14 de Junio de 2013, Vitoria - Gasteiz

APLICACIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJO CERCANO (NIRS) A LA CLASIFICACIÓN POR CALIDAD DEL CORCHO EN PLANCHA Cristina Prades López,

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APLICACIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJO CERCANO (NIRS) A LA CLASIFICACIÓN POR CALIDAD DEL CORCHO EN PLANCHA Cristina Prades López, Juan García Olmo, Tomás Romero Prieto, José Luis García de Ceca y Rafael López Luque

ANÁLISIS DISCRIMINATE DE LA PROCEDENCIA GEOGRÁFICA DE PLANCHAS Y TAPONES DE CORCHO NATURAL MEDIANTE ESPECTROSCOPÍA EN EL INFRARROJO CERCANO Cristina Prades López, Isabel Gómez Sánchez, Juan García Olmo y José Ramón González Adrados

E.T.S. Ingenieros Agrónomos y Montes, Unidad de Espectroscopía NIR / MIR (Universidad de Córdoba). ENSOLAR, S.L. (Córdoba). INIA, CIFOR (Madrid). Prinur, S.A. Grupo Sacyr Vallehermoso (Sevilla)

14 de Junio de 2013, Vitoria - Gasteiz

INTRODUCCIÓN El corcho ‰ Corteza del alcornoque (Quercus suber L.). Tejido protector de ramas y tronco ‰ Formado por células muy pequeñas (alrededor de 40 millones por cm3) de forma hexagonal, huecas y estrechamente unidas. ‰ Composición pared celular: suberina, lignina, celulosa, ceras, taninos y otros. ‰ Propiedades del corcho: ligero, compresible y elástico, prácticamente impermeable para líquidos y gases, elevada capacidad como aislante térmico y acústico Tipos de corcho: ‰ Bornizo ‰ Segundero ‰ Corcho de reproducción o corcho fábrica

Aplicación de la Tecnología NIRS a la caracterización del corcho (Q. suber L.) Vitoria-Gasteiz 14 Junio 2013

INTRODUCCIÓN Método tradicional de clasificación del corcho por clases de calidad en la industria del corcho Planchas de Corcho ‰ Industria Preparadora: 1ª Clasificación por calidades: Método tradicional

Corcho en plancha preparado y clasificado ‰ Industria Transformadora de planchas 2ª Clasificación por calidades: Método tradicional Técnicas de análisis de imagen

Tapones y discos de corcho natural

INTRODUCCIÓN Método tradicional de clasificación del corcho por clases de calidad Calidad Visual o Aspecto 1ª, 2ª, 3ª, 4ª, 5ª, 6ª, 7ª, 8ª (refugo) INHERENTES AL CORCHO ‰Porosidad ‰Color ‰Anillos ‰Estado del vientre ‰Estado de la espalda ‰Verde ‰Leño ‰Tierra ‰Año seco AGENTES BIOTICOS ‰Picao ‰Hormiga ‰Picatroncos ‰Coloraciones DESPUES DE LA COCCIÓN ‰Marmoreado o jaspeado

Calibre >19; 15-19; 13-15; 11-13; < 11 líneas 1 línea = 2,25 mm

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INTRODUCCIÓN Método tradicional de clasificación del corcho por clases de calidad

Corcho terroso

Porosidad Hormiga Aplicación de la Tecnología NIRS a la caracterización del corcho (Q. suber L.) Vitoria-Gasteiz 14 Junio 2013

INTRODUCCIÓN Método tradicional de clasificación del corcho por clases de calidad Calidad Visual o Aspecto – 1ª, 2ª, 3ª, 4ª, 5ª, 6ª, 7ª, 8ª (refugo)

CALIBRE

















1

15-19 líneas

2

3 9

13-15 líneas

4

11-13 líneas

6 8

CALIDAD

DENOMINACIÓN COMERCIAL

6º↑

1

Grueso o espeso

15-19 5ª↑

2

13-15 5ª↑

4

11-13 5ª↑

6

15-19 6ª

3

13-15 6ª

5

11-13 6ª

7

11↓

8

Delgado

9

Refugo

CLASE

ASPECTO

>19 líneas

19; 15-19; 13-15; 11-13; < 11 líneas

5 7

19↑

4ª↑

Refugo

‰ Método de clasificación subjetivo. ‰ Pobre en cuanto a rigor científico. ‰ Necesidad de mejorar el método tradicional

Taponable bueno

Taponable flaco

INTRODUCCIÓN Humedad Humedad El contenido de humedad es una variable cuya medición es necesaria en todas las etapas del proceso de transformación, desde campo a industria ‰ Método tradicional en estufa, destructivo Determinación muy precisa pero laboriosa

Mh = masa húmeda (masa del corcho para una humedad h%). Mo = masa anhidra (masa del corcho para una humedad 0%).

