SUPERVISOR
مرتضی صادقی (استاد مشاور) مجید ناظری (استاد مشاور) سیداحمد میره ای (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Haghshenas adarmanabadi
محمد حق شناس آدرمنابادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Quality Determination of Tomato Using Nondestructive Fluorescence Spectroscopy
Today, determination of the internal quality of fruits and vegetables in one of the important activities in post-harvest technologies. The relatively high price of the agricultural products has been changed the customers preferences from quantity to quality attributes. To determine the quality attributes of agricultural materials, different methods have been developed so far which most of them have a destructive and time-consuming nature. Non-destructive techniques have been noticed during last two decades. Among nondestructive techniques, spectroscopy-based methods such as induced fluorescence spectroscopy (IFs) and near-infrared spectroscopy (NIRs) have had the versatile applications in quality evaluation of fruits and vegetables. Regarding IFs, the most studies have extensively used the lasers as the induction light source, meanwhile in this research, both laser and LEDs have been implemented to induce the fluorescence for tomatoes. Therefore, laser induced fluorescence spectroscopy (LIFs) and LED-induced fluorescence spectroscopy (LEDIFs) along with NIRs were used to evaluate the quality of tomato and their results were finally compared. For this purpose, a set-up was developed to acquire the LIF and LEDIF spectra of the tomatoes in reflectance as well as NIR spectra in the interactance modes. The main parts of the developed set-up included: a Vis/NIR spectrometer in the 400-1100 nm spectral region, optical fiber, and flexible chassis to mount the light sources, fruit, and optical fiber. The light sources consist of a 5 mW laser with an excitation wavelength of 405 nm for LIFs, seven LEDs with different powers and wavelengths for LEDIFs, and six halogen-tungsten lamps for NIRs. A total of 170 tomato samples with the wide range of ripening stages have been prepared and their spectral data were acquired with aforementioned methods. Immediately after the spectral acquisition, the quality parameters of tomato, including Magness-Taylor firmness (MTf) and color parameters of L* and a* were measured using the reference methods. Furthermore, partial least squares methods were used to develop the predictive models. The primary results showed that in both LIFs and LEDIFs, two peaks around the 685 and 740 nm can be detected, indicating the chlorophyll content of tomatoes. Moreover, in NIRs, two peaks around the 670 and 990 nm were identified which is related to the chlorophyll and water contents of the samples, respectively. Among the LEDs, the best results were obtained using the LED no. 2 (with the power of 3 W and wavelength of 450 nm). Meanwhile, among two IFs, the LIFs was led to better results in comparison with LEDIFs. In comparison of different spectroscopy methods, however, NIRs could better predict all three quality parameters of MTf ( r p of 0.921, RMSEP of 6.50 N, and RPD of 2.224), L* ( r p of 0.920, RMSEP of 3.020, and RPD of 2.042), and a* ( r p of 0.938, RMSEP of 4.427, and RPD of 2.640). Among quality parameters, the best results were obtained for a* prediction with NIRs and LIFs ( r p of 0.912, RMSEP of 6.244, and RPD of 1.872). The L* was better predicted using LEDIFs with a r p of 0.869, RMSEP of 3.127, and RPD of 1.972. Keywords: Spectroscopy, Laser induced fluorescence, LED-induced fluorescence, NIR, tomato, partial least squares, firmness, color.
