Grading of premium litchi by using Near Infrared Spectroscopy (NIRS) technique

Abstract

This research aims to study the feasibility of rapidly sorting premium litchis using Near Infrared Spectroscopy (NIRS) techniques to inspect premium litchis through principal component analysis (PCA). Additionally, the study investigates the internal quality of premium litchis. The study utilizes 100 samples of "Pa Chit" litchis. After harvesting, all litchis are precooled with cold water at 4 °C to reduce respiration rates, preventing water loss and flavor degradation. The litchis are then stored at 5 °C. Spectra are measured using NIRS at different positions on the litchi fruit, including the stem, cheek, and bottom, in the wavelength range of 12000–4000 cm-1 in reflection mode. The litchi samples from each position, measured with NIRS, are then chemically analyzed. A relationship between the spectral data from each fruit position and the chemical values is established using partial least squares regression (PLSR). The study found that the confusion matrix analysis between litchi sorting by staff and internal inspection showed overall good accuracy in the staff's sorting system. However, there were errors in sorting between normal seeds and shriveled seeds damaged by larvae, possibly due to similar external appearances. The study concluded that the NIRS technique could clearly differentiate premium litchis from normal seed litchis, with the best accuracy at 96.78% from the cheek position. However, NIRS could not distinguish premium litchis damaged by larvae using PCA. The spectrum measurement position on the litchi affects the prediction efficiency using NIRS. Nonetheless, sorting litchis damaged by larvae using linear discriminant analysis (LDA) showed a 92% accuracy at the stem end, which aligns with the egg-laying behavior of stem-boring larvae and different physical characteristics of the litchi at each position, leading to different NIR reflections. The litchi position influences the prediction of quality, including total soluble solids (TSS) and titratable acidity (TA). The prediction equations for TSS and TA at the cheek position have higher correlation coefficients (R) and lower root mean square error of cross validation (RMSECV) compared to other positions on the litchi, with R values of 0.96 and 0.96 and RMSECV values of 0.351 and 0.0379, respectively. However, the R values for TSS and TA at the stem and bottom positions are greater than 0.85, indicating feasibility for selection and estimation. Therefore, NIRS technique is suitable for using to monitor the sorting of premium litchi and measuring the quality index of premium litchi in the industrial scale. It is possible to save time, reduce the analysis steps and suitable for large amount of the sample. This technique can be used to assist in production planning and control the product quality and ensure a timely delivery of the growing market demand

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ในการคัดแยกลิ้นจี่พรีเมียมแบบรวดเร็วด้วยเทคนิคเนียร์อินฟราเรดสเปกโตรสโคปี (Near infrared spectroscopy; NIRS) ในการตรวจสอบลิ้นจี่พรีเมียมด้วยวิธีการสร้างองค์ประกอบหลัก (principal component analysis; PCA) พร้อมทั้งตรวจสอบคุณภาพภายในของผลลิ้นจี่พรีเมียม การศึกษานี้ใช้ตัวอย่างลิ้นจี่พันธุ์ป้าชิดจำนวน 100 ผล โดยหลังการเก็บเกี่ยวจะนำลิ้นจี่ทั้งหมดมาลดอุณหภูมิผลลิ้นจี่ด้วยน้ำเย็น (Precooling) ที่ 4 องศาเซลเซียส เพื่อลดอัตราการหายใจ ป้องกันการสูญเสียน้ำและรสชาติของผลลิ้นจี่ จากนั้นเก็บรักษาผลลิ้นจี่ที่อุณหภูมิ 5 องศาเซลเซียส นำมาวัดสเปกตรัมด้วยเทคนิค NIRS ที่ตำแหน่งบนผลลิ้นจี่ที่แตกต่างกัน ได้แก่ ตำแหน่งขั้วผล แก้มผล และท้ายผล ในช่วงความยาวเลขคลื่น 12000 - 4000 cm-1 ในระบบการวัดแบบสะท้อนกลับ แล้วนำผลลิ้นจี่จากแต่ละตำแหน่งบนผลที่ทำการวัดสเปกตรัมด้วยเทคนิค NIRS ไปวิเคราะห์คุณภาพทางเคมี สร้างสมการหาความสัมพันธ์ระหว่างข้อมูลสเปกตรัมที่ได้จากการวัดในแต่ละตำแหน่งผลกับค่าทางเคมี ด้วยเทคนิคกำลังสองน้อยที่สุดบางส่วน (Partial least square regression; PLSR)

