食品工業(yè)熱成像的研究現狀論文
微型輻射熱測量器是敏感的紅外探測器，當受到被測物的紅外輻射時(shí)，攝像系統能夠將被測物體發(fā)射的8～12μm波段的紅外射線(xiàn)轉化為電子信號、進(jìn)而轉化為圖像。熱電電壓、電阻、熱釋電電壓等機械裝置可以探測短波到長(cháng)波范圍的紅外射線(xiàn)［4］，在室溫下可靈敏檢測出長(cháng)波紅外射線(xiàn)、高溫時(shí)(如400℃)對中波紅外線(xiàn)的檢測靈敏度較高，這些性質(zhì)都可以應用于食品工業(yè)。圖像模型中用不同色彩代表不同的溫度，能夠準確體現被測物體的空間溫度分布。與熱電偶、溫度計等單一點(diǎn)接觸式的測溫方法相比，熱成像技術(shù)具有較高的瞬時(shí)性和空間分辨率，并且可以量化表達表面溫度的變化，能夠提供被測物的相關(guān)性質(zhì)，如結構組成、尺寸、理化性質(zhì)、動(dòng)力學(xué)特性等［5］，與計算機軟件的連用可以加強其分析強度。高空間分辨率的熱成像技術(shù)可以根據溫差直觀(guān)分析被測物體，分析過(guò)程中圖像采集速度高達50～60圖/s，非常適于測定熱性質(zhì)變化迅速的物體［6］。
1熱成像技術(shù)在熱處理中的應用
溫度的控制、監測不僅是預煮、熱燙、消毒等食品加工前處理過(guò)程中的重要控制因素，也影響著(zhù)食品貯藏運銷(xiāo)過(guò)程中的其他方面。食品工業(yè)中傳統的溫度控制采用熱電偶、溫度計、熱電阻等接觸式的方法，近年來(lái)，包括熱成像技術(shù)在內的一些無(wú)觸點(diǎn)式測量方法和成像技術(shù)也以其高頻率和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應用［7］。熱處理有助于多種食品風(fēng)味物質(zhì)的形成，增加食品的安全性，延長(cháng)貨架期［8］。過(guò)度地加熱會(huì )引起食品組織損傷，而熱量不足會(huì )導致受熱不均或殺菌不徹底。與傳統熱處理方式相比，熱成像技術(shù)對于殺菌處理中的熱量遷移和受熱均衡意義重大，并且有高速、無(wú)損和防止交叉感染的優(yōu)點(diǎn)。Samuel等［9］研發(fā)了一種高溫恒熱蒸汽殺菌系統，采用表面熱殺菌的方式有效減少了物料內部受熱、損傷程度。該系統基于熱成像技術(shù)，結合蒸汽噴射、電力蒸汽干燥等原理，使用溫度監控器實(shí)時(shí)、獨立、分段、精確地控制加工過(guò)程中各個(gè)階段的溫度。結果表明該系統能夠有效降低胡蘿卜貯藏期間核盤(pán)菌引發(fā)的軟腐病發(fā)病率，減少其60%～80%具有植物毒性的顏色變化。熱成像技術(shù)有助于加強控制食品表面的冷熱循環(huán)［10－11］，可以用于即食食品質(zhì)量安全控制以及食品表面溫度的在線(xiàn)檢測［12－13］。Ibarra等［14］依據雞胸肉的表面溫度和加熱時(shí)間構建統計學(xué)模型，借助熱成像技術(shù)測溫后進(jìn)一步估算出雞肉蒸煮后的內部溫度。此外，該技術(shù)可以用于微波加熱過(guò)程的設計［15］以及不同種類(lèi)食品微波加熱模式的區分［16］。在另一項相似的研究里，該技術(shù)被用于確定黑麥、燕麥微波加熱時(shí)的過(guò)冷點(diǎn)和過(guò)熱點(diǎn)［17］。熱成像技術(shù)還可以改善水果熱消耗、提升其質(zhì)量品質(zhì)。Fito等［18］通過(guò)測定柑橘在失水過(guò)程中的溫度分布研究其脫水動(dòng)力學(xué)，繼而確定水果的最終干燥點(diǎn)，建立其在線(xiàn)質(zhì)量控制系統。此外，熱成像技術(shù)可以檢測食品的加熱效率、通風(fēng)情況、空氣條件和制冷效果，追蹤食品生產(chǎn)中的潛在空氣污染源等［19］。
2熱成像技術(shù)在果蔬采后質(zhì)量控制方面的應用