‰ Higrómetro de resistencia Determinación imprecisa

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INTRODUCCIÓN Procedencia Procedencia El corcho procedente de montes gestionados de manera sostenible y certificados según el criterio establecido en la Conferencia de Lisboa (1998) está siendo demandado por muchas empresas. El mecanismo para el seguimiento del material certificado desde el monte hasta el producto final a través de la cadena de custodia (Wingate y McFarlane, 2005), empezó en el sector del corcho en 2007, basado en los estándares establecidos por FSC (Forest Stewardship Council) (Schepers, 2010) y PEFC (Programme for the Endorsement of Forest Certification). Desde entonces el número de compañías certificadas ha ido en aumento en todo el mundo, especialmente en Europa y Estados Unidos. Es interesante desarrollar una herramienta objetiva que pueda utilizarse para verificar la procedencia geográfica de las planchas de corcho en la industria, asegurando la trazabilidad de los tapones de corcho y mejorando la cadena de custodia de los productos de corcho.

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INTRODUCCIÓN Tecnología de Espectroscopía en el Infrarrojo cercano – NIRS Fundamentos teóricos ‰ Espectroscopía: técnica basada en radiaciones ‰ Mediciones de la radiación: Reflectancia. Transmitancia Doble trasmitancia ‰ Espectro NIR. Representación de los valores de absorbancia para cada longitud de onda ‰ Los componentes químicos de una muestra tienen propiedades de absorción en la región NIRS. ‰ La asignación de bandas a determinados compuestos es muy teórica y muy compleja, se maneja a nivel global. ‰ La suma de la absorción mas la energía dispersa "efecto scatter" (A) determinan el espectro de reflectancia difusa (R) A = log 1/R ‰ El espectro de reflectancia difusa proporciona información sobre propiedades químicas, físicas, mecánicas y sensoriales de la muestra.

Región Visible

Longitud de onda (nm) 400-780

Infrarrojo cercano (NIR)

780-2.500

Infrarrojo medio (MIR)

2.500-50.000

Infrarrojo lejano

50.000-1.000.000

INTRODUCCIÓN Tecnología de Espectroscopía en el Infrarrojo cercano – NIRS Quimiometría: Disciplina de la química analítica que mediante el uso de métodos estadísticos, matemáticos y otros de lógica formal, diseña o selecciona procedimientos y experiencias de forma óptima y/o trata de obtener la máxima información química relevante a partir de análisis químico (World, 1972) La Tecnología NIRS necesita métodos quimiométricos para: ‰ Reducir los datos espectrales ‰ Depurar los datos espectrales: 9 Efecto scatter. 9 Ruido de la señal. 9 Error en la toma de espectros Tipo de variables ‰Cuantitativa: C = f (log 1/R)i ‰Cualitativa: Gi = f (log 1/Ri).

Ejemplo: C = % constituyente Ejemplo: G1, G2, G3….. Clases de calidad

Variable fácil de medir: Variable difícil de medir:

espectro variable de referencia

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INTRODUCCIÓN Tecnología de Espectroscopía en el Infrarrojo cercano – NIRS – Técnicas quimiométricas Análisis Cuantitativo Desarrollo de ecuaciones de calibración Selección del colectivo de calibración Método de referencia. Reducción de datos espectrales (ACP) Detección de anómalos espectrales y químicos. ‰ Métodos de calibración: 9 Regresión Lineal Múltiple. 9 Regresión en Componentes Principales. 9 Regresión por mínimos cuadrados parciales. ‰ Validación 9 Cruzada 9 Externa ‰ ‰ ‰ ‰

