Caracterização, classificação e predição da qualidade de grãos de arroz polido branco para segregação de lotes em unidades de beneficiamento, utilizando técnicas UV/VIS/SWIR e modelos preditivos
| Ano de defesa: | 2025 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Santa Maria
Brasil UFSM Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola Centro de Ciências Rurais |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/36876 |
Resumo: | The modernization of rice processing requires methods capable of integrating analytical efficiency and precision in grain quality assessment. However, conventional classification processes are still predominantly based on physical attributes, disregarding centesimal and nutritional aspects that influence the commercial value of the product. In this context, the present study aimed to characterize, classify, and predict the physical and centesimal quality of commercial batches of white polished rice using spectral techniques and machine learning (ML) models. The experiment was conducted in four stages: (i) collection, physical classification, and preparation of samples; (ii) determination of centesimal composition by NIR spectroscopy; (iii) acquisition and analysis of spectral signatures in the UV/VIS/NIR/SWIR ranges; and (iv) classification and prediction with ML algorithms. Individual samples (healthy grains and physical defects) and commercial batch samples (Types 1 to 5 and Out of Type) were analyzed. The centesimal analyses covered moisture, starch, protein, lipids, fiber, and ash. The supervised algorithms used were Random Forest (RF), Gradient Boosting (GB), Support Vector Machine (SVM), K-Nearest Neighbors (KNN), Multilayer Perceptron (MLP), XGBoost (XGB), LightGBM (LGBM), CatBoost (CAT), and Partial Least Squares (PLS), in addition to the Logistic Regressor (LR) model as a reference. The characterization of physical-chemical quality revealed that the segregation of commercial batches based on these attributes tends to reduce the currently established classes, since certain ones show equivalence between categories regardless of physical condition. It was also observed that batches of better physical quality do not necessarily exhibit the highest levels of all compounds associated with nutritional quality, such as Type 1, which had higher levels of starch and fiber only. Spectral analysis revealed greater variation and reflectance in the UV-VIS regions, associated with the absence of pigments, and lower reflectance in the NIR-SWIR regions, due to absorption related to the molecular bonds of nutritional compounds. In the modeling stage, MLP performed best for batch classification (accuracy > 97%), followed by decision tree-based models (RF, XGB, LGBM, and CAT), with accuracy greater than 95%. In predicting physicochemical constituents, the PLS model showed the best overall performance, especially for starch and fiber (R > 0.7). The UV, VIS, and SWIR regions, particularly between 350 and 400 nm, showed greater discriminatory power between groups for both classification and prediction. It is concluded that the use of machine learning models associated with UV/VIS/NIR/SWIR reflectance spectroscopy is a promising, non-destructive, and efficient approach for the characterization and segregation of commercial batches of white polished rice, integrating physical and physicochemical parameters and contributing to the improvement of quality control in processing units. |
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Caracterização, classificação e predição da qualidade de grãos de arroz polido branco para segregação de lotes em unidades de beneficiamento, utilizando técnicas UV/VIS/SWIR e modelos preditivosCharacterization, classification and prediction of quality of polished white rice grains for batch segregation in processing units, using UV/VIS/SWIR techniques and predictive modelsControle de qualidadeProcessamento de grãosReflectância espectralModelagem supervisionadaQuality controlGrain processingSpectral reflectanceSupervised modelingCNPQ::CIENCIAS AGRARIAS::ENGENHARIA AGRICOLAThe modernization of rice processing requires methods capable of integrating analytical efficiency and precision in grain quality assessment. However, conventional classification processes are still predominantly based on physical attributes, disregarding centesimal and nutritional aspects that influence the commercial value of the product. In this context, the present study aimed to characterize, classify, and predict the physical and centesimal quality of commercial batches of white polished rice using spectral techniques and machine learning (ML) models. The experiment was conducted in four stages: (i) collection, physical classification, and preparation of samples; (ii) determination of centesimal composition by NIR spectroscopy; (iii) acquisition and analysis of spectral signatures in the UV/VIS/NIR/SWIR ranges; and (iv) classification and prediction with ML algorithms. Individual samples (healthy grains and physical defects) and commercial batch samples (Types 1 to 5 and Out of Type) were analyzed. The centesimal analyses covered moisture, starch, protein, lipids, fiber, and ash. The supervised algorithms used were Random Forest (RF), Gradient Boosting (GB), Support Vector Machine (SVM), K-Nearest Neighbors (KNN), Multilayer Perceptron (MLP), XGBoost (XGB), LightGBM (LGBM), CatBoost (CAT), and Partial Least