機械損傷引起的表觀(guān)受損、微生物侵染和加速成熟往往會(huì )影響采后果蔬的品質(zhì)，造成較大的經(jīng)濟損失。傳統方法中的目測法等人工評價(jià)方法耗時(shí)長(cháng)、易受到人體疲勞的影響，而光譜成像、熱成像等無(wú)損檢測技術(shù)在采后果蔬質(zhì)量控制方面發(fā)展快速［20－22］。目前，熱成像技術(shù)在機械傷的客觀(guān)量化方面嶄露頭角，該方法借助樣品之間熱擴散系數的差異，利用不同損傷程度的樣品對于溫度的差異性響應進(jìn)行檢測。自然對流的方式在1980年已經(jīng)被用于蘋(píng)果機械傷隨溫度變化的研究［23］。在一項最近的研究中，Varith等［24］將有機械傷的.蘋(píng)果藏于26℃、空氣濕度50%的環(huán)境下48h，然后用熱成像技術(shù)分別觀(guān)察熱處理和冷卻過(guò)程中蘋(píng)果的溫度變化，判定具有機械傷的個(gè)體，該技術(shù)與高光譜技術(shù)聯(lián)用可有效檢測果實(shí)的早期機械傷［25］。結果表明受損組織與正常組織在30～180s內至少存在1～2℃的溫差，機械傷檢出率為100%，該方法可廣泛應用于果蔬的機械分選。貯藏前后的冷卻速率、表面溫度可以用于評價(jià)蘋(píng)果的表面質(zhì)量和蠟質(zhì)層結構，研究發(fā)現不同品種的冷卻速率有顯著(zhù)區別，這與其蠟質(zhì)層結構相關(guān)，但是該指標在貯藏期間卻并無(wú)顯著(zhù)差異［26］。熱成像技術(shù)不僅可以用于檢測采后果蔬的機械傷，還可以用于其生理病害的檢測�！八牟 笔翘O(píng)果生理病害中的一種，病果內部組織呈水漬狀，果肉為半透明，輕病果的外表不易識別，必須剖開(kāi)后才見(jiàn)到病變。Baranowski等［27］將1.5℃下貯藏的水果樣品移至20℃環(huán)境中(溫差18.5℃)，升溫20min，通過(guò)升溫速率的差異判定果實(shí)是否感染水心病。研究發(fā)現，預處理時(shí)增加溫差可以縮短水心病害的觀(guān)察時(shí)間。一項西紅柿輕微組織軟化的研究分別比較了1℃冷卻90min、70℃烘箱加熱1～2min、微波加熱7～15s三種不同方式在檢測機械傷時(shí)的處理效果;結果表明微波加熱15s后可以有效區分出被檢測物體細微的機械傷［28］。果蔬成熟度的評估在采摘前后都是很關(guān)鍵的步驟，Bulanon等［29］研究了柑橘樹(shù)冠、果實(shí)的熱量瞬時(shí)變化，將熱成像技術(shù)用于柑橘成熟度的檢測。該研究使用紅外照相機24h循環(huán)監測樹(shù)冠，測定其表面溫度、環(huán)境溫度和相對濕度，再以上述測定數據結合果實(shí)的熱輻射系數(估值0.9)來(lái)補償熱力圖像。分析結果表明樹(shù)冠和果實(shí)的溫差在下午四點(diǎn)至午夜時(shí)間段內較大，可通過(guò)測量果實(shí)在該時(shí)段的溫差而區分其成熟度。此外，利用熱成像技術(shù)可以非傾入、無(wú)損傷地觀(guān)測植株各個(gè)器官的生長(cháng)狀況及水分含量［30－31］，為研究大型苗木種群提供一個(gè)全新的視角。
3熱成像技術(shù)在谷物質(zhì)量安全評估上的應用
病蟲(chóng)害、微生物侵染是影響谷物質(zhì)量安全的重要因素，食品在貨架期和貯藏期內的病蟲(chóng)害檢測至關(guān)重要，這不僅與食品安全規范相關(guān)，也關(guān)系著(zhù)人們谷物消費的健康、滿(mǎn)意度。傳統用于檢查糧食病蟲(chóng)害的方法有手工挑選、篩分等，由于谷物籽粒數量大、體積小、許多特征肉眼難以發(fā)覺(jué)，人工檢測方法操作繁瑣、效率低、主觀(guān)性強、誤差較大，難以準確判斷侵染昆蟲(chóng)的具體生長(cháng)時(shí)期［32］，熱成像技術(shù)的出現和發(fā)展可以有效解決此類(lèi)問(wèn)題。利用熱成像技術(shù)可以檢測出谷物中胚后發(fā)育階段的昆蟲(chóng)，原理是該時(shí)期的昆蟲(chóng)呼吸作用生熱，與谷物形成溫度差異［33－34］。該技術(shù)在谷物病蟲(chóng)害侵染鑒別方面效果良好，但在識別昆蟲(chóng)的生長(cháng)階段方面效果相對較差［35］。Manickavasagan等［36］研究了受銹赤扁谷盜侵染小麥的溫度分布圖，觀(guān)察到小麥的溫度曲線(xiàn)與侵染昆蟲(chóng)的呼吸作用相關(guān)，該研究結果可進(jìn)一步應用于谷物的在線(xiàn)連續檢測。此外，熱成像技術(shù)在小麥的分級和品種鑒別中體現出較高的辨別力，這是傳統方法中僅憑外觀(guān)檢測手段很難達到的［37－38］。
