تفکیک غیرمخرب غده‌های سیب‌زمینی مبتلا به بیماری پوسیدگی نماتدی و جرب معمولی از سالم با استفاده از روش طیف‌سنجی مرئی- فروسرخ نزدیک (Vis/NIR)

STUDENT

DEGREE

YEAR

Today, the desirability of food staff plays an important role in the food industry, which directly affects the health of the population and the progress of the community. Therefore, the evaluation of agricultural products is one of the most important post-harvest activities, which according to growth in demand for high-quality products, has been given greater consideration. On the other hand, potato is considered as one of the main foods around the world and the most important dicotyledonous plant in human consumption. This tuber is rich of protein, calcium, potassium and vitamin C. For this reason, potatoes and their products are of strategic importance and hence, ensuring about the health and safety of tubers is a key issue for competition in the food industry. Moreover, removing the potato tubers with superficial defects, physiological disorders and internal damage is a necessary part of the production for either direct consumption or its processing. Therefore, developing a non-destructive method for quantitative and qualitative evaluation of potatoes in a fast and reliable way is highly needed. In this research, the potential of non-destructive Vis/NIR spectroscopy was evaluated for predicting the most important quality indices of potato, as well as the diagnosing the two important tuber disorders. Vis/NIR spectra were acquired in two measurement modes of half-transmission and interactance, and the target quality parameters were soluble solids (SSC), dry matter (DM), specific gravity (SG), and firmness (F). Moreover, two main tuber disorders including potato rot nematode and common scab were tried to be detected via Vis/NIR spectroscopy. The spectra of the samples were measured using a PDA spectrometer equipped with a high-resolution CCD detector in the range of 200-1200 nm using a fiber optic probe. Then, the infected samples were cut to ensure the severity and the type of the damage. Intact samples were then used to assess the quality indices by using the standard methods as soon as possible. In order to eliminate the irrelevant information from the spectra, different preprocessing methods were examined. Partial least squares regression analysis (PLS) was used to predict the SSC, DM, SG, and firmness, and soft independent modeling of Keywords : Spectrometer, Preprocessing, Partial least squares regression, Soft independent modeling of

