苹果综合品质品鉴仪研制

作     者：刘鹏辉 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡耀华

授予年度：2022年

学科分类：0828[工学-农业工程] 08[工学] 

主      题：苹果 内部品质 综合品质 定量预测 定性评价 

摘      要：苹果因其具有抗氧化、抗衰老以及增强免疫力等功能备受消费者青睐。为满足消费者日益增加的、丰富多元的苹果品质需求,许多研究对苹果的内外品质进行了探讨,各类品质无损检测与分级技术、系统得到了广泛应用。然而,现有的苹果内外品质检测与分级研究仅关注少数单一内外品质指标,忽视了对内部品质和整体品质的综合分析、评价,未能全面综合评价苹果品质。针对以上问题,本文对苹果的内部品质和整体品质进行了综合分析与评价,并研制了一种苹果综合品质品鉴仪,为产业化苹果品质检测与分级提供了理论依据与技术支持。主要研究内容和结论如下:(1)建立了基于有效波长的苹果主要内部品质参数的定量预测模型。使用竞争性自适应重加权(CARS)算法对各内部品质参数选择了有效波长。通过比较多元线性回归(MLR)、主成分回归(PCR)和偏最小二乘回归(PLSR)对各内部品质参数建立的定量预测模型的性能,确定硬度、脆性、水分含量(MC)和可溶性固形物含量(SSC)的性能最优模型均为CARS-MLR模型,模型的预测决定系数(R)分别为0.9854、0.9474、0.9925和0.9902,性能偏差比(RPD)分别为12.61、6.04、16.14和14.29;确定p H的性能最优模型为CARS-PLSR模型,模型的R为0.9499,RPD为5.86。结果表明光纤光谱技术能够实现苹果硬度、脆性、MC、SSC和p H的无损检测。(2)建立了苹果内部综合品质指标的定量预测模型和动力学模型。运用Pearson相关性分析与层次分析法(AHP)构建了内部综合品质指标。通过使用CARS算法选择的有效波长,并结合PLSR建立了基于有效波长的内部综合品质指标的定量预测模型。模型的R和RPD分别为0.9419和5.77。根据动力学反应对内部综合品质随贮藏时间变化的拟合结果,建立了内部综合品质指标的高阶动力学模型。模型的相关系数(R)和均方根误差(RMSE)分别为0.9620和0.0038。综合考虑两模型实时在线检测的可行性和检测性能后,确定将定量预测模型作为苹果的内部综合品质预测模型。(3)构建了苹果综合品质指标并建立了苹果综合品质分级模型。通过对16个内外品质指标的相关性分析和因子分析,利用硬度、SSC、p H、最大直径、R分量、对比度和圆度构建了苹果综合品质指标,并使用线性判分析(LDA)、LIBSVM和随机森林(RF)三种模式识别方法建立了综合品质分级模型。模型在测试集上的总体分级精度分别为90.00%、96.67%和96.67%,Kappa系数分别为0.87、0.95和0.95。通过综合考虑模型的分级精度、分级平均占用时间和内存,确定了RF法为苹果综合品质定性评价的最佳方法。(4)设计和研制了一种苹果综合品质品鉴仪,并对其性能进行了测试。通过分别设计仪器的硬件结构、控制系统和软件系统,搭建了苹果综合品质品鉴仪。对仪器实现功能测试的结果显示,苹果综合品质的总体分级精度为96.7%;对仪器工作性能测试的结果显示,内部(综合)品质的平均检测时间为1.1 s,综合品质的平均检测与分级时间为16.4 s。测试结果表明仪器的性能较好且较为稳定。