4熱成像技術(shù)在異物檢測方面的應用
異物檢測是食品質(zhì)量安全檢測中的一個(gè)重要方面，最常見(jiàn)的手段為目測法，但限制因素較多。常見(jiàn)的物理篩選手段有篩分、沉降、篩選、過(guò)濾和重力法等，金屬探測器、X－射線(xiàn)、光學(xué)傳感、超聲波法等精密儀器系統也常被用于異物檢測［39］，上述方法都無(wú)法依據大小、形狀檢測出所有的異物。熱成像技術(shù)通過(guò)熱力性質(zhì)的差異區分食品和異物，該技術(shù)在異物檢測方面是一種輔助方法，是光學(xué)和機械法的補充檢測手段，檢測效果與被測食品的物理性質(zhì)、組成和圖像的噪音有關(guān)［40］。Ginesu等［41］使用熱感攝像機成功檢測出食品中的異物，如腐爛的堅果、貝殼、小石子等，證實(shí)了熱成像技術(shù)在該檢測領(lǐng)域的有效性。
熱成像技術(shù)的前景展望
隨著(zhù)高分辨率紅外檢測器的發(fā)展，熱成像技術(shù)在食品工業(yè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應用，然而該技術(shù)在食品質(zhì)量在線(xiàn)檢測方面的應用還需克服一些局限性。首先，熱成像技術(shù)在檢測前一般通過(guò)冷或熱處理來(lái)形成樣品間的溫差，該過(guò)程有可能引入污染物并且改變某些食品的感官性質(zhì)［42］。因此，熱成像檢測系統的設計需要考慮被檢測食品對溫度的耐受性。此外，熱處理或冷處理系統在紅外攝像機的拍照范圍內要均一分布，否則熱分布的變化可能會(huì )影響成像效果。其次，環(huán)境熱干擾會(huì )影響熱成像傳感器的運行，因此在線(xiàn)監測中，各加工過(guò)程都須注重環(huán)境溫度的控制。另外，傳輸帶系統等不均勻的圖像背景會(huì )影響由檢測器引發(fā)的背景噪聲的去除效果。就檢測器本身而言，如像素出現不均一的響應或“死點(diǎn)”、“壞點(diǎn)”，就要加強對所獲圖像精確性的要求。一般來(lái)說(shuō)，“壞點(diǎn)”約占檢測器像素中的1%，該比例隨著(zhù)攝像機的衰老而增加［43］，因此，建議經(jīng)常檢測熱成像攝像機的性能�！皦狞c(diǎn)”的檢測表面可能溫度分布均勻，通過(guò)代替臨近像素的平均值或中值來(lái)校準此類(lèi)像素。
作為食品工業(yè)中一項新興的質(zhì)量安全評估技術(shù)，現代熱成像技術(shù)高效、高速、無(wú)損、無(wú)輻射源、精密度好、安全性高并且容易使用，在食品工業(yè)中將會(huì )有廣泛的應用前景。就今后的發(fā)展方向而言，與高光譜成像系統的聯(lián)用將加強熱成像技術(shù)在食品過(guò)程控制中的能力，也有助于對所測物體進(jìn)行更加全面、完整的描述。該項復合技術(shù)有可能加強整個(gè)食品流程鏈的監測力度，但仍然在熱源、光源、被測物形狀描述等方面存在挑戰。目前該領(lǐng)域的相關(guān)研究尚處在實(shí)驗階段，未來(lái)的研究應該注重其在工業(yè)中的具體應用。（本文作者：王雪瑩、羅佳麗、黃明亮、蔣和體 單位：西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院）
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