Espectroscopía visible y del infrarrojo cercano para el análisis de nutrientes en tejido vegetal de caña de azúcar para producción de panela

Visible and near infrared spectroscopy for the analysis of nutrients in sugarcane plant tissue for panela production

Contenido principal del artículo

Deisy Bibiana Camargo-Hernández
Diana Marcela Parra-Forero
Viviana Marcela Varon-Ramírez
Juan Carlos Lesmes-Suárez
Ayda Fernanda Barona-Rodríguez
Claudia Ariza-Nieto

Resumen

La espectroscopía de reflectancia en el infrarrojo cercano (NIRS) es una tecnología rápida, multiparamétrica, amigable con el ambiente, de bajo costo y gran exactitud, para el análisis de diversos componentes en alimentos, en suelo y en agricultura. El objetivo del presente estudio fue construir modelos de calibración NIRS, para la predicción de nutrientes en tejido vegetal de caña de azúcar, para producción de panela, cultivada en la región de la Hoya del río Suárez. Un total de 416 muestras de tejido fueron escaneadas en el segmento espectral Vis-NIR. El análisis quimiométrico, se realizó con el software WinISI V4.10, aplicando la regresión de mínimos cuadrados parciales modificados, junto a una validación cruzada. Se evaluaron cuatro modelos con diferentes tratamientos matemáticos y el rendimiento de las calibraciones, se hizo por medio de la validación externa, analizando las medidas de bondad de ajuste, como el coeficiente de determinación de la predicción, el error estándar de la predicción ajustado por el sesgo y la desviación predictiva residual. Los resultados muestran que el modelo de calibración para N presentó el mayor poder predictivo. Para macronutrientes, las calibraciones, con mayor poder predictivo, fueron P y K y para micronutrientes, el modelo para B, mientras que para Cu presentó el más bajo poder predictivo. Se encontraron modelos adecuados para la predicción de los contenidos de N, Ca y P; para los demás nutrientes, se recomienda ampliar el conjunto de calibración.

Palabras clave:

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.

Detalles del artículo

Referencias (VER)

ABDEL-RAHMAN, E.M.; AHMED, F.B.; VAN DEN BERG, M. 2010. Estimation of sugarcane leaf nitrogen concentration using in situ spectroscopy. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 12:S52-S57.

https://doi.org/10.1016/j.jag.2009.11.003 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jag.2009.11.003

ADNAN, M.; SHEN, Y.; MA, F.; WANG, M.; JIANG, F.; HU, Q.; MAO, L.; LU, P.; CHEN, X.; HE, G.; KHAN, M.T.; DENG, Z.; CHEN, B.; ZHANG, M.; HUANG, J. 2022. A quick and precise online near-infrared spectroscopy assay for high-throughput screening biomass digestibility in large scale sugarcane germplasm. Industrial Crops and Products. 189:115814.

https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.115814 DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.115814

ANCIN MURGUZUR, F.J.; BISON, M.; SMIS, A.; BÖHNER, H.; STRUYF, E.; MEIRE, P.; BRÅTHEN, K.A. 2019. Towards a global arctic-alpine model for Near-infrared reflectance spectroscopy (NIRS) predictions of foliar nitrogen, phosphorus and carbon content. Scientific Reports. 9(1):1-10.

https://doi.org/10.1038/s41598-019-44558-9 DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-44558-9

ARANA, I.; JARÉN, C.; ARAZURI, S. 2005. Maturity, variety and origin determination in white grapes (Vitis vinifera L.) using near infrared reflectance technology. Journal of Near Infrared Spectroscopy. 13(6):349-357.

https://doi.org/10.1255/jnirs.566 DOI: https://doi.org/10.1255/jnirs.566

BASTIDAS, L.; REA, R.; DE SOUSA, O.; VALLE, A.; VENTURA, J. 2010. Calidad forrajera de cinco variedades de caña de azúcar en Santa Cruz de Bucaral, Estado Falcón, Venezuela. Revista de Estudios Transdisciplinarios. 2(2):63-75.

