食品質(zhì)量和安全是近年來引起廣泛關注的話題誊薄，消費者越來越意識到食品質(zhì)量和成分不僅對個人營養(yǎng)狀況有影響，而且還與整體幸福感相關聯(lián)锰茉， 食品生產(chǎn)的處方問題變得很重要呢蔫。另一方面，不同類型的過敏和不耐癥是很常見的飒筑，消費者選擇無麩質(zhì)片吊、無乳糖的有機食品作為日常工作餐也變得很常見。除了消費者越來越多的要求外扬霜，食品生產(chǎn)商也有法律義務保證其產(chǎn)品的質(zhì)量和安全定鸟。這需要分析方法來支持新產(chǎn)品的開發(fā)，以滿足這些消費者需要和法定要求著瓶，同時也能提供愉快的感官體驗。在食品生產(chǎn)中啼县，需要快速的監(jiān)測和控制生產(chǎn)材原，以確保一致的質(zhì)量和安全。因此季眷，食品生產(chǎn)過程的控制必須在非常短的時間內(nèi)完成余蟹，生產(chǎn)過程中的任何錯誤都可能導致產(chǎn)品報廢、銷售損失子刮，并有可能危及客戶安全威酒，所有這些都有可能升級為消費者的重大財產(chǎn)損失和健康問題窑睁。而使用Specim高光譜相機則能勝任這項分析工作。
利用高光譜技術更好地控制食品成分和質(zhì)量
食品質(zhì)量和安全是近年來引起廣泛關注的話題葵孤，消費者越來越意識到食品質(zhì)量和成分不僅對個人營養(yǎng)狀況有影響担钮，而且還與整體幸福感相關聯(lián)，食品生產(chǎn)的處方問題變得很重要尤仍。另一方面箫津，不同類型的過敏和不耐癥是很常見的，普通消費者選擇無麩質(zhì)宰啦、無乳糖的有機食品作為日常工作餐也變得很常見苏遥。除了消費者越來越多的要求外，食品生產(chǎn)商也有法律義務保證其產(chǎn)品的質(zhì)量和安全赡模。這需要分析方法來支持新產(chǎn)品的開發(fā)田炭，以滿足這些消費者需要和法定要求，同時也提供愉快的感官體驗漓柑。在食品生產(chǎn)中教硫，需要快速的方法來監(jiān)測和控制生產(chǎn)，以確保統(tǒng)一的質(zhì)量和安全欺缘。因此栋豫，食品生產(chǎn)過程的控制必須在非常短的時間內(nèi)完成；生產(chǎn)過程中的任何錯誤都可能導致產(chǎn)品報廢谚殊、銷售損失丧鸯，并有可能危及客戶安全；所有這些都有可能升級為消費者的重大財產(chǎn)損失和健康問題嫩絮。
從實驗室到線上
有幾種技術方法可用于監(jiān)測食品質(zhì)量丛肢。不過，其中許多是需要在實驗室進行分析剿干，這是勞動密集型的工作且很可能會非常緩慢蜂怎，分析過程可能需要幾個小時、幾天甚至是幾周的時間置尔，從開始測量到收到分析結果杠步。 此外，樣品經(jīng)常在檢測過程中被破壞榜轿。
高光譜成像在SWIR（短波紅外）區(qū)域用于食品檢測的優(yōu)勢
短波紅外(SWIR)光譜技術是一種快速幽歼、無損的檢測方法，已經(jīng)在食品工業(yè)實驗室和在線監(jiān)測中得到廣泛應用谬盐。該技術可以測定樣品的組分(如水分含量甸私、蛋白質(zhì)含量等)以及物理特征(如:研磨顆粒物的直徑)。食品中的許多相關化學鍵會吸收SWIR (900 - 2500 nm)范圍內(nèi)的特定波長的光飞傀。這些吸收特征揭示了樣品的化學性質(zhì)皇型，可以用光譜法進行檢測诬烹。該方法是分析均勻樣品(如面粉)平均成分的理想方法。對于更復雜的產(chǎn)品弃鸦，光譜學的缺點是每次只能提供樣品中單點的信息绞吁。
高光譜成像(HSI)將光譜學與成像能力相結合。這項技術提供了對復合或異質(zhì)食品逐像素同時分析的可能性寡键。作為一種成像技術掀泳，高光譜成像不需要接觸樣品，具有良好的校準模型西轩，可實時提供分析結果员舵。
單個吸光度帶的測量或全光譜的校準提供了有關成分的信息，這些信息可以在圖像中繪制出來藕畔，以測量成分(如水分或脂肪)的分布马僻。高光譜成像還可以為非成像技術難以進行的復雜、多組分產(chǎn)品分析提供解決方案注服。
高光譜傳感器提供數(shù)百個波段的信息韭邓。這提供了不同化學鍵的多重重疊吸光度帶的數(shù)據(jù)，使校準能夠針對與食品生產(chǎn)相關的特定分析物溶弟。雖然與RGB成像相比女淑，這是信息量上的一個主要優(yōu)勢，但它也帶來了挑戰(zhàn)辜御。用戶(或應用程序的創(chuàng)建者)必須知道哪些波段是目標波段鸭你，哪些可以被記錄下來進行分析，哪些可以被忽略擒权。
