Effects of multi-frequency ultrasound on freezing rates and quality attributes of potatoes

The effects of multi-frequency ultrasound assisted freezing on the freezing rate, microstructure, quality properties (drip loss, firmness, total calcium content, l-ascorbic acid content and total phenol content) of potatoes were studied. The results indicated that the freezing effects of multi-frequency ultrasound was better than those of single-frequency ultrasound. Multi-frequency ultrasound could significantly increase the freezing rate and preserve the quality of frozen samples better. With increase in the number of ultrasonic frequencies, the freezing effect was more obvious. In addition, scan electron microscopy (SEM) images showed that the ice crystals formed by the multi-frequency ultrasonic treatment were fine and uniformly distributed, which caused less damage to the frozen potato samples. From the analysis of the quality attributes, the nutritional values of the samples after multi-frequency ultrasonic treatment was higher, but attention should be paid to the negative influence of the hydroxyl radical generated by the multi-frequency ultrasound.     

不同高光谱特征参数区分马铃薯品种的优劣势分析

对马铃薯关键生育期的高光谱遥感图像进行特征提取和分析,提出了一种快速区分不同马铃薯品种的方法。以两个早熟和中熟马铃薯品种为研究对象,采集其块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期的冠层反射光谱曲线,对实测反射光谱曲线进行Savitzky-Golay滤波平滑和一阶微分处理,以高光谱位置参数、振幅参数、面积参数、宽度参数和反射率参数为研究指标,根据21个高光谱特征参数的贡献率大小,评价了其区分不同马铃薯品种的优劣。结果表明：(1)同一类高光谱特征参数在不同生育期区分马铃薯品种的能力不同: 高光谱位置参数、宽度参数和反射率参数在块茎膨大期区分不同马铃薯品种的能力最强,淀粉积累期次之;高光谱振幅参数和面积参数在淀粉积累期的区分能力最强,块茎膨大期次之,五类高光谱特征参数在块茎形成期的区分能力均最差。(2)同一生育期5类高光谱特征参数区分马铃薯品种的能力也存在差异。在块茎形成期,五类高光谱特征参数的区分能力从强到弱依次为：反射率参数>振幅参数>面积参数>宽度参数>位置参数;在块茎膨大期和淀粉积累期,从强到弱依次为：面积参数>振幅参数>反射率参数>宽度参数>位置参数。综合能力从强到弱依次为：面积参数>振幅参数>反射率参数>宽度参数>位置参数。     