امروزه در سراسر جهان، مطلوب بودن کیفیت مواد خوراکی نقش مهمی را در صنعت غذا ایفا می‌کند که به طور مستقیم با سلامت مردم و پیشرفت جامعه در ارتباط است .بنابراین ارزیابی و درجه‌بندی محصولات کشاورزی یکی از فعالیت‌های مهم پس از برداشت است که با توجه به رشد تقاضا برای محصولات سالم و دارای کیفیت بالا، بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. از طرف دیگر سیب‌زمینی یکی از مواد غذایی اصلی در سراسر جهان و مهم‌ترین گیاه دو لپه‌ای در تغذیه انسان است. این غده غنی از پروتئین، کلسیم، پتاسیم و ویتامین C است. به همین منظور، سیب‌زمینی و فرآورده‌های آن، از اهمیت غذایی استراتژیک برخوردارند که تضمین ایمنی و سلامت آن مسأله‌ای کلیدی برای رقابت در صحنه‌ی صنایع غذایی است. همچنین، بروز بیماری‌های مختلف در سیب‌زمینی به لحاظ اقتصادی مهم است و تلاش برای کنترل این بیماری‌ها برای تولید مناسب ضروری است. حذف غده‌های سیب‌زمینی با عیوب سطحی، اختلالات فیزیولوژیکی و آسیب‌های داخلی یک امر ضروری در تولید سیب‌زمینی برای مصرف تازه‌خوری و یا فرآوری آن می‌باشد. بنابراین توسعه‌ی یک روش غیرمخرب به نحوی که بتواند تمامی این ویژگی‌های کمی و کیفی را به نحو سریع و مطمئن تشخیص دهد، ضروری به نظر می‌رسد. در این پژوهش پتانسیل روش غیرمخرب طیف‌سنجی Vis/NIR در پیش‌بینی مهم‌ترین مؤلفه‌های کیفیت سیب‌زمینی و همچنین تشخیص دو بیماری مهم غده‌ی آن مورد ارزیابی قرار گرفت. طیف‌های Vis/NIR در دو حالت نیمه عبوری و تقابلی و مؤلفه‌های کیفیت هدف چهار پارامتر مواد جامد محلول (SSC)، درصد ماده‌ی خشک (DM)، وزن مخصوص (SG) و سفتی(F) بودند. همچنین بیماری‌های مورد نظر برای تشخیص شامل پوسیدگی نماتدی سیب‌زمینی و جرب معمولی بودند. طیف Vis/NIR نمونه‌ها با استفاده از یک اسپکترومتر PDA مجهز به آشکارساز CCD با قدرت تفکیک بالا در محدوده‌ی 1200-200 نانومتر و با استفاده از فیبر نوری دوشاخه اندازه‌گیری شد. سپس، نمونه‌های آلوده پوست‌گیری شدند تا از شدت و نوع آسیب آن اطمینان حاصل شود. از نمونه‌های سالم برای ارزیابی شاخص‌های کیفی مورد نظر با استفاده از روش‌های مخرب و استاندارد و در حداقل زمان ممکن استفاده شد. به منظور تحلیل طیف‌های بدست آمده، ابتدا و انتهای طیف‌ها به دلیل نویز حذف و پس از بررسی پیش‌پردازش‌های مختلف، پیش‌پردازش مناسب بر روی طیف‌ها اعمال گردید. از روش تحلیل رگرسیون حداقل مربعات جزئی (PLS) برای پیش‌بینی SSC، DM، SG و سفتی و از روش مدل‌سازی نرم و مستقل شباهت‌های بین کلاس (SIMCA) برای تشخیص و طبقه‌بندی غده‌های سالم از آلوده در دو مد تقابلی و نیمه عبوری استفاده شد. در بین مدهای تقابلی و نیمه عبوری بهترین وضعیت برای تحلیل‌های کیفی مد تقابلی بدست آمد. در بین پارامترهای مختلف کیفیت، بهترین نتیجه برای تخمین پارامتر SG با ضریب تبیین پیش‌بینی ( R 2 p ) برابر 861/0، خطای پیش‌بینی (RMSEP) برابر 16/2 کیلوگرم بر متر مکعب و RPD برابر 72/2 حاصل شد. بهترین نتیجه برای پارامتر DM با ضریب تبیین پیش‌بینی ( R 2 p ) برابر 759/0، خطای پیش‌بینی (RMSEP) برابر 81/0 درصد و RPD برابر 03/2 حاصل شد. بهترین نتیجه برای پارامتر SSC با ضریب تبیین پیش‌بینی ( R 2 p ) برابر 803/0، خطای پیش‌بینی (RMSEP) برابر 2/0 درجه‌ی بریکس و RPD برابر 3/2 حاصل شد. همچنین بهترین نتیجه برای پارامتر سفتی نیز با ضریب تبیین پیش‌بینی ( R 2 p ) برابر 833/0، خطای پیش‌بینی (RMSEP) برابر 03/1 نیوتن و RPD برابر 45/2 حاصل شد. در تحلیل‌های کیفی با استفاده از روش طبقه‌بندی SIMCA برای تشخیص جرب معمولی، هر دو مد اندازه‌گیری نیمه عبوری و تقابلی منجر به نتایج خوبی با دقت کل 15/98% در مرحله‌ی آزمون شدند. با استفاده از روش SIMCA برای تشخیص نماتد، بهترین نتیجه در مد اندازه‌گیری نیمه عبوری برای طیف خام و پیش‌پردازش ساویتسکی-گولای با دقت‌های یکسان حاصل شد. به طوری که کلاس‌های سالم و نماتد به ترتیب با دقت‌های 98% و 100% در مرحله‌ی آزمون تفکیک شدند و دقت کل 70/98% بدست آمد. در بین دو مد اندازه‌گیری نیمه عبوری و تقابلی، مد نیمه عبوری منجر به بهترین نتایج برای طبقه‌بندی غده‌های سالم از ناسالم گردید. به طور کلی نتایج این تحقیق نشان داد که روش غیرمخرب طیف‌سنجی Vis/NIR دارای پتانسیل قوی در تخمین مؤلفه‌های کیفیت سیب‌زمینی و تشخیص نمونه‌های آلوده به بیماری‌های پوسیدگی نماتدی و جرب معمولی است. کلید واژه‌ها : اسپکترومتر، پیش‌پردازش، حداقل مربعات جزئی، مدل‌سازی نرم و مستقل شباهت‌های بین کلاسی