Das ART-System (Apfel-Reife-Test)

 
            Evaluating apple and pear maturity using the ART-System
            As apple fruits mature and ripen, the starch in the immature fruit changes to sugar. This decreasing level of starch can be measured by treating the fruit with an iodine solution. The starch reacts with the iodine to give a blue-black color in a characteristic pattern. To do these controls the professional traders use calibrated charts, one for each variety, but the results based on human perception are subjective. To improve the situation, one of the solution is to make the decision through a computer system. The ART-System evaluate maturity using the STREIF method. Fimness, content of sugar and iodine test are included in the system. A compact CCD camera destinate the volume of black colour.

            Reifeindex
            Die Reifezeitbestimmung bei Lageräpfeln ist ein wichtiges Qualitätskriterium. Nur optimal geerntete Äpfel erfüllen bei der Auslagerung nach mehreren Monaten die hohen Ansprüche an Geschmack, Farbe, Aussehen und Fruchtfleischfestigkeit, die für einen erfolgreichen Absatz Voraussetzung sind. Nach der Methode von Dr. Streif (Bavendorf) werden Zuckergehalt [R], Fruchtfleischfestigkeit [F] und Stärkeabbau [S] ermittelt und zu dem sogenannten Reifeindex F/(RxS) verrechnet (s.Tab. 1). Im Vergleich verschiedener Jahre zeigt sich, daß der Index beim optimalen Erntetermin für eine Sorte bemerkenswert konstant bleibt, auch wenn der Erntetermin stark variiert. Jede Sorte hat ihren eigenen F/RS-Wert für den optimalen Erntetermin. Die Werte wurden für das Bodenseegebiet ermittelt. Es hat sich gezeigt, daß für andere Regionen der Reifeindex nach Überprüfung und Anpassung übernommen werden kann. (1)
            Aufgrund der Kombinationen mehrerer Fruchtmerkmale ist das Testverfahren weniger den Störfaktoren ausgesetzt, als Reifetests, die nur ein Kriterium berücksichtigen. (2)


            Tabelle 1: Ermittlung der Einzelparameter für den Reifeindex nach Streif an 5 repräsentativen Früchten

            Merkmal
            Einheit
            Methode
            Fruchtfleischfestigkeit [F]
            Kg/cm²
            Mit Penetrometer (1cm² Stempel für Äpfel, 0,5 cm² für Birnen) nach Entfernen der Fruchtschale
            Zuckergehalt [R]
            % (° Brix)
            Mit Refraktometer im Fruchtsaft
            Stärkeabbauwert [S]
            1 - 10
            Apfelhälften werden mit Lugolscher Lösung (10 g Kaliumjodit + 3 g Jod in 1 l H2O) eingesprüht. Nach 1-2 Minuten wird das Stärkeabbaumuster mit einer Vorlage verglichen. Die Stärkestufen entsprechen dem prozentualen Flächenabbau der Stärke (Stufe 3=30%, Stufe 6 = 60%, usw.).
            Erntezeitbestimmungen in den Jahren 1994-97 von Gala, Rubinette und Braeburn nach dem Streifindex in der Pfalz und Rheinhessen zeigen, daß die Terminierung der Ernte durch die Anbauberatung eingeengt werden konnte. Die Ergebnisse machen aber auch deutlich, daß es in Problemjahren wichtig sein kann, die Einzelparameter zu verfolgen. Ausschlaggebend für den Erntetermin ist dann das Merkmal, das als erstes den Sollwert erreicht. (5)
            Für die Strategie der Obsteinlagerung ist es wichtig, lagerwürdige Posten von lagerunwürdigen sofort beim Ernten oder spätestens bei der Eingangskontrolle zum Lager zu trennen. Nur stabile Ware kommt ins Lager und der Rest ist entweder bald dem Verzehr oder, bei sehr schlechten Eigenschaften, einer industriellen Verwertung zu zuführen. Auch hier liefert der Reifeindex wichtige Entscheidungshilfen.

