title: Engineering approach for postharvest supply chain simulation and optimized design
Creators: name: Jalali, Ali
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::600 Technik::600 Technik, Technologie
subject: mathematical modeling
subject: modified atmosphere
subject: packaging
subject: fresh produce
subject: shelf life

description: A major part of the annual food loss, about 45 % comes from fresh horticultural produce, most of which are highly perishable. Fresh fruit and vegetables continuously lose their quality after harvest due to their physiological behaviour including respiration and transpiration. Respiration causes senescence, loss of firmness and oxidative mass loss of fresh produce. The main factors affecting the respiration rate are temperature and gas composition in the ambient surrounding the fresh produce. The temperature has a direct relationship with the respiration rate. Low O2 and high CO2 concentrations in the ambient surrounding the produce can decrease the respiration rate. Fresh produce has also a high amount of moisture in the intracellular space and therefore loses water due to transpiration. The transpiration is driven by a vapour pressure deficit between the product surface and headspace. Water loss is one of the main causes of commercial and physiological deterioration of fresh produce, in the form of wilting, shrivelling, and decreasing stiffness, turgidity and succulence. Exposing fresh produce to an atmosphere with high humidity can control moisture loss and preserve quality. The desired atmosphere may be achieved by active control of gas composition and humidity in the storage atmosphere (controlled atmosphere) or by packaging the fresh produce, so that the desired gas composition and high humidity are achieved passively, by interaction with respiration and transpiration of fresh produce. Shelf life is a period, during which the fresh produce quality satisfies consumer acceptance and safety measures. Predicting the shelf life was the core aim of this research. For this, the effort was made first on modelling the physiological behaviour of fresh produce as a function of environmental variables such as temperature, gas composition, and relative humidity. Also, the barrier properties of packaging film and the physical behaviour of packaging materials were modelled. The packaging headspace gas composition, relative humidity, and moisture evolution inside packaging tray were then predicted by modelling the interaction of the physiological behaviour of fresh produce and the physical behaviour of packaging material. Selected quality factors such as cumulative mass loss and microbial deterioration were predicted under supply chain conditions and translated to shelf life by comparison with the consumer quality acceptance. Two different packaging types, including MAP and open tray under realistic supply chain conditions, were compared in terms of shelf life. Deterioration-based shelf life for strawberries was 10.8 d under MAP condition as compared to 9.5 d in the open tray. Mass loss-based shelf life for strawberries was 8.0 d for MAP condition as compared to 2.3 d in the open tray. In general, mass loss limited the shelf life even in the case of MAP, because the consumer removes the packaging film for consumption and refrigerator storage. As the final step, a modified atmosphere container was developed to actively control the desired gas composition inside at a predefined set point level despite the temperature change. A mini air blower was used for gas exchange between the container and the external atmosphere. A thin and long tube prevented air from entering the container but facilitated air exchange when the blower was switched ON. The blower ON frequency (s h-1) was modelled as a function of storage temperature, taking into account the type and amount of fruit, blower properties, tube dimension, and the setpoint of CO2 concentration. The model was used in programming an Arduino microcontroller. It was programmed to read temperature data from the thermistors and activate the blower to control the gas concentration in the container based on the average temperature. The system could control the CO2 concentration at the setpoint level (12.5%) for constant temperatures of 6 °C and 17 °C and changing temperature from 17 °C to 9 °C. The blower ON frequency ranged from 32 s h-1 at 6 °C to 350 s h-1 at 17 °C. There was a good agreement between the measured and predicted values of gas concentration obtained from the simulation. The maximum RMSE value of predictions was 0.30 % at 17 °C storage temperature. The developed concept based on the model for blower ON frequency together with feed-forward of temperature sensor data to the microcontroller showed a promising technique for the storage and transport of fruit and vegetables under a modified atmosphere with fluctuating temperatures normally occurring in the supply chain. It has the potential to eliminate costly gas sensors and provide good flexibility to adapt to the storage and transport of a wide range of fresh fruit and vegetables.