Análisis Cualitativo Desarrollo de modelos de clasificación Selección grupo de aprendizaje Variables de referencia Reducción de datos espectrales Detección anómalos espectrales Métodos 9 Métodos supervisados 9 Métodos no supervisados. ‰ Modelización: 9 Análisis discriminante mediante regresión. ‰ Validación 9 Cruzada 9 Externa ‰ ‰ ‰ ‰ ‰

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INTRODUCCIÓN Tecnología de Espectroscopía en el Infrarrojo cercano – NIRS Evolución tecnología NIRS ‰ 1960: Comienza su desarrollo. Se realiza la primera determinación para contenido de humedad % Avances en Instrumentación y Software ‰ 1990: Desarrollo múltiples aplicaciones: Sector agrario, Sector forestal: Madera NO EXISTEN ANTECEDENTES O ESTUDIOS PREVIOS CON RESPECTO AL CORCHO

Aplicaciones fundamentales: Control de calidad, Trazabilidad Ventajas: ‰ ‰ ‰ ‰

Rápido Sencillo No destructivo Barato

Inconvenientes ‰ ‰ ‰ ‰ ‰

Necesidad técnicas de referencia Influencia de factores no químicos (humedad, textura, granulometría..) Poco conocida La implantación requiere caracterización de la materia prima, instrumentación y formación La mayor dificultad estriba en el desarrollo de los modelos Aplicación de la Tecnología NIRS a la caracterización del corcho (Q. suber L.) Vitoria-Gasteiz 14 Junio 2013

OBJETIVOS El objetivo de este estudio de viabilidad es la puesta a punto de una metodología para la caracterización del corcho en plancha mediante la aplicación de técnicas no destructivas, de bajo coste y fácil implantación industrial como son la tecnología NIRS y el análisis de imagen. Se evalúa el potencial de la tecnología NIRS para ‰ Introducir criterios objetivos en la identificación de las distintas calidades de corcho en plancha, estimar la porosidad utilizando como método de referencia el análisis de imagen y determinar el contenido de humedad de las planchas. El análisis de imagen es una técnica contrastada para medir o estimar la porosidad del corcho y se analiza su viabilidad para ser utilizado como método de referencia en la calibración NIRS. ‰ Autentificar la procedencia geográfica del corcho en plancha y tapones de corcho, mediante el desarrollo de modelos multivariantes de clasificación utilizando un colectivo muestral formado por planchas y tapones de los países y regiones productores más importantes en el mundo y en España, a escala internacional y nacional.

Estudio de viabilidad: Evaluación del potencial de la tecnología NIRS para la caracterización del corcho ‰

Desarrollar y evaluar ecuaciones de calibración NIRS para la predicción de: 9 Calidad visual del corcho en plancha 9 Porosidad 9 Contenido de humedad

‰

Desarrollar y evaluar modelos de clasificación para determinar: 9 Procedencia de las muestras de corcho

MATERIALES Y MÉTODOS Material Experimental Material Experimental: ‰ COLECTIVO A: 176 muestras o calas de corcho crudo de dos procedencias en Andalucía (Córdoba y Málaga) y tamaño variable entre 15x15 y 20x20 cm que se recortaron de planchas de corcho de dimensiones comerciales seleccionadas aleatoriamente en la pila tras su extracción ‰ COLECTIVO B (colección CORKASSESS): 479 muestras o calas de corcho cocido procedentes de las principales áreas productoras: Marruecos (60), Portugal (240) y España (179). A su vez las 179 muestras españolas proceden de Cataluña (60), Extremadura (59) y Andalucía (60). Las dimensiones aproximadas de las piezas son de 20x2 cm en las direcciones tangencial y axial, y calibre variable Clasificadas en 8 clases de calidad visual por un único operario según el método tradicional ‰ COLECTIVO C: 90 tapones naturales de 24 mm de diámetro y 44 mm de longitud, procedentes Andalucía (45) y Cataluña (45). Clasificados en 3 clases de calidad industrial: buena, media y comercial.

