ارزیابی روش طیف سنجی مرئی- نزدیک فروسرخ موج کوتاه (Vis-SWNIR) برای سنجش رطوبت و غلظت ساکاروز در مواد فیبری متخلخل: مطالعه موردی باگاس نیشکر

نویسندگان

1 گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

2 گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

3 موسسه تحقیقات و آموزش نیشکر و صنایع جانبی خوزستان، اهواز، ایران

4 گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده مهندسی زراعی و توسعه روستایی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان، اهواز، ایران

چکیده

بکارگیری طیف‌سنج‌های با محدوده طول موج مرئی- نزدیک فروسرخ موج کوتاه (Vis-SWNIR) به عنوان روشی سریع و کم-هزینه‌ به منظور اندازه‌گیری رطوبت و غلظت قند در مواد کشاورزی مورد توجه محققین بوده است. هدف این مطالعه، ارزیابی طیف‌سنجی بازتابی Vis-SWNIR برای اندازه‌گیری رطوبت و غلظت ساکاروز در مواد فیبری متخلخل با مطالعه موردی بر روی باگاس نیشکر می‌باشد. به منظور افزایش مساحت در تعامل بین نور و ماده و افزایش نسبت سیگنال به نویز، یک محفظه نورپردازی با دو لامپ هالوژن 50 وات در مقایسه با نورپردازی از طریق لامپ دستگاه طیف‌سنج با فیبر نوری در محدوده طول موج 1100-400 نانومتر ساخته و استفاده شد. در گام اول تعداد 48 نمونه با افزودن رطوبت و ساکاروز محلول به کاه گندم آسیاب شده تهیه و اندازه‌گیری شد. از روش‌ رگرسیونی چند متغیره حداقل مربعات جزیی (PLSR)، برای توسعۀ مدل‌های پیش‌بینی متغیرهای رطوبت و غلظت ساکاروز نمونه‌ها استفاده شد. اعتبارسنجی مدل‌ پیش‌بینی PLSR با استفاده از روش نورپردازی لامپ هالوژن، پیش‌بینی قوی‌تری از درصد رطوبت (88/0 R2=، 3/3 RMSE= و 07/3RPD=) و ساکاروز (78/0 R2=، 95/3 RMSE= و 25/2RPD=) نمونه‌های کاه در مقایسه با نورپردازی با فیبر نوری نشان داد که بیانگر قدرت پیشگویی بسیار خوبی می‌باشد. نتایج ارزیابی سامانه بر روی 50 نمونه باگاس نیشکر برای درصد رطوبت (72/0 R2=، 28/0 RMSE= و 96/.RPD=) و ساکاروز (44/0 R2=، 27/0 RMSE= و 01/1RPD=) قدرت پیشگویی ضعیف‌تری نشان داد که می‌تواند به دلیل نایکنواخت بودن بافت نمونه‌های باگاس در مقایسه با کاه و دامنه تغییرات محدودتر رطوبت و ساکاروز در نمونه‌های باگاس باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of Visible-short wave near infrared (Vis-SWNIR) spectroscopy for measurement of water content and sucrose concentration in porous fibrous material: Case study on sugarcane bagasse

نویسندگان [English]

  • Ali Farahmandi 1
  • Mojtaba Naderi-Boldaji 2
  • Maral Ajamian 3
  • Mahdi Ghasemi-Varnamkhasti 1
  • Saman Abdanan Mehdizadeh 4
1 Department of Biosystems Engineering, Faculty of Agriculture, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
2 Department of Mechanical Engineering of Biosystems, Faculty of Agriculture, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
3 Khuzestan Sugarcane and By-products Development Research and Training Institute, Ahvaz, Iran
4 Mechanics of Biosystems Engineering, Agricultural Sciences and Natural Resources University of Khuzestan, Iran
چکیده [English]

The use of spectrophotometers in the range of visible to short-wave near infrared (Vis-SWNIR) is of interest for researchers as a fast and low-cost method to measure moisture and sugar concentration in food and agricultural products. The aim of this study is to evaluate Vis-SWNIR reflectance spectroscopy for measuring moisture content and sucrose concentration in porous fibrous materials with a case study on sugarcane bagasse. In order to increase the interaction area between the light and sample and to increase the signal-to-noise ratio, a lighting chamber with two 50 W halogen lamps was made and evaluated in comparison with lighting through the spectrophotometer lamp with optical fiber in the wavelength range of 400-1100 nm. In the first step, 48 samples were prepared and measured by adding different amounts of water-sucrose solution to ground wheat straw. Multivariate partial least square regression (PLSR) method was used to develop prediction models for moisture and sucrose concentration of the samples. Validation of PLSR prediction model using halogen lamp lighting method, showed stronger prediction of moisture content (R2=0.88, RMSE=3.3 and RPD=3.07) and sucrose concentration (R2=0.78, RMSE=3.95 and RPD = 2.25) as compared to lighting with optical fiber. Evaluation results on 50 sugarcane bagasse samples for moisture content (R2=0.72, RMSE=0.28 and RPD=0.96) and sucrose concentration (R2=0.44, RMSE=0.27 and RPD=1.01) showed a weaker predictive power, which could be due to the non-uniform texture of bagasse samples compared to straw and the limited range of moisture and sucrose variations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Porous fibrous materials
  • Short-wave near infrared (Vis-SWNIR)
  • Sugarcane bagasse
  • Sugar concentration