Σήμερα, οι τεχνολογίες οπτικής απεικόνισης και φασματοσκοπίας χρησιμοποιούνται ευρέως στην αξιολόγηση της ποιότητας και της ασφάλειας των φρούτων και των λαχανικών.
Η ποιότητα των φρούτων και λαχανικών έχει επίσης προσελκύσει περισσότερη προσοχή, ειδικά υπό τις σοβαρές συνθήκες της παγκόσμιας πανδημίας COVID-19, η οποία αναγκάζει τους ανθρώπους να επανεξετάσουν τον τρόπο ζωής και τη διατροφή τους. Αυτό αναμφίβολα θα εισαγάγει πολλές ευκαιρίες και προκλήσεις στην αξιολόγηση της ποιότητας των προϊόντων αυτών.
Από την αρχική εστίαση στην εξωτερική ανίχνευση έως την τρέχουσα έρευνα σχετικά με την εσωτερική αξιολόγηση της ποιότητας των φρούτων και λαχανικών, έχουν επιτευχθεί πολλά μετά από δεκαετίες ανάπτυξης της τεχνολογίας οπτικής απεικόνισης και φασματοσκοπίας, σε συνδυασμό με πολλά νεοεμφανιζόμενα προβλήματα.
Η τεχνολογία οπτικής ανίχνευσης βασίζεται κυρίως στην αρχή της αλληλεπίδρασης μεταξύ του φωτός και των βιολογικών ιστών. Τα αποτελέσματα απορρόφησης και διασποράς θα εμφανιστούν όταν η πηγή φωτός φωτίσει τον βιολογικό ιστό. Η απορρόφηση σχετίζεται κυρίως με τη χημική σύνθεση, ενώ η διασπορά συχνά θεωρείται ότι συνδέεται με τη φυσική δομή των βιολογικών ιστών. Ως εκ τούτου, η εσωτερική ποιότητα των βιολογικών υλικών αλλάζει με τη φυσική δομή και τη χημική τους σύνθεση, με αποτέλεσμα αλλαγές στις οπτικές ιδιότητες των βιολογικών ιστών. Έτσι, οι οπτικές ιδιότητες που προέρχονται από μαθηματικά μοντέλα και χημειομετρία, αξιοποιούνται με ορατή και εγγύς υπέρυθρου φασματοσκοπία (VIS/NIR) για να πραγματοποιηθεί η αξιολόγηση της ποιότητας των βιολογικών υλικών.
Η Norris εφάρμοσε για πρώτη φορά φασματοσκοπία NIR στον γεωργικό τομέα για τη μέτρηση της υγρασίας στους κόκκους. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, ένας μεγάλος αριθμός μελετών επικεντρώθηκε στην αξιολόγηση ποιοτικών παραμέτρων των φρούτων και λαχανικών, εστιάζοντας στη σφριγηλότητα, τους μώλωπες, την ωριμότητα, τα διαλυτά στερεά και την οξύτητα. Ωστόσο, η συμβατική φασματοσκοπία VIS/NIR επιλέγει ένα μόνο σημείο ή συγκεκριμένη περιοχή για τη μέτρηση των παραμέτρων ποιότητας και δεν μπορεί να παράσχει χωρικές πληροφορίες του δείγματος δοκιμής. Επιπλέον, απαιτούνται άμεσες μέθοδοι για τη μέτρηση της συνολικής ποσότητας φωτός που αντανακλάται ή μεταδίδεται μέσω των βιολογικών ιστών.
Από τη μία πλευρά, τα αποτελέσματα απορρόφησης και διασποράς δεν μπορούν να διακριθούν με αυτόν τον τρόπο. Από την άλλη, η προσέγγιση άμεσης μέτρησης έχει εγγενείς ελλείψεις, επειδή η μετρούμενη τιμή ανάκλασης ή μετάδοσης είναι εξωτερική ή φαινομενολογική και συνδέεται στενά με τον τύπο οργάνου, τον τρόπο ανίχνευσης και τις ρυθμίσεις του καθετήρα πηγής/ανίχνευσης φωτός, η οποία περιορίζει την ακρίβεια της μέτρησης της ποιότητας και της αξιολόγησης των φρούτων και των λαχανικών. Προκειμένου να αρθεί αυτός ο περιορισμός, οι ερευνητές έχουν αρχίσει να μελετούν ξεχωριστά τα χαρακτηριστικά οπτικής απορρόφησης και διασποράς των βιολογικών ιστών και έχουν προκύψει πολλές νέες τεχνολογίες, όπως η τεχνολογία χρονοτομέων, η τεχνολογία συχνότητας-περιοχής, η τεχνολογία χωρικής συχνότητας-περιοχής και η τεχνολογία χωρικής επίλυσης.
Η τεχνολογία χωρικής επίλυσης εκτιμά τα χαρακτηριστικά απορρόφησης και διασποράς μετρώντας την ανακλαστικότητα σε διαφορετικές αποστάσεις από μια φωτεινή πηγή σταθερής έντασης και χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο αντιστροφής σε συνδυασμό με την εξίσωση προσέγγισης διάχυσης.
