Debido a su valor nutricional y económico, el tomate es considerado una de las principales hortalizas en términos de producción y consumo en el mundo. Por esta razón, un estudio importante es el volumen del fruto relacionado con la pérdida de masa, un proceso que se desarrolla principalmente después de la cosecha. Este parámetro afecta directamente el valor económico del cultivo, llevando a la comunidad científica a abordar progresivamente el problema. Sin embargo, históricamente no ha existido un método sin contacto que permita una estimación precisa del volumen de manera eficiente.
Importancia del Volumen y la Densidad en Productos Agrícolas
El volumen es uno de los temas importantes en la producción y procesamiento de productos alimenticios. Junto con otras propiedades físicas, desempeña un papel crucial en el cálculo de la pérdida de agua, la transferencia de calor, la cantidad de aplicaciones de plaguicidas y las tasas de respiración, entre otros aspectos. Para los sistemas de procesamiento de alimentos, las técnicas rápidas y no destructivas para la medición de volumen son útiles para clasificar el tamaño, la calidad y la concentración microbiana [1].
En frutas y verduras, el tamaño, la masa, el volumen y los atributos de densidad están correlacionados. El volumen y la masa, juntos, determinan la densidad de la fruta, la cual está relacionada con la consistencia y el sabor del producto. Por ejemplo, el volumen utilizado como característica de clasificación de frutas y hortalizas muestra un coeficiente de correlación de 0.91 con la longitud en la clasificación de chile jalapeño [5]. Las diferencias de densidad también se han utilizado para la inspección de calidad, tales como la prueba de viabilidad de semillas y la prueba de granulación de cítricos.
Métodos de Medición del Volumen en Frutas y Verduras
Método de Desplazamiento de Agua (MDA)
El volumen real de los frutos se puede medir por el método de desplazamiento de agua (MDA), uno de los métodos más comunes y simples para medir el volumen de objetos grandes como frutas y verduras [18]. El procedimiento es el siguiente: primero, el fruto es pesado en una balanza y enseguida se sumerge en agua con una barra de plomo. El peso del agua desplazada se calcula restando el peso del contenedor lleno de agua del peso del contenedor cuando contiene la fruta. La fórmula para el volumen es:
Volumen (cm³) = Peso del agua desplazada (kg) / Densidad del agua (kg/cm³)
Aunque el método MDA es bastante preciso, no es ideal para objetos que absorben agua y, para algunos productos, este enfoque puede considerarse intrusivo o destructivo.
Técnicas No Destructivas Basadas en Visión por Computadora
Ante las limitaciones de los métodos tradicionales, la comunidad científica ha explorado técnicas no destructivas. En el trabajo [6], por ejemplo, se desarrolló una combinación de visión por computadora y redes neuronales para la estimación del volumen del fruto de pera a partir de imágenes digitales 2D. En [4] se desarrolló un algoritmo de imagen para medir el volumen de productos agrícolas de forma no circular, como las zanahorias. Técnicas de procesamiento de imágenes para calcular el volumen y la superficie de productos agrícolas axi-simétricos fueron utilizadas en [7, 8]. En [11] se determinó el volumen de la sandía usando aproximación elipsoide y procesamiento de imágenes.
Método Cuantitativo Mediante Reconstrucción 3D para Tomates
Un método cuantitativo que permite estimar el volumen del fruto del tomate mediante una técnica de reconstrucción 3D ha sido desarrollado recientemente. Este método se basa en una cámara que adquiere diferentes vistas de la silueta de la fruta. Mediante el procesamiento de imágenes, se genera una nube de puntos 3D y, posteriormente, se aplica una técnica de triangulación de Delaunay para la estimación del volumen 3D de la fruta.
La metodología implementada en este trabajo implica la determinación del volumen 3D del fruto del tomate mediante la técnica de vistas múltiples. Esta metodología incluye la adquisición de los datos, la segmentación de la imagen, la generación de nube de puntos y la determinación del volumen 3D.
El sistema implementado consiste en un dispositivo que permite rotar el fruto de tomate de 0° a 360°. El fruto de tomate es montado sobre el soporte de la base giratoria para su escaneo. A partir de las imágenes tomadas con la cámara, se realiza la extracción de las siluetas del objeto mediante la segmentación de la imagen, aplicando un valor de umbral para eliminar el fondo de la imagen.
En este proceso, sxi, syi y szi representan vectores de las coordenadas de los píxeles que pertenecen a la i-ésima silueta extraída, Np representa el número de píxeles en la silueta, e i es el índice del número de silueta. Puesto que se trata de imágenes 2D, se considera que sxi=0. Aquí, λ es un incremento constante que sirve para garantizar la densidad de la malla del volumen generado por la silueta.
Para la visualización del objeto se debe generar una malla 3D a partir de la nube de puntos obtenida. Debido a que la técnica presentada genera una nube de puntos que van desde la superficie hasta la parte interna del objeto, la triangulación de Delaunay puede ser muy lenta y poco representativa de la forma del objeto. Este algoritmo está basado en dividir la nube de puntos del objeto en cortes o capas.
