柚子光能量衰减规律及透射深度对模型精度的影响分析
李雄1,2, 刘燕德1,2,*, 王观田1, 姜小刚1,2
1.华东交通大学机电与车辆工程学院, 江西 南昌 330013
2.华东交通大学智能机电装备创新研究院, 江西 南昌 330013
*通讯作者 e-mail: jxliuyd@163.com

作者简介: 李 雄, 1992年生, 华东交通大学机电与车辆工程学院讲师 e-mail: 1598657020@qq.com

摘要

柚子果皮厚, 果皮与果肉属于两种不同的介质, 对光的折射、 吸收程度存在差异, 针对建立水果可溶性固形物含量(SSC)检测模型时, 光谱采集量与目标不匹配, 导致模型精度差的问题, 以上饶马家柚为研究对象, 自主搭建可调实验平台, 采集并分析柚子整果的光能量衰减规律, 寻找柚子厚度与透光性的关系, 探索果皮厚度、 光透射深度对柚子SSC检测精度的影响。 首先将透射光源放置在柚子赤道圈的正上方, 统计柚子赤道圈不同区域接收到的光谱强度, 绘制光谱强度分布图, 结果显示, 距离光源发射点越远, 光谱强度越低, 入射点由远及近的位置接收的光强分别占33.40%、 2.90%、 0.50%、 0.40%、 0.20%, 柚子皮对光的吸收较为明显, 散射出的光所占比重较少; 采用切片法, 记录剩余厚度与对应的光谱强度值, 绘制光谱强度的变化规律曲线, 随着剩余厚度逐渐减少, 光谱强度逐渐增加, 在32.90 mm的位置, 光谱强度发生了巨大的变化, 果实厚度高于32.92 mm时, 果实接收的光谱强度普遍较低, 当果实低于32.92 mm时, 光谱强度呈跳跃式增加。 采集果肉、 整果、 果皮光谱, 采用偏最小二乘法(PLS)建立SSC预测模型, 去皮后的果肉模型相关性最高。 采集柚子果肉、 果皮+果肉厚度为40、 30、 20和10 mm时的光谱, 建立不同厚度的SSC预测模型, 果肉厚度为20、 40、 60和80 mm时, 预测集相关系数分别为0.91、 0.89、 0.87和0.86, 果肉在透射深度为20 mm时, 水果SSC预测模型精度最佳。 果皮+果肉的光谱透射深度为20、 40、 60和80 mm, 预测集相关系数分别为0.78、 0.86、 0.93和0.84, 果皮+果肉的透射深度为60 mm时, 有最好的预测效果。 研究结果表明, 果皮和果肉内部组织成分的差异, 会影响SSC预测的结果, 但是调整可见/近红外光在水果内部的传输距离, 可以优化模型精度, 研究揭示了可见/近红外光在水果组织中的漫透射传输特性, 可为厚皮果的品质在线分选装置研发提供实验依据。

关键词: 光能量衰减; 果肉和果皮; 透射深度; 可溶性固形物含量; 传输特性
中图分类号:S24 文献标志码:A
Grapefruit Light Energy Decay Law and Analysis of the Effect of Transmission Depth on Model Accuracy
LI Xiong1,2, LIU Yan-de1,2,*, WANG Guan-tian1, JIANG Xiao-gang1,2
1. School of Mechatronics and Vehicle Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China
2. Institute of Intelligent Mechatronics Equipment Innovation, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China
*Corresponding author
Abstract

