Penerapan Pencitraan Hiperspektral dalam Pengujian Non-Destruktif Kualitas Buah dan Sayuran (Internal dan Eksternal)

Kualitas buah dan sayuran merupakan indikator penting untuk pengendalian mutu dan aspek kunci dari manajemen mutu dan keamanan. Metode pengujian tradisional rumit, memakan waktu, dan dapat menyebabkan kerusakan signifikan pada sampel. Teknologi pencitraan hiperspektral dapat digunakan untuk menguji kualitas buah dan sayuran secara cepat, non-destruktif, kualitatif, dan kuantitatif. Artikel ini memperkenalkan aplikasi pencitraan hiperspektral dalam pengujian non-destruktif terhadap kualitas internal dan eksternal buah dan sayuran.

Pentingnya Pengujian Kualitas Buah dan Sayuran: Buah dan sayuran merupakan makanan yang sangat penting, menyediakan vitamin, serat, mineral, dan unsur hara penting bagi manusia. Kualitas dan keamanan buah dan sayuran selalu menjadi topik hangat yang menjadi perhatian masyarakat. Kualitas eksternal buah dan sayuran terutama dinilai berdasarkan warna, tekstur, ukuran, bentuk, dan cacat permukaan. Kualitas eksternal adalah karakteristik kualitas yang paling langsung, yang secara langsung memengaruhi harga pasar dan keinginan konsumen untuk membeli. Kualitas internal terutama bergantung pada kandungan gula, keasaman, kekerasan, kandungan padatan terlarut, kandungan pati, kandungan air, kematangan, dan kandungan nutrisi lainnya. Kualitas internal mencerminkan nilainya. Kualitas dan keamanan terutama dinilai melalui deteksi kontaminasi asing seperti kotoran hewan, berbagai penyakit, penurunan kualitas, infeksi bakteri, dan residu pestisida. Hal ini berkaitan dengan keamanan pangan dan kesehatan konsumen dan merupakan karakteristik kualitas buah dan sayuran yang paling penting.

Saat ini, kualitas dan keamanan buah dan sayuran terutama diuji menggunakan metode kimia tradisional, yang memakan waktu, padat karya, dan merupakan teknik pengujian yang merusak. Dengan perkembangan pesat teknologi pencitraan dan spektroskopi, teknologi pencitraan hiperspektral telah banyak diterapkan untuk pengujian kualitas dan keamanan produk pertanian secara cepat dan non-destruktif. Banyak kasus sukses telah membuktikan bahwa teknologi pencitraan hiperspektral merupakan alat yang efektif secara ilmiah untuk pengujian kualitas dan keamanan produk pangan dan pertanian. Teknologi pencitraan hiperspektral mengintegrasikan keunggulan teknik pencitraan dan spektral tradisional, menghasilkan citra hiperspektral dengan karakteristik "integrasi citra-spektrum," yang berarti secara simultan mengandung informasi citra dan spektral. Informasi citra dapat digunakan untuk mendeteksi kualitas eksternal buah dan sayuran, sedangkan informasi spektral dapat digunakan untuk mendeteksi kualitas dan keamanan internalnya.

Aplikasi Pencitraan Hiperspektral dalam Pengujian Non-Destruktif Kualitas Internal dan Eksternal Buah dan Sayuran: Sebagai teknologi non-invasif, non-kontak, dan non-tradisional, pencitraan hiperspektral menyediakan informasi spasial dan spektral dari objek penelitian. Karakteristik utamanya meliputi resolusi spektral tinggi; rentang respons spektral yang luas dengan banyak pita sempit; "integrasi spektrum-citra"; volume data yang besar dan informasi yang kaya; dan beberapa model deskripsi data untuk analisis yang fleksibel. Karakteristik ini menentukan keunggulan unik teknologi pencitraan hiperspektral dalam pengujian kualitas internal dan eksternal makanan. Karena data citra mencerminkan karakteristik eksternal suatu produk, sedangkan data spektral dapat menganalisis struktur fisik internal dan komposisi kimia suatu objek, teknologi pencitraan hiperspektral dapat dianggap sebagai kombinasi sempurna antara teknik citra dan spektral. Data yang dihasilkan oleh teknologi pencitraan hiperspektral dapat dijelaskan secara jelas menggunakan "blok data tiga dimensi," sehingga lebih andal daripada teknik visi mesin atau spektral tradisional. Aplikasinya dalam pengujian kualitas buah dan sayuran adalah sebagai berikut:

1. Pengujian non-destruktif pada buah dan sayuran

Metode pengujian kualitas buah dan sayuran tradisional menyebabkan beberapa kerusakan pada buah dan sayuran serta membutuhkan waktu, tenaga kerja, dan sumber daya yang signifikan, sehingga gagal memenuhi tuntutan pengujian kualitas buah dan sayuran modern. Kekerasan dan kandungan padatan terlarut merupakan indikator intrinsik penting yang menentukan kematangan dan waktu panen buah dan sayuran. Selain itu, indikator kualitas buah dan sayuran yang penting meliputi rasa, penampilan, aroma, dan komposisi kimia. Berdasarkan teknologi pencitraan hiperspektral, penentuan indikator-indikator ini hanya membutuhkan sejumlah kecil sampel dan dapat mencapai pengujian indikator kualitas yang relevan secara cepat dan non-destruktif. Petugas pengujian hanya perlu mengekstrak blok gambar "tiga dimensi" dari sampel model, termasuk informasi piksel gambar dua dimensi dan informasi panjang gelombang tiga dimensi. Kemudian, model analisis multivariat dibuat, yang mengkorelasikan data spektral yang diekstrak dengan nilai terukur dari atribut sampel untuk membangun model hubungan kuantitatif. Hal ini memungkinkan pengujian dan penilaian kualitas sampel buah dan sayuran, serta evaluasi kualitas buah dan sayuran yang efektif.

2. Deteksi kontaminan pada permukaan buah dan sayuran

Penelitian menunjukkan bahwa ketika petugas penguji menyinari buah dan sayuran dengan cahaya berbagai panjang gelombang, buah dan sayuran tersebut menunjukkan fenomena seperti hamburan, penyerapan, refleksi, dan transmisi cahaya. Studi menunjukkan bahwa ketika cahaya dengan panjang gelombang tertentu menyinari bagian dalam buah dan sayuran, data spektral yang dikumpulkan melalui transmisi dan hamburan membawa informasi yang kaya tentang komponen internal makanan tersebut. Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi hiperspektral telah diterapkan untuk mendeteksi kerusakan pada buah dan sayuran. Pencitraan hiperspektral memungkinkan pengujian non-destruktif sekaligus memperoleh informasi gambar dan spektral sampel secara cepat dan akurat. Inspektur menggunakan analisis gambar dan spektral untuk mendeteksi komposisi kimia, struktur fisik, dan fitur permukaan buah dan sayuran. Dalam rentang spektral tampak dan inframerah dekat 400 hingga 1000 nanometer, dengan menggabungkan waktu pemaparan, kecepatan pemindaian, dan koreksi spektral, inspektur dapat memperoleh blok gambar "tiga dimensi", termasuk informasi piksel gambar dua dimensi dan informasi panjang gelombang tiga dimensi. Karena data hiperspektral memiliki saluran multispektral, resolusi spektral tinggi, dan spektrum kontinu, data ini dapat membedakan dua gambar yang sangat mirip tetapi berbeda pada panjang gelombang yang berbeda, dan dapat memperoleh kurva spektral kontinu untuk setiap piksel dan kurva spektral yang berbeda untuk zat yang berbeda. Teknologi ini memanfaatkan perbedaan signifikan antara nilai spektral area normal dan area yang rusak pada panjang gelombang tertentu untuk mencapai pengujian permukaan buah dan sayuran tanpa merusak.

3. Deteksi Residu Pestisida pada Permukaan Buah dan Sayuran

Dalam praktiknya, terdapat berbagai teknologi deteksi residu pestisida. Proses deteksi presisi tinggi tradisional membutuhkan operator yang sangat terampil dan memakan waktu, sehingga membatasi penerapannya pada analisis laboratorium yang presisi dan deteksi residu pestisida. Metode deteksi kimia umumnya bersifat merusak, mengkonsumsi reagen organik, melibatkan persiapan sampel yang rumit, dan menimbulkan biaya tinggi. Namun, deteksi pencitraan hiperspektral mencapai deteksi yang efisien, real-time, cepat, dan non-destruktif. Operator memperoleh citra hiperspektral makanan menggunakan penganalisis hiperspektral, menerapkan analisis komponen utama untuk menganalisis citra ini, dan mengidentifikasi citra pada panjang gelombang karakteristik. Teknik pengolahan citra kemudian digunakan untuk menganalisis citra karakteristik ini, memungkinkan deteksi tingkat residu pestisida pada permukaan buah dan sayuran.