SUPERVISOR
سیداحمد میره ای (استاد راهنما) مرتضی صادقی (استاد راهنما) روزبه عباس زاده (استاد مشاور)
STUDENT
Hajar Aghili
هاجر عقیلی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Moisture content determination of quince fruit during drying process using laser light back-scattering imaging
n recent years, due to the awareness of quality, many advances have been occurred in quality assessment techniques of fruits, vegetables and food. Meanwhile, laser light back-scattering imaging (LLBI) method is regarded as an efficient and non-destructive technique for predicting the quality indices of agricultural materials. On the other hand, drying is one of the most important postharvest activity for processing the agricultural products. Determining the moisture content of the product during drying is an extremely important operation to control the product's condition and evaluate the drying performance. The conventional measurement method involves placing the product on the scale, which is due to the contacting nature, this method has its own limitations. In this research, we tried to measure the moisture content of the quince during the drying process using LLBI method. Quince is considered as a food-medicinal fruit since it contains combination of pectin and high fiber. In order to dry the quince slices and simultaneously acquire their laser light back-scattering images, a special drying set-up was first designed and constructed. This set-up was then connected to a hot air dryer with the adjustable temperature and speed. Using a digital camera placed on the top of the set-up, the light back-scattered images were collected by illuminating the infrared (wavelength of 980 nm with 25 mW power) and green (wavelength of 532 nm with 1 mW power) lasers. All experiments were carried out at a constant speed of 0.5 m/s. The drying temperature was adjusted to three levels of 50, 60, and 70 ? C. After determining the initial moisture content of the samples using the standard oven method, the remaining slices were then used for drying and imaging purposes. The experiments were performed over a period of 3 days, and in each day, the laser light back-scattering images of 10 quince samples were acquired and the samples were immediately weighed. This was repeated every 30 minutes until the samples reached to a constant weight. In order to analyze the images, the region of back-scattered light were segmented from the background using the Mahalanobis distance method. Numerical histogram and statistical variables of the back-scattered images were selected as the input features. Also, for each image, a plot obtained from radial distance of saturation region from its center of gravity against the rotation angle was obtained using the Canny method. Finally, the combination of histogram feature and the saturation region plot was evaluated to predict the moisture content. Partial least squares (PLS) method was used to extract the predictive models for estimating the moisture content of quince slices during drying. The results showed that there was a direct correlation between the variance of the saturation plot and the moisture content, where by decreasing the moisture content, the variance in the saturation region decreased. Moreover, there was a direct correlation between the amount of back-scattered light and the moisture content, where by decreasing moisture content, the area of the back-scattered region decreased. Comparison of the ability of both infrared and green lasers as well as the combination of these two lasers in two steps of calibration and cross-validation showed that the best results obtained from combination of two lasers. However, when the data of a single laser was used, the green laser had a better performance with respect to infrared one. Among the different lasers and features, the best PLS models obtained from combination of two lasers and histogram-saturation plot as the input feature. In test set validation stage, the best model could predict the moisture content of quince slices with a coefficient of determination ( R 2 p ) of 0.855, root mean squared error of prediction (RMSEP) of 10.020%, and residual predictive deviation (RPD) of 2.61.
