پژوهش‌های مکانیک ماشینهای کشاورزی

پژوهش‌های مکانیک ماشینهای کشاورزی

پیش‌بینی گرانروی صمغ کتیرا بر پایه ویژگی‌های نوری با استفاده از یادگیری ماشین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار پژوهش، بخش تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان اصفهان، سازمان تحقیقات، آموزش
2 محقق، بخش تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان اصفهان، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج
3 عضو هیئت علمی بخش فنی مهندسی مرکز تحقیقات کشاورزی اصفهان
4 دانش آموخته دکتری مهندسی مکانیک بیوسیستم، گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان
چکیده
صمغ کتیرا یک محصول ارزشمند صادراتی است و شاخص گرانروی ژل حاصل از آن به عنوان مهم‌ترین پارامتر کیفی شناخته و بر اساس آن ارزش‌گذاری می‌شود. تعیین روشی سریع، دقیق، کم‌هزینه و غیرمخرب برای تعیین گرانروی ژل حاصل از صمغ کتیرا یک چالش مهم در صنعت صادرات، درجه‌بندی و فرآوری این محصول است. در این مطالعه، داده‌های اندازه‌گیری‌شده آزمایشگاهی، ویژگی‌های نوری و مقادیر گرانروی ژل حاصل از نمونه‌های مختلف صمغ کتیرا برای توسعه مدل‌های یادگیری ماشین استفاده شدند. آزمایش‌ها در 2 سطح نوع کتیرا ( نواری و ورقه‌ای)، 2 سطح روش آسیاب کردن ( یک مرحله‌ای و دو مرحله‌ای) و 3 سطح اندازه ذرات (2، 5/0 و 25/0 میلیمتر) انجام شده و خواص نوری و گرانروی هر نمونه با استفاده از روش استاندارد بدست آمد. در ادامه، مدل‌های آماری برای تعیین گرانروی نمونه‌های صمغ کتیرا با استفاده از ویژگی‌های نوری توسعه داده شد. بدین منظور الگوریتم‌های یادگیری ماشین شامل رگرسیون خطی (MLR)، رگرسیون حداقل مربعات جزیی (PLSR)، رگرسیون Lasso، رگرسیون بردار پشتیبان (SVR) و رگرسیون LassoCV با استفاده از نرم افزار پایتون آموزش یافته و سپس اعتبارسنجی و ارزیابی شدند. در پایان، عملکرد مدل‌های توسعه داده شده با یکدیگر مقایسه شد. نتایج نشان داد که مدل ایجاد شده با استفاده از الگوریتم Lasso با داشتن R2 ، RMSE و MAE به ترتیب 1/98 درصد و 134 و 86/115 سانتی‌پواز در مقایسه با سایر الگوریتم‌های بررسی شده بهترین عملکرد را دارد. این دقت بالا نشان‌دهنده همبستگی قوی بین ویژگی‌های نوری و گرانروی نمونه‌هاست و قابلیت اطمینان مدل توسعه‌یافته را تأیید می‌کند .بنابراین با استفاده از این مدل می‌توان مقادیر گرانروی نمونه‌های مختلف صمغ کتیرا را با دقت مناسب، در کمترین زمان و با کمترین هزینه، به صورت غیر مخرب تعیین کرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

Abbasi, S. & Rahimi, S. (2006). Investigating the effect of concentration, temperature, viscosity and rotation speed on the flow behavior of Iranian Tragacanth gum solution. Iranian Journal of Food Sciences and Industries, 2(4): (in Persian). https://fsct.modares.ac.ir.
 
Anon. (2001). Tragacanth Gum. Metals and arsenic specifications revised at the 57th JECFA. https://cybercolloids.net/information/technical-articles/tragacanth-gum-jecfa-specification/
 
 
Balaghi, S., Mohammadifar, M., & Zargaraan, A. (2010). Physicochemical and rheological characterization of gum tragacanth exudates from six species of Iranian Astragalus. Food Biophysics, 5(1), 59e71. DOI: 10.1007/s11483-009-9144-5
 
Barak, S., Mudgil, D., & Taneja, S. (2020). Exudate gums: Chemistry, properties and food applications–a review. Journal of the Science of Food and Agriculture, 100(7), 2828–2835. DOI: 10.1002/jsfa.10302
 