Η φασματοσκοπία χωρικής επίλυσης (SRS) προσφέρει πληροφορίες σε διαφορετικά βάθη βιολογικών ιστών. Μια διαδρομή μετάδοσης, συχνά “σε σχήμα μπανάνας”, σχηματίζεται όταν τα φωτόνια περνούν μέσα από τους βιολογικούς ιστούς. Η φασματοσκοπία χωρικής επίλυσης είναι χρήσιμη για την αξιολόγηση της κατάστασης και των χαρακτηριστικών των ετερογενών ιστών δομής σε διαφορετικά βάθη.
Τα τελευταία χρόνια, έχει εφαρμοστεί ευρέως στην ανίχνευση εσωτερικών ελαττωμάτων (μώλωπες κ.λπ.) και των ποιοτικών χαρακτηριστικών (ωριμότητα, σφριγηλότητα, οξύτητα κ.λπ.) των γεωργικών προϊόντων. Ως εκ τούτου, στα ακόλουθα, εξηγείται η αρχή της μετάδοσης του φωτός στους βιολογικούς ιστούς και η θεωρία προσέγγισης διάχυσης.
Σε νέα βιβλιογραφική μελέτη που πραγματοποιήθηκε από Κινέζους επιστήμονες, περιγράφονται διαφορετικές πιθανές περιοχές, πλεονεκτήματα και προβλήματα της φασματοκοπίας χωρικής επίλυσης σε σχέση με διαφορετικές διαμορφώσεις οργάνων. Η εφαρμογή της SRS στην ανίχνευση της ποιότητας των φρούτων και των λαχανικών επανεξετάζεται επίσης από δύο πτυχές, των οπτικών ιδιοτήτων και των χωρικά επιλυμένων φασμάτων (SR). Τέλος, συζητούνται και αναλύονται η πρόκληση και τα προβλήματα για προηγούμενες μελέτες και στη συνέχεια δίνονται μελλοντικές τάσεις ανάπτυξης.
Η μέθοδος SRS που βασίζεται σε ανιχνευτή οπτικών ινών είναι απλή στη διαμόρφωση, εύκολη στη λειτουργία και μπορεί να λάβει ποιοτικές πληροφορίες σε διαφορετικά βάθη του δείγματος. Έχουν επιτευχθεί μεγάλα αποτελέσματα μεταξύ της σφριγηλότητας των φρούτων και των μετρήσεων με SSC, ακόμη και με τον απλούστερο αλγόριθμο. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιούνται ανιχνευτές οπτικών ινών για πειραματική έρευνα, θα πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στις ρυθμίσεις της πειραματικής πλατφόρμας και στη διαμόρφωση της ίνας ανίχνευσης.
Η διαμόρφωση του οργάνου πρέπει να ρυθμιστεί ειδικά για φρούτα και λαχανικά με διαφορετικές καμπύλες επιφάνειας. Η μέθοδος SRS που βασίζεται στην απεικόνιση υπερφασματικής σάρωσης γραμμής μπορεί να επιτύχει μετρήσεις μεγάλων αποστάσεων και χωρίς επαφή, αποφεύγοντας τη ρύπανση που προκαλείται από την επαφή μεταξύ του δείγματος και του φακού. Συχνά, μπορούν να επιτευχθούν εξαιρετικές επιδόσεις πρόβλεψης μοντέλων και ταξινόμησης στην πειραματική έρευνα και, ως εκ τούτου, μπορούν να εξασφαλιστούν η ακρίβεια και η αξιοπιστία των πειραματικών αποτελεσμάτων. Η απόσταση μεταξύ της φωτεινής δέσμης και του ανιχνευτή πηγής είναι δύο βασικοί παράγοντες για τη διαμόρφωση των πειραματικών οργάνων.
Έρευνες ανέφεραν ότι η βέλτιστη φωτεινή δέσμη πρέπει να είναι τύπου Gaussian με διάμετρο μικρότερη από 1 mm και η βέλτιστη ελάχιστη και μέγιστη απόσταση ανιχνευτή πηγής πρέπει να είναι 1,5 mm και 10-20 μέσες ελεύθερες διαδρομές, αντίστοιχα. Ωστόσο, τα παραπάνω πειραματικά αποτελέσματα βασίζονται σε δείγματα υγρών μοντέλων. Λαμβανομένων υπόψη των διαφορετικών οπτικών ιδιοτήτων για κάθε φρούτο και λαχανικό, η βέλτιστη απόσταση μεταξύ δέσμης και ανιχνευτή πηγής μπορεί να είναι διαφορετική. Ως εκ τούτου, πρέπει να εφαρμοστεί έρευνα σχετικά με την κατάλληλη διαμόρφωση για διαφορετικά φρούτα και λαχανικά.