امروزه تعیین کیفیت درونی میوهها و سبزیجات یکی از فعالیتهای مهم پس از برداشت است که با توجه به رشد تقاضا برای محصولات سالم و باکیفیت، بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. همچنین، قیمت بالای برخی از محصولات کشاورزی موجب تغییر اولویت مشتریان از کمیت به کیفیت شده و بهتدریج مشتریان به دنبال مهر و نشان کیفیت و برندهای قابلاعتماد روی مواد غذایی هستند. به علت معایب فراوان روشهای مخرب در مقابل روشهای غیر مخرب از جمله وقتگیر و پرهزینه بودن، تخریب محصول و همچنین نیاز به انجام آزمایشات مختلف برای تعیین ترکیبات گوناگون محصولات کشاورزی، گرایش به روشهای غیر مخرب بهطور گستردهای افزایشیافته است. در میان روشهای غیرمخرب، روشهای طیفسنجی به خصوص طیفسنجی فلورسانس القایی و فروسرخ نزدیک (NIR) کاربرد بسیار زیادی در ارزیابی کیفیت محصولات کشاورزی داشتهاند. با توجه به این که در سالهای اخیر محققان حوزه طیف سنجی فلورسانس القایی، به طور گسترده ای از لیزر به عنوان منبع نور القاکننده استفاده کردهاند، در این پژوهش از روشهای طیفسنجی فلورسانس القایی لیزر و LED به همراه روش طیفسنجی NIR برای تعیین کیفیت گوجهفرنگی استفاده شد. برای این منظور، سامانهای توسعه داده شد تا بتواند طیفهای فلورسانس القایی لیزر و LEDرا در مد بازتابشی و طیفهای Vis/NIR را در مد تقابلی اندازهگیری کند. سامانهی توسعه داده شده شامل منابع نور، اسپکترومتر PDA با آشکارساز CCD با توانایی ثبت طیفهای الکترومغناطیس در ناحیه 400 تا 1100 نانومتر، فیبر نوری و شاسی انعطافپذیر است. منابع نوری سامانه شامل یک لیزر 5 میلیوات با طولموج تحریک 405 نانومتر جهت طیفسنجی فلورسانس القایی لیزر، هفت عدد LED با توان ها و طول موجهای مختلف برای طیفسنجی فلورسانس القایی LED و لامپ های هالوژنی برای طیفسنجی NIR میباشند. طیفهای 170 نمونه گوجهفرنگی در روشهای ذکر شده جمعآوری شد و سپس بلافاصله، پارامترهای کیفی نمونهها، شامل سه مؤلفهی سفتی ( MTf)، روشنایی رنگ (L*) و مؤلفه محور سبز-قرمز (a*) با استفاده از روشهای مرجع بدست آمد. برای تعیین مؤلفههای رنگ، از یک رنگ سنج دیجیتال دستی و برای تعیین سفتی از دستگاه جامع آزمون کشش و فشار با پروب سر تخت مگنس-تیلور استفاده شد. برای مدلسازی این سه پارامتر کیفی از روش رگرسیون چند متغیره حداقل مربعات جزیی (PLS) استفاده شد. در بررسی اولیه طیف های حاصل از لیزر و LEDها، دو پیک در محدوده 685 و 740 نانومتر مشاهده گردید که به کلروفیل مربوط بود. همچنین در طیف های NIR دو پیک در محدوده 670 و 990 نانومتر به ترتیب مربوط به کلروفیل و آب موجود در گوجه فرنگی مشاهده شد. از بین LEDهای مورد استفاده، بهترین نتایج مربوط به LED شمارهی 2 بود اما با اینحال نتایج نشان داد که لیزر به طور کلی منبع نور مناسبتری نسبت به LED برای القای فلورسانس در گوجهفرنگی میباشد. در بین سه روش طیف سنجی انجام شده، بهترین نتایج را روش طیف سنجی NIR برای هر سه مؤلفه MTf با ضریب همبستگی پیشبینی ( r p ) 921/0، خطای پیشبینی (RMSEP) برابر 50/6 نیوتن و RPD برابر 224/2 ، L* با r p برابر 920/0، RMSEP برابر 020/3 و RPD برابر 042/2 و a* با r p برابر 938/0، RMSEP برابر 427/4 و RPD برابر 640/2 بدست آورد. همچنین در بین مؤلفه های اندازه گیری شده، بهترین نتایج برای مؤلفهی a* و در روشهای NIR و فلورسانس القایی لیزر با r p برابر 912/0، RMSEP برابر 244/6 و RPD برابر 872/1 بدست آمد. مؤلفهی L* نیز توانست توسط روش فلورسانس القایی LED با نتایج خوبی شامل r p برابر 869/0، RMSEP برابر 127/3 و RPD برابر 972/1 پیشگویی شود. کلیدواژه: طیفسنجی، فلورسانس القایی لیزر، فلورسانس القایی LED، NIR، گوجهفرنگی، حداقل مربعات جزیی، سفتی، رنگ.