            ART-System
            Die Streif-Methode erfordert wie dargestellt eine Reihe von Arbeitsschritten, die bei der Beprobung einzelner Partien durchaus zu bewältigen sind. Um Reihenuntersuchungen zu ermöglichen, wurde das ART-System geschaffen. Ausgangspunkt war der Wunsch nach einer objektiven Erfassung des Stärkeabbauwertes und die Reproduzierbarkeit dieses Parameters zu verbessern, ohne den Aufwand der Analyse nicht unnötig zu erhöhen. Da der Stärkeindex gewöhnlich durch einen Vergleich des Musters mit einer Mustervorlage per Auge in Abhängigkeit des Betrachters ermittelt wird, kommt es immer wieder zu Fehleinschätzungen, die sich negativ auf die Fruchtqualität und Lagerfähigkeit auswirken.
            Neben der Verwendung elektronischer Meßgeräte mit PC-Anbindung und einer zentralen Datenbank, die die sofortige Auswertung der Meßdaten ermöglicht, liegt die Innovation des ART-Systems in der objektiven Berechnung des Stärkeabbaus mittels digitaler Bildverarbeitung (Abb. 1).

            Abb. 1: Stärkeabbaumuster bei Jonagold aufgenommen mit dem ART-Bildanalysesystem

            Das ART-System setzt sich aus dem ART-Penetrometer, dem ART-Refraktometer, der ART-Lichtbox und der ART-Software zusammen. Die Module können auch unabhängig voneinander eingesetzt werden (s. Abb. 2)




            Abb. 2: Das ART-Systems besteht aus dem ART-Penetrometer, dem ART-Refraktometer, der ART-Lichtbox und der ART-Software.


            ART-Penetrometer
            Das elektronische ART-Penetrometer ist eine Neuentwicklung, abgestimmt auf die Fruchtfleischfestigkeitsmessung bei Kernobst. Der Kraftaufnehmer ist bereits mit einer Aufnahmevorrichtung für den Apfel sowie einer Mechanik für den Meßvorgang ausgestattet. Ein Meßständer, wie er für die normalerweise verwendeten Handgeräte empfohlen wird, ist nicht erforderlich. Die Meßachse ist waagerecht angeordnet, dies erlaubt die bessere Beobachtung des Meßvorganges. Der Fruchtsaft kann unter dem Apfel in einem Arbeitsgang zur Zuckerbestimmung aufgefangen werden (s. Abb. 3). Das Entfernen der Fruchtschale entfällt, da die verwendeten Meßstempel (1,0 cm² und 0,5 cm²) selbstschneidend sind.





            Abb. 3: Festigkeitsmessung mit dem ART-Penetrometer und Zuckerbestimmung mit dem ART-Refraktometer

            Versuche an Äpfeln haben gezeigt, daß der selbstschneidende Stempel vergleichbare Werte liefert wie der Standardstempel, bei dem zunächst die Fruchtschale entfernt werden muß (s. Abb. 4). Der Vergleich unterschiedlicher Penetrometer zeigt bei den elektronischen Geräten eine geringere Streuung. Dies beruht auf der automatischen Kalibrierung vor dem Messen. Die deutlich höhere Streuung des mechanischen Handpenetrometers ist auf die vernachlässigte Wartung und Reinigung des Gerätes zurückzuführen. Nachtestungen mit einem fabrikneuen Gerät führten zu einem besseren Ergebnis.
            Vor dem eigentlichen Meßvorgang wird die Fruchtschale durchtrennt. Der Einstichanschlag begrenzt die Einstichtiefe auf 1 cm und stoppt den Meßvorgang. Ein Überdrücken ist ausgeschlossen. Der Meßbereich geht von 0 bis 20 kg. Das Penetrometer ist selbstjustierend und arbeitet lageunabhängig. Lediglich eine Taste ist zur Justierung und Nullstellung notwendig. Das Ergebnis der Messung wird an einem Display angezeigt und über die standardmäßige serielle Schnittstelle in die ART-Datenbank übertragen.
            Als Option kann das ART-Penetrometer mit einem eigenen Drucker sowie einer netzunabhängigen Stromversorgung ausgerüstet werden.







