El sonido como alternativa para evaluar snacks

La búsqueda de nuevos métodos analíticos, a través de la digitalización, que den respuestas rápidas a parámetros sobre seguridad y calidad alimentaria es una de las líneas de trabajo en auge en la industria alimentaria. 

La medición de esos parámetros en tiempo real y en distintos puntos del proceso productivo (desde el campo hasta el producto acabado) plantea la necesidad de mejorar los métodos de análisis ad hoc utilizando tecnologías analíticas alternativas ya existentes. 

Con esa idea, nació el proyecto IAFOOD, financiado por el Gobierno de Navarra, cuyo objetivo estratégico es impulsar la transformación digital de la industria alimentaria. Esto se quiere llevar a cabo mediante la automatización, integración y gestión inteligente de la información, con el propósito de facilitar una producción flexible y eficiente, la reducción de costes y la minimización de desperdicios, así como una mejor adaptación al entorno y a las demandas del consumidor.

Entre los diferentes proyectos que se están realizando dentro de IAFOOD, uno está enfocado en investigar si con la medida del sonido se pueden encontrar parámetros acústicos para objetivar cualidades como la textura, la humedad, la frescura y la ‘crujencia’ en los snacks (en concreto en patatas fritas chips y en un snack extrusionado, ambos facilitados por Grupo Apex). 

Actualmente, las investigaciones realizadas están descubriendo una elevada correlación entre la medida del sonido y los parámetros estudiados en los snacks. Según los análisis realizados hasta el momento, las ventajas a nivel práctico que tiene la medida del sonido en esta clase de productos son las siguientes:

• Son pruebas que pueden realizarse con un dispositivo móvil (smartphone o tablet) lo que facilita la portabilidad y facilidad para la adquisición de datos.
• El tiempo necesario para analizar los datos por cada muestra es muy bajo (solo 1 segundo), lo que permite conseguir resultados de forma rápida.
• Los marcadores obtenidos son relativamente fáciles de calcular, por lo que es sencilla la programación de una aplicación.
• Si finalmente se consigue una buena correlación con los parámetros subjetivos, facilitaría la realización de catas masivas debido al soporte de adquisición estándar (móvil, tablet, ordenador…).

Metodología para la recogida de la información 

Esta investigación, realizada por CNTA en colaboración con Acoustics Analysis, se alinea con la idea de utilizar sensores acústicos para evaluar la textura y ‘crujencia’ de ciertos alimentos (de los que existen estudios previos 1, 2, 3).

Así, la investigación se centra en el desarrollo de esta clase de sensores de bajo coste que puedan captar información objetiva sobre la textura y la humedad, a partir del sonido, en diferentes tipos de snacks.

Para lograr esa información objetiva, se estableció una metodología que constó de varios procesos:

Primero se planteó un diseño de experimentos adecuado para recopilar los datos experimentales necesarios, utilizando productos de varios lotes y diferentes fechas de apertura (recién abiertos y hasta aperturas de 1 mes antes). 

El siguiente paso consistió en determinar la ‘crujencia’ y humedad de los snacks con métodos convencionales (los utilizados hoy en día), diferentes del sonido para contar con medidas de referencia y compararlas con las que se efectuaron a través del sonido.

La ‘crujencia’ se determinó con texturómetro a través de la medida de la textura. Para conseguirlo se utilizaron sondas diferentes: mini Kramer para las patatas fritas y sondas cilíndricas y guillotina para los Jumpers, obteniendo así la textura. Por su parte, la humedad de los snacks se consiguió por gravimetría, mediante una termobalanza. 

Una vez recogidas esas medidas de referencia, se comprobó la utilidad de los sensores diseñados para captar el sonido. Verificado este punto, se realizaron diferentes tandas de mediciones (análisis) en los snacks para lograr determinar la textura, humedad, a través de la medida del sonido. 

 Esta medida se realizó mediante sistema Symphonie bicanal de la marca 01 dB y el análisis posterior de los datos se hizo con un software comercial (B Traitd y dBFa de la firma 01 dB).

Progresión de la investigación

Tras poner en marcha el sistema para recoger la información, el análisis de los datos obtenidos en la primera fase del proyecto (2019-2020) constituyó el punto de partida para los nuevos ensayos. En esta primera fase de la investigación se recogieron las siguientes conclusiones que fueron importantes para el posterior avance en el estudio:

• Los niveles sonoros alcanzados fueron lo suficientemente altos para ofrecer un análisis con garantía.
• Los ensayos realizados con texturómetro, tuvieron una variabilidad más elevada en patatas fritas que en snacks extruidos.
• La información obtenida en el dominio del tiempo y de la frecuencia permitieron caracterizar el efecto ‘crujencia/crocancia’, con una buena correlación mediante parámetros acústicos, conforme a los datos recogidos a la primera fase del proyecto.    
• Los resultados logrados en el dominio del tiempo y de la frecuencia permitieron usar sistemas de recogida de información sencillos, incluso micrófonos de bajo coste.

Esas conclusiones fueron determinantes para continuar con los ensayos de sonido de la segunda fase del proyecto (2021-2022), los cuales se centraron en la medición de este, acoplado a un texturómetro para intentar reducir la variabilidad adicional que proporciona el ensayo sensorial con personas. 

Después del tratamiento de las señales acústicas obtenidas, el siguiente paso fue el desarrollo de una metodología basada en la selección temporal del periodo de interés, es decir, del momento en el que se registra el mayor pico de sonido al romper la estructura del snack. 