description: Ein großer Teil des jährlichen Lebensmittelverlusts, etwa 45 %, stammt von frischen Gartenbauprodukten, von denen die meisten leicht verderblich sind. Frisches Obst und Gemüse verliert nach der Ernte aufgrund ihres physiologischen Verhaltens, einschließlich Atmung und Transpiration, kontinuierlich an Qualität. Die Atmung verursacht Alterung, Festigkeitsverlust und oxidativen Massenverlust von frischen Produkten. Die Hauptfaktoren, die die Atmungsrate beeinflussen, sind Temperatur und Gaszusammensetzung in der Umgebung der frischen Produkte. Die Temperatur steht in direktem Zusammenhang mit der Atmungsrate. Niedrige O2- und hohe CO2-Konzentration in der Umgebung des Produkts können die Atmungsrateverringern. Frische Produkte haben auch einen hohen Feuchtigkeitsgehalt im Intrazellularraum und verlieren daher Wasser durch Transpiration. Die Transpiration wird durch ein Dampfdruckdefizit zwischen Produktoberfläche und Umgebung angetrieben. Wasserverlust ist eine der Hauptursachen für den kommerziellen und physiologischen Verderb von Frischeprodukten in Form von Welken, Schrumpfen und abnehmender Steifheit, Turgeszenz und Saftigkeit. Wenn die frischen Produkte einer Atmosphäre mit hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt werden, kann der Feuchtigkeitsverlust kontrolliert und die Qualität bewahrt werden. Die gewünschte Atmosphäre kann durch aktive Regelung der Gaszusammensetzung und Feuchtigkeit in der Lageratmosphäre (kontrollierte Atmosphäre) oder durch Verpackung der frischen Produkte erreicht werden, so dass die gewünschte Gaszusammensetzung und hohe rel. Feuchte passiv durch Wechselwirkung mit Atmung und Transpiration von Frischeprodukten erreicht werden. Die Haltbarkeit ist ein Zeitraum, in dem die Qualität der Frischeprodukte die Verbraucherakzeptanz und die Sicherheitsmaßnahmen erfüllt. Die Vorhersage der Haltbarkeit war das Kernziel dieser Forschung. Dazu wurde zunächst versucht, das physiologische Verhalten von Frischeprodukten in Abhängigkeit von Umgebungsvariablen wie Temperatur, Gaszusammensetzung und relativer Luftfeuchtigkeit zu modellieren. Auch die Barriereeigenschaften von Verpackungsfolien und das physikalische Verhalten von Verpackungsmaterialien wurden modelliert. Die Gaszusammensetzung im Verpackungsfreiraum, die relative Feuchtigkeit und die Feuchtigkeitsentwicklung in der Verpackungsschalen wurden dann vorhergesagt, indem die Wechselwirkung des physiologischen Verhaltens von Frischeprodukten und des physikalischen Verhaltens des Verpackungsmaterials modelliert wurde. Ausgewählte Qualitätsfaktoren wie kumulativer Massenverlust und mikrobielle Verschlechterung wurden unter Lieferkettenbedingungen vorhergesagt und durch Vergleich mit der Verbraucherqualitätsakzeptanz auf die Haltbarkeit übertragen. Zwei unterschiedliche Verpackungsarten, darunter MAP und offene Schale, wurden unter realistischen Lieferkettenbedingungen hinsichtlich der Haltbarkeit verglichen. Die auf Verderb basierende Haltbarkeit für Erdbeeren betrug 10,8 Tage unter MAP-Bedingungen im Vergleich zu 9,5 Tagen in der offenen Schale. Die auf Massenverlust basierende Haltbarkeit von Erdbeeren betrug 8,0 Tage unter MAP-Bedingungen im Vergleich zu 2,3 Tagen in der offenen Schale. Generell begrenzte der Masseverlust auch bei MAP die Haltbarkeit, da der Verbraucher die Verpackungsfolie zum Verzehr und zur Kühlschranklagerung entfernt. Als letzter Schritt wurde ein Behälter für modifizierte Atmosphäre entwickelt, um die gewünschte Gaszusammensetzung im Inneren trotz der Temperaturänderung aktiv auf einen vordefinierten Sollwert zu regeln. Für den Gasaustausch zwischen dem Behälter und der Außenatmosphäre wurde ein Mini-Luftgebläse verwendet. Ein dünner und langer Schlauch verhinderte das Eindringen von Luft in den Behälter, erleichterte jedoch den Luftaustausch, wenn das Gebläse eingeschaltet war. Die Einschaltfrequenz des Gebläses (s h-1) wurde als Funktion der Lagertemperatur modelliert, wobei Art und Menge der Früchte, Gebläseeigenschaften, Rohrabmessungen und der Sollwert der CO2-Konzentration berücksichtigt wurden. Das Modell wurde in der Programmierung und im Arduino-Mikrocontroller verwendet. Es wurde so programmiert, dass es Temperaturdaten von den Thermistoren ausliest und das Gebläse aktiviert, um die Gaskonzentration im Behälter basierend auf der Durchschnittstemperatur zu steuern. Das System konnte die CO2 -Konzentration auf den Sollwert (12,5 %) für eine konstante Temperatur von 6 °C und 17 °C und eine Temperaturänderung von 17 °C auf 9 °C regeln. Die Gebläse-EIN-Frequenz reichte von 32 s h–1 bei 6°C bis 350 s h–1 bei 17 °C. Es gab eine gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen und vorhergesagten Werten der Gaskonzentration, die aus der Simulation erhalten wurden. Der maximale RMSE-Wert der Vorhersagen lag bei 0,30 % bei 17 °C Lagertemperatur. Das entwickelte Konzept basierend auf dem Modell für die Einschaltfrequenz des Gebläses zusammen mit der Weiterleitung von Temperatursensordaten an den Mikrocontroller zeigte eine vielversprechende Technik für die Lagerung und den Transport von Obst und Gemüse unter modifizierter Atmosphäre mit schwankenden Temperaturen, die normalerweise in der Lieferkette auftreten. Es hat das Potenzial, kostspielige Gassensoren überflüssig zu machen und bietet eine gute Flexibilität zur Anpassung an die Lagerung und den Transport einer breiten Palette von frischem Obst und Gemüse.