COLECTIVO A

ASPECTO VISUAL POROSIDAD HUMEDAD

COLECTIVO B PROCEDENCIA COLECTIVO C

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MATERIALES Y MÉTODOS Métodos analíticos de referencia Métodos analíticos de referencia ‰ Determinación de calidad y calidad visual o aspecto 9 Colectivo A: Preparación y clasificación de las muestras (EGMASA, Junta de Andalucía) – Cocción, Reposo, Recorte: Inmersión de las muestras de corcho en agua pura hirviendo durante 1 hora, dejándolas reposar durante 24 h en ambiente húmedo y con poca luz hasta su estabilización, recortando los bordes irregulares – Clasificación: En ocho clases de aspecto, de primera (1ª) a séptima (7ª) y refugo, por un operario experimentado mediante inspección visual según el método tradicional 9 Colectivo B: En origen 9 Colectivo C: En industria ‰ Determinación de humedad: – Norma UNE-56-913-88 ‰ Determinación de porosidad. 9 Análisis de imagen. – Imágenes escaneadas de las muestras. – Algoritmo Cluster K-medias ‰ Determinación de procedencia 9 En origen

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MATERIALES Y MÉTODOS Análisis NIRS

Análisis NIRS ‰ Instrumentación: 9 Espectrofotómetro Foss NIRSystems 6500 SY II con sonda de reflectancia remota 9 Rango de 400 – 2500 nm

‰ Software WINISI v. 1.50. 9 Cálculo de la repetibilidad espectral 9 Obtención de los espectros 9 Tratamiento estadístico 9 Desarrollo de modelos y ecuaciones

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MATERIALES Y MÉTODOS Recogida de espectros Recogida de espectros COLECTIVO A ‰ Sección tangencial (vientre) (a): 3 espectros ‰ Sección transversal (b): 3 espectros. Plantilla rectangular 4x1 cm

COLECTIVO B ‰ Sección transversal (1 a): 2 a 10 espectros por muestra, la mitad en el lado izquierdo y la otra mitad en el derecho, en función del calibre Plantilla rectangular 4x1 cm

COLECTIVO C ‰ Bases (Sección transversal) (1a): 2 espectros, uno en cada base Plantilla circular 20 mm de diámetro ‰ Costados (Sección tangencial y radial) (1b): 2 espectros, uno en la cara perpendicular a los anillos de crecimiento (sección radial) y otro en la cara paralela (sección tangencial) Plantilla rectangular 4x1 cm

MATERIALES Y MÉTODOS Técnicas quimiométricas

Análisis Cuantitativo

Análisis Cualitativo

Desarrollo de ecuaciones de calibración

Desarrollo de modelos de clasificación

‰ ‰ ‰ ‰ ‰

Método de regresión = MPLS Suavizado, corrección scatter Utilización de diferentes rangos del espectro Utilización de diferentes pretratamientos de los datos espectrales Estadísticos utilizados en la evaluación de ecuaciones de calibración: 9 Error típico del método de referencia (ETL) 9 Error típico de calibración (ETC) y de validación cruzada (ETVC) 9 Coeficiente de determinación de la calibración (R2) y de validación cruzada (r2) 9 Coeficiente de variación (CV)

‰ ‰ ‰ ‰ ‰

Método de clasificación empleado = Análisis discriminante mediante regresión PLS. Suavizado, corrección scatter Utilización de diferentes rangos del espectro. Utilización de diferentes pretratamientos de los datos espectrales. Estadísticos utilizados en la evaluación de ecuaciones de calibración y modelos de clasificación: 9 Error de clasificación del modelo 9 Error de clasificación de validación externa

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RESULTADOS Caracterización del colectivo de muestras Colectivo A PARÁMETRO Aspecto visual 8 clases Aspecto visual 3 clases CP Transversal (%) CP Tangencial (%) Contenido de humedad (%)

N 170 170 170 170 167

Rango 1-8 1-3 1.39-16.65 5.48-23.56 4.75-14.50

Media 5.62 2.11 8.53 13.38 7.55

DS 1.77 0.65 2.82 3.64 0.91

ETL 0.57 0.27 1.11 0.81 0.14

CV (%) 10.14 12.80 13.01 6.05 1.85

Colectivos B y C Número de muestras PROCEDENCIA GEOGRÁFICA Marruecos Portugal España Andalucía Cataluña Extremadura TOTAL

PLANCHAS Escala internacional Calib. Valid. 40 20 160 80 119 60

319

160

Escala nacional Calib. Valid.

40 40 39 119

20 20 20 60

TAPONES Escala nacional Calib. Valid.