Τα περισσότερα φρούτα και λαχανικά είναι ετερογενή στη δομή και έχουν ακανόνιστα σχήματα, γεγονός που καθιστά την ακριβή μέτρηση των οπτικών ιδιοτήτων πιο περίπλοκη. Η έρευνα προτείνει πως κατά τη διαμόρφωση πειραματικών οργάνων στο μέλλον, θα πρέπει να δοθεί προσοχή στην ανάπτυξη ειδικού εξοπλισμού ανίχνευσης και διαδικασίας βαθμονόμησης για τις ετερογενείς δομές και τα ακανόνιστα σχήματα φρούτων και λαχανικών, κάτι αποτελεί μεγάλη πρόκληση, αλλά είναι επιτακτικό.
Η μέθοδος SRS έχει επίσης περιορισμούς στην αξιολόγηση της ποιότητας των οπωροκηπευτικών. Δεδομένου ότι η χρήση της SRS βασίζεται στη θεωρία προσέγγισης διάχυσης, η οποία είναι μόνο μια κατά προσέγγιση λύση στην εξίσωση μετάδοσης ακτινοβολίας, είναι κατάλληλη μόνο για δείγματα των οποίων τα αποτελέσματα σκέδασης είναι πολύ μεγαλύτερα από τα αποτελέσματα απορρόφησης.
Ο προσδιορισμός των οπτικών ιδιοτήτων ενός δείγματος είναι ένα σύνθετο πρόβλημα, το οποίο πρέπει να αντιμετωπιστεί σωστά μέσω της ρύθμισης του προγράμματος προεπεξεργασίας και της αντίστροφης κατασκευής αλγορίθμων. Ο θόρυβος δεδομένων πρέπει να αφαιρείται πριν από την τοποθέτηση των φασματικών προφίλ απορρόφησης και διασποράς. Οι μέθοδοι λογαριθμικού μετασχηματισμού και σχετικής στάθμισης παρέχουν πιο αξιόπιστες εκτιμήσεις των οπτικών παραμέτρων.
Επιπλέον, σε σύγκριση με τη μέση μέθοδο αντανάκλασης και μόνο, η εκχύλιση φασματικών δεδομένων σε συνδυασμό με ανάλυση χαρακτηριστικών εικόνας μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τα αποτελέσματα πρόβλεψης των ποιοτικών χαρακτηριστικών των φρούτων και λαχανικών. Η εξαγωγή των μηκών κύματος με υψηλή συσχέτιση είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τη μείωση των φασματικών δεδομένων και τη βελτίωση της ταχύτητας ανίχνευσης. Οι ολοκληρωμένες λειτουργίες απεικόνισης (ανάκλαση και μετάδοση, καθώς και ανάκλαση και φθορισμός) μπορεί να αποτελούν σημαντική τάση στη μελλοντική πειραματική έρευνα. Με τις εξελίξεις του λογισμικού και του υλικού και τη βελτίωση της ταχύτητας επεξεργασίας δεδομένων του εξοπλισμού απεικόνισης, η διαμόρφωση SRS που βασίζεται στην υπερφασματική απεικόνιση σάρωσης γραμμής μπορεί να εφαρμοστεί για online ανίχνευση σε πραγματικό χρόνο στο μέλλον.
Συμπερασματικά, η μελέτη καταλήγει στο ότι οι εφαρμογές για την πρόβλεψη και την ταξινόμηση των χαρακτηριστικών ποιότητας των φρούτων και των λαχανικών αναπτύσσονται ευρέως με βάση τις οπτικές ιδιότητες. Η SRS παρουσιάζει μεγάλες δυνατότητες στην αξιολόγηση φυσικών και χημικών ιδιοτήτων, την ανίχνευση ελαττωμάτων και την ανάλυση δομής ιστού. Υπάρχουν λίγες μελέτες σχετικά με τις εφαρμογές της αξιολόγησης της ποιότητας που βασίζονται άμεσα σε χωρικά επιλυμένη φάσματα για φρούτα και λαχανικά. Ωστόσο, για την άμεσα επιλυμένη χωροταξική αξιολόγηση των φασμάτων, η διαδικασία δεδομένων είναι απλούστερη από εκείνη για την εξαγωγή οπτικών ιδιοτήτων, γεγονός που μειώνει την πιθανότητα εισαγωγής σφαλμάτων. Συνολικά, τα εσωτερικά και εξωτερικά ποιοτικά χαρακτηριστικά των φρούτων και λαχανικών μπορούν να ανιχνευθούν ταυτόχρονα μέσω φασματοσκοπία χωρικής επίλυσης. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν μεγάλες προκλήσεις στη βελτίωση της ταχύτητας και της ακρίβειας ανίχνευσης. Ως εκ τούτου, η ολοκληρωμένη αξιοποίηση διαφόρων μέσων επεξεργασίας, συμπεριλαμβανομένου του σχεδιασμού της διαμόρφωσης οργάνων, της προεπεξεργασίας δεδομένων, της επιλογής του συγκεκριμένου μήκους κύματος και μοντέλου και του συνδυασμού με άλλες μεθόδους απεικόνισης, μπορεί να επεκτείνει τις εφαρμογές SRS.
Για να διαβάσετε ολόκληρη την πολύ ενδιαφέρουσα ανασκόπηση, πατήστε εδώ
Ακολουθήστε το Cibum 
