食品工業熱成像的研究現狀論文
食品工業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，攝像系統能夠將被測物體發射的8～12μm波段的紅外射線轉化為電子訊號、進而轉化為影象。熱電電壓、電阻、熱釋電電壓等機械裝置可以探測短波到長波範圍的紅外射線［4］，在室溫下可靈敏檢測出長波紅外射線、高溫時(如400℃)對中波紅外線的檢測靈敏度較高，這些性質都可以應用於食品工業。影象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佈。與熱電偶、溫度計等單一點接觸式的測溫方法相比，熱成像技術具有較高的瞬時性和空間解析度，並且可以量化表達表面溫度的變化，能夠提供被測物的相關性質，如結構組成、尺寸、理化性質、動力學特性等［5］，與計算機軟體的連用可以加強其分析強度。高空間解析度的熱成像技術可以根據溫差直觀分析被測物體，分析過程中影象採集速度高達50～60圖/s，非常適於測定熱性質變化迅速的物體［6］。
1熱成像技術在熱處理中的應用
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程中的重要控制因素，也影響著食品貯藏運銷過程中的其他方面。食品工業中傳統的溫度控制採用熱電偶、溫度計、熱電阻等接觸式的方法，近年來，包括熱成像技術在內的一些無觸點式測量方法和成像技術也以其高頻率和高解析度的優點得到廣泛應用［7］。熱處理有助於多種食品風味物質的形成，增加食品的安全性，延長貨架期［8］。過度地加熱會引起食品組織損傷，而熱量不足會導致受熱不均或殺菌不徹底。與傳統熱處理方式相比，熱成像技術對於殺菌處理中的熱量遷移和受熱均衡意義重大，並且有高速、無損和防止交叉感染的優點。Samuel等［9］研發了一種高溫恆熱蒸汽殺菌系統，採用表面熱殺菌的方式有效減少了物料內部受熱、損傷程度。該系統基於熱成像技術，結合蒸汽噴射、電力蒸汽乾燥等原理，使用溫度監控器實時、獨立、分段、精確地控制加工過程中各個階段的溫度。結果表明該系統能夠有效降低胡蘿蔔貯藏期間核盤菌引發的軟腐病發病率，減少其60%～80%具有植物毒性的顏色變化。熱成像技術有助於加強控制食品表面的冷熱迴圈［10－11］，可以用於即食食品質量安全控制以及食品表面溫度的線上檢測［12－13］。Ibarra等［14］依據雞胸肉的表面溫度和加熱時間構建統計學模型，藉助熱成像技術測溫後進一步估算出雞肉蒸煮後的內部溫度。此外，該技術可以用於微波加熱過程的設計［15］以及不同種類食品微波加熱模式的區分［16］。在另一項相似的研究裡，該技術被用於確定黑麥、燕麥微波加熱時的過冷點和過熱點［17］。熱成像技術還可以改善水果熱消耗、提升其質量品質。Fito等［18］透過測定柑橘在失水過程中的溫度分佈研究其脫水動力學，繼而確定水果的最終乾燥點，建立其線上質量控制系統。此外，熱成像技術可以檢測食品的加熱效率、通風情況、空氣條件和製冷效果，追蹤食品生產中的潛在空氣汙染源等［19］。
2熱成像技術在果蔬採後質量控制方面的應用
機械損傷引起的表觀受損、微生物侵染和加速成熟往往會影響採後果蔬的品質，造成較大的經濟損失。傳統方法中的目測法等人工評價方法耗時長、易受到人體疲勞的影響，而光譜成像、熱成像等無損檢測技術在採後果蔬質量控制方面發展快速［20－22］。目前，熱成像技術在機械傷的客觀量化方面嶄露頭角，該方法藉助樣品之間熱擴散係數的差異，利用不同損傷程度的樣品對於溫度的差異性響應進行檢測。自然對流的方式在1980年已經被用於蘋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.蘋果藏於26℃、空氣溼度50%的環境下48h，然後用熱成像技術分別觀察熱處理和冷卻過程中蘋果的溫度變化，判定具有機械傷的個體，該技術與高光譜技術聯用可有效檢測果實的早期機械傷［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%，該方法可廣泛應用於果蔬的機械分選。貯藏前後的冷卻速率、表面溫度可以用於評價蘋果的表面質量和蠟質層結構，研究發現不同品種的冷卻速率有顯著區別，這與其蠟質層結構相關，但是該指標在貯藏期間卻並無顯著差異［26］。熱成像技術不僅可以用於檢測採後果蔬的機械傷，還可以用於其生理病害的檢測。“水心病”是蘋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，必須剖開後才見到病變。