利用高光譜成像評估水果和蔬菜的成熟度和老化程度

發布時間：2025-03-10

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監測和控制食品質量對于盈利和負責任的食品生產至關重要。尤其是水果和蔬菜比其他食品更敏感，必須新鮮出售和加工才能有價值和健康。高光譜成像為自動質量控制系統提供了關鍵數據，以確保食品的高品質。

使用 Specim FX10 高光譜相機測量李子和西紅柿的老化

食品老化是評估新鮮度時需要量化的重要參數。在此背景下，水果和蔬菜的成熟度和硬度是需要觀察和監測的兩個最重要的品質。高光譜相機可以觀察水果和蔬菜在整個成熟過程中的光譜變化。

在本研究中，我們使用Specim FX10高光譜相機和實驗室掃描儀對李子和西紅柿進行了 20 天的檢查，以評估其老化過程（圖 1）。Specim FX10 是一款可見光-近紅外 (VNIR) 相機，其光譜范圍覆蓋 400 至 1000 納米。分析的第一部分側重于樣品隨時間變化的光譜特征。然后，我們提出了西紅柿和李子老化的回歸模型。

圖 1：將三顆李子和西紅柿樣本放置在 40×20 的實驗室掃描儀上，并使用 Specim FX10 相機測量 20 天。

拍攝了樣品的照片，并附上了高光譜數據。圖片顯示，李子，尤其是西紅柿的新鮮度隨著時間的推移而大幅下降（圖 2）。在一個西紅柿和李子的中間做了一個小切口。這似乎對加速西紅柿的衰老產生了重大影響，但對李子卻沒有影響。

圖2：第1天、第13天、第20天拍攝的樣品照片。

光譜反射揭示化學變化

每天進行光譜測量時（第 1、2、3、6、9、13、14、16、17 和 20 天），對每個李子和西紅柿進行矩形選擇。圖 3 中僅顯示了第 1、13 和 20 天獲得的光譜，以方便讀取結果。光譜是所選光譜的平均值。西紅柿
的光譜差異比李子更顯著。這在第 1、13 和 20 天拍攝的照片中已經可見（圖 2）。

光譜揭示了水果和蔬菜內部隨時間發生的化學變化。李子和西紅柿在早期生長階段呈綠色，這是因為它們含有葉綠素。但在成熟時，葉綠素會分解成另一種化學物質。對于西紅柿來說，葉綠素會分解成番茄紅素，這解釋了西紅柿呈紅色的原因。這種化學變化解釋了李子和西紅柿在 550 到 750 納米之間的光譜隨時間變化的原因。水果和蔬菜的成熟過程還會影響水分含量或結構，從而影響它們在 970 納米處的光譜。其他特性（例如糖含量）也會隨時間變化，從而形成光譜反射率。

圖 3：第 1、2、3、6、9、13、14、16、17 和 20 天獲得的李子和西紅柿的假 RGB 圖像。每個數據集都合并成一個（馬賽克），從左側（第 1 天）到右側（第 20 天）。每個西紅柿和李子的平均光譜在第 1 天（白色）、第 13 天（粉色）和第 20天（紫色）顯示。

量化衰老的回歸模型

建立了一個回歸模型來量化李子和西紅柿的老化（圖 3）。成像日期是實際的回歸變量。
對于李子，R2 為 0.81，而對于西紅柿，R2 為 0.91。這些是根據用于訓練模型的其他選擇計算的。圖 4 顯示了實際值與預測值的回歸圖。
對于李子，該模型基于從 588 到 976 納米的縮小光譜范圍。對于西紅柿，該模型基于 445 到 993 納米之間的光譜帶。

圖 4：三顆李子（頂部）和三顆西紅柿（底部）的回歸模型輸出。數據分別在第 1、2、3、6、9、13、14、16、17 和 20 天采集（從左到右）。熱圖范圍從第 1 天（最小值）到第 25 天（最大值）。

圖 5：兩個模型的實際值與模型預測值（測量李子和西紅柿的老化）

結論

Specim FX10相機適合測量水果和蔬菜的成熟度和老化度，因為它對與農產品新鮮度相關的特征很敏感。在建立典型的回歸模型時，應使用實驗室測量值作為參考值來開發和驗證模型。然而，這些對于評估水果和蔬菜的老化度來說并不是必需的。

在可見近紅外 (VNIR) 下運行的高光譜相機為監控新鮮食品的產品質量提供了有效的工具。與傳統的基于點的方法相比，高光譜成像因其無損特性而特別適合食品分級、分類和分類。(來源：Specim高光譜成像)