CACUANGO P., L.; ALVARADO O., S.; JIBAJA A., Y. 2016. Determinación de macro y micronutrientes catiónicos en tejidos vegetales de banano, palma y rosas, por espectroscopía de emisión por acoplamiento de plasma inductivo y detección óptica (ICP-OES). InfoANALÍTICA. 4(1):33-45.

https://doi.org/10.26807/ia.v4i1.13 DOI: https://doi.org/10.26807/ia.v4i1.13

CALHEIROS, L.C.S.; FREIRE, F.J.; FILHO, G.M.; OLIVEIRA, E.C.A.; MOURA, A.B.; COSTA, J.V.T.; CRUZ, F.J.R.; SANTOS, Á.S.; REZENDE, J.S. 2018. Assessment of nutrient balance in sugarcane using DRIS and CND methods. Journal of Agricultural Science. 10(9):164.

https://doi.org/10.5539/jas.v10n9p164 DOI: https://doi.org/10.5539/jas.v10n9p164

CEN, H.; HE, Y. 2007. Theory and application of near infrared Reflectance spectroscopy in determination of food quality. Trends in Food Science & Technology. 18(2):72-83.

http://doi.org/10.1016/j.tifs.2006.09.003 DOI: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2006.09.003

CENICAÑA. 2020. Análisis de Tejido Foliar- Servicio de análisis de laboratorio. Disponible desde Internet en: https://www.cenicana.org/servicio-de-analisis-de-tejido-foliar-para-recomendaciones-de-fertilizacion-2/

CHEN, M.; GLAZ, B.; GILBERT, R.A.; DAROUB, S.H.; BARTON, F.E.; WAN, Y. 2002. Near-infrared reflectance spectroscopy analysis of phosphorus in sugarcane leaves. Agronomy Journal. 94(6):1324-1331.

https://doi.org/10.2134/agronj2002.1324 DOI: https://doi.org/10.2134/agronj2002.1324

CLARK, D.H.; MAYLAND, H.F.; LAMB, R.C. 1987. mineral analysis of forages with near infrared reflectance spectroscopy. Agronomy Journal. 79(3):485-490.

https://doi.org/10.2134/agronj1987.00021962007900030016x DOI: https://doi.org/10.2134/agronj1987.00021962007900030016x

CONTRERAS PEDRAZA, C.A.; RAMIREZ, J.; FONSECA, S.E. 2016. Plan Estratégico de Ciencia, Tecnología e Innovación del Sector Agropecuario Colombiano. Cadena agroindustrial de la panela. Pectia. Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria, Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Colciencias. Colombia. 33p. Disponible desde Internet en:

https://repository.agrosavia.co/handle/20.500.12324/1392

COZZOLINO, D.; MORON, A. 2004. Exploring the use of near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) to predict trace minerals in legumes. Animal Feed Science and Technology. 111(1-4):161-173.

https://doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2003.08.001 DOI: https://doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2003.08.001

DA SILVA, F.C. 2009. Manual de análises química de solos, plantas e fertilizantes. 2nd ed. Embrapa. Brasília, Brasil. 624p.

DEPARTAMENTO DE SANTANDER; UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER. 2011. Santander 2030. Diagnostico dimensión biofísico ambiental territorial de Santander. Tomo 1. Colombia. 250p.

GALVEZ-SOLA, L.; GARCÍA-SÁNCHEZ, F.; PÉREZ-PÉREZ, J.G.; GIMENO, V.; NAVARRO, J.M.; MORAL, R.; MARTÍNEZ-NICOLÁS, J.J.; NIEVES, M. 2015. Rapid estimation of nutritional elements on citrus leaves by near infrared reflectance spectroscopy. Frontiers in Plant Science. 6:571.

https://doi.org/10.3389/fpls.2015.00571 DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2015.00571