در سالهای اخیر با توجه به افزایش آگاهی از کیفیت، پیشرفتهای زیادی در زمینه توسعه تکنیکهای ارزیابی مؤلفههای کیفیت میوهها، سبزیجات و مواد غذایی صورت گرفته است. در این میان، روش تصویربرداری از نور پراکنش یافته لیزر، یک روش کارآمد و غیرمخرب در پیشبینی پارامترهای کیفی محصولات غذایی و کشاورزی معرفی شده است. از طرف دیگر، یکی از مهمترین و قدیمیترین فرآیندها در صنایع تبدیل محصولات کشاورزی، خشک کردن است. اندازهگیری رطوبت محصول حین فرآیند خشککردن، یک عملیات بسیار مهم برای کنترل شرایط محصول و ارزیابی عملکرد خشککن محسوب میشود. روش اندازهگیری مرسوم شامل قرار دادن محصول بر روی ترازو است که بدلیل تماسی بودن، این روش دارای مشکلات مخصوص به خود است. در این پژوهش، سعی شد با استفاده از روش تصویربرداری از نور پراکنشیافته لیزر میزان رطوبت محصول "به" حین فرآیند خشک شدن اندازهگیری شود. میوه به، به دلیل داشتن پکتین و همچنین بالا بودن میزان فیبر آن، به عنوان یک ماده غذایی-دارویی مورد توجه قرارگرفته است. به منظور خشککردن ورقههای به و تصویربرداری همزمان آن، ابتدا محفظهای طراحی و ساخته شد تا به کمک آن بتوان نور پراکنشیافته لیزر حین فرآیند خشک شدن اندازهگیری شود. سپس این محفظه به یک خشک کن هوای داغ که دما و سرعت آن قابل تنظیم بود، متصل شد. به کمک دوربین نصب شده بر روی محفظه، تصاویر نور پراکنش یافته تولید شده توسط لیزرهای فروسرخ (با طول موج 980 نانومتر با توان 25 میلی وات) و سبز (با طول موج 532 نانومتر با توان 1 میلی وات) تهیه شدند. کلیه آزمایشها در سرعت ثابت m/s 5/0 انجام شدند. دمای خشک کردن در سه سطح 50، 60 و 70 درجه سلسیوس تنظیم شد. پس از تعیین مقدار رطوبت اولیه نمونهها توسط آون، ورقههای باقی مانده برای انجام آزمایشهای خشک کردن و تصویربرداری استفاده شدند. آزمایشها طی 3 روز انجام شدند و در هر روز، تصاویر نور پسپراکنش یافته از 10 تکه به تهیه و نمونهها بلافاصله وزن میشدند. این کار هر 30 دقیقه تکرار شد و تا ثابت شدن وزن نمونهها ادامه پیدا کرد. جهت تحلیل تصاویر، نواحی مربوط به نور پراکنش یافته با استفاده از دستور ماهالانوبیس از پس زمینه تصاویر جدا شدند. از دو روش هیستوگرام عددی تصاویر و متغیرهای آماری مربوط به تصاویر، به عنوان صفت استفاده شد. همچنین برای هر تصویر، یک نمودار فاصله محیط ناحیه نور اشباع از مرکز ثقل در برابر زاویهی دوران با استفاده از دستور کنی بدست آمد. در نهایت ترکیب دو صفت هیستوگرام تصویر و منحنی ناحیه نور اشباع در تخمین رطوبت بررسی شد. به منظور استخراج مدلهای پیشگو برای تخمین محتوای رطوبتی میوه به از روش حداقل مربعات جزئی (PLS) استفاده شد. نتایج نشان داد که بین مقدار واریانس منحنی و محتوای رطوبتی یک رابطه مستقیم وجود دارد، به این معنی که با کاهش محتوای رطوبتی، مقدار واریانس محیط ناحیه نور اشباع نیز کاهش مییافت. بین مقدار نور پراکنش یافته لیزر و محتوای رطوبتی نیز یک رابطه مستقیم وجود داشت، به این معنی که با کاهش محتوای رطوبتی، مساحت ناحیه نور پراکنش یافته لیزر نیز عمدتاً کاهش مییافت. مقایسه توانایی دو لیزر سبز و فروسرخ و همچنین تلفیق این دو لیزر در دو مرحله کالیبراسیون و اعتبارسنجی متقاطع یگانه نشان داد که بهترین نتایج برای تلفیق دو لیزر سبز-فروسرخ است. با این حال در هنگام استفاده از دادههای یک لیزر به تنهایی، نتایج نشان دادند که لیزر سبز عملکرد به نسبت بهتری در مقایسه با لیزر فروسرخ داشت. در بین لیزر ها و صفت های مختلف، بهترین نتیجه مدلسازی PLS در مرحله اعتبارسنجی آزمونی برای تلفیق دو لیزر سبز و فروسرخ برای صفت ترکیبی هیستوگرام و منحنی بود که مدل استخراج شده توانست محتوای رطوبتی را با یک ضریب تبیین پیشبینی ( R 2 p ) برابر 855/0، خطای پیشبینی (RMSEP) برابر 020/10 درصد و انحراف پیشگوی باقیمانده (RPD) برابر 61/2 تخمین بزند. کلمات کلیدی: لیزر، به، فروسرخ نزدیک، سبز، تصویر پراکنش یافته، خشککن، حداقل مربعات جزئی