Grapefruit peel is thick. The peel and pulp belong to two different media, and the refractive index and absorption of light from the peel and pulp are different. Modeling of grapefruit soluble solids content without removing the interference of fruit peel, can lead to poor model accuracy. To address the problem of poor model accuracy due to the mismatch between spectral acquisition and target when building a fruit quality detection model. To address the problem of poor model accuracy due to the mismatch between spectral acquisition and target when establishing fruit quality detection models, this study takes ShangraoMajiya grapefruit as the experimental object, builds an adjustable experimental platform independently, acquires and analyzes the light energy attenuation pattern of whole grapefruit, searches for the relationship between grapefruit thickness and light transmission, and explores the effects of peel thickness and light transmission depth on grapefruit SSC detection accuracy. Firstly, the transmitted light source was placed directly above the equatorial circle of the grapefruit, and the spectral intensity received by different regions of the equatorial grapefruit circle was counted. The spectral intensity distribution was plotted, and the results showed that the further away from the light source emission point, the lower the spectral intensity. The light intensity received at the incident point from far and near positions accounted for 33.40%, 2.90%, 0.50%, 0.40%, 0.20%. The absorption of light by the grapefruit peel was more obvious, and the scattered light energy accounted for a smaller proportion. Secondly, the slicing method was used to record the remaining thickness and the corresponding spectral intensity, and to draw the curve of the changing pattern of spectral intensity.The smaller the remaining thickness, the greater the spectral intensity when the thickness was 32.90 mm, the spectral intensity changed dramatically, when the fruit thickness was higher than 32.92 mm, the photon intensity received by the fruit was generally lower when the fruit was lower than 32.92 mm, the spectral intensity undertook a jump increase. Then the flesh, whole fruit and peel spectra were collected, and the SSC prediction model was developed using partial least squares, and the best prediction was obtained for the peeled flesh. Finally, the spectra were collected when the thickness of grapefruit flesh, peel + flesh was 40, 30, 20 and 10 mm, and the SSC prediction models with different thicknesses were established. The correlation coefficients of the prediction sets were 0.91, 0.89, 0.87 and 0.86 when the thickness of flesh was 20, 40, 60 and 80 mm respectively. The SSC prediction model had the highest accuracy when the flesh was at a transmission depth of 20 mm. The spectral transmission depth of peel+pulp was 20, 40, 60 and 80 mm, and the prediction set correlation coefficients were 0.78, 0.86, 0.93 and 0.84, respectively, with the best prediction at a transmission depth of 60 mm for peel+pulp.The results show that the difference in tissue composition inside the fruit skin and pulp affects the results of SSC prediction, but changing the transmission distance of visible/NIR inside the fruit can also optimize the model accuracy. This study reveals the diffuse transmission characteristics of visible/NIR in fruit tissue, which can provide a realistic basis for developing online sorting devices for the quality of thick-skinned fruits.

Keyword: Light energy decay; Pulp and peel; Transmittance depth; Soluble solids content; Transmission characteristics
引言

柚子富含氨基酸、 维生素、 矿质元素等多种人体必需的营养物质, 具有促进人体键康的作用。 柚子可溶性固形物含量(soluble solids content, SSC)是评价品质常用的指标之一, SSC的无损检测已成为近年来研究的热点[1, 2]。 柚子作为典型的厚皮水果, 果皮疏松、 光散色性强, 果肉密度大, 光散色程度低, 建立SSC预测模型时, 接收的光谱中包含了大量的果皮信息, 忽略果皮的影响容易导致光谱采集量与目标不匹配, 从而降低预测模型的精度[3, 4], 柚子的SSC无损检测精度差一直被认为是该领域的技术瓶颈。

采用可见/近红外光谱分析水果品质已经做了大量的研究工作, 如Fan[5]等采用透射光模式, 采集光谱, 预测苹果的SSC。 Xia[6]等改变可见/近红外漫反射光角度, 探测入射角度对苹果SSC检测模型精度的影响。 Sun[7]等建立了LS-SVM回归模型, 研究了水果的移动速度对模型精度的影响。 Xu[8]等进行光谱变量选择, 研究了梨的SSC在线检测方法。 Leiva-Valenzuela[9]等对全光谱进行波长选择, 评估蓝莓的内部品质。 Jie[10]等使用可见和近红外光谱漫透射技术, 在线检测西瓜的SSC。 以上研究都取得了较好的结果, 但现有的研究都注重于数据处理方法的优化研究, 生物物料的特性分析较少。

本研究从可见/近红外光在柚子组织内部的传输机理入手, 分析光能量在柚子组织内的衰减规律, 探寻光透过柚子不同透射深度条件下对模型精度的影响, 从原理上提高水果品质检测模型的精度, 为提升柚子SSC在线检测精度提供现实依据。

1 实验部分
1.1 样品

实验所用的水果为某水果店购置的成熟江西上饶马家柚183个, 样品外部无缺陷、 无瑕疵, 大小重量一致、 果型均匀。 3个样品用于柚子赤道圈光不同位置接收的光谱强度统计实验, 随后对柚子不断切片, 统计不同厚度条件下透射光谱接收到的光谱能量值。 完成180个样品不同透射深度条件下SSC预测模型比较实验。 实验样品如表1所示。 果皮平均厚度为20 mm, 编号后在室内温度25 ℃存放1 d。 果皮+果肉180个样品, 采用切片法, 逐渐切除果肉的厚度, 剩余厚度为80、 60、 40和20 mm时各采集光谱180次。

