消費(fèi)者意識(shí)到食品質(zhì)量和成分對(duì)營養(yǎng)和健康的影響。不同類型的過敏和不耐受癥已變得越來越普遍，食品生產(chǎn)的道德問題也引發(fā)擔(dān)憂。

       除了消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的需求外，食品生產(chǎn)商還有法律義務(wù)控制其產(chǎn)品的質(zhì)量和安全。生產(chǎn)過程中的失誤可能會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及消費(fèi)者的安全。

一、從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)時(shí)檢測(cè)

       目前有多種技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)食品生產(chǎn)的質(zhì)量。不幸的是，其中許多技術(shù)需要實(shí)驗(yàn)室分析，這需要大量勞動(dòng)力且速度緩慢。從測(cè)量到結(jié)果可能需要幾天甚至幾周的時(shí)間。此外，樣品通常會(huì)在檢查過程中被毀壞。

       食品生產(chǎn)過程控制必須具有較短的響應(yīng)時(shí)間。在線監(jiān)控食品生產(chǎn)需要更快、更復(fù)雜的檢測(cè)和分析方法，以確保始終如一的質(zhì)量和安全。

二、食品分析的光譜與高光譜成像

       光譜分析是一種快速、無損的質(zhì)量檢測(cè)方法，也是食品行業(yè)中一種成熟的方法。它能夠測(cè)定樣品的成分（例如水分或蛋白質(zhì)含量）和物理特性（例如顆粒大?。?/span>

       食品中許多相關(guān)的化學(xué)鍵會(huì)吸收短波紅外 (900–2500 nm) 范圍內(nèi)特定波長(zhǎng)的光。這些吸收特征揭示了樣品的化學(xué)性質(zhì)，可通過光譜法檢測(cè)出來。

       光譜法是分析面粉等均質(zhì)樣品平均成分的理想方法。其缺點(diǎn)是僅提供單個(gè)樣品點(diǎn)的信息。因此，它不適合分析更復(fù)雜的多成分食品。

       高光譜成像將光譜與成像相結(jié)合。該技術(shù)可以實(shí)時(shí)對(duì)樣本進(jìn)行逐像素分析。與光譜儀一樣，高光譜成像不需要接觸樣本，也不會(huì)破壞或污染食物。

       單個(gè)吸光度帶的測(cè)量或全光譜的校準(zhǔn)可提供有關(guān)成分的信息，這些信息可被映射到測(cè)量成分（例如水分或脂肪）的分布上。

       高光譜成像還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多組分產(chǎn)品分析，這對(duì)于其他技術(shù)來說是困難的。

       高光譜傳感器可提供數(shù)百個(gè)窄波段的信息。識(shí)別不同化學(xué)鍵的吸光度波段有助于開發(fā)與食品生產(chǎn)相關(guān)的特定指標(biāo)的校準(zhǔn)模型。

       它提供的信息量比傳統(tǒng)的 RGB 或光譜傳感器多得多。然而，要?jiǎng)?chuàng)建應(yīng)用程序，用戶必須知道哪些波段是有用的，哪些波段會(huì)被記錄下來以供分析，哪些波段可以忽略。

三、Campden BRI 率先在食品行業(yè)開展高光譜分析

       Campden BRI是一家英國公司，其歷史可追溯到 1919 年，當(dāng)時(shí)它是一家水果和蔬菜保鮮研究站。如今，Campden BRI 是世界上最大的會(huì)員制食品和飲料研究組織，在 80 多個(gè)國家/地區(qū)擁有 2,400 多名會(huì)員。會(huì)員包括 Arla Foods Ltd.、家樂氏、可口可樂、亨氏和雀巢等公司。

       作為先驅(qū)者，Campden BRI 早在 15 年前就探索了高光譜成像的機(jī)會(huì)，以加強(qiáng)其食品分析方法并擴(kuò)展其食品成像能力。

       “SWIR 光譜法已在農(nóng)業(yè)食品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可用于快速分析食品及其成分。例如，高光譜成像是一種獨(dú)特的方法，可用于測(cè)量復(fù)雜食品樣本中水分和脂肪的分布。它還提供了將這種方法應(yīng)用于新應(yīng)用的機(jī)會(huì)”，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)圖像分析研究的 Campden BRI 首席科學(xué)家 Martin Whitworth 博士表示。

四、用于實(shí)時(shí)檢測(cè)的推掃成像

       對(duì)于在線生產(chǎn)，較短的成像時(shí)間是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。這對(duì)于離線分析也是必不可少的，因?yàn)閺?qiáng)光會(huì)損壞樣品，即干燥或熔化樣品。除了成像時(shí)間之外，Campden BRI 還要求系統(tǒng)滿足一系列其他標(biāo)準(zhǔn)。

      “它必須在 900-2500 納米范圍內(nèi)運(yùn)行，適用于不同的產(chǎn)品尺寸，在幾秒鐘內(nèi)完成測(cè)量，并可運(yùn)輸?shù)讲煌纳a(chǎn)地點(diǎn)，”馬丁·惠特沃思說?；谶@些標(biāo)準(zhǔn)，Campden BRI 決定采用 Specim SWIR 推掃式高光譜相機(jī)，并從 2008 年開始使用相同的傳感器。

       推掃式相機(jī)可探測(cè)多個(gè)窄帶的全光譜，并在生產(chǎn)線上實(shí)時(shí)掃描整個(gè)樣品。由于每次只掃描一條窄帶，因此成像時(shí)間可以縮短至幾毫秒。能夠?qū)?shí)驗(yàn)室中使用的相同方法應(yīng)用于在線生產(chǎn)是選擇推掃式高光譜成像系統(tǒng)的另一個(gè)原因。