จากการวิเคราะห์ Confusion Matrix ระหว่างการคัดแยกผลลิ้นจี่จากพนักงานกับการผ่าตรวจสอบภายใน แสดงให้เห็นว่าระบบการคัดแยกของพนักงานมีความแม่นยำโดยรวมค่อนข้างดี แต่ยังมีการคัดแยกผิดพลาดระหว่างลิ้นจี่เมล็ดปกติและเมล็ดลีบที่พบการถูกทำลายของหนอน ซึ่งอาจเกิดจากลักษณะภายนอกที่คล้ายคลึงกัน จากการศึกษาพบว่าเทคนิค NIRS สามารถคัดแยกผลลิ้นจี่พรีเมียมมออกจากลิ้นจี่เมล็ดปกติได้อย่างชัดเจนที่สุดจากตำแหน่งแก้มผลได้ดีที่สุด ที่ 96.78% อย่างไรก็ตามเทคนิค NIRS ไม่สามารถแยกลิ้นจี่พรีเมียมได้จากการถูกทำลายของหนอน โดยใช้การวิเคราะห์องค์ประกอบหลัก (PCA) ตำแหน่งของการวัดสเปกตรัมบนผลลิ้นจี่มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพในการทำนายค่าด้วยเทคนิค NIRS อย่างไรก็ตามการคัดแยกผลลิ้นจี่ของการถูกทำลายของหนอนด้วยวิธี Linear discriminant analysis (LDA) พบว่าสามารถจำแนกผลลิ้นจี่ที่ถูกทำลายโดยหนอนได้ที่บริเวณขั้วผลที่ 92% ซึ่งสอดคล้องกับพฤติกรรมการวางไข่ของหนอนเจาะขั้วและลักษณะทางกายภาพของผลลิ้นจี่ที่แตกต่างกันในแต่ละตำแหน่ง ส่งผลให้การสะท้อนแสง NIR แตกต่างกันไป โดยอิทธิพลของตำแหน่งบนผลลิ้นจี่มีผลต่อการทำนายคุณภาพ ได้แก่ ปริมาณของแข็งทั้งหมดที่ละลายน้ำได้ (Total soluble solids; TSS) และปริมาณกรดที่ไทเทรตได้ (Titratable acidity; TA) โดยสมการการทำนายในการตรวจสอบค่า TSS และ TA ที่ตำแหน่งแก้มผลมีค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ (Correlation coefficient; R) สูงกว่าตำแหน่งอื่นๆและมีค่าความผิดพลาดมาตรฐานของการทำนาย (Root mean square error of cross validation; RMSECV) ต่ำกว่าตำแหน่งอื่นบนผลลิ้นจี่ โดยมีค่า R เท่ากับ 0.96 และ 0.96 และมีค่า RMSECV เท่ากับ 0.351 และ 0.0379 ตามลำดับ แต่อย่างไรก็ตามค่า R ของ TSS และ TA ที่ได้จากตำแหน่งขั้วผลและท้ายผลมีค่ามากกว่า 0.85 ซึ่งสามารถใช้ในการคัดเลือกและประมาณค่าได้

ดังนั้นจากผลการทดลองจะเห็นได้ว่ามีความเป็นไปได้ในการนำเทคโนโลยีเนียร์อินฟราเรดมาใช้ในการคัดแยกลิ้นจี่พรีเมียมและการตรวจวัดดัชนีคุณภาพของลิ้นจี่พรีเมียมในระดับอุตสาหกรรม ซึ่งช่วยลดเวลาและขั้นตอนในการวิเคราะห์ และเหมาะสำหรับการตรวจสอบจำนวนปริมาณตัวอย่างขนาดใหญ่ ซึ่งนำไปสู่การวางแผนผลิตได้อย่างถูกต้อง และขับเคลื่อนของอุตสาหกรรมผลไม้ให้ทันทั้งทีต่อความต้องการของตลาด