第9章食品光学

第九章食品的光学性质食品外观色泽与评价食品色度学表征食品颜色的测定应用实例123主要内容4食品的光物性与品质5食品光学性质应用实例学习目标掌握光透性测定和光反射特性测定原理及应用掌握延迟发光现象的定义及应用掌握食品近红外测定的原理及应用掌握L*a*b*表色系的含义及所反映的食品特征第一节食品外观色泽与评价颜色对人的影响不仅仅是视觉上的，而且赋予人们对食品品种、品质优劣、新鲜与否的联想。色泽虽是外观，但也反映了其味道，给人以滋味的感觉。在食品的感官品质中，以“色”为先。一、食品的颜色与感觉一、食品的颜色与感觉例:日本咖啡店老板的实验：

红、咖啡、黄、兰四种颜色的杯子，品尝同一种咖啡：

红

90%的人感到咖啡太浓咖啡色

70%的人感到咖啡太浓

黄色

60%的人感到咖啡浓淡正好兰色

100%的人感到咖啡味太淡一、食品的颜色与感觉橙黄色液体———桔子汁红色透明液体———酸梅汁

一、食品的颜色与感觉“感觉转移”Hall冰淇淋实验六种香精配不同色泽评价一、食品的颜色与感觉配色对食品的滋味有很大的衬托作用二、食品的色泽与食欲美国的Birren做过食欲与色泽的调查，结果如右图所示：最能引起食欲的颜色为从红色到橙色；黄色与橙色之间有一个低谷，然而过了黄色的黄绿色确实倒胃口的颜色。淡绿色，青绿色又使食欲增加，紫色食品一般难以接受。三、食品色彩的偏见与误区例：Bruner实验用一张橙色的纸，剪成两种食品的形状，观察结果番茄形：柠檬形：有红色的感觉黄色三、食品色彩的偏见与误区光源：阳光、日光灯、钨丝灯等，每一种照明都使同一个苹果看起来不一样。观察者：每个人的眼睛灵敏度总是稍有差别的，甚至认为色视觉正常的人，对红或蓝仍可能有所偏倚。还有一个人的视力通常随年龄的增大而改变。

三、食品色彩的偏见与误区尺寸：有人在查看了墙纸的小块样片后选择了他认为很好的一种，但当墙纸贴到墙上去之后却有觉得太亮了一点。覆盖在大面积上的颜色比在小面积上的看起来更明亮和更鲜艳，这就是面积效应。背景：放在明亮背景之前的苹果看起来要比放在暗背景之前的暗淡，这就是对比效应。方向：当观察颜色时，必须保持条件一致。

三、食品色彩的偏见与误区对食品色光性质测定的最大优点就是可以实现对食品快速、无破坏、无损伤检测。其他优点：可全部逐个检查；测定时间短，便于现场检测。

四、食品的色光性质与品质测定第二节色度学表征颜色光学基础生理光学光度学色度学心理颜色一、视觉生理与光度人眼的可视范围为380nm~780nm。

可见光谱长波一端向短波一段的顺序：红色（700nm）、橙色（620nm）、黄色（580nm）、绿色（510nm）、蓝色（470nm）、紫色（420nm）。眼睛对光线的敏感度包括:(1)对两个不同发光点的分辨能力—称视敏度。

(2)对各种光波刺激的感受敏锐程度。亮度—光源光线的强弱光度—眼睛对光线感受的程度。光度既受光线的强弱影响，又与视神经对这一波段光线的刺激敏感程度有关。1.光度的概念2.光度学定义及其基本物理量定义:

在光学中研究光的发射、传播、吸收和散射等过程中光的计量问题的学科。也即对可见光能量计量的学科。研究内容:各种光量的定义及其单位的选定；（如发光强度、光通量、照度、亮度等）同其他物理量之间的关系；光量测量仪器的设计、制造和测量方法。

