SUPERVISOR
Gholarmreza Askari,Sayedamirhossein Mahdavi,Seyed Ahmad Mireei
غلامرضا عسگری (استاد مشاور) سیدامیرحسین مهدوی (استاد مشاور) سیداحمد میره ای (استاد راهنما)
STUDENT
Niloufar Akbarzadeh
نیلوفر اکبرزاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Developing the Waveguide Method for Non-destructive Prediction of Egg Quality Parameters and Comparison of It’s Capability with Visible Near-infrared Spectroscopy
The egg is known nutrient that in terms of quality is in second place after breast milk. Eggs are not only one of the highest sources of protein, but also contain almost all minerals and vitamins needed by the body except the vitamin C. Nowadays, the use of egg, directly and indirectly, has increased and therefore, it is important to assess its quality. The concept of egg quality is complex and include its size and shape, color and shell quality, internal quality, and defects such as blood and meat spots. The modern poultry industry is looking for new management methods to replace traditional methods for egg processing and grading. In recent years, great advances achieved in the development of non-destructive methods to estimate the quality parameters of agricultural products that in many cases have arrived at practical application. Visible and near-infrared (Vis/NIR) spectroscopy is one the nondestructive techniques that is regarded as optical methods. Waveguide technique is also another nondestructive technique that works based on dielectric concept. In fact, the waveguides are hollow tubes that are made from hard metals or flexible materials for releasing the waves in their internal insulation that is mostly air. In this study, a system was designed and used to collect the Vis/NIR spectra in the range of 400 to 1100 nm in both transmission and intractance modes of measurement. Also, a waveguide was developed to acquire the dielectric spectra of the egg samples in 0.9 to 3.5 GHz. The quality parameters of the egg are included the eggshell strength, thick albumen height (TAH), Haugh unit (HU), pH of albumen, yolk coefficient (YC), air cell height (ACH), and yolk color (L*,a*,b*). Vis/NIR spectral measurement system comprised light sources with adjustable light intensity, PDA spectrometer equipped with a CCD detector, fiber optics probe, and flexible chamber. For waveguide method, the whole set up was initially simulated in HFSS software and then was tested using a spectrum analyzer. For acquiring the waveguide spectra of egg samples, a system included an HP 8510C network analyzer with the ability to display 800 points in the specified frequency range (0.9-3.5 GHz), a standard L-band waveguide with dimensions of 8.255×16.51×75 cm, TE10 release mode, and a cutoff frequency of 0.908 GHz were used. A total of 244 egg samples were used in this study and stored for 1, 3, 5, 7, 15, and 24 days at room temperature. Immediately after the spectral acquisition, reference tests were performed to measure the egg quality and freshness parameters. In order to analyze the Vis/NIR spectra, the various pre-processing methods were first applied to the raw spectra and the best pre-processing method was selected for estimating each quality parameter. Then, the partial least squares regression (PLSR) was used to predict the egg quality parameters in both Vis/NIR spectroscopy and waveguide methods. The results showed that among quality parameters, the ACH predictive models had the highest prediction power in both methods where the respective Vis/NIR spectroscopy model could predict the ACH with the coefficient of determination ( R 2 p ) of 0.82, root mean square error of prediction (RMSEP) of 1.11 mm, and RPD of 2.19 in transmission mode. Also, the ACH model based on waveguide data could reach an R 2 p of 0.89, RMSEP of 0.89 mm, and RPD of 2.93 in reflected signal. Both methods showed relatively poor results in predicting the strength, L*, a*, and b* parameters. However, by low-level fusion of methods, a significant improvement in prediction power of all parameters was achieved where the fusion of transmission spectra-reflected signal could predict the ACH parameter with R 2 p of 0.89, RMSEP of 0.87 mm, and RPD of 3.06. The results showed that the fusion of Vis/NIR spectroscopy and waveguide methods can surprisingly increase the ability of the egg quality predictive models. Keywords: Egg, Vis/NIR spectroscopy, PDA spectrometer, Waveguide, Network analyzer, Partial least square regression, Low level fusion