Squares (PLS), in addition to the Logistic Regressor (LR) model as a reference. The characterization of physical-chemical quality revealed that the segregation of commercial batches based on these attributes tends to reduce the currently established classes, since certain ones show equivalence between categories regardless of physical condition. It was also observed that batches of better physical quality do not necessarily exhibit the highest levels of all compounds associated with nutritional quality, such as Type 1, which had higher levels of starch and fiber only. Spectral analysis revealed greater variation and reflectance in the UV-VIS regions, associated with the absence of pigments, and lower reflectance in the NIR-SWIR regions, due to absorption related to the molecular bonds of nutritional compounds. In the modeling stage, MLP performed best for batch classification (accuracy > 97%), followed by decision tree-based models (RF, XGB, LGBM, and CAT), with accuracy greater than 95%. In predicting physicochemical constituents, the PLS model showed the best overall performance, especially for starch and fiber (R > 0.7). The UV, VIS, and SWIR regions, particularly between 350 and 400 nm, showed greater discriminatory power between groups for both classification and prediction. It is concluded that the use of machine learning models associated with UV/VIS/NIR/SWIR reflectance spectroscopy is a promising, non-destructive, and efficient approach for the characterization and segregation of commercial batches of white polished rice, integrating physical and physicochemical parameters and contributing to the improvement of quality control in processing units.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESA modernização do beneficiamento de arroz requer métodos capazes de integrar eficiência analítica e precisão na avaliação da qualidade dos grãos. No entanto, os processos convencionais de classificação ainda se baseiam predominantemente em atributos físicos, desconsiderando aspectos químicos e nutricionais que influenciam o valor comercial do produto. Nesse contexto, o presente estudo teve como objetivo caracterizar, classificar e predizer a qualidade física e centesimal de lotes de arroz polido branco por meio de técnicas espectrais e modelos de aprendizado de máquina (AM). O experimento foi conduzido em quatro etapas: (i) coleta, classificação física e preparo das amostras; (ii) determinação da composição centesimal por espectroscopia NIR; (iii) aquisição e análise de assinaturas espectrais nas faixas UV/VIS/NIR/SWIR; e (iv) classificação e predição com algoritmos de AM. Foram analisadas amostras individuais (grãos sadios e defeitos físicos) e amostras de lotes (Tipos 1 a 5 e Fora de Tipo). As análises centesimais abrangeram umidade, amido, proteína, lipídios, fibras e cinzas. Os algoritmos supervisionados utilizados foram Random Forest (RF), Gradient Boosting (GB), Support Vector Machine (SVM), K-Nearest Neighbors (KNN), Multilayer Perceptron (MLP), XGBoost (XGB), LightGBM (LGBM), CatBoost (CAT) e Partial Least Squares (PLS), além do modelo Logistic Regressor (LR) como referência. A caracterização da qualidade físico-química revelou que a segregação de lotes baseada nesses atributos tende a reduzir as classes atualmente estabelecidas, uma vez que determinados apresentam equivalência entre categorias independente da condição física. Observou-se ainda que os lotes de melhor qualidade física não necessariamente exibem os maiores teores de todos os compostos associados a qualidade nutricional, como o Tipo 1 que apresentou maiores teores de amido e fibras apenas. A análise espectral revelou maior variação e reflectância nas regiões UV-VIS, associadas à ausência de pigmentos, e menor reflectância nas regiões NIR-SWIR, devido à absorção relacionada às ligações moleculares de compostos nutricionais. Na etapa de modelagem, o MLP apresentou o melhor desempenho para classificação de lotes (acurácia > 97%), seguido pelos modelos baseados em árvores de decisão (RF, XGB, LGBM e CAT), com acurácia superior a 95%. Na predição dos constituintes físico-químicos, o modelo PLS apresentou melhor desempenho geral, especialmente para amido e fibras (R > 0,7). As regiões UV, VIS e SWIR, particularmente entre 350 e 400 nm, demonstraram maior poder discriminativo entre os grupos tanto para classificação quanto predição. Conclui-se que o uso de modelos de aprendizado de máquina associados à espectroscopia de reflectância UV/VIS/NIR/SWIR constitui uma abordagem promissora, não destrutiva e eficiente para a caracterização e segregação de lotes de arroz polido branco, integrando parâmetros físicos e centesimais e contribuindo para o aprimoramento do controle de qualidade em unidades beneficiadoras.Universidade Federal de Santa MariaBrasilUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia AgrícolaCentro de Ciências RuraisCoradi, Paulo Carterihttp://lattes.cnpq.br/5926614370728576Thewes, Fabio RodrigoAlencar, Ernandes Rodrigues deCarneiro, Letícia de Oliveira2025-11-26T11:43:47Z2025-11-26T11:43:47Z2025-11-18info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/36876porAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2025-11-26T11:43:47Zoai:repositorio.ufsm.br:1/36876Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2025-11-26T11:43:47Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false |
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