Progetto – Pro.G.Brix 14-18

3.2. Finalità del progetto e problematica da risolvere mediante soluzioni innovative

L’elevata specializzazione delle aziende agricole ha un notevole impatto ambientale con effetti negativi quali perdita di fertilità nei suoli e inquinamento, oltre ad avere un impatto notevole sul clima. Le questioni climatiche si sposano con quelle della sostenibilità agroambientale e con l’innovazione. Ad oggi sul territorio i costi risultano essere generalmente elevati per ottenere prodotti di qualità e sicuri, mentre i prezzi di vendita variano notevolmente, ed è diffusa una scarsa propensione alle innovazioni di processo, con difficoltà nella programmazione delle fasi colturali. Nella provincia di Latina si realizzano soprattutto produzioni destinate al mercato del fresco e della trasformazione in ortaggi di IV gamma. I mercati di sbocco sono in prevalenza esteri e rivolti soprattutto verso la GDO e risulta evidente lo squilibrio del potere di mercato a danno dei produttori agricoli, che subiscono prezzi e condizioni di fornitura e pagamenti da parte della GDO. Per una crescita del settore si devono necessariamente considerare aspetti quali l’evoluzione delle tecnologie applicate alle produzioni orticole, al fine di consentire nel rispetto dell’ambiente il miglioramento dell’efficienza produttiva e della qualità orientata al mercato. Le aziende specializzate riescono a ottenere risultati economici migliori nel medio-lungo termine, ma sono esposte a frequenti crisi di mercato, legate sia a variabili esterne (contesto internazionale, cicli economici dei consumi, etc) che a problematiche locali (rischi climatici, problematiche fitosanitarie, eccessi produttivi). La messa a punto e l’adozione nell’Agro Pontino di un protocollo di coltivazione che permetta la produzione di cocomero con grado Brix garantito 14-18 è essenziale per la tutela del clima e del suolo e il suo uso sostenibile, priorità della politica agro-climatico-ambientale dello sviluppo rurale, inoltre permetterebbe una maggiore efficienza di distribuzione di acqua, fertilizzanti e pesticidi, poiché le esigenze colturali durante l’intero ciclo vegetativo della coltura verrebbero maggiormente rispettate, e si ridurrebbero al minimo i rischi ambientali soprattutto legati ad apporti in eccesso, e permetterebbe la riduzione al minimo dei costi produttivi. Correlato a quanto appena considerato, tra le varie caratteristiche, il grado Brix non solo definisce le tempistiche di raccolta, ma soprattutto decide il prezzo unitario del prodotto ed il livello di redditività degli impianti. L’adozione nell’Agro Pontino del protocollo consentirebbe alle aziende un maggior rispetto di tutte le problematiche ambientali sopracitate, offrendo un prodotto di qualità maggiore e più salutare, con un valore aggiunto, molto più competitivo sul mercato, poiché soddisfare a pieno i parametri qualitativi richiesti dal mercato significa aumentare il valore della produzione.

3.3. Innovazione proposta

L’innovazione che si intende introdurre nel territorio della Regione Lazio consiste nell’ideazione di un protocollo di coltivazione che consenta, tramite una gestione che si basa sull’utilizzo di strumentazione innovativa, di ottenere un prodotto specifico: il cocomero con grado Brix garantito 14-18.

Tale protocollo sarà gestito a partire dal rilievo in campo, mediante tecniche di spettroscopia digitale (operanti nell’intervallo di lunghezze d’onda tra i 400 ed i 2500 nm), e/o smartphone e permetterà, qualsiasi sia la condizione iniziale, di ottenere cocomeri con grado brix garantito 14-18. Ciò permetterà di migliorare la competitività dei produttori primari integrandoli meglio nella filiera agroalimentare creando un valore aggiunto per il prodotto.

Tale protocollo riguarderà anche tutte le attività del post raccolta fino alla commercializzazione. Infatti il grado brix potrebbe subire variazioni nelle fasi successive alla raccolta.

