تشخیص غیرمخرب فعالیت آنزیم پراکسیداز ارقام مختلف آلو با استفاده از طیف‌سنجی VIS/NIR و روش‌های یادگیری ماشین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.

چکیده

این پژوهش با هدف توسعه و ارزیابی یک روش غیرمخرب برای پیش‌بینی فعالیت آنزیم پراکسیداز (POD) در دو رقم آلو خرمایی و خونی با استفاده از طیف‌سنجی Vis/NIR و روش‌های یادگیری ماشین انجام شد. پس از جمع‌آوری طیف‌های جذبی، داده‌ها با استفاده از الگوریتم‌های رگرسیون حداقل مربعات جزئی (PLSR) و ماشین‌بردار پشتیبان (SVM) در محدوده کامل طیفی و ابعاد کاهش‌یافته مدل‌سازی شدند و عملکرد آن‌ها با معیارهای ضریب تعیین (R2)، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) و نسبت عملکرد به انحراف (RPD) مورد ارزیابی قرار گرفت. به‌منظور کاهش ابعاد داده‌ها و افزایش کارایی مدل‌ها، از تلفیق مدل SVM با الگوریتم‌های فراابتکاری برای انتخاب طول موج‌های مؤثر استفاده شد. از میان این الگوریتم‌ها الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO) به عنوان بهترین الگوریتم انتخاب شد نتایج نشان داد که استراتژی کاهش ابعاد با حذف نویز و اطلاعات اضافی، توانایی مدل‌ها را در پیش‌بینی دقیق بهبود می‌بخشد. یافته‌ها حاکی از آن است که بهترین مدل برای هر رقم متفاوت بود. بعد از کاهش ابعاد و انتخاب طول موج‌های موثر برای رقم خرمایی، مدل SVM-R با هسته rbf و پیش‌پردازش فیلتر میانه بهترین عملکرد را ارائه داد و با 687/2=RPD در رده مدل‌های عالی قرار گرفت که بر اهمیت مدل‌های غیرخطی برای این رقم تأکید دارد. در مقابل، برای رقم خونی، بهترین نتیجه با مدل خطی PLSR و پیش‌پردازش نرمال‌سازی حاصل شد که با 29/2=RPD در رده مدل‌های بسیار خوب جای گرفت. این تفاوت نشان می‌دهد که انتخاب بهینه مدل به ویژگی‌های ذاتی هر محصول بستگی دارد. در نهایت، این پژوهش تأیید می‌کند که طیف‌سنجی Vis/NIR ابزاری قدرتمند برای پایش سریع و غیرمخرب کیفیت پس از برداشت محصولات کشاورزی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Non-destructive detection of peroxidase enzyme activity in different plum varieties using VIS/NIR spectroscopy and machine learning methods

نویسندگان [English]

  • Meysam Latifi-Amoghin,
  • Yousef Abbaspour-Gilandeh
Department of Biosystems Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.
چکیده [English]

This study aimed to develop and evaluate a non-destructive approach for predicting peroxidase (POD) enzyme activity in two plum cultivars—‘Khormaei’ and ‘Khouni’—using Vis/NIR spectroscopy combined with machine learning techniques. After acquiring absorbance spectra, the data were modeled using Partial Least Squares Regression (PLSR) and Support Vector Machine (SVM) algorithms across both the full spectral range and reduced dimensions. Model performance was assessed based on the coefficient of determination (R²), root mean square error (RMSE), and the ratio of performance to deviation (RPD). To enhance model efficiency and reduce data dimensionality, SVM was integrated with metaheuristic algorithms for effective wavelength selection. Among these, Particle Swarm Optimization (PSO) emerged as the most effective algorithm. The results demonstrated that dimensionality reduction strategies, by eliminating noise and redundant information, significantly improved the predictive accuracy of the models. Findings indicated that the optimal model varied between cultivars. For the ‘Khormaei’ cultivar, the SVM-R model with an RBF kernel and median filter preprocessing yielded the best performance, achieving an RPD of 2.687, categorizing it as an excellent model and underscoring the relevance of nonlinear approaches for this cultivar. Conversely, for the ‘Khouni’ cultivar, the best result was obtained using the linear PLSR model with normalization preprocessing, achieving an RPD of 2.29, which is considered very good. This contrast highlights that optimal model selection is inherently dependent on the intrinsic characteristics of each product. Ultimately, the study confirms that Vis/NIR spectroscopy is a powerful tool for rapid and non-destructive postharvest quality monitoring of agricultural products.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Plum
  • Peroxidase enzyme
  • Spectroscopy
  • Non-destructive detection
  • Machine learning

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 18 آبان 1404
  • تاریخ دریافت: 29 شهریور 1404
  • تاریخ بازنگری: 06 آبان 1404
  • تاریخ پذیرش: 18 آبان 1404
  • تاریخ اولین انتشار: 18 آبان 1404
  • تاریخ انتشار: 18 آبان 1404