A partir de cada capa, se obtiene una silueta de una sección del objeto, como si fuera su sección transversal. A dicha silueta se le aplica el algoritmo de Canny [17] para extraer únicamente el contorno de la silueta. De esta forma, el conjunto de todas las coordenadas de los contornos representa la nube de puntos de la superficie del objeto.
Caracterización de la Forma
Las esferas y cubos son los únicos objetos cuyo tamaño se puede dar por un solo número (diámetro o longitud). Sin embargo, las partículas de polvo alimenticio son partículas anisométricas con formas irregulares y requieren varios parámetros de tamaño y forma para su caracterización [11]. La razón de elongación y planicidad se representan por las longitudes de tres ejes representativos: L (longitud del eje máximo), W (longitud del eje medio) y T (longitud del eje menor) [15].
La razón de elongación (ER) se define como la razón de la dimensión intermedia (W) de la silueta y la dimensión larga (L): ER = W/L. La razón de elongación para objetos circulares es igual a la unidad.
Otras relaciones importantes incluyen:
- Razón de planicidad (FR): FR = T/W
- Razón de aspecto (AR): AR = L/W
- Factor de forma (SF): SF = T/(W*L)
El diámetro nominal (dn) se puede calcular como: dn = (6V/π)^(1/3) y el área superficial nominal (sn) como: sn = (36πV^2)^(1/3), donde V es el volumen.
Caso de Estudio: Estimación de Volumen de Tomate
Para un estudio específico, se tomó una muestra de 50 tomates tipo bola de la mejor variedad el 13 de abril de 2017 a las 8:30 am, de una propiedad de invernadero en Colón, municipio de Ajuchitlán, estado de Querétaro, México. La muestra se almacenó en un refrigerador doméstico de Samsung, con una distribución en tres secciones: dos con 24 frutos y la última con 2 frutos. La temperatura y humedad relativa se mantuvieron controladas a 4°C y 33% respectivamente, mientras que la temperatura y la humedad del ambiente variaron entre 26-29°C y 30-33%, respectivamente.
Los valores mínimo, máximo y promedio de volumen (medido con WDM y estimado con la técnica de reconstrucción 3D) se registraron. El factor escala fue obtenido utilizando objetos de dimensiones conocidas, como una esfera perfecta.
La estimación del volumen del fruto del tomate desarrollada en este trabajo presentó una alta precisión, con un porcentaje de estimación del volumen en 3D del 97.55% y un bajo error de aproximación (2.45%) en comparación con datos experimentales. Esto se logró mediante una estimación de proyección de vistas múltiples de imágenes que permitieron obtener el volumen en 3D.
La metodología propuesta para la estimación del volumen en 3D del fruto del tomate desarrollada aquí puede ser una herramienta útil tanto para los productores como para los consumidores para gestionar mejor los desafíos logísticos del mercado poscosecha. En este contexto, este desarrollo podría permitir a productores y consumidores reducir las pérdidas económicas que afectan al tomate durante el proceso de maduración y comercialización.
Implicaciones en la Comercialización y Logística
El proceso de comercialización de la fruta de tomate en México requiere varios pasos logísticos para llevar las frutas frescas de la cosecha al consumidor. Dependiendo del mercado al que va dirigido (nacional o internacional), el manejo poscosecha del tomate incluirá: carga, transporte, recepción, almacenamiento, clasificación y venta. Hay pocos casos en que el productor agrícola tenga una conexión directa con supermercados, empresas de procesamiento de alimentos o consumidores finales. En el caso del mercado interno o nacional, existen dos canales de comercialización principales para el tomate: en el primero, el productor destina su producción envasada a los centros de suministro, tiendas de autoservicio y empresas de procesamiento para finalmente distribuirlo a los consumidores.
Entre los resultados secundarios de este estudio se encuentra una base de datos con parámetros dimensionales como área y diámetro (longitudinal, señal y transversal), complementando la adquisición de imágenes digitales durante el proceso de maduración del fruto del tomate.
Aplicación de la Densidad Volumétrica en la Nutrición: La Dieta Volumétrica
La falta de saciedad es una de las principales razones por las cuales muchas dietas para bajar de peso resultan poco exitosas. Las dietas muy restrictivas o sumamente bajas en calorías a menudo incitan a las personas a comer de más. Desde 1977, estudios en poblaciones representativas con dieta occidental han reportado un aumento en el número de porciones de alimentos, la frecuencia de las comidas y la ingesta total, lo que ha llevado a un incremento en la densidad energética total.
El secreto de la dieta volumétrica radica en dos factores determinantes para el control del peso: la cantidad de raciones que se comen y la densidad calórica del alimento. Esta dieta se enfoca en aumentar el volumen de la comida sin elevar significativamente el consumo de calorías.