Ciò rientra a pieno in quella che viene definita agricoltura di precisione, una strategia gestionale dell’agricoltura che si avvale di moderne strumentazioni ed è mirata all’esecuzione di interventi agronomici tenendo conto delle effettive esigenze colturali e delle caratteristiche biochimiche e fisiche del suolo, pratica ben studiata ed applicata anche in ambito orticolo. Il processo dovrà partire da un’analisi delle condizioni iniziali del suolo, e dovrà elaborare un sistema di gestione attraverso cui raggiungere il grado zuccherino prefissato, inoltre il sistema in completa automazione permetterà di controllare ed eventualmente modificare l’iter nel caso in cui ad un certo punto del processo si evinca che i risultati devieranno da quelli previsti. Tutti i dati saranno disponibili in tempo reale attraverso uno smartphone, tramite cui verranno automaticamente registrate tutte le pratiche colturali effettuate (ovvero il quaderno di campagna) oltre ad essere aggiornati i registri di carico e scarico dei fitofarmaci e dei concimi.

Saranno impiegate tecniche di monitoraggio innovative con riferimento allo studio e valutazione dei cambiamenti registrati durante la coltivazione e alle pratiche colturali. Ciò grazie a sviluppo, messa a punto, implementazione e verifica di tecniche basate su spettrofotometria operante nel VIS (400-1000 nm), NIR (1000-1700 nm) e SWIR (1000-2500 nm), in grado di poter operare un monitoraggio rapido, semplice ed efficiente in relazione alle diverse pratiche di coltivazione. Tali tecniche, robuste ed affidabili al pari delle convenzionali, permetteranno di condurre velocemente e a basso costo una sistematica analisi e rilievo di caratteristiche e stato di crescita dei frutti, unitamente al monitoraggio di piante e suoli. Notevoli vantaggi si hanno grazie alla possibilità di condurre direttamente in campo un alto numero di analisi in tempi brevi ricavando informazioni utili circa le caratteristiche e lo stato delle piante, di primaria importanza per una corretta coltivazione e per garantire il voluto grado zuccherino, in un’ottica di miglioramento e beneficio in termini socio-economici ed energetico-ambientali.

Si useranno metodologie proprie delle analisi chemiometriche e degli algoritmi di riconoscimento e classificazione ricavati a partire da tale tipologia d’indagine. Per conseguire tale obiettivo si farà ricorso, dal punto di vista del software, alle librerie contenute nel PLS_Toolbox (Eigenvector Research, Inc.) operante in ambiente MATLAB (The Mathworks, Inc.). Saranno quindi sviluppate, implementate, messe a punto e validate specifiche procedure sviluppate in forma autonoma ed originale dal gruppo di ricerca. Le indagini saranno sviluppate attraverso acquisizione, archiviazione, pre-processamento e analisi di dati iperspettrali (i.e. spettri digitali relativi sia all’apparato fogliare della pianta che al prodotto (i.e. anguria) , acquisiti nell’intervallo 400-2500 nm a diversa risoluzione spettrale), finalizzata sia alla messa a punto di modelli di classificazione/riconoscimento delle caratteristiche dei diversi prodotti, che alla costruzione di modelli di correlazione tra queste informazioni e informazioni ricavate per gli stessi prodotti mediante analisi di tipo tradizionale.

Nel contesto dell’orticoltura altamente specializzata sta suscitando sempre maggior interesse l’attività di agricoltura biologica. L’utilizzo del protocollo messo a punto potrà essere applicato anche nell’ambito della produzione biologica. La produzione ottenuta potrà essere certificata e garantita.

3.3a Modalità di coordinamento e interazione tra i partner

Il coordinamento e l’interazione tra i partner sarà gestito grazie a riunioni periodiche e ad una gestione informatizzata del progetto fatta su piattaforma informatica comune.