Baranowski等［27］將1.5℃下貯藏的水果樣品移至20℃環境中(溫差18.5℃)，升溫20min，透過升溫速率的差異判定果實是否感染水心病。研究發現，預處理時增加溫差可以縮短水心病害的觀察時間。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的處理效果;結果表明微波加熱15s後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採摘前後都是很關鍵的步驟，Bulanon等［29］研究了柑橘樹冠、果實的熱量瞬時變化，將熱成像技術用於柑橘成熟度的檢測。該研究使用紅外照相機24h迴圈監測樹冠，測定其表面溫度、環境溫度和相對溼度，再以上述測定資料結合果實的熱輻射係數(估值0.9)來補償熱力影象。分析結果表明樹冠和果實的溫差在下午四點至午夜時間段內較大，可透過測量果實在該時段的溫差而區分其成熟度。此外，利用熱成像技術可以非傾入、無損傷地觀測植株各個器官的生長狀況及水分含量［30－31］，為研究大型苗木種群提供一個全新的視角。
3熱成像技術在穀物質量安全評估上的應用
病蟲害、微生物侵染是影響穀物質量安全的重要因素，食品在貨架期和貯藏期內的病蟲害檢測至關重要，這不僅與食品安全規範相關，也關係著人們穀物消費的健康、滿意度。傳統用於檢查糧食病蟲害的方法有手工挑選、篩分等，由於穀物籽粒數量大、體積小、許多特徵肉眼難以發覺，人工檢測方法操作繁瑣、效率低、主觀性強、誤差較大，難以準確判斷侵染昆蟲的具體生長時期［32］，熱成像技術的出現和發展可以有效解決此類問題。利用熱成像技術可以檢測出穀物中胚後發育階段的昆蟲，原理是該時期的昆蟲呼吸作用生熱，與穀物形成溫度差異［33－34］。該技術在穀物病蟲害侵染鑑別方面效果良好，但在識別昆蟲的生長階段方面效果相對較差［35］。Manickavasagan等［36］研究了受鏽赤扁谷盜侵染小麥的溫度分佈圖，觀察到小麥的溫度曲線與侵染昆蟲的呼吸作用相關，該研究結果可進一步應用於穀物的線上連續檢測。此外，熱成像技術在小麥的分級和品種鑑別中體現出較高的辨別力，這是傳統方法中僅憑外觀檢測手段很難達到的［37－38］。
4熱成像技術在異物檢測方面的應用
異物檢測是食品質量安全檢測中的一個重要方面，最常見的手段為目測法，但限制因素較多。常見的物理篩選手段有篩分、沉降、篩選、過濾和重力法等，金屬探測器、X－射線、光學感測、超聲波法等精密儀器系統也常被用於異物檢測［39］，上述方法都無法依據大小、形狀檢測出所有的異物。熱成像技術透過熱力性質的差異區分食品和異物，該技術在異物檢測方面是一種輔助方法，是光學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、組成和影象的噪音有關［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，證實了熱成像技術在該檢測領域的有效性。
熱成像技術的前景展望
隨著高解析度紅外檢測器的發展，熱成像技術在食品工業領域得到越來越廣泛的應用，然而該技術在食品質量線上檢測方面的應用還需克服一些侷限性。首先，熱成像技術在檢測前一般透過冷或熱處理來形成樣品間的溫差，該過程有可能引入汙染物並且改變某些食品的感官性質［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範圍內要均一分佈，否則熱分佈的變化可能會影響成像效果。其次，環境熱干擾會影響熱成像感測器的執行，因此線上監測中，各加工過程都須注重環境溫度的控制。另外，傳輸帶系統等不均勻的影象背景會影響由檢測器引發的背景噪聲的去除效果。就檢測器本身而言，如畫素出現不均一的響應或“死點”、“壞點”，就要加強對所獲影象精確性的要求。一般來說，“壞點”約佔檢測器畫素中的1%，該比例隨著攝像機的衰老而增加［43］，因此，建議經常檢測熱成像攝像機的效能。“壞點”的檢測表面可能溫度分佈均勻，透過代替臨近畫素的平均值或中值來校準此類畫素。
作為食品工業中一項新興的質量安全評估技術，現代熱成像技術高效、高速、無損、無輻射源、精密度好、安全性高並且容易使用，在食品工業中將會有廣泛的應用前景。就今後的發展方向而言，與高光譜成像系統的聯用將加強熱成像技術在食品過程控制中的能力，也有助於對所測物體進行更加全面、完整的描述。該項複合技術有可能加強整個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。目前該領域的相關研究尚處在實驗階段，未來的研究應該注重其在工業中的具體應用。（本文作者：王雪瑩、羅佳麗、黃明亮、蔣和體 單位：西南大學食品科學學院）