Specim作為高光譜成像領域的先驅(qū)袱巨，在過去的21年里一直在提供高光譜傳感器。在此期間碳抄，高光譜成像技術已經(jīng)從主要應用于航空和軍事領域的高科技技術發(fā)展為高度有趣的具有挑戰(zhàn)性的工業(yè)應用技術愉老。早期的HSI檢測技術還不夠成熟，記錄速度太慢剖效，無法滿足在線生產(chǎn)的要求嫉入。在過去的幾年中，HIS進步是巨大的璧尸，今天的高光譜相機可以達到每秒鐘數(shù)千幀的速度和不到毫秒的曝光時間劝贸。
Campden BRI是食品行業(yè)高光譜分析服務的先驅(qū)
Campden BRI是一家總部位于英國的公司，其歷史可以追溯到1919年逗宁，當時它作為水果和蔬菜保鮮研究站開業(yè)。如今梦湘，Campden BRI是會員制食品和飲料研究機構瞎颗，在近80個國擁有2400多名會員件甥。會員包括Arla Foods Ltd.、家樂氏(Kellogg 's)哼拔、可口可樂(Coca-Cola)引有、亨氏(Heinz)和雀巢（Nestlé）。
十年前倦逐，Campden BRI決定探索HSI提供的機遇譬正，以加強他們的食品分析方法，和擴大他們的食品成像能力檬姥≡遥“SWIR光譜技術已經(jīng)在農(nóng)業(yè)食品領域建立起來，可以快速分析食品及其成分健民。高光譜成像為這種方法的新應用提供了機會抒巢，并提供了一種獨特的方法來測量，例如秉犹，在復雜的食品樣品中水分和脂肪的分布”蛉谜，Campden BRI首席科學家Martin Whitworth博士說，他負責領D圖像分析的研究崇堵。
對于在線生產(chǎn)型诚，短的成像時間是關鍵要求之一。即使在離線分析和產(chǎn)品開發(fā)中鸳劳，由于有用于照明樣品的強外部光源狰贯，較短的成像時間也是一個關鍵要求:短的曝光時間是必需的，以避免樣品干燥或熔化等情況棍辕。
基于這些標準暮现，Campden BRI決定選擇推掃式HSI，因為它所用的成像時間很短楚昭。推掃式 HSI一次檢測窄圖像線的全光譜栖袋，并隨著生產(chǎn)線的移動掃描整個樣品。由于一次只成像一條狹窄的線抚太，成像時間可以減少到毫秒級塘幅。
當Campden BRI開始尋找符合他們標準的解決方案時，他們頭腦中有一套清晰的方案尿贫。他們選擇了一臺specim 的SWIR相機电媳。“它必須工作在900 – 2500nm庆亡，它必須是能用在各種產(chǎn)品尺寸上的相機匾乓，它必須在幾秒鐘內(nèi)完成測量，它必須可以在不同的生產(chǎn)地點使用又谋。我們已經(jīng)使用這個傳感器9年了拼缝∮榫郑”
如今，Campden BRI已經(jīng)為食品行業(yè)提供高光譜成像分析服務10年了咧七。該系統(tǒng)已廣泛應用于面包衰齐、餅干、谷物继阻、肉類耻涛、魚類、糖果和油炸食品等多種產(chǎn)品瘟檩。一個常見的應用是測量產(chǎn)品中的水分分布抹缕，或研究生產(chǎn)條件(如烘烤)對Z終產(chǎn)品水分均勻性的影響，或測量在貨架期內(nèi)水分分布的變化芒帕。這對于具有不同水活度的多種成分的產(chǎn)品尤其重要歉嗓，例如高水分填充的低水分產(chǎn)品。另一個應用是研究油炸產(chǎn)品中的脂肪分布背蟆。
Campden BRI的大部分工作是針對單個食品制造商的正式分析鉴分。在一些情況下，這涉及使用專門為這個客戶產(chǎn)品開發(fā)的校準带膀。許多客戶使用該服務來支持產(chǎn)品開發(fā)工作志珍，使他們能夠從生產(chǎn)試驗中評估產(chǎn)品的質(zhì)量。樣品通常被送到Campden BRI的實驗室垛叨，或者儀器可以被運送到客戶現(xiàn)場伦糯，對生產(chǎn)線上新鮮的樣品進行分析。
除了為產(chǎn)品開發(fā)提供幫助外嗽元，這還使客戶能夠評估該方法對計劃的在線應用的適用性敛纲，并幫助確定所需儀器的規(guī)格。選擇推掃式系統(tǒng)的另一個關鍵因素是剂癌，能夠?qū)嶒炇抑惺褂玫姆椒☉玫皆诰€應用中淤翔。