3.4. Obiettivi specifici

L’obiettivo principale è quello di incrementare il reddito delle aziende attraverso la produzione di cocomero con grado Brix garantito 14-18 producendo un basso impatto ambientale e tramite gestione semplificata delle pratiche colturali grazie all’utilizzo combinato di sistemi di spettrofotometria digitale iperspettrale operante nel VIS ( 400-1000nm), NIR (1000-1700 nm) e/o SWIR (1000-2500 nm), in grado di poter operare un monitoraggio rapido, semplice ed efficiente della progressione culturale in relazione alle diverse pratiche di coltivazione e di smartphone. Ciò permetterà di migliorare la competitività dei produttori primari integrandoli meglio nella filiera agroalimentare attraverso i regimi di qualità, la creazione di un valore aggiunto per i prodotti agricoli, la promozione dei prodotti nei mercati locali, le filiere corte, le associazioni e organizzazioni di produttori e le organizzazioni interprofessionali.

L’utilizzazione di tecniche di monitoraggio innovative di tipo non distruttivo e non invasivo finalizzate alla predisposizione di un protocollo di coltivazione del cocomero che presenti grado zuccherino garantito consentirà alle aziende partecipanti di migliorare notevolmente i propri processi produttivi ottimizzandoli con una più efficiente organizzazione, grazie al passaggio da un sistema tradizionale ad agricoltura di precisione, tramite digitalizzazione dei processi di controllo della produzione, ottenendo di conseguenza un prodotto superiore in qualità, con migliore risultato sul mercato (incremento del prezzo, aumento delle vendite) e sulla salute del consumatore e dell’ambiente, inoltre in un sistema coerente con l’agricoltura biologica.

La proposta, sulla base degli scenari operativi precedentemente definiti, aprirebbe la strada per l’applicazione di efficaci ed efficienti tecniche di monitoraggio, controllo e tracciabilità di tipo non invasivo e non distruttivo, baste su l’easy monitoring e l’early detection, relativamente alla coltivazione del cocomero. Un tale approccio produrrà inoltre un minor impatto economico delle indagini, consentendo altresì di incrementare la loro numerosità a tutto vantaggio di un controllo più esteso e sistematico del prodotto.

L’approccio basato sulle tecniche di spettroscopia iperspettrale potrà consentire, da punto di vista tecnico- scientifico, il raggiungimento dei seguenti obiettivi: i) la costruzione di librerie iperspettrali caratteristiche del diverso stato delle coltivazioni (i.e. piante, cocomeri e suoli) in relazione alle loro caratteristiche, ii) lo sviluppo di modelli chemiometrici di correlazione tra informazioni ottenute mediante le tecniche iperspettrali e quelle convenzionali, iii) il poter disporre di un approccio integrato sensore/algoritmica di “semplice impiego” tale da poter essere utilizzato non solo a scala di laboratorio, ma anche direttamente in campo per “analisi puntuali speditive” e/o alla scala di produzione, mantenendo invariato il livello di affidabilità, in termini di riconoscimento, caratterizzazione e tracciabilità dei diversi prodotti, in combinazione e/o in sostituzione con quello ottenibile a scala di laboratorio attraverso le procedure convenzionali.

3.5. Descrizione del progetto in azioni/attività e prodotti

Si useranno metodologie proprie delle analisi chemiometriche e degli algoritmi di riconoscimento e classificazione ricavati a partire da tale tipologia d’indagine. Per conseguire tale obiettivo si farà ricorso, dal punto di vista del software, alle librerie contenute nel PLS_Toolbox (Eigenvector Research, Inc.) operante in ambiente MATLAB (The Mathworks, Inc.). Saranno quindi sviluppate, implementate, messe a punto evalidate specifiche procedure sviluppate in forma autonoma ed originale dal gruppo di ricerca. Le indagini saranno sviluppate attraverso acquisizione, archiviazione, pre-processamento e analisi di dati iperspettrali (i.e. spettri digitali relativi sia all’apparato fogliare della pianta che al prodotto (i.e. anguria) , acquisiti nell’intervallo 400-2500 nm a diversa risoluzione spettrale), finalizzata sia alla messa a punto di modelli di classificazione/riconoscimento delle caratteristiche dei diversi prodotti, che alla costruzione di modelli di correlazione tra queste informazioni e informazioni ricavate per gli stessi prodotti mediante analisi di tipo tradizionale.