表1 实验材料信息 Table 1 Experimental material information
1.2 仪器与光谱采集

实验装置自主搭建, 如图1(a, b)所示为实验装置结构图与样品切割实物图, 实验装置主要包含光谱仪、 光源、 样品台、 计算机、 探针光纤等, 实验在暗箱进行, 以屏蔽外界光的干扰, 减少内部光的反射。 光谱仪的发射波长为400~1 100 nm, 探针光纤连接光谱仪和样品。 光谱采集时采用透射模式, 卤钨灯光垂直照射水果样品, 每次切除2~3 mm, 记录剩余果实的厚度, 并保存光谱, 每种厚度的水果采集光谱4次, 记录平均值。

图1 (a)实验装置结构图与(b)样品图Fig.1 (a)Structure of the experimental setup and (b) sample diagram

1.3 SSC测定

切下柚子光谱对应区域的果肉, 挤出2~3滴果汁, 直至果汁覆盖折射式数字糖度计(PR-101a)测量部位表面, 测量SSC, 糖度计的糖度(Brix)测量范围在0~45.00%之间, 测量温度在5~40 ℃(自动温度补偿)之间。 每次测量后用纯净水标定糖度后继续测量下一个点。 SSC的范围、 平均值和标准差如表1所示。

1.4 数据处理

采集的光谱和对应的SSC输入到MATLAB和Unscrambler软件, 光谱进行预处理后建立SSC预测模型, 相关系数(Rp)值和均方根误差(RMSE)表示模型的优劣。 本研究采用经典的偏最小二乘法(partial least squares, PLS)建立SSC预测模型。

2 结果与讨论
2.1 光谱特征与差异化分析

如图2所示为柚子果肉、 果皮、 果肉+果皮的平均光谱, 在710和800 nm附近有两个明显吸收峰, 柚子内部含有各种复杂的化合物, 而化合物又由C— H、 N— H、 O— H等官能团组成, 前者吸收峰有可能是由C— H键的伸缩振动4级倍频导致, N— H键伸缩震动和变形震动1级倍频可能导致后一个吸收峰出现。 而310 nm处的直线可能是由于光谱采集时的杂散光或者噪声导致[11, 12]。 柚子果皮厚、 果皮松散, 最高柚子皮的厚度可以达到50 mm, 吸收光谱能力强, 果皮与果肉内部成分有差异, 光经过果皮后折射进入果肉, 使光发生了很大程度的色散[13], 图2显示, 经过果皮+果肉后的光谱能量值最低, 果皮透射出来的光强介于两者之间, 经过果肉的光强高出果皮的数倍。 这就解释了为什么厚皮水果柚子建立SSC检测模型时, 检测精度总是很低的原因。 果皮与果肉的光谱在650~680 nm范围内有明显的差异, 分析认为在650~680 nm处果皮的叶绿素含量丰富, 反射率较高, 果皮出现特征峰。 在730 nm处果皮和果肉同时出现特征峰, 说明柚子果皮与柚子果肉具有相似性, 在建立柚子品质检测模型时, 柚子皮的光谱会影响模型的效果。

图2 柚子果皮和果肉的平均光谱Fig.2 Average spectrum of peel and pulp

柚子果皮和果肉生理指标存在一定程度的差异, 果皮中含糖量少, 果肉中含糖量丰富。 如图3所示柚子的果皮、 果肉、 果皮+果肉光谱经过PCA处理后的数据散点图, 黑色圆点表示柚子果皮光谱, 蓝色圆点表示柚子果皮+果肉光谱数据, 红色表示果肉光谱数据, 这些数据出现了一定程度聚类现象, 表明, 果皮和果肉存在一定的差异性, 如果在建立水果品质模型过程中, 用果皮光谱代替了果肉光谱, 或者果肉中的光谱含有果皮光谱的信息, 则模型不具有代表性, 模型的精确性也会受影响。