       如今，Campden BRI 已為食品行業(yè)提供高光譜成像分析服務(wù)近二十年，他們已將該系統(tǒng)應(yīng)用于分析各種產(chǎn)品，包括面包、餅干、谷物、肉類、魚類、糖果和油炸食品。

       Campden BRI 的大部分工作是為各個(gè)食品制造商進(jìn)行合同分析。它涉及使用專門為客戶產(chǎn)品開發(fā)的模型和校準(zhǔn)。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室分析樣品或?qū)x器運(yùn)送到客戶現(xiàn)場(chǎng)分析新鮮樣品。除了提供產(chǎn)品開發(fā)信息外，Campden BRI 還進(jìn)行初步試驗(yàn)以評(píng)估該方法是否適用于在線應(yīng)用。

五、食品上的水分分布

       高光譜成像的一個(gè)典型應(yīng)用是測(cè)量產(chǎn)品中的水分分布。水分分布是許多食品的基本屬性。它會(huì)影響質(zhì)地和有利于微生物活動(dòng)的條件。

       水分會(huì)隨著保質(zhì)期而變化，因此與產(chǎn)品新鮮度有關(guān)。水分分布并不總是均勻的，如果沒有成像技術(shù)很難檢測(cè)到。例如，在烘焙中，它可用于研究生產(chǎn)條件對(duì)最終產(chǎn)品水分均勻性的影響。

六、面包中的水分分布

       下圖 1 顯示了 Campden BRI 研究中一片新鮮白面包的水分分布情況。首先，建立校準(zhǔn)模型，然后將該模型應(yīng)用于實(shí)際樣品。

       圖片中的紫色和藍(lán)色表示水分含量低，而黃色和紅色表示水分含量高。很容易看出，水分含量朝面包中心迅速增加，而外皮的水分含量較低。

圖 1：新鮮面包片中的水分分布。圖片由 Campden BRI 提供。

七、檢測(cè)多組分產(chǎn)品中的水分遷移

       高光譜成像還可以用于檢測(cè)多組分產(chǎn)品中的水分遷移，這通常比單組分產(chǎn)品更具挑戰(zhàn)性。

       例如，它可用于測(cè)量保質(zhì)期內(nèi)水分分布的變化，這對(duì)于具有不同水分活度的多個(gè)成分的產(chǎn)品至關(guān)重要，例如具有高水分填充物的低水分產(chǎn)品。

八、利用高光譜成像定性分析食物成分

       由于高光譜成像可以提供樣本的逐像素信息，因此它非常適合多組分產(chǎn)品組成映射。

       某些物質(zhì)（如脂肪、水分或結(jié)晶蔗糖）在短波紅外 (SWIR) 范圍內(nèi)具有清晰的光譜特征。通過對(duì)照參考樣本進(jìn)行校準(zhǔn)，可以進(jìn)行定量測(cè)量。

       完全定量測(cè)量需要為待識(shí)別的每種成分開發(fā)單獨(dú)的校準(zhǔn)模型。這適用于需要定期分析同一樣品類型的應(yīng)用，例如混合肉中的脂肪含量。

       然而，即使沒有對(duì)短期應(yīng)用進(jìn)行全面校準(zhǔn)或沒有參考樣本，也可以獲得有用的比較信息。

       一些高光譜應(yīng)用成像使用光譜數(shù)據(jù)來識(shí)別和分類圖像中不同成分的特征。對(duì)于許多食品應(yīng)用而言，該方法的最大優(yōu)勢(shì)在于定量高光譜分析，以測(cè)量特定化合物的濃度。

       這是通過基于高光譜圖像與傳統(tǒng)方法對(duì)一系列樣本進(jìn)行的參考測(cè)量的比較來創(chuàng)建校準(zhǔn)模型來實(shí)現(xiàn)的。

       有許多不同的算法可用（偏最小二乘法、支持向量機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）來構(gòu)建這些校準(zhǔn)模型，將樣本中所需的參數(shù)映射到高光譜數(shù)據(jù)輸出。

       根據(jù)要檢測(cè)的材料或特性，不同的吸光度波段對(duì)于校準(zhǔn)建模具有重要意義。例如，結(jié)晶蔗糖在 1435 納米處具有特征吸光度峰。脂質(zhì)含有 CH2 鍵，其吸光度波段位于 1724 和 1762 納米。水分子中的 OH 鍵具有多種 SWIR 吸光度，包括 1925 納米。

       在某些情況下，可以使用這些特定波長(zhǎng)的圖像進(jìn)行定性評(píng)估。但是，使用一系列波長(zhǎng)的多元校準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果，包括那些吸光度波段的相關(guān)選擇未知或存在多個(gè)重疊波段的屬性。

       建立校準(zhǔn)模型后，可以將其應(yīng)用于未知測(cè)試樣品或者生產(chǎn)線上樣品的高光譜圖像，快速映射這些參數(shù)。

九、巧克力棒的成分

圖 2：市售巧克力棒的三個(gè)吸光度帶圖。圖片由 Campden BRI 提供。

十、未來潛力巨大

       高光譜成像技術(shù)正在興起，許多公司正在評(píng)估其在線生產(chǎn)用途。隨著高光譜成像技術(shù)日趨成熟和知名，越來越多的用戶開始使用它。像 Campden BRI 這樣的公司在向更廣泛的受眾提供有關(guān)該技術(shù)功能的信息以及提供應(yīng)用方法方面發(fā)揮著重要作用。Campden BRI 還可以為食品制造商進(jìn)行初步試驗(yàn)，使他們能夠評(píng)估該方法是否適合他們的應(yīng)用。

文章轉(zhuǎn)載于：Specim高光譜成像（https://mp.weixin.qq.com/s/sCaDotKKF2gm85yrnmVGiw）