzip der spektralen Messung Funktionsweise Lichtquelle sendet Licht in einem breiten Wellenlängenbereich Lichtquelle direkt (z.b. Miniglühlampe) oder Glasfaser leitet das Licht auf die Fruchtoberfläche (Eintrittsstelle) Licht dringt durch die Schale ins Fruchtfleisch und verteilt sich in alle

3 Richtungen ein Teil des eingedrungenen Lichts gelangt nach Durchlaufen eines Teils der Frucht an anderer Stelle wieder an die Fruchtoberfläche (Austrittsstelle) spektrale Lichtintensität wird auf dem Weg von Eintrittstelle zu Austrittsstelle durch Absorption im Fruchtfleisch spezifisch beeinflusst Glasfaser nimmt das Licht an der Austrittstelle auf und leitet es zum Spektrometer Spektrale Messdaten werden gespeichert Leistungsparameter eines tragbaren Spektrometers für Forschungszwecke Aufbau und Gewicht: Messparameter: Spektralbereich: Spektrale Auflösung: Messzeit: Sonde: Option: Einsatzdauer: Datenspeicherung: Rucksack mit Elektronikteil, Spektrometer und Handsonde; 4 kg Partielle spektrale Lichtdurchlässigkeit, Oberflächentemperatur 500 bis 1000 nm 3,3 nm 3 s je Messung (spektrale und Temperaturmessung) Ringbeleuchtung mit 6 Miniglühlampen, mittig platzierte Glasfaser Zusätzliche Erfassung von gesprochenen Kommentaren Akkumulatorkapazität ausreichend für 8 h Notebook PC oder Kompakt PC Erprobung des Forschungsspektrometers in der Praxis in einer Apfelplantage in Werder bei Potsdam - Funktionelle Fragen

4 Zuverlässigkeit der spektralen und der Temperaturmessung Eignung der optionalen Erfassung gesprochener Kommentare Kapazität der Stromversorgung Randbedingungen für die Datenerfassung - Herangehensweise Bestimmung der Veränderung der spektralen Charakteristik einer repräsentativen Anzahl von Früchten einer Partie Bewertung an Hand ausgewählter Merkmale im Vergleich mit konventionellen Parametern und Erfahrungswerten Trendanalyse der Merkmalsveränderung, Prognose des optimalen Erntetermins - Auswertung der spektralen Messdaten Bestimmung der Chlorophyllabnahme an Hand des sog. Red-edge und Kontrolle durch Vergleich mit destruktiven Laboranalyse Empirische Definition eines Index der Chlorophyllabnahme und eines Index der Anthozyanbildung zur Beschreibung der Grund- und Deckfarbveränderungen Veränderung der spektralen Messdaten und des äußeren Erscheinungsbildes während der Fruchtreife am Beispiel eines Apfels ( Elstar, ) - Veränderung der spektrale Lichtdurchlässigkeit im Fruchtfleisch während der Fruchtreife des Apfels durch: Abschwächung der zunächst starken Absorption durch Chlorophyll (um 680 nm) Verstärkung der Absorption durch Deckfarbpigment (um 550 nm) verstärkte Absorption im nah-infraroten Bereich (um 800 nm) sprunghafte Abnahme der Absorption durch Chlorophyll zwischen vorletzten und letzten Messtermin starke Wachsbildung (Glanz) in diesem Zeitraum

5 Praktische Einsatzmöglichkeiten Überwachung des Reifefortschritts bei Früchten vor der Ernte Bereitstellung von Informationen über tendenzielle Veränderungen von Inhaltsstoffen während der Fruchtentwicklung am Baum bzw. an der Pflanze sowie in der Nachernte zur Beurteilung der Nachreife im Lager Nutzung der Informationen zur Bestimmung des optimalen Erntetermins unter Beachtung der Verwendung (Frischmarktbelieferung, Lagerung) Welche Produktarten sind geeignet? frische Produkte kompakter Form mit lichtdurchlässiger Außenhaut wie Äpfel oder Tomaten andere Produkte mit Einfluss von Qualitätsveränderungen auf die spektrale Lichtabsorption im ausgewerteten Lichtpfad Welche Produktarten sind nicht geeignet? Produkte mit lichtundurchlässiger Außenhaut wie Nüsse bzw. Produkte ohne Einfluss von Qualitätsveränderungen auf die spektrale Lichtabsorption im ausgewerteten Lichtpfad Umsetzung der spektrometrischen Reifebestimmung in der Praxis

6 Bereitstellung eines kostengünstigen Handgeräts mit Spektrometer (z.b. Pigment-Analyzer) Weiterentwicklung der Bewertungsmethoden für spektrale Merkmale des Reifefortschritts Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. Max-Eyth-Allee Potsdam Deutschland Tel. +49 (0) atb@atb-potsdam.de