高光谱成像的马铃薯叶片含水率分布可视化

为了快速检测马铃薯叶片的水分含量,并探究受到干旱胁迫时叶片含水率变化情况,利用高光谱成像对马铃薯叶片含水率进行检测和可视化研究。采集71个叶片,用烘干法对叶片水分梯度进行控制,共得到355个样本。使用高光谱分选仪器采集叶片862.9~1 704.2 nm(256个波长)的光谱成像数据,采用称重法测量含水率。利用Sample set partitioning based on joint X-Y distance(SPXY)算法将总样本按照2∶1的比例划分为建模集(240个样本)和验证集(115个样本)。对采集的数据进行光谱特征分析,本文分别用CA和RF两种算法,各筛选得到15个特征波长。基于CA筛选出相关系数高于0.96的15个波长分别为1 406.82,1 410.12,1 403.62,1 413.32,1 416.62,1 419.82,1 400.32,1 423.12,1 426.32,1 429.62,1 432.82,1 436.12,1 439.32,1 442.52和1 445.8 nm。基于RF算法筛选被选概率高于0.3的15个特征波长,按照被选择概率值从大到小排列,分别为1 071.62,1 041.12,1 222.52,1 465.22,1 397.02,1 449.02,1 034.32,1 523.22,976.42,1 172.52,979.82,1 165.82,1 037.72,1 426.32和869.8 nm。用CA和RF算法筛选到的特征波长建立PLSR模型,分别记为CA-PLSR模型和RF-PLSR模型。利用高精度模型检测结果,对马铃薯叶片含水率进行可视化分析,首先计算马铃薯叶片图像每个像素点的含水率,得到灰度图像,然后对灰度图像进行伪彩色变换,绘制出叶片含水率可视化彩色图像。为了体现马铃薯叶片烘干处理中含水率变化进程,用HSV彩色模型对样本叶片的伪彩色图像进行分割,获得分割图像结果,显示出在某含水率区间的叶片面积比例。结果显示,CA算法选取的15个波长均在1 400.3~1 450.0 nm范围内,CA-PLSR模型的建模精度(R2_c)为0.975 5、建模集均方根误差(RMSEC)为2.81%,验证集精度(R2_v)为0.933 2、验证集均方根误差(RMSEV)为2.31%。RF算法选取的特征波长分布范围较CA法选取范围广,具有局部“峰谷”特性,且RF-PLSR模型的建模集精度(R2_c)为0.983 2、RMSEC为2.32%,验证集精度(R2_v)为0.947 1、RMSEV为2.15%。选取RF-PLS模型计算马铃薯每个像素点的含水率,得到伪彩色变换图像,观察可知随着烘干时间的增加含水率逐渐下降;并能够从叶片结构角度看到,随着水分胁迫的加强,叶片从边缘开始失水,逐渐向叶片中间蔓延,其中叶茎和叶脉的含水率较其他部位高。计算得到叶片伪彩色图像中含水率大于90%,80%和70%的像素点占整个叶片图像的比例。利用高光谱成像技术可以实现马铃薯叶片的含水率检测与分布可视化表达,为监测马铃薯生长状况以及叶片含水率分析提供新的理论根据。     

透射和反射高光谱成像的马铃薯损伤检测比较研究

针对马铃薯损伤部位随机放置会影响检测精度的问题,提出从正对相机、背对相机及侧对相机三个方向,应用透射和反射高光谱成像技术采集马铃薯图像,进行透射和反射高光谱成像的马铃薯损伤检测比较研究。对透射和反射高光谱图像进行独立成分(IC)分析和特征提取,利用所得特征对反射图像进行二次IC分析,对透射和反射光谱进行变量选择,最终分别建立基于反射图像、反射光谱、透射光谱的马铃薯损伤定性识别模型;对识别准确率高的模型做进一步优化,采用子窗口排列分析(SPA)算法对透射光谱的特征做二次选择得到3个光谱变量,并建立任意放置的马铃薯损伤识别最优模型。试验结果表明,基于反射图像、反射光谱建立的模型识别准确率较低,其中基于反射图像的马铃薯碰伤,侧对相机识别准确率最低为43.10%;基于透射光谱信息建立的模型识别准确率较高,损伤部位正对、背对相机的识别准确率均为100%,侧对相机为99.53%;马铃薯损伤识别最优模型对任意放置的损伤识别准确率为97.39%。应用透射高光谱成像技术可以检测任意放置方向下的马铃薯损伤,该研究可为马铃薯综合品质的在线检测提供技术支持。     

离子色谱法检测马铃薯及其淀粉中氢氰酸

建立了马铃薯及其淀粉中氰化物离子色谱的检测方法。样品经超声、冷冻离心、通过在线过滤处理后直接用离子色谱进行检测。检出限为0.054 mg/L,氰化物的线性范围为0.136～2.72 mg/L;加标回收率为85%～93%;相对标准偏差(RSD)为1.2%,可以满足氰化物检测的要求。     

PREPARATION AND SWELLING PROPERTIES OF SUPER-ABSORBENT POLYMER

A super-absorbent polymer is prepared by graft polymerizing acrylamide (AM) ontopotato starch using ceric ammonium nitrate (CAN) and N, N′-methylene-bis-acrylamide(bisAM) as an initiator and cross-linking agent respectively, and then subjecting the potatostarch-poly(acrylamide) (PAM) graft copolymer (SPAM ) to alkaline saponification. Thewater absorbency (WA) of the sample is nearly 5000 g H_2O/g for dry sample in 24 hat room temperature and is far larger than that of reported in the literature. Thevariables affecting the WA were investigated and optimized, they were: concentrations ofpotato starch, AM, CAN and bisAM were 26.3 g/L, 1.14 mol/L, 10.3 mmol/L and 0.53mmol/L, respectively. The amount of sodium hydroxide was 15 g and the temperatures ofgraft copolymerization and saponification reactions were 60℃ and 95℃. The time of graftcopolymerization and saponification reactions was 2 h, respectively.     