GE, Y.; ATEFI, A.; ZHANG, H.; MIAO, C.; RAMAMURTHY, R.K.; SIGMON, B.; YANG, J.; SCHNABLE, J.C. 2019. High-throughput analysis of leaf physiological and chemical traits with VIS-NIR-SWIR spectroscopy: A case study with a maize diversity panel. Plant Methods. 15(1):66.

https://doi.org/10.1186/s13007-019-0450-8 DOI: https://doi.org/10.1186/s13007-019-0450-8

GIVENS, D.I.; DEAVILLE, E.R. 1999. The current and future role of near infrared reflectance spectroscopy in animal nutrition: a review. Australian Journal of Agricultural Research. 50(7):1131-1145.

https://doi.org/10.1071/AR98014 DOI: https://doi.org/10.1071/AR98014

GONZÁLEZ CHAVARRO, F.; CABEZAS GUTIÉRREZ, M.; RAMÍREZ-GÓMEZ, M.; RAMÍREZ DURÁN, J. 2018. Curvas de absorción de macronutrientes en tres variedades de caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) para panela, en la Hoya del Río Suárez. Revista U.D.C.A Actualidad & Divulgación Científica. 21(2):395-404.

https://doi.org/10.31910/rudca.v21.n2.2018.995 DOI: https://doi.org/10.31910/rudca.v21.n2.2018.995

GONZÁLEZ-MARTÍN, I.; HERNÁNDEZ-HIERRO, J.M.; GONZÁLEZ-CABRERA, J.M. 2007. Use of NIRS technology with a remote reflectance fibre-optic probe for predicting mineral composition (Ca, K, P, Fe, Mn, Na, Zn), protein and moisture in alfalfa. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 387:2199-2205.

https://doi.org/10.1007/s00216-006-1039-4 DOI: https://doi.org/10.1007/s00216-006-1039-4

IKOYI, A.Y.; YOUNGE, B.A. 2020. Influence of forage particle size and residual moisture on near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) calibration accuracy for macro-mineral determination. Animal Feed Science and Technology. 270:114674.

https://doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2020.114674 DOI: https://doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2020.114674

INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES, IDEAM. 2014. Clasificación climática de Köppen periodo 1981-2010. Disponible desde Internet en:

http://www.ideam.gov.co/galeria-de-mapas/-/document_library_display/4VnjNLZDi78B/view/599272

JIMÉNEZ HEINERT, M.; GRIJALVA ENDARA, A.; PONCE SOLÓRZANO, H. 2020. Plasma acoplado inductivamente en espectroscopia de emisión óptica (ICP-OES). Recimundo. 4(4):4-12.

https://doi.org/10.26820/recimundo/4.(4).octubre.2020.4-12 DOI: https://doi.org/10.26820/recimundo/4.(4).octubre.2020.4-12

KUSWURJANTO, R.; TRIANTARTI. 2019. Study on application of near infrared (NIR) spectroscopy for sugar cane juice analysis to replace conventional analysis methods. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 355:012059.

https://doi.org/10.1088/1755-1315/355/1/012059 DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/355/1/012059

LÓPEZ, I.; ARANDA, E.M.; MENDOZA, J.A.; RAMOS, G.D. 2003. Evaluación nutricional de ocho variedades de caña de azúcar con potencial forrajero. Revista Cubana de Ciencia Agrícola. 37(4):381-386.

MENESATTI, P.; ANTONUCCI, F.; PALLOTTINO, F.; ROCCUZZO, G.; ALLEGRA, M.; STAGNO, F.; INTRIGLIOLO, F. 2010. Estimation of plant nutritional status by Vis-NIR spectrophotometric analysis on orange leaves [Citrus sinensis (L) Osbeck cv Tarocco]. Biosystems Engineering. 105(4):448-454.

https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2010.01.003 DOI: https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2010.01.003

MIPHOKASAP, P.; HONDA, K.; VAIPHASA, C.; SOURIS, M.; NAGAI, M. 2012. Estimating canopy nitrogen concentration in sugarcane using field imaging spectroscopy. Remote Sensing. 4(6):1651-1670.

