消費(fèi)者意識到食品質(zhì)量和成分對營養(yǎng)和健康的影響。不同類型的過敏和不耐受已經(jīng)變得越來越普遍，有關(guān)食品生產(chǎn)的道德問題引起了人們的關(guān)注。

除了不斷提高消費(fèi)者的要求外，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)過程中的故障會(huì)造成相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及消費(fèi)者的安全。

從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)時(shí)檢測

有幾種技術(shù)可用于監(jiān)測食品生產(chǎn)質(zhì)量。不幸的是，其中許多需要實(shí)驗(yàn)室分析，這是勞動(dòng)密集型和緩慢的。從測量到結(jié)果可能需要數(shù)天甚至數(shù)周的時(shí)間。此外，樣品在檢查過程中經(jīng)常被破壞。

食品生產(chǎn)過程控制必須在較短的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)工作。在在線監(jiān)測食品生產(chǎn)時(shí)，需要更快、更復(fù)雜的檢查和分析方法，以確保一致的質(zhì)量和安全。

食品分析中的光譜學(xué)與高光譜成像

光譜學(xué)為質(zhì)量檢測提供了一種快速、無損的方法，是食品工業(yè)中一種成熟的方法。它允許測定樣品的組成（例如，水分或蛋白質(zhì)含量）和物理特性（例如，粒徑）。

食品中的許多相關(guān)化學(xué)鍵會(huì)吸收SWIR（900-2500nm）范圍內(nèi)特定波長的光。這些吸收特征揭示了樣品的化學(xué)性質(zhì)，可以通過光譜法進(jìn)行檢測。

光譜學(xué)是分析均質(zhì)樣品（如面粉）平均成分的理想方法。它的缺點(diǎn)是它只提供單個(gè)采樣點(diǎn)的信息。因此，它不適合分析更復(fù)雜的多組分食品。

高光譜成像將光譜學(xué)與成像相結(jié)合。該技術(shù)允許對樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)同步逐像素分析。與分光鏡一樣，高光譜成像不需要與樣品接觸，也不會(huì)破壞或污染食物。

單個(gè)吸光度帶的測量或全光譜的校準(zhǔn)提供了有關(guān)成分的信息，可以映射這些信息以測量成分（如水分或脂肪）的分布。

高光譜成像還可以進(jìn)行復(fù)雜的多組分產(chǎn)品分析，這是其他技術(shù)所難以做到的。

高光譜傳感器提供數(shù)百個(gè)窄波段的信息。通過識別不同化學(xué)鍵的吸光度帶，可以開發(fā)與食品生產(chǎn)相關(guān)的特定指標(biāo)的校準(zhǔn)模型。

它比傳統(tǒng)的RGB或光譜傳感器所能提供的信息要多得多。但是，要?jiǎng)?chuàng)建應(yīng)用程序，用戶必須知道哪些波段是感興趣的并記錄下來進(jìn)行分析的，哪些可以省略。

Campden BRI 是食品行業(yè)高光譜分析的先驅(qū)

Campden BRI 是一家總部位于英國的公司，其歷史可以追溯到 1919 年，當(dāng)時(shí)它作為水果和蔬菜保鮮研究站開業(yè)。如今，Campden BRI 是全球最大的會(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。成員包括 Arla Foods Ltd.、Kellogg's、可口可樂、亨氏和雀巢等公司。

作為先驅(qū)，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光譜在農(nóng)業(yè)食品領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟，可以快速分析食品及其成分。例如，高光譜成像是測量復(fù)雜食品樣品中水分和脂肪分布的獨(dú)特方法。它還提供了將這種方法應(yīng)用于新應(yīng)用的機(jī)會(huì)“，Campden BRI的首席科學(xué)家Martin Whitworth博士說，他負(fù)責(zé)領(lǐng)先的圖像分析研究。

用于實(shí)時(shí)檢測的手推掃式成像

對于在線生產(chǎn)，較短的成像時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵要求。這對于離線分析也是必不可少的，因?yàn)閺?qiáng)烈的光照會(huì)損壞樣品，即干燥或熔化樣品。除了成像時(shí)間之外，Campden BRI 還有一套系統(tǒng)需要滿足的其他標(biāo)準(zhǔn)。

Martin Whitworth說：“它必須在900-2500納米的范圍內(nèi)運(yùn)行，適合不同的產(chǎn)品尺寸，在幾秒鐘內(nèi)完成測量，并可運(yùn)輸?shù)讲煌纳a(chǎn)地點(diǎn)?；谶@些標(biāo)準(zhǔn)，Campden BRI 決定使用 Specim SWIR 推掃式高光譜相機(jī)，自 2008 年以來一直使用相同的傳感器。

推掃式相機(jī)可檢測多個(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。成像時(shí)間可以縮短到毫秒，因?yàn)樗淮沃粧呙枰粭l窄線。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為食品行業(yè)提供高光譜成像分析服務(wù)已有近二十年的歷史。他們應(yīng)用該系統(tǒng)來分析各種產(chǎn)品，包括面包、餅干、谷物、肉類、魚類、糖果和油炸產(chǎn)品。