En la Figura 1 se observa la selección de la región de interés dentro de todo el perfil sonoro obtenido. En la parte superior de la figura se pueden ver representadas las barras de sonido en decibelios según la frecuencia (Hz) registrada. En la parte inferior se observa cómo a 630 Hz se registra un pico de sonido a los 26 segundos que corresponde con el momento de rotura del snack por parte del texturómetro. 

Una vez seleccionado el pico, se analizó el comportamiento en un periodo breve de tiempo (un segundo es suficiente) para determinar su firma acústica (Figura 2, en la que se puede observar cómo hay una serie de frecuencias de interés (por encima de los 2 KHz) en las que el sonido se diferencia del ruido de fondo, propio del entorno en el que se ha tomado la medida, en este caso un laboratorio).

El último paso de esta segunda fase de la investigación fue la comparación de los datos obtenidos en las dos fases del proyecto. En concreto, se confrontaron los valores conseguidos con el texturómetro, junto con los de cata (en este caso con panel no entrenado), y las muestras de sonido realizadas con los equipos de precisión clase 1 y los analizadores de espectro clase 0, tal y como se puede observar en la Figura 3.  

Tras realizar esa comparación, se pudo comprobar, pese a la variabilidad, una tendencia clara de coincidencia de las señales, para las frecuencias en tercio de octava superiores a los 1,25 KHz. Esto significa que existe un patrón común entre datos sensoriales (catadores) e instrumentales (texturómetro), el cual se relaciona con el producto y que se puede encontrar midiendo el sonido a dicha frecuencia. 

Igualmente, se observó esa tendencia para los valores absolutos de LAeq (nivel de presión sonora equivalente con ponderación A en la posición de medida) y los valores de pico sin ponderar. Esto permite trabajar, por lo menos, con los tres marcadores indicados previamente (pico de sonido, frecuencias en tercio de octava a partir de 1,25 KHz y LAeq).

Los valores en dB (decibelios) o dBA (decibelios ponderados A) indicados también se relacionaron con la frescura del producto y, en este momento, la investigación trabaja en determinar la precisión en días o semanas de bolsas de producto que hayan sido abiertas en distintos periodos. 

Actualmente, gracias al progreso de esta investigación ya se pueden detectar diferencias objetivas de valores de sonido en periodos semanales de producto, y se está analizando esa precisión para valores basados en días. La localización de estas diferencias objetivas permitiría saber el grado de frescura de un producto y si este ha captado humedad y perdido ‘crujencia’, a través del registro del sonido.  

Una vez recogidos y analizados estas diferencias, la investigación se está enfocando en establecer diferentes niveles de sonido a distintas frecuencias de interés en las medidas realizadas durante los ensayos con el texturómetro, en función de cuándo se produce la apertura de las bolsas antes de ser consumidas. El objetivo es utilizar esas distintas frecuencias, posteriormente, con los sensores de sonidos.

En la Figura 4 (gráficos 4a, 4b, 4c, 4d, 4e y 4f) se puede observar la distribución en función del nivel de presión sonora medidos cerca de la probeta y cómo varían los datos de textura y humedad. (En los gráficos 4a, 4b y 4c, el eje Y representa decibelios; en el gráfico 4e representa porcentaje de humedad respecto a días de apertura; en el gráfico 4e la medida del eje Y son Newtons, y en el gráfico 4f el eje Y está expresado en kilogramos).

Los resultados analizados indican una tendencia clara de los niveles de presión sonora (decibelios) a las frecuencias de interés cuando transcurren 35 días, pero existen discrepancias cuando solo pasan 20 días.

Lo mismo sucede con el grado de humedad del producto, de modo que actualmente se está investigando la posibilidad de aportar un grado de precisión a estas pruebas que se pueda utilizar para este tipo de evaluaciones.

Respecto al cambio de textura, el estudio indica que existe una tendencia de disminución de la fuerza que hay que originar para romper la estructura de los snacks. Eso sí, en cuanto entra en juego la subjetividad del individuo, aparecen algunos resultados “extraños” que dificultan obtener conclusiones sobre la precisión del ensayo para evaluaciones subjetivas. 

Finalmente, en el análisis de los snacks extrusionados, las diferencias de humedad, fuerza aplicada con el texturómetro y valores de sonido son más evidentes cuando estudiamos un periodo de tiempo superior (hasta 35 días desde la apertura) que uno inferior.

Utilización del sonido en otros productos

Los resultados que está proporcionando esta investigación muestran que sería posible utilizar este método del sonido en otro tipo de alimentos, que no sean snacks, para la determinación de parámetros como el grado de frescura, la humedad y la valoración objetiva de la respuesta por parte del consumidor antes de realizar la cata.

Para poder obtener todos estos indicadores, sería necesario realizar estudios pormenorizados para cada alimento y analizar la influencia de los sensores y el entorno, pero a priori con la metodología desarrollada en esta investigación resulta factible la realización de dichos análisis a través del sonido de una manera objetiva.

Notas

(1) Sanahuja, S., Fédou, M., Briesen, H.Classification of puffed snacks freshness based on crispiness-related mechanical and acoustical properties, Journal of Food Engineering (2018), doi: 10.1016/j.jfoodeng.2017.12.013. 

(2) Nishimura, R., Nakamoto, H., Kobayashi, F., A Study of Snack Food Texture Estimation Based on Force, Vibration, and Sound Data in Fracture. 2022 IEEE/SICE International Symposium on System Integration, SII 2022Pages 561 – 5652022. Conference Proceedings. 10.1109/SII52469.2022.9708604.

(3) Jakubczyk, E., Gondek, E., Tryzno, E., Application of novel acoustic measurement techniques for texture analysis of co-extruded snacks, LWT - Food Science and Technology (2016), doi: 10.1016/j.lwt.2016.10.013.