Il progetto potrà avere luogo grazie alla formazione di un partenariato. Questo sarà composto da aziende agricole e di commercializzazione appartenenti al settore ortofrutticolo del territorio laziale ed in particolare dell’area dell’Agro Pontino il cui obiettivo sarà quello di ottenere un prodotto specifico: cocomero con grado Brix garantito 14-18. Saranno inoltre coinvolti un organismo di ricerca pubblico, il Centro Ricerche e Servizi per l’Innovazione Tecnologica Sostenibile (Ce.R.S.I.Te.S) dell’Università di Roma – La Sapienza e due organismi di ricerca privati: Eurolab S.r.l. e il Centro Europeo di Studi Manageriali. Per tale progetto saranno coinvolte altre figure professionali.

Le attività di ricerca verranno svolte attraverso:

l’utilizzazione di tecniche di monitoraggio innovative di tipo non distruttivo e non invasivo finalizzate alla predisposizione di protocolli di coltivazione di un frutto di cocomero con grado zuccherino garantito. Tali tecniche saranno impiegate con riferimento allo studio ed alla valutazione dei vari cambiamenti registrati durante la coltivazione e alle varie pratiche colturali portando la produzione in un possibile aumento tramite un sistema coerente con l’agricoltura biologica;
lo sviluppo, la messa a punto, l’implementazione e la verifica di tecniche, basate su tecniche di spettrofotometria operanti nel VIS (400-1000nm), NIR (1000-1700 nm) e SWIR (1000-2500 nm), in grado di poter operare un monitoraggio rapido, semplice ed efficiente della progressione culturale in relazione alle diverse pratiche di coltivazione.

Al fine di introdurre i concetti e le modalità operative, che sono alla base del progetto, nelle aziende coinvolte nel partenariato sono previste, relativamente alle metodiche innovative di monitoraggio, riunioni operative finalizzate all’illustrazione teorico-pratica delle metodiche di rilevo e diagnostica, basate su tecniche di spettroscopia digitale/iperspettrale puntuale e/o di immagine, per la valutazione dello delle caratteristiche dei diversi prodotti relativamente a tutti i punti della filiera ed alle corrispondenti fasi di lavorazione/produzione.

Verranno sviluppate a scopo dimostrativo applicazioni durante le diverse fasi di coltivazione, al fine di dimostrare l’efficacia delle tecniche di spettroscopia iperspettrale proposte.

È previsto un supporto ed un affiancamento pressoché continuo, di personale specializzato, presso tutte le aziende e per tutte le fasi di sviluppo del progetto.

I partner saranno in contatto attraverso la piattaforma di scambio dati Feedentity. Verranno organizzate riunioni per il coordinamento con cadenza mensile.

La realizzazione del progetto avverrà in varie fasi:

1° fase – Scelta degli appezzamenti dove predisporre la sperimentazione e analizzare le caratteristiche del terreno e dell’acqua utilizzata;

2° fase – Predisposizione di un sistema per la gestione della coltivazione;

3° fase – Applicazione di quanto predisposto con relativo monitoraggio tramite sistemi di spettrofotometria operante nel VIS (400-1000nm), NIR (1000-1700 nm) e SWIR (1000-2500 nm), da utilizzarsi direttamente in campo ed in collegamento con smartphone e alla piattaforma Feedentity, che esamini il grado zuccherino durante le fasi di maturazione);

4° fase – Studio dei cambiamenti della concentrazione del grado zuccherino;

5° fase – Risultati e discussione;

6° fase – Conclusione e predisposizione del protocollo.