Campden BRI的大部分工作是針對單個(gè)食品制造商的合同分析。它涉及使用專門為客戶產(chǎn)品開發(fā)的模型和校準(zhǔn)。他們在實(shí)驗(yàn)室中分析樣品或?qū)x器運(yùn)送到客戶現(xiàn)場以分析新鮮樣品。除了提供產(chǎn)品開發(fā)信息外，Campden BRI還進(jìn)行初步試驗(yàn)，以評估該方法是否適用于在線應(yīng)用。

食品上的水分分布

高光譜成像的典型應(yīng)用是測量產(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)影響有利于微生物活動(dòng)的質(zhì)地和條件。

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

面包中的水分分布

下圖 1 顯示了 Campden BRI 研究的新鮮白面包片中的水分分布。首先，建立校準(zhǔn)，然后將該模型應(yīng)用于實(shí)際樣品。

圖像中的紫色和藍(lán)色表示含水量低，而黃色和紅色表示含水量高。不難看出，面包中心的水分含量迅速增加，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。

檢測多組分產(chǎn)品中的水分遷移

高光譜成像還可用于檢測多組分產(chǎn)品中的水分遷移，這在傳統(tǒng)上比單組分產(chǎn)品更具挑戰(zhàn)性。

例如，它用于測量保質(zhì)期內(nèi)水分分布的變化，這對于具有不同水分活性的多種成分的產(chǎn)品（例如具有高水分填充的低水分產(chǎn)品）至關(guān)重要。

用高光譜成像對食物成分進(jìn)行定性分析

由于高光譜成像可提供樣品的逐像素信息，因此非常適合多組分產(chǎn)品成分映射。

某些品質(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。通過對照參考樣品進(jìn)行校準(zhǔn)，可以進(jìn)行定量測量。

完全定量測量需要為要識別的每個(gè)組件開發(fā)單獨(dú)的校準(zhǔn)模型。這適用于需要定期分析相同樣品類型的應(yīng)用，例如混合肉中的脂肪含量。

然而，即使沒有針對短期應(yīng)用或沒有參考樣品的完全校準(zhǔn)，也可以獲得有用的比較信息。

一些高光譜成像應(yīng)用使用光譜數(shù)據(jù)來識別和分類圖像中不同成分的特征。對于許多食品應(yīng)用，該方法的全部優(yōu)點(diǎn)是定量高光譜分析，以測量特定化合物的濃度。

這是通過將高光譜圖像與傳統(tǒng)方法對一系列樣品進(jìn)行的參考測量進(jìn)行比較來創(chuàng)建校準(zhǔn)模型來實(shí)現(xiàn)的。

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

不同的吸光度帶對于校準(zhǔn)建模具有重要意義，具體取決于要檢測的材料或特性。例如，結(jié)晶蔗糖在1435納米處具有特征吸光度峰值。脂質(zhì)含有吸光度帶為 1724 和 1762 納米的 CH2 鍵。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的圖像進(jìn)行定性評估。然而，使用一系列波長的多變量校準(zhǔn)可以獲得最佳結(jié)果，包括對于相關(guān)吸光度帶選擇未知或存在多個(gè)重疊波段的特性。

標(biāo)定模型搭建好后，可以應(yīng)用于未知測試樣品或生產(chǎn)線上樣品的高光譜圖像，快速繪制這些參數(shù)。

巧克力棒的成分

以下是商業(yè)巧克力棒的比較研究示例。全面校準(zhǔn)需要訪問每種組件材料類型的參考樣品。然而，與其繪制特定吸光度帶的強(qiáng)度圖，不如進(jìn)行有用的比較。

下圖2顯示了三個(gè)吸光度帶的圖。CH2 的條帶通常與脂肪含量的差異有關(guān)，另一個(gè)條帶是結(jié)晶蔗糖存在的特征。OH的吸光度帶通常與含水量的差異有關(guān)。

高脂肪區(qū)域以紅色顯示，結(jié)晶蔗糖以綠色顯示，水分以藍(lán)色顯示。組件的組合顯示為混合顏色。

堅(jiān)果呈紅色，表示脂肪含量高。焦糖呈藍(lán)色或紫色，表明水分含量高，脂肪含量不同。巧克力呈綠色、黃色或橙色，表示脂肪和結(jié)晶蔗糖的不同組合。該圖顯示了不同商業(yè)產(chǎn)品之間不同成分的成分有何不同。

可以針對這些特性進(jìn)行定量校準(zhǔn)，以便為在線檢測進(jìn)行更詳細(xì)的分析。

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

未來展現(xiàn)巨大潛力

高光譜成像現(xiàn)在正在興起，許多公司正在評估其在線生產(chǎn)的用途。隨著高光譜成像技術(shù)變得越來越成熟和廣為人知，它也可用于更大的用戶群體。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)能力的信息以及提供如何應(yīng)用該技術(shù)的方法方面發(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)，使他們能夠評估該方法是否適合其應(yīng)用。(來源:Specim)