消費者意識到食品質(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癥已變得越來越普遍，食品生產(chǎn)的道德問題也引發(fā)擔憂。

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

一、從實驗室到實時檢測

       目前有多種技術可用于監(jiān)測食品生產(chǎn)的質(zhì)量。不幸的是，其中許多技術需要實驗室分析，這需要大量勞動力且速度緩慢。從測量到結果可能需要幾天甚至幾周的時間。此外，樣品通常會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時間。在線監(jiān)控食品生產(chǎn)需要更快、更復雜的檢測和分析方法，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)量檢測方法，也是食品行業(yè)中一種成熟的方法。它能夠測定樣品的成分（例如水分或蛋白質(zhì)含量）和物理特性（例如顆粒大小）。

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

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

       高光譜成像將光譜與成像相結合。該技術可以實時對樣本進行逐像素分析。與光譜儀一樣，高光譜成像不需要接觸樣本，也不會破壞或污染食物。

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

       高光譜成像還可以實現(xiàn)復雜的多組分產(chǎn)品分析，這對于其他技術來說是困難的。

       高光譜傳感器可提供數(shù)百個窄波段的信息。識別不同化學鍵的吸光度波段有助于開發(fā)與食品生產(chǎn)相關的特定指標的校準模型。

       它提供的信息量比傳統(tǒng)的 RGB 或光譜傳感器多得多。然而，要創(chuàng)建應用程序，用戶必須知道哪些波段是有用的，哪些波段會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，當時它是一家水果和蔬菜保鮮研究站。如今，Campden BRI 是世界上最大的會員制食品和飲料研究組織，在 80 多個國家/地區(qū)擁有 2,400 多名會員。會員包括 Arla Foods Ltd.、家樂氏、可口可樂、亨氏和雀巢等公司。

       作為先驅者，Campden BRI 早在 15 年前就探索了高光譜成像的機會，以加強其食品分析方法并擴展其食品成像能力。

       “SWIR 光譜法已在農(nóng)業(yè)食品領域得到廣泛應用，可用于快速分析食品及其成分。例如，高光譜成像是一種獨特的方法，可用于測量復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用于新應用的機會”，負責領導圖像分析研究的 Campden BRI 首席科學家 Martin Whitworth 博士表示。

四、用于實時檢測的推掃成像

       對于在線生產(chǎn)，較短的成像時間是一項關鍵要求。這對于離線分析也是必不可少的，因為強光會損壞樣品，即干燥或熔化樣品。除了成像時間之外，Campden BRI 還要求系統(tǒng)滿足一系列其他標準。

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

       推掃式相機可探測多個窄帶的全光譜，并在生產(chǎn)線上實時掃描整個樣品。由于每次只掃描一條窄帶，因此成像時間可以縮短至幾毫秒。能夠將實驗室中使用的相同方法應用于在線生產(chǎn)是選擇推掃式高光譜成像系統(tǒng)的另一個原因。

       如今，Campden BRI 已為食品行業(yè)提供高光譜成像分析服務近二十年，他們已將該系統(tǒng)應用于分析各種產(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食品制造商進行合同分析。它涉及使用專門為客戶產(chǎn)品開發(fā)的模型和校準。他們在實驗室分析樣品或將儀器運送到客戶現(xiàn)場分析新鮮樣品。除了提供產(chǎn)品開發(fā)信息外，Campden BRI 還進行初步試驗以評估該方法是否適用于在線應用。

五、食品上的水分分布

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

       水分會隨著保質(zhì)期而變化，因此與產(chǎn)品新鮮度有關。水分分布并不總是均勻的，如果沒有成像技術很難檢測到。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。

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，建立校準模型，然后將該模型應用于實際樣品。

       圖片中的紫色和藍色表示水分含量低，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、檢測多組分產(chǎn)品中的水分遷移

       高光譜成像還可以用于檢測多組分產(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，它可用于測量保質(zhì)期內(nèi)水分分布的變化，這對于具有不同水分活度的多個成分的產(chǎn)品至關重要，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。通過對照參考樣本進行校準，可以進行定量測量。

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

       然而，即使沒有對短期應用進行全面校準或沒有參考樣本，也可以獲得有用的比較信息。

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

       這是通過基于高光譜圖像與傳統(tǒng)方法對一系列樣本進行的參考測量的比較來創(chuàng)建校準模型來實現(xiàn)的。

       有許多不同的算法可用（偏最小二乘法、支持向量機和神經(jīng)網(wǎng)絡等）來構建這些校準模型，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)要檢測的材料或特性，不同的吸光度波段對于校準建模具有重要意義。例如，結晶蔗糖在 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的圖像進行定性評估。但是，使用一系列波長的多元校準可以實現(xiàn)最佳結果，包括那些吸光度波段的相關選擇未知或存在多個重疊波段的屬性。

       建立校準模型后，可以將其應用于未知測試樣品或者生產(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

       高光譜成像技術正在興起，許多公司正在評估其在線生產(chǎn)用途。隨著高光譜成像技術日趨成熟和知名，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該技術功能的信息以及提供應用方法方面發(fā)揮著重要作用。Campden BRI 還可以為食品制造商進行初步試驗，使他們能夠評估該方法是否適合他們的應用。

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