PLS-DA优化模型的马铃薯黑心病可见近红外透射光谱检测

马铃薯黑心病是一种马铃薯主要内部缺陷,严重损害薯条、薯片、全粉等加工制品的质量和产率。目前对马铃薯的分级主要侧重于外部品质检测,针对内部缺陷检测的研究很少。旨在开发一种马铃薯黑心病的快速无损检测技术,为此搭建了马铃薯可见近红外透射光谱分析平台,分析健康与黑心病马铃薯的透射光谱特性并优化光谱判别模型参数。基于现有马铃薯分级线和复享PG2000高速光谱仪,采用左右透射方式（光源与光纤探头位于分级线果盘左右两侧）,采集470个马铃薯（其中健康薯234个、黑心薯236个）的透射光谱图,建立偏最小二乘判别模型（PLS-DA）,并利用主成分分析（PCA）与光谱形态特征相结合的方法选择特征波长,优化模型。分析发现,健康薯与黑心薯的可见近红外透射光谱在吸光度值和光谱形态特征方面均存在明显区别。黑心薯的平均光谱吸光度值高于健康薯（650～900 nm范围内）,但黑心薯的平均光谱曲线较为平缓,无明显吸收峰,而健康薯平均光谱曲线在665,732和839 nm附近有明显吸收峰,并且健康薯与黑心薯的平均光谱差值在705 nm处达到最大值。基于PLS-DA法建立了马铃薯黑心病判别模型,对黑心病的判别效果显著,分类器特性曲线（ROC）下面积（AUC）值为0.994 2,黑心薯识别总正确率能够达到97.16%,RMSE_CV和RMSE_P分别为0.28和0.26。此外,成功利用PCA与光谱形态特征相结合的方法对模型进行简化,最终得到由6个波长（658,705,716,800,816和839 nm）组成的特征波长组合,简化后的模型总正确率能够达到96.73%,接近全波段模型判别水平。研究表明,左右透射的方式能够准确识别黑心马铃薯,实现对马铃薯内部缺陷的快速无损检测。对我国马铃薯产业的发展起到一定的促进作用,为马铃薯内部缺陷在线检测技术的提高提供了重要的理论基础和实践依据。     

基于小波分析的马铃薯地上生物量估算

地上生物量（AGB）是作物长势评价及产量预测的重要指标,因此快速准确地估算AGB至关重要。由于传统植被指数（VIs）估算多生育期的AGB存在饱和现象,因此,利用VIs结合基于离散小波转换（DWT）的影像小波分解（IWD）技术提取的高频信息和连续小波转换（CWT）技术提取的小波系数,探究VIs,VIs+IWD和VIs+CWT对于AGB的估算能力。首先,基于无人机平台分别获取马铃薯现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期的数码影像和成像高光谱影像以及地面实测的AGB数据。其次,利用数码影像通过IWD技术提取3种高频信息和利用高光谱反射率数据通过CWT技术提取小波系数以及构建6种高光谱植被指数。然后,将植被指数、高频信息和小波系数分别与AGB进行相关性分析,并挑选出不同尺度下相关系数绝对值较高的前10波段。最后,以VIs,VIs+IWD和VIs+CWT这3种变量分别使用偏最小二乘回归（PLSR）方法构建AGB估算模型,并对比不同模型估算AGB的效果。结果表明: （1）每个生育期选取的6种植被指数、3种高频信息和10种小波系数与AGB的相关性均达到0.01显著水平,整个生育期相关性均呈现先升高后降低的趋势,其中以小波系数得到的相关性最高、高频信息次之,植被指数最低。（2）对比分析每个生育期的3种估算模型,以VIs+CWT为输入变量的估算效果最好,VIs+IWD的估算效果次之,而VIs的估算效果最差,说明基于小波分析构建的模型适用性较广、稳定性较强。（3）每个生育期分别以3种变量利用PLSR方法构建的AGB估算模型均在块茎增长期达到最高精度（VIs：建模R2=0.70,RMSE=98.88 kg·hm-12,NRMSE=11.63%;VIs+IWD：建模R2=0.78,RMSE=86.45 kg·hm-12,NRMSE=10.17%;VIs+CWT：建模R2=0.85,RMSE=74.25 kg·hm-12,NRMSE=9.27%）。通过VIs分别结合IWD和CWT技术利用PLSR建模方法,可以提高AGB估算精度,为农业指导管理提供可靠参考。     