30 30

15 15

60

30

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RESULTADOS Estudio espectral Los espectros presentan las mismas bandas de absorción y su intensidad [log(1/R)] varía ‰ COLECTIVO A: PLANCHAS (secciones transversal y tangencial) 9REGION VIS: La intensidad [log(1/R)] es claramente inferior en la sección transversal 9REGION NIR: Las diferencias entre los espectros de ambas secciones son mínimas, los espectros se superponen ‰COLECTIVOS B Y C: PLANCHAS (sección transversal) Y TAPONES (sección transversal y tangencial - radial) 9REGIÓN VIS + NIR: Se observan mínimas diferencias entre espectros, que presentan un perfil similar y las mismas bandas de absorción. Las diferencias entre los picos de absorción de los espectros medios es ≈ ± 2 nm 9El desplazamiento de los espectros medios se relaciona con la superficie de absorción (plantilla) y la sección ƒEl espectro medio de las planchas (transversal) se sitúa muy próximo al espectro medio de los costados de los tapones (tangencial – radial). Se obtienen en la misma superficie (4 cm2) pero el desplazamiento puede radicar en la diferente absorción de cada sección. ƒEl espectro medio de las bases de los tapones (transversal), muestra las mismas bandas aunque de menor intensidad [log(1/R)] debido a que la superficie de absorbancia (3,14 cm2) es también menor.

Colectivo A

Colectivos B y C

RESULTADOS -Estudio espectral Asignación de bandas de absorción y grupos funcionales a los principales compuestos del corcho ‰ REGIÓN DEL VISIBLE (400 a 800 nm): El espectro presenta un máximo de absorción a 450 nm debido al color (Williams & Norris 2001). ‰ REGIÓN NIR (800 a 2500 nm): Pueden apreciarse los picos de absorción correspondientes a: 9 Grupos –CH: Bandas alrededor de 1215, 1730, 2146, 2310, 2354 nm ƒ Las bandas 1215 y 1730 corresponden a grupos –CH en primer y segundo sobretono respectivamente, asociados a una estructura –CH2. ƒ La banda de 2146 está asociada fundamentalmente a las bandas de combinación –CH y C=O (Shenk y Westerhaus, 1995). ƒ La región de 2308-2500 nm corresponde a bandas de combinación del grupo –CH en estructuras –CH y-CH2 (Murray y Williams, 1987). 9 Grupos –OH: Bandas alrededor de 1450 y 1930 nm (Shenk et al, 2001) (Prades et al, 2010). ƒ Las bandas de 1450 y 1930 corresponden al primer sobretono y bandas de combinación, del grupo –OH, presente mayoritariamente en el agua. Mean absorption band Intervalo (nm) Pico (nm) 1158-1338 1215 1424-1612 1450

Grupo funcional -CH -OH

1718-1822 1882-1960

1730 1930

-CH -OH

1960-2152 2308-2500

2146 2310 2354

-CH -CH -CH

Estructura Primer sobretono y bandas de combinación Primer sobretono Primer sobretono y bandas de combinación Bandas de combinación Bandas de combinación

Compuesto corcho Grupo -CH2 Grupo -OH

Celulosa

Grupo -CH2 Grupo -OH

Celulosa

-CH y C=O -CH y -CH2

Suberina Celulosa

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RESULTADOS Análisis cuantitativo - COLECTIVO A Estadísticos de las mejores ecuaciones NIRS desarrolladas ‰ Calidad visual: 8 clases en las secciones transversal y tangencial y 3 clases en la sección transversal ‰ Porosidad: en las secciones transversal y tangencial ‰ Humedad: en las secciones transversal y tangencial PARÁMETRO SECCIÓN Derivada Rango espectral N Media DS SEC

R2

Aspecto visual 8 Clases 3 Clases Transversal Tangencial Transversal 2,5,5,1 2,5,5,1 2,5,5,1 1100- 2500 1100-2500 1100-2500 153 155 144 5.49 5.71 2.01 1.59 1.62 0.59 0.99 1.51 0.35

Coeficiente de porosidad

Contenido de humedad

Transversal 2,5,5,1 400-2500 152 8.55 2.67 1.27

Tangencial 0,0,1,1 400- 2500 154 13.03 3.28 2.55

Transversal 2,5,5,1 400-2500 154 7.48 0.66 0.38

Tangencial 1,10,5,1 400-2500 144 7.47 0.64 0.30

0.61

0.13

0.65

0.77

0.39

0.66

0.78

1.17

1.56

0.43

1.47

2.61

0.44

0.36

r2

0.45

0.09

0.47

0.69

0.36

0.55

0.68

CV (%)

