利用高光谱成像分析食品品质和成分

       消费者意识到食品质量和成分对营养和健康的影响。不同类型的过敏和不耐受症已变得越来越普遍，食品生产的道德问题也引发担忧。

       除了消费者日益增长的需求外，食品生产商还有法律义务控制其产品的质量和安全。生产过程中的失误可能会造成巨大的经济损失，甚至危及消费者的安全。

一、从实验室到实时检测

       目前有多种技术可用于监测食品生产的质量。不幸的是，其中许多技术需要实验室分析，这需要大量劳动力且速度缓慢。从测量到结果可能需要几天甚至几周的时间。此外，样品通常会在检查过程中被毁坏。

       食品生产过程控制必须具有较短的响应时间。在线监控食品生产需要更快、更复杂的检测和分析方法，以确保始终如一的质量和安全。

二、食品分析的光谱与高光谱成像

       光谱分析是一种快速、无损的质量检测方法，也是食品行业中一种成熟的方法。它能够测定样品的成分（例如水分或蛋白质含量）和物理特性（例如颗粒大小）。

       食品中许多相关的化学键会吸收短波红外 (900–2500 nm) 范围内特定波长的光。这些吸收特征揭示了样品的化学性质，可通过光谱法检测出来。

       光谱法是分析面粉等均质样品平均成分的理想方法。其缺点是仅提供单个样品点的信息。因此，它不适合分析更复杂的多成分食品。

       高光谱成像将光谱与成像相结合。该技术可以实时对样本进行逐像素分析。与光谱仪一样，高光谱成像不需要接触样本，也不会破坏或污染食物。

       单个吸光度带的测量或全光谱的校准可提供有关成分的信息，这些信息可被映射到测量成分（例如水分或脂肪）的分布上。

       高光谱成像还可以实现复杂的多组分产品分析，这对于其他技术来说是困难的。

       高光谱传感器可提供数百个窄波段的信息。识别不同化学键的吸光度波段有助于开发与食品生产相关的特定指标的校准模型。

       它提供的信息量比传统的 RGB 或光谱传感器多得多。然而，要创建应用程序，用户必须知道哪些波段是有用的，哪些波段会被记录下来以供分析，哪些波段可以忽略。

三、Campden BRI 率先在食品行业开展高光谱分析

       Campden BRI是一家英国公司，其历史可追溯到 1919 年，当时它是一家水果和蔬菜保鲜研究站。如今，Campden BRI 是世界上最大的会员制食品和饮料研究组织，在 80 多个国家/地区拥有 2,400 多名会员。会员包括 Arla Foods Ltd.、家乐氏、可口可乐、亨氏和雀巢等公司。

       作为先驱者，Campden BRI 早在 15 年前就探索了高光谱成像的机会，以加强其食品分析方法并扩展其食品成像能力。

       “SWIR 光谱法已在农业食品领域得到广泛应用，可用于快速分析食品及其成分。例如，高光谱成像是一种独特的方法，可用于测量复杂食品样本中水分和脂肪的分布。它还提供了将这种方法应用于新应用的机会”，负责领导图像分析研究的 Campden BRI 首席科学家 Martin Whitworth 博士表示。

四、用于实时检测的推扫成像

       对于在线生产，较短的成像时间是一项关键要求。这对于离线分析也是必不可少的，因为强光会损坏样品，即干燥或熔化样品。除了成像时间之外，Campden BRI 还要求系统满足一系列其他标准。

      “它必须在 900-2500 纳米范围内运行，适用于不同的产品尺寸，在几秒钟内完成测量，并可运输到不同的生产地点，”马丁·惠特沃思说。基于这些标准，Campden BRI 决定采用 Specim SWIR 推扫式高光谱相机，并从 2008 年开始使用相同的传感器。

       推扫式相机可探测多个窄带的全光谱，并在生产线上实时扫描整个样品。由于每次只扫描一条窄带，因此成像时间可以缩短至几毫秒。能够将实验室中使用的相同方法应用于在线生产是选择推扫式高光谱成像系统的另一个原因。