La dieta volumétrica se describe como una forma de alimentación que privilegia alimentos vegetales variados y abundantes, mucha agua, complementados con grasas saludables, buenos carbohidratos y suficiente proteína. Consiste en comer alimentos con una gran densidad nutricional (alto contenido en micronutrientes, agua y fibra) pero con una baja densidad energética (pocas calorías). Estos alimentos requieren mayor masticación y digestión, aportando mucha saciedad.
Alimentos y Principios de la Dieta Volumétrica
Ejemplos de alimentos con baja densidad energética incluyen:
- Frutas: como grosellas.
- Verduras sin almidón: acelga, alcachofa, espinacas, apio, guisantes, berenjena, brócoli, brotes, calabaza, cebolla, coles de Bruselas, coliflor, espárragos, judías verdes, nabo, pepino, pimientos, rábano, remolacha, repollo, lechuga, escarola, tomates, zanahoria.
- Cereales integrales: trigo, cebada, copos de avena, pan y pasta integral.
- Semillas de lino: que contienen un 38% de fibra.
- Legumbres y algunos frutos secos como las nueces.
- Infusiones de hierbas o frutas.
El plan se acompaña del consumo de entre 2.5 a 3 litros diarios de líquidos, entre agua, caldos y licuados. Se recomienda beber un vaso de agua antes de las comidas principales para disminuir la sensación de hambre y asimilar un 13% menos de calorías. El primer plato debe ser siempre una ensalada o una sopa. También se pueden consumir lácteos en su versión desnatada y carnes magras o bajas en grasa. Las preparaciones admitidas son a la plancha, al horno, guisos y sopas.
Beneficios y Potencial de Pérdida de Peso
Se estima que con la dieta volumétrica la pérdida de peso es de entre 0.5 a 1 Kg por semana. Si la dieta se acompaña de actividad física aeróbica de al menos 30 minutos diarios (caminar, correr, montar en bicicleta o bailar zumba), la pérdida puede ser mayor.
La principal ventaja de esta dieta es que se puede perder peso sin pasar hambre. Sus defensores aseguran que disminuye el estreñimiento y el colesterol malo, y controla la diabetes. Las sustancias derivadas de la digestión de la fibra aumentan el nivel del colesterol bueno (HDL) y bajan el del colesterol malo (LDL). La fibra también es eficaz contra las infecciones y se estudia su acción preventiva contra distintos tipos de cáncer.
Categorización de Alimentos por Densidad Energética
Esta dieta, que ha sido reconocida por publicaciones como U.S. News & World Report del 2019, clasifica la comida en cuatro grupos basados en la densidad energética, la cual se calcula dividiendo las calorías entre los gramos de una porción del alimento.
Considera que entre más agua tenga el alimento, menor será su densidad. Además, contendrá menos azúcares, grasas y sodio.
- Categoría 1 (Muy baja densidad) < 0.6: Incluye frutas y verduras sin almidón, lácteos descremados, y sopas o caldos. Por ejemplo, el apio con 4 kcal/100g tiene una densidad de 0.04.
- Categoría 2 (Baja densidad) 0.6 a 1.5: Abarca frutas y verduras con almidón, granos, cereales, carnes bajas en grasa, leguminosas y platillos bajos en grasa.
- Categoría 3 (Mediana densidad) 1.5 a 4: Comprende carnes, quesos, aderezos y pan.
- Categoría 4 (Alta densidad) 4 a 9: Incluye chocolates, nueces, galletas, aceite y golosinas. Por ejemplo, las frituras con 143 kcal/30g tienen una densidad de 4.7.
La distribución de macronutrientes (carbohidratos, lípidos y proteínas) en esta dieta, al priorizar los alimentos de muy baja y baja densidad, moderar los de mediana y limitar o evitar los de alta, será muy similar a la de una dieta equilibrada. El aporte sugerido de esta dieta es de 1400 kcal al día, pero se puede personalizar a las demandas individuales al agregar de 2 a 3 snacks al día para aumentar el aporte. Además, se motiva a realizar por lo menos 30 minutos de ejercicio al día, según las Guías de Actividad Física para los Americanos del 2018.
Desventajas y Consideraciones
Al tratarse de una dieta con un alto contenido en fibra y agua, puede producir hinchazón abdominal, retención de líquidos y flatulencia hasta que el cuerpo se acostumbra. Aunque efectiva para bajar de peso, esta dieta, en esencia, no es un descubrimiento totalmente nuevo, sino una adaptación de principios dietéticos existentes, como la dieta mediterránea o las dietas bajas en carbohidratos (Low Carb). Recomienda evitar los carbohidratos "malos" o de absorción lenta (azúcar doméstico, harina blanca y dulces) y apostar por los "buenos" o con una carga glucémica baja (harina integral, fruta, verduras y hortalizas), que hacen subir lentamente los niveles de insulina en sangre y sacian durante más tiempo.
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