Boamah, P. O., Afoakwah, N. A., Onumah, J., Osei, E. D. & Mahunu, G. K. (2023). Physicochemical properties, biological properties and applications of gum tragacanth-a review. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications 5 (2023) 100288. DOI: 10.1016/j.carpta.2023.100288
 
Chew, A. K., Sender, M., Kaplan, Z., Chandrasekaran, A., Chief Elk, J., Browning, A. R., Shaun Kwak, H., Halls, M. d. & Afzal, M. A. F. (2024). Advancing material property prediction: using physics-informed machine learning models for viscosity. DOI: 10.26434/chemrxiv-2023-1qfw8-v2
 
Haroon, K., Arafeh, A., Martin, P., Rodgers, T., Mendoza, C. & Baker, M. (2019). Use of inline near-infrared spectroscopy to predict the viscosity of shampoo using multivariate analysis. International Journal of Cosmetic Science, 2019, 41, 346–356. DOI: 10.1111/ics.12536
 
Imanmehr, A & Heidarisoltanabadi, M. (2024). The effect of mechanical processing methods on the color and viscosity properties of Tragacanth gum (In persian). Journal of Research in Mechanics of Agricultural Machinery. 13(2), 79-86. DOI: 10.22034/JRMAM.2024.14735.702
 
Lee, S., Jeong, S. & Lee, S. (2026). Hyperspectral imaging-based classification and viscosity prediction of hydrocolloids using convolutional neural network and ensemble models. Journal of Food Engineering. Volume 409. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2025.112902
 
Malashin, I., Tynchenko, V., Gantimurov, A., Nelyub, V., & Borodulin, A. (2025). Boosting-Based Machine Learning Applications in Polymer Science: A Review. Polymers 2025, 17, 499. DOI: 10.3390/polym17040499
 
Ninchan, B., Chauywongyart, P., Utapong, T., & Thamrongsiripak, N. (2024). Effect of Gamma Irradiation on Depolymerization and Property Changes of Gum Tragacanth. https://doi.org/10.1155/ijbm/8875341
 
Petkovska, J., Geskovski, N., Markovi´c, D., Dimova, V., Mirakovski, D., Radeti´c, M. & Jordanov, I. (2024). Chitosan-pectin multilayer coating with anthocyanin grape dye as pH indicating wound dressing: Synthesis and characterization. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications 7 (2024) 100438. DOI: 10.1016/j.carpta.2024.100438
 
Qi, H., Li, H., Chen, L., Chen, F., Luo, J. & Zhang, C. (2024). Hyperspectral Imaging Using a Convolutional Neural Network with Transformer for the Soluble Solid Content and pH Prediction of Cherry Tomatoes. Foods 2024, 13, 251. https://doi.org/10.3390/foods13020251
 
Qiu, L., Zhang, M., Mujumdar, A. S. Chang, L. (2022). Convenient use of near-infrared spectroscopy to indirectly predict the antioxidant activitiy of edible rose (Rose chinensis Jacq “Crimsin Glory” H.T.) petals during infrared drying. Food Chemistry Volume 369, 1 February 2022, 130951. DOI: 10.1016/j.foodchem.2022.130951
 
Qomshi Bozorg, P., Wahabi, M. & Fazilati, M. (2012). Qualitative investigation of white gossip (Astragalus gossypinus Fischer.) in the western region of Isfahan province. Scientific-research quarterly of medicinal and aromatic plants. 27(4): 668-680. (in Persian). DOI: 10.22092/ijmapr.2012.4516
 
Tavakol, M. & Mohammadifar, M. A. (2017). A review on gum tragacanth and its biomedical applications. Nashrieh Shimi va Mohandesi Shimi Iran (NSMSI), 36(84): 1-20. (in Persian). https://www.nsmsi.ir/article_29721_en.html
 
Xuan,W., Zhao, C., Ma, Z., Liu, Z. & Zhang, J. (2025) Data-driven machine learning methods to predict the viscosity-temperature characteristics for gasification slags. Fuel. Volume 398. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.135287
 
Zahedi, A. H. & Vedadi, I. (1979). Effect of Gum Tragacanth size reduction on DTA and TG behavior and its relationship to solution viscosity. Thermochimica Acta, 34: 281-286. https://doi.org/10.1016/0040-6031(79)87118-X
 
Zhang, W., Kasun, L. C., Wang, Q. J., Zheng, Y. & Lin, Z. (2022). A Review of Machine Learning for Near-Infrared Spectroscopy. Sensors 2022, 22, 9764.