基于无人机高光谱特征参数和株高估算马铃薯地上生物量

地上生物量（above-ground biomass, AGB）是评价作物长势及其产量估测的重要指标,对指导农业管理具有重要的作用。因此,快速准确地获取生物量信息,对于监测马铃薯生长状况,提高产量具有重要的意义。于马铃薯现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期、成熟期获取成像高光谱影像、实测株高（heigh, H）、地上生物量和地面控制点（ground control point, GCP）的三维空间坐标。首先基于无人机高光谱灰度影像结合GCP生成试验田的DSM（digital surface model, DSM）,利用DSM提取马铃薯的株高（H_dsm）;然后利用无人机高光谱影像计算一阶微分光谱、植被指数和绿边参数,进而分析高光谱特征参数（hyperspectral characteristic parameters, HCPs）和绿边参数(green edge parameters, GEPs)与马铃薯AGB的相关性,每个生育期筛选出相关性较高的前7个高光谱特征参数和最优绿边参数(optimal green edge parameters, OGEPs);最后基于HCPs,HCPs加入OGEPs,HCPs加入OGEPs和H_dsm的组合利用偏最小二乘回归（partial least square regression, PLSR）和随机森林（random forest, RF）估算不同生育期的AGB。结果表明：（1）提取的H_dsm与实测株高H高度拟合（R2=0.84,RMSE=6.85 cm,NRMSE=15.67%）;（2）每个生育期得到的最优绿边参数不完全相同,现蕾期、块茎增长期和淀粉积累期OGEPs为R_sum,块茎形成期和成熟期OGEPs分别为Dr_min和SDr;（3）与仅使用HCPs估算AGB相比,使用HCPs加入OGEPs,HCPs加入OGEPs和H_dsm在马铃薯不同生育期可以提高AGB估算精度,且以后者为自变量提高精度的幅度更大;（4）每个生育期利用PLSR和RF估算AGB的建模和验证R2从现蕾期到块茎增长期呈上升趋势,随后开始降低,整体上R2呈先上升后下降的趋势,通过PLSR方法构建的估算AGB模型效果优于RF方法,其中块茎增长期表现效果最好。因此,高光谱特征参数中结合最优绿边参数和株高,并使用PLSR方法可以改善马铃薯AGB的估算效果。     

Quantification of high-power ultrasound induced damage on potato starch granules using light microscopy

A simple light microscopic technique was developed in order to quantify the damage inflicted by high-power low-frequency ultrasound (0-160 W, 20 kHz) treatment on potato starch granules in aqueous dispersions. The surface properties of the starch granules were modified using ethanol and SDS washing methods, which are known to displace proteins and lipids from the surface of the starch granules. The study showed that in the case of normal and ethanol-washed potato starch dispersions, two linear regions were observed. The number of defects first increased linearly with an increase in ultrasound power up to a threshold level. This was then followed by another linear dependence of the number of defects on the ultrasound power. The power threshold where the change-over occurred was higher for the ethanol-washed potato dispersions compared to non-washed potato dispersions. In the case of SDS-washed potato starch, although the increase in defects was linear with the ultrasound power, the power threshold for a second linear region was not observed. These results are discussed in terms of the different possible mechanisms of cavitation induced-damage (hydrodynamic shear stresses and micro-jetting) and by taking into account the hydrophobicity of the starch granule surface.