https://doi.org/10.3390/rs4061651 DOI: https://doi.org/10.3390/rs4061651

MUCHOVEJ, R.M.; NEWMAN, P.R.; LUO, Y. 2005. Sugarcane leaf nutrient concentrations: With or without midrib tissue. Journal of Plant Nutrition. 28(7):1271-1286.

https://doi.org/10.1081/PLN-200063303 DOI: https://doi.org/10.1081/PLN-200063303

NOCITA, M.; STEVENS, A.; VAN WESEMAEL, B.; AITKENHEAD, M.; BACHMANN, M.; BARTHÈS, B.; DOR, E.B.; BROWN, D.J.; CLAIROTTE, M.; CSORBA, A.; DARDENNE, P.; DEMATTÊ, J.A.M.; GENOT, V.; GUERRERO, C.; KNADEL, M.; MONTANARELLA, L.; NOON, C.; RAMIREZ-LOPEZ, L.; ROBERTSON, J.; SAKAI, H.; SORIANO-DISLA, J.M.; SHEPHERD, K.D.; STENBERG, B.; TOWETT, E.K.; VARGAS, R.; WETTERLIND, J. 2015. Chapter four-Soil spectroscopy: An alternative to wet chemistry for soil monitoring. Advances in Agronomy. 132:139-159.

https://doi.org/10.1016/bs.agron.2015.02.002 DOI: https://doi.org/10.1016/bs.agron.2015.02.002

OZAKI, Y.; MCCLURE, W.F.; CHRISTY, A.A. 2007. Near-Infrared Spectroscopy in food science and technology. Wiley Interscience. Hoboken, New Jersey, USA. 405p.

https://doi.org/10.1002/0470047704 DOI: https://doi.org/10.1002/0470047704

PADILLA-CUEVAS, J.; YEE-MADEIRA, H.T.; MERINO-GARCÍA, A.; HIDALGO, C.; ETCHEVERS, J.D. 2020. Análisis de los elementos minerales esenciales y tóxicos en tejidos vegetales. Agrociencia. 54(3):413-434.

https://doi.org/10.47163/agrociencia.v54i3.1916 DOI: https://doi.org/10.47163/agrociencia.v54i3.1916

PRANANTO, J.A.; MINASNY, B.; WEAVER, T. 2020. Chapter one - Near infrared (NIR) spectroscopy as a rapid and cost-effective method for nutrient analysis of plant leaf tissues. En: Sparks, D.L. (ed.). Advances in agronomy. 1st edition, volume. 164. Academic Press. p.1-49.

https://doi.org/10.1016/bs.agron.2020.06.001 DOI: https://doi.org/10.1016/bs.agron.2020.06.001

PRANANTO, J.A.; MINASNY, B.; WEAVER, T. 2021. Rapid and cost-effective nutrient content analysis of cotton leaves using near-infrared spectroscopy (NIRS). PeerJ. 9:e11042.

https://doi.org/10.7717/peerj.11042 DOI: https://doi.org/10.7717/peerj.11042

RAMÍREZ DURÁN, J.; INSUASTY BURBANO, O.; VIVEROS VALENS, C.A. 2014. Comportamiento agroindustrial de diez variedades de caña de azúcar para producción de panela en Santander, Colombia. Ciencia y Tecnología Agropecuaria. 15(2):183.

https://doi.org/10.21930/rcta.vol15_num2_art:358 DOI: https://doi.org/10.21930/rcta.vol15_num2_art:358

RODRIGUES, M.; NANNI, M.R.; CEZAR, E.; DOS SANTOS, G.L.A.A.; REIS, A.S.; DE OLIVEIRA, K.M.; DE OLIVEIRA, R.B. 2020. Vis–NIR spectroscopy: from leaf dry mass production estimate to the prediction of macro- and micronutrients in soybean crops. Journal of Applied Remote Sensing. Journal of Applied Remote Sensing. 14(4):044505.