L’approccio strumentale e le metodologie analitiche saranno utilizzate e sviluppate in relazione alla definizione di diverse FASI operative. Tali FASI in termini di contenuti ed azioni sono di seguito riportate.

FASE 1 – Scelta degli appezzamenti dove predisporre la sperimentazione e analizzare le caratteristiche del terreno e dell’acqua utilizzata

Durante questa prima fase, verranno studiati diverse aree (i.e. appezzamenti di terreno) nelle quali poter effettuare la sperimentazione. Verranno altresì analizzate le caratteristiche dei suoli e delle acque che saranno utilizzate a scopo irriguo.

FASE 2 – Predisposizione di un sistema per la gestione della coltivazione

Predisposizione di un sistema per la gestione della coltivazione composto da:

una o più centraline per la gestione di sistemi di monitoraggio puntuali installati in campo al fine del rilievo dei valori di parametri ambientali da mettere in relazione al ciclo colturale,
predisposizione di un piano di concimazione in base alla coltura,
predisposizione delle pratiche colturali.

FASE 3 – Monitoraggio tramite sistemi di spettrofotometria

Durante la FASE 3 verranno messi a punto i sistemi di spettrofotometria operanti nel VIS (400-1000nm), NIR (1000-1700 nm) e/o SWIR (1000-2500 nm), da utilizzarsi direttamente in campo ed in collegamento con smartphone e alla piattaforma Feedentity, finalizzata alla predisposizione di un approccio metodologico per il monitoraggio del grado zuccherino durante le fasi di maturazione del cocomero.

In questa fase, verranno testati due differenti spettrometri: lo spettrofotoradiometro portatile VIS-SWIR

FieldsSpec® 4 (350-2500 nm) e lo spettrometro Portatile USB NIR MicroNIR™ (950-1650 nm).

I dati di riflettanza verranno acquisiti mediante spettrometro con due modalità di presentazione del campione (i.e anguria):

acquisizione cocomero integro – a contatto della buccia;
acquisizione cocomero tagliato – a contatto della polpa.

Per ciascun campione analizzato saranno ricavati i valori di contenuto zuccherino (grado Brix) mediante tecniche tradizionali (i.e. metodo rifrattometrico) a corredo delle analisi spettroscopiche. Tali analisi andranno effettuate seguendo le fasi di maturazione del cocomero. La numerosità campionaria, in questa fase sarà di fondamentale importanza per la costruzione di un modello di regressione robusto, atto alla correlazione tra i dati brix ricavati mediante metodi tradizionali e i dati di riflettanza.

FASE 4 – Studio dei cambiamenti della concentrazione del grado zuccherino

In questa fase verranno valutati i risultati delle indagini condotte nella FASE 3. Sulla base dei valori rilevati, strettamente legati ai piani di concimazione e alle pratiche culturali precedentemente definite, verranno apportati, ove e se necessario, modifiche al fine di massimizzare la qualità del prodotto.

Durante questa fase, per ciascun campione analizzato saranno ricavati i valori di contenuto zuccherino (grado Brix) mediante tecniche tradizionali (i.e. metodo rifrattometrico). Tali analisi andranno effettuate seguendo le fasi di maturazione del cocomero.

A corredo delle analisi spettroscopiche verranno quindi messi a disposizione i relativi dati del contenuto zuccherino. Per valutare la correlazione tra gli spettri acquisiti e lo stato di maturazione dei cocomeri analizzati sarà utilizzata la tecnica di regressione ai minimi quadrati parziali (PLS). Per ciascun set di dati saranno messi a punto modelli PLS (Geladi et al., 1986; Wold et al., 2001; Abdi, 2003) utilizzando i valori di TSSC (°Bx) come Y.