            Abb. 4: Fruchtfleischfestigkeitsmessung mit Standardstempel und selbstschneidendem Stempel im Vergleich an Braeburn

            ART Refraktometer
            Zum Einsatz kommt ein eletronisches Handrefraktometer mit digitaler Anzeige. Der Meßbereich erstreckt sich von 0-32 % Brix. Das Refraktometer ist temperaturkompensiert und wird vor den Messungen mit H2O justiert. Eine Fruchtsaftmenge von 0,1 ml ist für die Zuckerbestimmung ausreichend. Das Gerät ist durch vollkommene Kapselung gegen das Eindringen von Flüssigkeiten geschützt. Nach einer Meßzeit von 3 Sekunden. ist das Ergebnis deutlich auf dem Display abzulesen. Eine zusätzliche Lichtquelle ist nicht erforderlich. Das Meßergebnis wird in die ART-Datenbank manuell eingetragen. Der Batteriebetrieb erweitert den Einsatzbereich des robusten Refraktometers.

            ART-Lichtbox
            Die digitale Bildbearbeitung läßt sich in zwei Teilbereiche trennen. 1. Methoden zur Bearbeitung und Modifikation von Bildern. 2. Automatische Auswertung von Bilddaten (z.B. Auswertung von Zellen, Chromosomen, Buchstaben oder die Qualitätskontrolle von Werkstücken). Auf das Letztere wird bei der Auswertung des Stärkeabbaumusters zurückgegriffen. In Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Elektrotechnik an der Fachhochschule Osnabrück, wurde ein Bildverarbeitungssystem, basierend auf einer CCD Kamera mit 256 Graustufen, einer Framegrabberkarte und einem PC zur Bildaufzeichnung, entwickelt. Für die Analyse der Bilddaten war die Programmierung neuer Software notwendig. Die Bildregion, die das Fruchtfleisch repräsentiert, wird von der Kamera erkannt. (3)

            Da der menschliche Betrachter nicht in der Lage ist, Einfärbungen im Fruchtfleisch nach Graustufen zu trennen, stützt er sich bei seiner Beurteilung auf eine willkürliche Beurteilung der Flächenbereiche in helle und dunkle Flächen. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, daß die Einteilung der Stärkeklassen und die zugehörige Vergleichsskala, durch Einschätzung per Auge entstanden, und somit den gleichen Abweichungen unterworfen sind. Das ART-System analysiert die Fläche und ermittelt den eingefärbten Flächenanteil in Bezug auf die Gesamtfläche des Apfels. Ergebnis ist der Stärkeabbauwert in den Stufen 1-10. Zusätzlich wird der Durchmesser des Apfels gemessen. Die Steuerung der Kamera sowie die Ergebnisanzeige erfolgen am PC. Die Bilder können abgespeichert und auch nachträglich ausgewertet werden.
            Neben der bereits angesprochenen CCD-Kamera verfügt die Lichtbox über eine Halogenlichtquelle mit Leuchtmittelkontrolle sowie Justiereinrichtung. Vor Beginn der Stärkebestimmung wird das System kalibriert, damit immer unter den gleichen Bedingungen das durch die Lugolsche Lösung sichtbar gemachte Stärkemuster gemessen wird. Zur Messung wird die angefärbte Apfelhälfte in den Probenraum gelegt. Die Messzeit beträgt ca. 1 Sekunde.
            ART-Software
            Die Apfeldatenbank dient der Verwaltung und Erfassung von Probedaten zu Apfelpartien. Apfelsorten, Lieferanten sowie Flächen werden verwaltet. Alle Meßwerte, die im Zusammenhang mit den Proben stehen, werden in der Datenbank gespeichert und stehen für die Auswertung zur Verfügung (s. Abb. 5).
            Das Programm arbeitet, wenn die Lichtbox vorhanden ist, mit der bereits oben angesprochene Bildanalysesoftware zusammen.




            Abb. 5: Über die Eingabemaske werden die Daten vom Penetrometer und der Bildanalyse per Mausklick abgefragt. Die Beurteilung der Reife ist sofort gegeben.