       如今，Campden BRI 已为食品行业提供高光谱成像分析服务近二十年，他们已将该系统应用于分析各种产品，包括面包、饼干、谷物、肉类、鱼类、糖果和油炸食品。

       Campden BRI 的大部分工作是为各个食品制造商进行合同分析。它涉及使用专门为客户产品开发的模型和校准。他们在实验室分析样品或将仪器运送到客户现场分析新鲜样品。除了提供产品开发信息外，Campden BRI 还进行初步试验以评估该方法是否适用于在线应用。

五、食品上的水分分布

       高光谱成像的一个典型应用是测量产品中的水分分布。水分分布是许多食品的基本属性。它会影响质地和有利于微生物活动的条件。

       水分会随着保质期而变化，因此与产品新鲜度有关。水分分布并不总是均匀的，如果没有成像技术很难检测到。例如，在烘焙中，它可用于研究生产条件对最终产品水分均匀性的影响。

六、面包中的水分分布

       下图 1 显示了 Campden BRI 研究中一片新鲜白面包的水分分布情况。首先，建立校准模型，然后将该模型应用于实际样品。

       图片中的紫色和蓝色表示水分含量低，而黄色和红色表示水分含量高。很容易看出，水分含量朝面包中心迅速增加，而外皮的水分含量较低。

图 1：新鲜面包片中的水分分布。图片由 Campden BRI 提供。

七、检测多组分产品中的水分迁移

       高光谱成像还可以用于检测多组分产品中的水分迁移，这通常比单组分产品更具挑战性。

       例如，它可用于测量保质期内水分分布的变化，这对于具有不同水分活度的多个成分的产品至关重要，例如具有高水分填充物的低水分产品。

八、利用高光谱成像定性分析食物成分

       由于高光谱成像可以提供样本的逐像素信息，因此它非常适合多组分产品组成映射。

       某些物质（如脂肪、水分或结晶蔗糖）在短波红外 (SWIR) 范围内具有清晰的光谱特征。通过对照参考样本进行校准，可以进行定量测量。

       完全定量测量需要为待识别的每种成分开发单独的校准模型。这适用于需要定期分析同一样品类型的应用，例如混合肉中的脂肪含量。

       然而，即使没有对短期应用进行全面校准或没有参考样本，也可以获得有用的比较信息。

       一些高光谱应用成像使用光谱数据来识别和分类图像中不同成分的特征。对于许多食品应用而言，该方法的最大优势在于定量高光谱分析，以测量特定化合物的浓度。

       这是通过基于高光谱图像与传统方法对一系列样本进行的参考测量的比较来创建校准模型来实现的。

       有许多不同的算法可用（偏最小二乘法、支持向量机和神经网络等）来构建这些校准模型，将样本中所需的参数映射到高光谱数据输出。

       根据要检测的材料或特性，不同的吸光度波段对于校准建模具有重要意义。例如，结晶蔗糖在 1435 纳米处具有特征吸光度峰。脂质含有 CH2 键，其吸光度波段位于 1724 和 1762 纳米。水分子中的 OH 键具有多种 SWIR 吸光度，包括 1925 纳米。

       在某些情况下，可以使用这些特定波长的图像进行定性评估。但是，使用一系列波长的多元校准可以实现最佳结果，包括那些吸光度波段的相关选择未知或存在多个重叠波段的属性。

       建立校准模型后，可以将其应用于未知测试样品或者生产线上样品的高光谱图像，快速映射这些参数。

九、巧克力棒的成分

图 2：市售巧克力棒的三个吸光度带图。图片由 Campden BRI 提供。

十、未来潜力巨大

       高光谱成像技术正在兴起，许多公司正在评估其在线生产用途。随着高光谱成像技术日趋成熟和知名，越来越多的用户开始使用它。像 Campden BRI 这样的公司在向更广泛的受众提供有关该技术功能的信息以及提供应用方法方面发挥着重要作用。Campden BRI 还可以为食品制造商进行初步试验，使他们能够评估该方法是否适合他们的应用。

文章转载于：Specim高光谱成像（https://mp.weixin.qq.com/s/sCaDotKKF2gm85yrnmVGiw）