Qualora i risultati delle analisi di regressione risultino essere accettabili, si potrà passare alla costruzione di un modello di classificazione in grado di discriminare, sulla base degli spettri di riflettanza associati al grado brix del cocomero analizzato, le seguenti classi:

cocomero con grado Brix < 14
cocomero con grado Brix = 14-18
cocomero con grado Brix > 18

oppure, in alternativa, un classificatore a due classi:

cocomero con grado Brix = 14-18
cocomero con grado Brix < 14 o cocomero con grado Brix > 18

Misura del contenuto di sostanze allo stato solido dissolte

Tra i solidi solubili, gli zuccheri sono quelli che si trovano in maggiori concentrazioni all’interno della polpa di un frutto. Insieme agli zuccheri, nella polpa di un frutto, sono presenti anche altre sostanze solubili(i.e. pectina e amminoacidi). Il contenuto di sostanze allo stato solido dissolte, o TSSC, viene tradizionalmente valutato tramite refrattometro e riportato in gradi Brix (Garner et al., 2015). Un rifrattometro portatile classico consente di misurare l’indice di rifrazione di un liquido. Nel caso della polpa di un frutto, il rifrattometro consente la determinazione dell’angolo critico di rifrazione (ChemBuddy, 2011). La luce che passa attraverso il liquido disposto sulla superficie del prisma del rifrattometro viene “piegata” e cioè rifratta. La luce rifratta viene poi focalizzata su una scala graduata, ingrandita da una lente in maniera tale da essere ben visibile ai fini della lettura della stessa (MISCO, 2013; A.KRÜSS Optronic, 2013). In questo modo si può misurare il grado zuccherino del kiwi analizzato; i.e. assumendo che la sua polpa abbia lo stesso indice di rifrazione di un 1 g di saccarosio in 100 g di soluzione acquosa, allora si avrà un TSSC pari a 1° Bx (Bionutrient Food Association, 2017).

FASE 5 – Risultati e discussione

I risultati verranno analizzati al fine di valutare i risultati delle indagini condotte attraverso la spettrometria sia con riferimento alla valutazione del grado Brix, ma anche e soprattutto in relazione alle modalità di utilizzo della metodica ed alle procedure di elaborazione delle informazioni acquisite attraverso la spettrofotometria.

I due parametri principali che verranno utilizzati per valutare la bontà dei modelli di regressione spettri VIS-SWIR e grado Brix sono: Root Mean Square Error (RMSE) e 𝑅 (Martens et al., 1989; Naes, 2002). Il parametro RMSE fornisce la possibilità di valutare le differenze tra la risposta stimata 𝒀 ̑ e la risposta osservata 𝒀. Mentre, R2 è un parametro usato per valutare il fitting del modello. Tali parametri verranno riferiti alle fasi di calibrazione, convalida incrociata e predizione. Mentre, per valutare l’importanza del contributo delle variabili descrittive al modello finale si devono prendere in considerazione entrambe le variabili significative alla descrizione di Y (e le variabili rilevanti per la descrizione di X, sintetizzate da parametri quali: regression vector, selectivity ratio e VIP scores.

Le performance di classificazione verranno, invece, valutate sulla base dei parametri: Sensitivity, Specificity, Precision, Misclassification Error ed Accuracy, riferiti alla fase di calibrazione, convalida incrociata e predizione del test set.

Le performance di classificazione verranno infine anche valutate in funzione degli apparati strumentali, VIS-SWIR FieldsSpec® 4 e USB NIR MicroNIR™, utilizzati per eseguire le acquisizioni spettrali. Tali strumentazioni infatti operano le acquisizioni in diversi intervalli di lunghezze d’onda, rispettivamente 350-2500 nm e 950-1650 nm, e sono caratterizzate da costi e configurazioni hardware molto diverse la cui comparazione riveste grande interesse in termini di strategie applicative.

FASE 6 – Conclusione e predisposizione del protocollo

In questa fase saranno riportate le conclusioni alla quali lo studio ha consentito di pervenire e verrà predisposto un protocollo operativo per il monitoraggio delle coltivazioni al fine di poter sviluppare produzioni di cocomero con grado Brix garantito 14-18.