食品分析的應用實例
高光譜成像技術使用光譜數(shù)據(jù)來識別和分類圖像中不同成分的特征。對于許多食品應用來說佩谷，該方法的Z大好處是它是一種定量分析儀器旁壮，可以測量特定化合物的濃度。這是通過將HSI圖像與傳統(tǒng)方法對一系列校準樣品所做的參考測量值進行比較谐檀，建立校準模型來實現(xiàn)的抡谐。有許多不同的算法(Z小二乘，支持向量機桐猬，神經(jīng)網(wǎng)絡等)來建立這些校準模型麦撵，將樣本中的所需參數(shù)映射到HSI數(shù)據(jù)輸出。
根據(jù)被分析物的不同，不同的吸收峰對于校正是特別重要的厦坛。例如五垮，結晶蔗糖在1435 nm處有一個特征吸收峰，脂類含有ch2鍵杜秸，吸光帶在1724和1762 nm處，水分子中的OH鍵有幾個SWIR吸光度润绎，包括在1925 nm處撬碟。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。然而，Z好的結果是使用多元校準的波長饮笛，包括性質(zhì)的相關選擇的吸光度波段是未知的屋休，或有多個重疊波段。
建立標定模型后霉撵，可直接用于未知樣品的HIS成像，或是生產(chǎn)線上的樣品，快速映射這些參數(shù)励翼。下面給出了一些例子。
面包水分分布
水分分布是許多食品的一個重要屬性辜荠，它影響食品的質(zhì)地和有利于微生物活動的條件汽抚。水分在保質(zhì)期內(nèi)會發(fā)生變化，因此與產(chǎn)品的新鮮度有關伯病。分布并不總是均勻的造烁，但如果沒有成像技術，這是很難檢測到的午笛。
下圖顯示了Campden BRI的一項研究中新鮮白面包片中的水分分布惭蟋。首先jing行標定，然后將該模型應用于實際樣品药磺。圖中紫色和藍色表示含水率低告组，黃色和紅色表示含水率高。很容易看到与涡，面包的水分含量在向中心方向迅速增加惹谐，而外層的水分含量非常低。
基于Campden BRI的研究驼卖，高光譜成像還可以用于檢測復合材料產(chǎn)品中的水分遷移氨肌，這比單組分產(chǎn)品更具挑戰(zhàn)性。
巧克力棒成分
由于高光譜成像在一個樣品上提供每個像素的信息酌畜，它是多組分產(chǎn)品組合映射的理想方法怎囚。某些屬性，如脂肪、水分或結晶蔗糖恳守，在SWIR范圍內(nèi)具有清晰的光譜特征考婴。通過對參考樣品進行校正，可以進行定量測量催烘。完全定量測量需要為每個組件開發(fā)單獨的校準沥阱。這適用于需要定期分析同一類型樣品的應用。然而伊群，對于短期應用考杉，或在沒有參考樣品的地方，即使沒有完全校準舰始，也可以獲得有用的比較信息崇棠。下面是一個商業(yè)巧克力棒的比較研究的例子。全面的校準需要獲得每一種成分材料的參考樣品丸卷。然而枕稀，通過繪制特定吸收帶的強度，可以進行有用的比較谜嫉。
下圖顯示了三個吸光度帶的分布圖萎坷。CH2的一個帶通常與脂肪含量的差異有關，另一個帶通常與結晶蔗糖的存在有關骄恶，OH吸光度帶通常與水分含量的差異有關食铐。脂肪含量高的區(qū)域顯示為紅色，而結晶蔗糖和水分分別顯示為綠色和藍色僧鲁。組件的組合顯示為混合的顏色虐呻。果仁呈暗紅色，表明脂肪含量高寞秃，焦糖呈藍色或紫色斟叼，表明水分含量高，但脂肪含量不同春寿。巧克力呈綠色朗涩、黃色或橙色，表明脂肪和結晶蔗糖的不同組合;可以看出绑改，這些不同的商業(yè)產(chǎn)品谢床。為了進行更詳細的分析或在線檢測，可以對這些特性進行定量校準厘线，比如面包中的水分识腿。
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在線生產(chǎn)中的應用造壮。隨著高光譜成像技術越來越成熟渡讼，越來越為人所知，越來越多的用戶可以使用高光譜成像技術。像Campden BRI這樣的公司在向更廣泛的受眾提供有關這項技術的能力的信息成箫，以及提供如何應用它的方法方面發(fā)揮著重要作用展箱。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的適用性蹬昌。
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