تخممرغ ماده غذایی شناخته شدهای است که از نظر کیفیت بعد از شیر مادر در رتبهی دوم قرار دارد. تخممرغ نه تنها یکی از با کیفیتترین منابع پروتئینی است، بلکه تقریباْ دارای تمامی ویتامینها به جزء ویتامین C و مواد معدنی مورد نیاز بدن است. امروزه استفاده از تخممرغ به صورت مستقیم و غیرمستقیم افزایش یافته و به همین سبب، ارزیابی کیفیت آن از اهمیت بالایی برخوردار است. مفهوم کیفیت تخممرغ پیچیده بوده و شامل اندازه و شکل آن، رنگ و کیفیت پوسته، کیفیت داخلی و همچنین عیوب درونی مانند لکههای خون و تکههای گوشت میشود. امروزه صنعت مدرن طیور به جای روشهای سنتی فرآوری و درجهبندی تخممرغ مانند روشهای نوربینی و بازرسی چشمی، به دنبال روشهای جدیدتری است. در سالهای اخیر پیشرفتهای زیادی در توسعهی روشهای غیرمخرب برای تخمین خواص کیفی محصولات کشاورزی حاصل شده است که در بسیاری از موارد این روشها به حد کاربرد عملی نیز رسیدهاند. تکنیک طیفسنجی NIR، از جمله تکنیکهای غیرمخرب است که مبتنی بر روشهای اپتیکی است. تکنیک موجبر نیز از جمله تکنیکهای غیرمخرب است که مبتنی بر روشهای دیالکتریک میباشد. در واقع، موجبر لولهای توخالی و فلزی سخت یا قابل انعطاف است که موج در عایق داخل آن که اکثراً هواست، منتشر میشود. در این پژوهش از سامانههای طراحی شده برای جمعآوری طیفهای Vis/NIR در دو حالت عبوری و تقابلی و موجبر به منظور تخمین 9 پارامتر کیفی تخممرغ استفاده شد. پارامترهای کیفی شامل سفتی پوسته، ارتفاع سفیدهی ضخیم (TAH)، واحد هاو (HU)، pH سفیده، ضریب زرده (YC)، ارتفاع کیسهی هوا (ACH) و رنگ زرده (L*a*b*) میشوند. سامانهی اندازهگیری طیفهای Vis/NIR دارای بخشهای اصلی شامل منابع نوری با قابلیت تنظیم شدت نور، اسپکترومتر PDA مجهز به آشکارساز CCD با توانایی ثبت طیفهای الکترومغناطیس در ناحیه 400 تا 1100 نانومتر، پروب و محفظهی انعطافپذیر دستگاه با سه درجه آزادی است. از هر نمونه دو طیف تحت زاویه 180 درجه حول محور طولی گرفته شد. سامانهی اندازهگیری موجبر ابتدا در نرمافزار HFSS طراحی شد. این سامانه دارای بخشهای اصلی شامل تحلیلگر شبکهی HP8510C با قابلیت نمایش 800 نقطه در محدودهی فرکانسی تعیین شده (9/0-5/3 گیگاهرتز) همراه با ثبت پارامترهای پراکندگی و یک موجبر استاندارد باند L با ابعاد داخلی 255/8×51/16 سانتیمتر مربع و طول 75 سانتیمتر با قابلیت انتشار مد TE 10 و فرکانس قطع 908/0 گیگاهرتز است. بلافاصله بعد از اندازهگیری طیفها و سیگنالهای 244 عدد تخممرغ ذخیره شده به مدت 1، 3، 5، 7، 15 و 24 روز در دمای اتاق، آزمایشهای مرجع به منظور اندازهگیری مؤلفههای کیفیت و تازگی تخممرغ انجام شدند. به منظور تحلیل طیفهای عبوری و تقابلی بدست آمده از روش Vis/NIR، ابتدا پس از بررسی پیشپردازشهای مختلف، پیشپردازش مناسب انتخاب و بر روی طیفها اعمال شد. سپس برای پیشبینی پارامترهای سفتی، TAH، HU، pH، YC، ACH، L*، a* و b* در هر روش به صورت جداگانه، تحلیل رگرسیون حداقل مربعات نسبی انجام شد. در هر دو روش در بین پارامترهای مختلف، بهترین نتایج برای پارامتر ACH با ضریب تبیین پیشبینی ( R 2 p ) برابر 82/0، ریشه میانگین مربعات خطای پیشبینی (RMSEP) برابر 11/1 میلیمتر و RPD برابر 19/2 در مد اندازهگیری عبوری و R 2 p برابر 89/0، RMSEP برابر 89/0 میلیمتر و RPD برابر 93/2 در سیگنال بازتابشی بدست آمد. هر دو روش نتایج نسبتاً ضعیفی برای پیشبینی پارامترهای Strength، L*، a* و b* نشان دادند. در تلفیق داده در سطح پایین، پس از قرارگیری دادههای هر دو روش در کنار یکدیگر به صورت 4 گروه طیف عبوری- سیگنال بازتابشی، طیف عبوری- سیگنال عبوری، طیف تقابلی- سیگنال بازتابشی و طیف تقابلی- سیگنال عبوری، میانگین دادهها بر انحراف استاندارد آنها تقسیم گردیدند و مجدداً تحلیل رگرسیون PLS برای پیشبینی پارامترهای TAH، HU، pH، YC و ACH انجام شد. تحلیل رگرسیون انجام شده براساس تلفیق دادهها نتایج مطلوبتری را نسبت به دو تحلیل رگرسیون قبلی نشان داد به طوری که بهترین نتایج برای پارامتر ACH با R 2 p برابر 89/0، RMSEP برابر 87/0 میلیمتر و RPD برابر 06/3 در تلفیق طیف عبوری- سیگنال بازتابشی بدست آمد. کلید واژهها : تخممرغ، طیفسنجی Vis/NIR، اسپکترومتر PDA، موجبر، تحلیلگر شبکه، حداقل مربعات نسبی، تلفیق داده در سطح پایین