https://doi.org/10.1117/1.JRS.14.044505 DOI: https://doi.org/10.1117/1.JRS.14.044505

SALGADO-GARCÍA, S.; PALMA-LÓPEZ, D.J.; ZAVALA-CRUZ, J.; LAGUNES-ESPINOZA, L.DEL C.; CASTELÁN-ESTRADA, M.; ORTIZ-GARCÍA, C.F.; JUÁREZ-LÓPEZ, J.F.; RINCÓN-RAMÍREZ, J.; HERNÁNDEZ-NATAREN, E. 2008. Programa sustentable de fertilización para el ingenio Pujiltic, Chiapas, México. Terra Latinoamericana. 26(4):361-373.

SANSEECHAN, P.; PANDUANGNATE, L.; SAENGPRACHATANARUG, K.; WONGPICHET, S.; TAIRA, E.; POSOM, J. 2018. A portable near infrared spectrometer as a non-destructive tool for rapid screening of solid density stalk in a sugarcane breeding program. Sensing and Bio-Sensing Research. 20:34-40.

https://doi.org/10.1016/j.sbsr.2018.07.001 DOI: https://doi.org/10.1016/j.sbsr.2018.07.001

SHENK, J.S.; WESTRERHAUS, M.O. 1991. Population definition, sample selection, and calibration procedures for near-infrared reflectance spectroscopy. Crop Science. 31:469-474.

https://doi.org/10.2135/cropsci1991.0011183X003100020049x DOI: https://doi.org/10.2135/cropsci1991.0011183X003100020049x

SINGH, L.; MUTANGA, O.; MAFONGOYA, P.; PEERBHAY, K.; CROUS, J. 2022. Hyperspectral remote sensing for foliar nutrient detection in forestry: A near-infrared perspective.Remote Sensing Applications: Society and Environment. 25:100676.

https://doi.org/10.1016/j.rsase.2021.100676 DOI: https://doi.org/10.1016/j.rsase.2021.100676

STEIDLE NETO, A.J.; TOLEDO, J.V.; ZOLNIER, S.; LOPES, D.C.; PIRES, C.V.; DA SILVA, T.G.F. 2017. Prediction of mineral contents in sugarcane cultivated under saline conditions based on stalk scanning by Vis/NIR spectral reflectance. Biosystems Engineering. 156:17-26.

https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2017.01.003 DOI: https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2017.01.003

ULISSI, V.; ANTONUCCI, F.; BENINCASA, P.; FARNESELLI, M.; TOSTI, G.; GUIDUCCI, M.; TEI, F.; COSTA, C.; PALLOTTINO, F.; PARI, L.; MENESATTI, P. 2011. Nitrogen concentration estimation in tomato leaves by VIS-NIR nondestructive spectroscopy. Sensors. 11(6):6411-6424.

https://doi.org/10.3390/s110606411 DOI: https://doi.org/10.3390/s110606411

VOLVERÁS-MAMBUSCAY, B.; GONZÁLEZ-CHAVARRO, C.F.; HUERTAS, B.; KOPP-SANABRIA, E.; RAMÍREZ-DURÁN, J. 2020. Effect of the organic and mineral fertilizer on the performance of sugarcane yield in Nariño, Colombia. Agronomy Mesoamerican. 31(3):547-565.

https://doi.org/10.15517/AM.V31I3.37334 DOI: https://doi.org/10.15517/am.v31i3.37334

WILLIAMS, P. 2014. The RPD Statistic: A tutorial note. NIR News. 25(1):22-26.

https://doi.org/10.1255/nirn.1419 DOI: https://doi.org/10.1255/nirn.1419

WILLIAMS, P.C. 2001. Implementation of Near- Infrared Technology. En: Williams, P.C.; Norris, K. Near-Infrared Technology in the Agricultural and Food Industries. 2nd edition. American Association of Cereal Chemists, Inc. Saint. Paul, Minesota, USA. p.146-169.

Citado por