图3 柚子果皮和果肉分类散点图Fig.3 Scatter plot of peel and pulp classification

2.2 果皮影响分析

2.2.1 光散射能量分析

为了分析柚子整果对光能量衰减规律, 统计柚子赤道圈不同位置接收的光谱强度, 透射光源由赤道圈正上方入射, 光纤在1至10号位置移动接收光谱, 光谱强度的计算采用光谱仪配套软件SpectraSuite进行统计, 选取光谱强度的最大值并记录。 图4(a)所示是统计柚子赤道圈接收的光谱强度分布图, 图中标记的是可见/近红外在700 nm的光谱强度, 该波段处的光谱强度有最大值。 距离光源发射点距离越远, 光谱强度越低, 1、 2、 3、 4、 5号位置的光谱强度依次为20 692、 1 013、 592、 480、 326, 6、 7、 8、 9、 10号位置光谱强度依次为51 153、 12 187、 1 739、 530、 412。 如图4(b)所示, 是计算对应位置接收的光谱强度所占百分比, 接收光谱强度与发射光谱强度的比值为光谱百分比。 距离入射点由远及近的位置接收的光强分别占33.40%、 2.90%、 0.50%、 0.40%、 0.20%。 即使在最靠近光源入射的点, 接收的光谱仅为入射的33.4%, 表明柚子对光的吸收较为明显, 散射出的光所占比重较少。 距离入射点最远距离的点, 接收的光强仅只有0.20%, 从原理上分析, 如果柚子SSC在线分选装置采用漫透射方式要优于全透射模式。

图4 柚子赤道圈接收(a)光谱强度分布图; (b)光能量所占百分比Fig.4 Equatorial circle reception (a) spectral intensity distribution; (b) percentage of light energy

2.2.2 透射深度统计

为了寻找柚子厚度与透光性的关系, 本研究统计不同柚子厚度下透过的光谱强度。 本实验选取大小均匀的马家柚, 利用切片机不断对同一个柚子切除果肉厚度, 每削一层, 记录剩余厚度与对应的光谱强度值。 图5(a)所示是柚子的剩余厚度与光谱强度相关的变化规律, 光谱强度最低的曲线表示整个果实的透射率。 透射模式下不能完全获取水果内部信息, 随着剩余厚度逐渐减少, 光谱强度逐渐增加, 样品越厚, 透射率越小, 被吸收的光子数越多; 图中也可以清晰地观察到, 在32.9 mm的位置, 光谱强度发生了巨大的变化, 果实厚度高于32.92 mm时, 果实接收的光谱强度普遍较低, 当果实低于32.92 mm时, 光谱强度呈跳跃式增加。 对于厚皮水果柚子, 灯泡功率为100 W时, 32.92 mm可能是透射率的转折点。 图5(b)所示柚子厚度与光谱透射率变化曲线图, 横坐标是柚子的厚度, 纵坐标是接收到的光能量所占的百分比。 图中可以观察到, 柚子的透射率与果实厚度不是线性关系, 而是某一厚度范围内, 透射率急剧下降。 柚子的最大透射率约为35.00%, 当深度超过33 mm, 透射率则低于7.60%。 由此说明柚子的果皮和果肉吸收了大部分的光谱能量。

图5 (a)柚子厚度与光谱强度值的变化规律; (b)柚子厚度与光谱强度百分比的变化规律Fig.5 (a) Variation law of thickness and spectral intensity; (b) Variation law of thickness and spectral percentage

2.2.3 模型性能比较

为了提高PLS定量检测SSC模型精度, 减少非实验因素导致的误差, 如消除噪声、 识别奇异性样本、 增强光谱信号, 本研究对吸光度光谱值进行多元散射校正(multiplicative scatter correction, MSC)和标准正态变换(standard normal transformation, SNV)对光谱进行预处理, MSC主要用来消除原始光谱色散, SNV主要用来降低原始光谱受光谱仪光程变化的影响, 增加预测模型的说服力。 如图6(a, b, c)分别是柚子果皮、 果肉、 果皮+果肉光谱经过MSC、 SNV预处理后得到的光谱曲线。

图6 MSC+SNV算法进行光谱预处理
(a): 果皮+果肉; (b): 果皮; (c): 果肉
Fig.6 MSC+SNV algorithm for spectral pre-processing
(a): peel+pulp; (b): peel; (c): pulp

分别采集柚子(整果)、 果肉、 果皮各180个样品的光谱值, 真值不变, 建立SSC预测模型记录PLS建模的结果。 如表2所示是果肉、 果皮、 果肉+果皮的SSC预测结果, 剥皮之后的果肉相关性最高, 预测及相关系数为0.85, 预测集均方根误差为0.32。 整果光谱建立的模型, 预测集相关系数为0.82, 预测集均方根误差为0.41。 而果皮光谱建立的模型相关性最低, 预测集相关系数为0.78。

表2 基于不同光谱值的偏最小二乘法SSC预测结果 Table 2 Prediction results of partial least squares SSC for different spectral values