            Während der Bearbeitung einer Probe wird der Meßvorgang in der Lichtbox aus der Datenbank ausgelöst und das Ergebnis (Stärkeabbauwert, Fruchtdurchmesser) automatisch in die Apfeldatenbank übernommen. Der Fruchtfleischfestigkeitswert wird ebenfalls über die Datenbank vom ART-Penetrometer abgefragt. Alle gespeicherten Daten sind durch einfache Auswahlfunktionen später wieder abrufbar und können natürlich bei Bedarf auch wieder gelöscht werden.
            Im Zuge der Erfassung werden Mittelwerte über die einzelnen Proben errechnet. Der Reifeindex nach Streif wird sofort angezeigt und mit den zur Testapfelsorte gehörigen Sollwertbereichen bzw. Sollwerten verglichen. Neben einer umfangreichen Stammdatenverwaltung zeichnet sich das Programm durch seine vielfältigen Ausgabemöglichkeiten aus. Es lassen sich tabellarische Probenauswertungen und Einlagerungsprotokolle ausdrucken oder Reifeverläufe grafisch darstellen (s.Abb. 6). Die Systemvoraussetzungen sind WIN95/98 oder NT, Pentium ab 100 MHz, 32 MB Arbeitsspeicher und CD ROM Laufwerk. Die Exportfunktion ermöglicht die Übergabe der Daten nach Word und Excel.


            Abb. 6: Reifverlauf von Idared vom 27.08.98 – 14.10.98 in Rheinhessen. Die Entwicklung von Zucker, Festigkeit und Stärke sind neben dem Reifeindex einzeln zu beurteilen.

            Nach einer dreijährigen Entwicklungszeit, die vom Fachbereich Gartenbau der SLVA Oppenheim intensiv begleitet wurde, konnte das ART-System bereits in zwei Ernteperioden seine Praxiseignung unter Beweis stellen. Mit Erfolg stellte die UP GmbH aus Osnabrück das System auf der “fruit logistica” und der “Interpoma” 1998 einem breiten Publikum vor. (6)


            Wofür ist das Art-System?

            1. Reifeterminbestimmung
            Die ART-Software unterstützt diese Aufgabe durch das Bereitstellen einfacher Graphiken, die den Reifeprozeß unterschiedlicher Lagen protokollieren und dessen Annäherung an die optimalen Sollwerte aufzeigt
            2. Qualitätskontrolle
            Das ART-System ermöglicht mit seinen reproduzierbaren Ergebnissen und seiner einfachen Handhabung eine schnelle Reihenuntersuchung. Für jede Probe kann ein entsprechendes Gutachten ausgedruckt werden, das den Reifezustand oder die Qualität zum Ausdruck bringt
            3. Qualitätsmanagement
            Die ART-Software legt alle Daten in einer Datenbank ab, später können einzelne Sorten, Partien oder Anbaulagen hinsichtlich ihrer Lieferqualität schnell und einfach beurteilt werden.
            Fazit
            Zur Beurteilung des Reifetermins bzw. der Lagerqualität bei der Anlieferung nach dem Reifeindex von Streif wurde das ART-System für Reihenuntersuchungen entwickelt.
            Das ART-System vereinfacht die Parametererfassung für den Streifindex. Die Ergebnisse sind aufgrund der objektiven Beurteilung des Stärkeabbaus reproduzierbar. Die Datenbank erlaubt die einfache Archivierung und Auswertung der Daten. Das System ist für die Reifeprognose ebenso wie für die Qualitätsbeurteilung von Äpfeln und Birnen und deren Dokumentation geeignet. Versuchs- und Vermarktungseinrichtungen sind die geeigneten Standorte für das ART-System. Die einzelnen Module des Systems lassen sich je nach Anforderung zusammenstellen.
            Literatur:
            (3)Abke, C., 1997: Analyse von Apfelreifeprozessen mit Hilfe der digitalen Bildverarbeitung. Diplomarbeit FH Osnabrück, Fachbereich Elektrotechnik(2) Lafer, G., 1998: Optimaler Erntetermin – optimale Ergebnisse. Besseres Obst 9/1998, 15-20(1)Streif, J., 1989: Erfahrungen mit Erntetermin-Untersuchungen bei Äpfeln.
            Besseres Obst 9/1989, 235-238.(4) Zimmer, W.; Bonz, E., 1996: Objektorientierte Bildverarbeitung. CarlHanserVerlag, München(5)Ollig, W., 1998: Reifeverlauf und innere Qualität von Gala, Rubinette und Braeburn. Monatsschrift 10/98, 680-681(6)Silke Schweighoefer; UP Umweltanalytische Produkte GmbH, Am Technologiepark 1, 03099 Kolkwitz


            Autor:

            Dr. Herwig Köhler
            SLVA Oppenheim
            Wormserstr. 162
            55726 Oppenheim





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