Anvendelse af NIR og NIT til prædiktion af vandindholdet og kvælstofkoncentrationen i hele og formalede græsfrø af almindelig rajgræs og rød svingel

Arbejdet med af anvende NIR og NIT til prædiktion af vandindholdet i hele og formalede græsfrø af almindelig rajgræs og rød svingel tog udgangspunkt i en allerede implementeret metode hvor NIT anvendes til bestemmelse af vandindholdet i korn. Metoden er bl.a. kommercialiseret af Foss. Det var dog ikke muligt at anvende eksisterende NIT udstyr til prædiktion af vand i almindelig rajgræs og rød svingel. Efter konsultation med Foss konkludere vi, at for meget energi blev modtaget af detektoren i instrumentet. Det skyldes sandsynligvis mindre frø og dermed større gennemtrængningskraft af lyset end hvad metoden egentlig er udviklet til. Resultatet er derfor et spektre uden udslag, og dermed uden information.

 

Vi afprøvede derefter muligheden for at prædiktere andelen af frarenset materiale i græsfrø. Teorien var at frarenset materiale ville betyde en mindre pakningsgrad pga. en større variation i størrelse mellem frø og frarenset materiale. Til formålet lavede vi blandinger af frø og frarenset materiale hvor forholdet varierede fra 100% frø til 100% frarenset materiale med spring på 10%. Forholdet var på vægt basis. Resultatet var dog ikke tilfredsstillende. Som for NIT målingerne på frø med forskelligt vandindhold var der ikke tilstrækkeligt med information i spektrene.

 

   

 

Billede 1. 40% almindelig rajgræs frø til venstre og 100% almindelig rajgræs frø til højre. Det er ikke muligt at oprense frø til 100% renhed med eksisterende rensemetoder hvis man samtidig ikke ønsker at frarense spiredygtige frø.

 

NIR målinger er baseret på refleksion af lyset og er dermed en anden metode sammenlignet med NIT. NIR målinger på formalet materiale som f.eks. planteprøver er en anvendt metode til prædiktion af forskellige parametre som f.eks. vand og kvælstof. For at teste muligheden for at anvende NIR til prædiktion af vandindholdet i hele frø af almindelig rajgræs og rød svingel gennemførte vi et opfugtningsforsøg. For at få en variation i frøenes vandindhold anvendte vi 10 forskellige beholdere med frø og med hver sin vandmængde (se tabel 1).

 

Tabel 1.I opfugtningsforsøget fremstillede vi 10 prøver med forskellige vandindhold  fra hver art.

Art	Id	Afvejet frø, gram	Ml vand tilsat
Almindelig rajgræs	Ar1	200	0
Almindelig rajgræs	Ar2	200	4
Almindelig rajgræs	Ar3	200	8
Almindelig rajgræs	Ar4	200	12
Almindelig rajgræs	Ar5	200	16
Almindelig rajgræs	Ar6	200	20
Almindelig rajgræs	Ar7	200	24
Almindelig rajgræs	Ar8	200	28
Almindelig rajgræs	Ar9	200	32
Almindelig rajgræs	Ar10	200	36
Rød svingel	Rs1	200	0
Rød svingel	Rs2	200	4
Rød svingel	Rs3	200	8
Rød svingel	Rs4	200	12
Rød svingel	Rs5	200	16
Rød svingel	Rs6	200	20
Rød svingel	Rs7	200	24
Rød svingel	Rs8	200	28
Rød svingel	Rs9	200	32
Rød svingel	Rs10	200	36

 

Tørstofprocenterne var i intervallet fra 75 til 91 dvs. vandprocenter fra 9 til 25 hvilket er en stor variation under praktiske forhold. NIR målingerne forløb tilfredsstillende og de rå spektre viste den forventede variation som sædvanligvis skyldes støj (figur 1).

 

Figur 1. Rå NIR spektre af almindelig rajgræs og rød svingel frø.

 

Beholderne stod i køleskabet i to dage og blev rystet hver time i arbejdstiden. Der blev udtaget fire prøver fra hver beholder og NIR målinger blev foretaget tre gange pr glas. Efterfølgende blev tørstofprocenten af frøene bestemt.

 

Figur 2. NIR spektre af almindelig rajgræs og rød svingel frø efter en MSC forbehandling.

 

Efter spektrene blev statistisk forbehandlet med mean scatter correction (MSC) blev støjen i spektrene væsentligt reduceret (figur 2). De indledende statistiske analyser viser, at informationen fra principal komponent 2 (PC2) er i stand til at skelne almindelig rajgræs prøverne fra rød svingel prøverne (figur 3). Spektrene indeholder altså kemisk information der kan skelne almindelig rajgræs frø fra rød svingel frø.

 

Udvikling af en lineær regressionslinie mellem den aktuelle tørstofprocent og den NIR prædikterede tørstofprocent ved brug af principal linear regression (PLS) viste en korrelations koefficient (R2) på 0,987 hvilket er fremragende taget i betragtning at der er målt på hele frø (figur 4). Til validering af modellen blev data opdelt i 10 grupper, hvor der blev udviklet en kalibreringsmodel på de 9 grupper som derefter blev valideret på den 10ende gruppe. Dette fortsatte indtil alle grupper havde været anvendt som testsæt.

 

Figur 3. PCA plot af prøverne. a er almindelig rajgræs prøver og r er rød svingel prøver.

 

 

Figur 4. Regressionslinie mellem aktuelle og prædiktere tørstofprocenter.

 

Konklusion

Da der er en positiv korrelation mellem kvælstofindhold og spirekvalitet, som kan skyldes indirekte sammenhænge, er det relevant at være i stand til at prædiktere kvælstofindholdet i græsfrø. Kvælstofindholdet i græsfrø har dog en væsentlig mindre variation sammenholdt med tørrede planteprøver, hvilket højest sandsynligt var en væsentlig årsag til at modellerne ikke var tilstrækkeligt robuste. Der var ingen stor forskel ved at måle på hele frø sammenlignet med formalede frø, hvilket var en meget positiv overraskelse. Metoden bør videre udvikles på et større datasæt med en større variation i kvælstofindholdet.

 

NIR målinger på hele frø forventes at indeholde en væsentlig større usikkerhed end måling på formalede frø. Det skyldes, at formalede frø er meget mere homogene end hele frø. Resultaterne fra dette forsøg hvor der måles på hele frø og vandindholdet prædikteres må derfor betegnes som værende meget tilfredsstillende. Det vil efterfølgende være oplagt at montere NIR udstyret på f.eks. en soldkasse simulator og prædiktere vandindholdet online på hele frø.