采用切片的方法, 分别采集柚子纯果肉40、 30、 20和10 mm深度时同一部位的光谱, 每种深度各采集180条, 采集完光谱之后测量SSC, 建立四种不同厚度的SSC预测模型, 如表3所示, 柚子果肉厚度为20、 40、 60和80 mm时, 预测集相关系数分别为0.90、 0.89、 0.87和0.86。 柚子光谱透射深度对预测模型的结果有较大的影响, 未切片的果肉相关性要比切片后的果肉差, 采用全透射方式, 光谱强度不能完全穿透柚子果肉, 获取不了更多的光谱信息。 柚子果肉在透射深度为20 mm时, 水果SSC预测模型精度要高于其他透射深度。

表3 不同透射深度条件下SSC的预测模型结果 Table 3 Prediction model results of SSC for different transmission depth conditions

同理, 继续采用切片法, 对果皮+果肉进行切除, 采集光谱, 建立不同深度的SSC预测模型, 柚子果皮的厚度为20 mm, 当果皮+果肉的光谱透射深度为20 mm, 剩余厚度只剩下果皮。 柚子的果皮+果肉的光谱透射深度分为20、 40、 60和80 mm, 预测集相关系数分别为0.78、 0.86、 0.93和0.84, 果皮+果肉的透射深度为60 mm时, 有最好的预测效果。 实验表明, 在测量水果光谱时, 透射光源太浅, 会因果皮的散色性强, 接收不到果肉的有效信息, 而透射光源太深, 又有可能因为光照能量的限制, 不能穿过水果内部, 获取的组织信息不够全面, 达不到最佳的建模的效果。

由于生物物料的差异, 柚子果皮会影响可见/近红外在柚子内部组织的传输路径, 从而影响SSC预测的结果, 改变可见/近红外的传输距离, 可以提升模型的预测结果。 有学者采用可见/近红外光谱技术对未剥皮和剥皮脐橙SSC探索果皮对脐橙SSC检测精度的影响, 但柚子果皮厚度大于脐橙, 本实验结果突破柚子果皮厚, 光透射性差的缺陷, 以较高的模型精度作为参考结果, 探索出果皮和光透射深度对柚子SSC检测精度的影响, 突破果皮厚度高导致品质预测模型差的技术瓶颈。 本研究在果皮+果肉组织中, 光透射深度为60 mm时取得了最佳的预测效果。 图7是柚子果皮+果肉光谱透射深度为60 mm时, 偏最小二乘法预测SSC的预测值和真实值散点图, 横坐标是SSC的真实值, 纵坐标是SSC的预测值, 预测集相关系数为0.93, 预测集均方根误差为0.25。 图8为主成分因子数, 建模时选择较低的主成分因子(PC)会覆盖柚子果肉光谱中的有效信息, 降低定量模型精度, 选择PC为5或者6时因特征维度过少, 模型过于简单, 拟合的函数无法满足训练集, 导致“ 欠拟合” 。 而PC为16或者18时过度的拟合了训练数据, 而没有考虑到泛化能力会出现“ 过拟合” , 该模型下最佳的PC为11, 预测精度达到最优。

图7 预测值和真实值散点图Fig.7 Scatter plot of predicted and true values

图8 主成分因子数Fig.8 Number of principal component factors

3 结论

本研究搭建可调实验平台, 采用探针光纤穿刺方式, 统计点光源下柚子赤道圈光能量分布, 绘制光能量的分布图, 结果显示距离光源发射点越远, 光谱强度越低, 柚子对光的吸收较为明显。 其次寻找柚子厚度与透光性的关系, 统计不同柚子厚度下透过的光谱强度, 随着剩余厚度逐渐减少, 光谱强度逐渐增加, 32.92 mm可能是透射率的转折点。 采集柚子果皮、 果肉和整果的光谱, 对SSC进行检测, 果肉的相关性最好。 采集果肉、 果肉+果皮不同深度的光谱, 分析透射深度对模型精度的影响, 柚子果肉厚度为20、 40、 60和80 mm时, 预测集相关系数分别为0.91、 0.89、 0.87和0.86, 柚子的果皮+果肉的光谱透射深度分为20、 40、 60和80 mm, 预测集相关系数分别为0.78、 0.87、 0.93和0.85, 柚子果皮+果肉距离光源入射至为60 mm有最佳预测效果。 研究揭示了近红外光在水果组织中的漫透射传输特性, 阐明了柚子综合品质属性与果肉近红外光谱的相关关系, 为水果品质检测模型精度的提高提供了理论依据。

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