21.31

27.32

21.39

17.19

20.03

5.88

4.82

ETL

0.57

0.57

0.27

1.11

0.81

0.14

0.14

SECV

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RESULTADOS Análisis cualitativo - COLECTIVO B Modelos de clasificación de procedencia en planchas de corcho a escala internacional y nacional Modelos planchas Procedencia geográfica Nº muestras mal clasificadas Clasifi-cación Parcial (%) Error clasificación Total Nº muestras mal clasificadas Validación Parcial (%) Error validación Total

Internacional(*) Marruecos Portugal España

Andalucía

Nacional(**) Cataluña

Extremadura

0/40

0/160

6/119

3/40

2/40

0/39

0

0

5

7,5

5

0

1,9

4,2

1/20

1/80

1/60

0/20

1/20

0/20

5

1,3

1,7

0

5

0

1,9

1,7

Derivada 2,5,5,1(*)(**); Rango espectral 400-2200 (*)(**); Pre-tratamiento None (*; Pre-tratamiento SNV+DT(**)

Distribución tridimensional de las poblaciones espectrales del corcho en plancha en los modelos seleccionados a escala internacional y nacional

RESULTADOS Análisis cualitativo - COLECTIVO C Modelos de clasificación de procedencia de tapones a escala nacional Modelos planchas Procedencia geográfica Nº muestras mal clasificadas Parcial Clasifi-cación (%) Error clasificación Total Nº muestras mal clasificadas Parcial Validación (%) Error validación Total

Bases Andalucía Cataluña 1/30 1/30 3,3 3,3

Costados Andalucía Cataluña 2/30 2/30 6,67 6,67

3,3

6,67

1/15 3,3

1/80 1,3

10,0

0/15 0,0

3/15 20,0

10,0

Derivada 2,5,5,1(*); Rango espectral 400-2200 (*); Pre-tratamiento SNV+DT(*)

Existe algún componente o característica del corcho que explica la clasificación entre procedencias. Puede deberse a: ‰Composición química: componentes secundarios ‰Características anatómicas ‰Textura: Espesor del anillo ‰Combinación de factores

CONCLUSIONES

‰Las absorciones producidas proporcionan información sobre los enlaces de tipo C-H de los compuestos químicos orgánicos del corcho ‰Se recomienda utilizar la sección transversal para la aplicación de la tecnología NIRS al corcho ‰La mejor ecuación obtenida para calidad visual se obtiene para tres clases y aunque no aporta una precisión y exactitud suficiente para una clara diferenciación de calidades, los resultados son esperanzadores considerando la heterogeneidad y variabilidad de este producto natural ‰La mejores ecuaciones obtenidas para porosidad y humedad están muy próximas a su consideración como de buena precisión y también a los resultados obtenidos mediante el método de referencia (Shenk & Westerhaus 1995). ‰La tecnología NIRS es capaz de diferenciar muestras de corcho de diferentes procedencias con errores inferiores al 5% para el corcho en plancha y al 10% para los tapones, independientemente de la escala utilizada (nacional o regional) y de la etapa del procesado industrial considerada (corcho en plancha o tapones). No hay ningún otro método publicado capaz de determinar dicho origen. ‰La tecnología NIRS es una técnica de fácil implantación y bajo coste, que puede proporcionar información de manera simultánea sobre todas las variables estudiadas, calidad, porosidad, humedad y procedencia.

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Agradecimientos Este estudio ha sido parcialmente financiado por el Proyecto RTA 2006-00119-C02-00. La Empresa de Gestión Medioambiental, S.A. (EGMASA) preparó y clasificó las planchas. Los datos se obtuvieron en la Unidad de Espectroscopía NIR/MIR (SCAI) de la Universidad de Córdoba. Agradecemos a la Profesora Ana Garrido Varo (Universidad de Córdoba) su colaboración en el desarrollo de este trabajo. Cristina Prades López (E.T.S.I.A.M. Universidad de Córdoba) e-mail: cprades @uco.es

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