基本物理量：光通量：眼所能感觉到的辐射能量，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。单位为lm(lumen)，通常用φ来表示。照度：表示某一受光点单位面积的光通量。单位为

lm.m-2，通常用E来表示。光出射度：表示某发光点单位面积的发光光通量。单位为lm.m-2，通常用M来表示。亮度：指发光体单位面积在指定方向的明亮程度。单位为cd.m-2，通常用L来表示。3.光线的明暗明光视觉与弱光视觉人眼的两种感光细胞:锥体细胞明视器官有辨色能力对光的敏感度高视杆细胞暗视器官不能感受颜色对弱光反应灵敏

二、颜色的本质与色光匹配

1.颜色感觉与混色

自然界中的光，有各种各样的颜色。这些颜色一般都不是一种单色光，而是由许多单色光组合而成。人眼的光谱分析本领差，而混合本领却很好，存在混色现象。混色效果发现：牛顿三棱镜分解白光为7色三棱镜分解白光示意图牛顿色盘两种单色光能混合成白光多种单色也能混合成白光物体的颜色（除发光体外）都是对照射光反射的结果——颜色的本质

决定物体颜色的两个因素：光源的光线（光谱组成）物体对各色光的反射率。

(物体对各波长光反射率不同,反射的各色光按比例混合而成我们看到的物体的颜色)。白光是观察物体的最普遍的光源条件。2.白光与标准光源(1)白光太阳光是白光、白炽灯光是白光，需要对白光标准化。

CIE1931年对白光的最初规定：

白光:等能量光谱的光。(理论上成立，自然界难找到)还需规定能在现实中找到的接近白光的光源。在颜色的测定和管理中，使数据标准化,需要有一个严格的可以复制的光源作为标准白光。（2）标准光源CIE规定了几种标准光源:标准光源名称定义Ａ白炽光Ｂ正午的阳光Ｃ阴天的日光Ｄ65平均的白天日光1.颜色的分类与特性白灰白浅灰中灰深灰灰黑黑颜色：物体对不同波长光的吸收特性表现在人视觉上所产生的反映。可分为非彩色和彩色两大类。非彩色—只有明度而无色相和彩度的一类颜色。包括从白到黑以及无数介于白黑之间的灰色。三、颜色的特性及颜色的混合纯白是理想的全反射物体，光谱反射率ρ(λ)=1。现实生活中并没有纯白和纯黑的物体,一般：光谱反射率ρ(λ)>0.8时视为白色物体；光谱反射率ρ(λ)<0.04时视为黑色物体。光谱反射率：被物体反射的光通量与入射到物体的光通量之比。彩色—指黑白色系列以外的各种颜色。所有的彩色都对可见光内的某一部分波长有比较明显的吸收。

彩色的特征：有色调、饱和度和明度三种特征。彩色的特征彩色的特征彩色特征的表达方法—颜色立体用一个三维空间的枣形立体将颜色的三种基本特性（明度、色调和饱和度）全部表示出来。纵坐标表示明度，围绕纵轴的圆环表示色相，离开纵轴的距离表示饱和度。2.颜色的混合与匹配

根据三色学说，人眼的色觉由红、绿、蓝三种感觉组合而成。因而通过红、绿、蓝三种颜色的适当配比混合就可以得到任何一种自然颜色。

加法混色（同时加色法）格拉斯曼颜色混合定律1854年格拉斯曼将颜色光混合现象归纳以下规律：

⑴人的视觉只能分辨颜色的三种变化：亮度、色调、饱和度；⑵两种颜色混合时的补色律和中间色定律；⑶感觉上相似的颜色，可以互相代替——代替律；⑷亮度相加定律：由几个颜色组成的混合色的亮度，是各颜色光亮度的总和。

对视觉来说，三原色实际上就是三种单色光波能量对视觉细胞的刺激。因此，也把三原色的能量强度称为三刺激值。由于独立的三种光刺激值，通过改变它们的相对量配比和亮度，可以配出任何一种颜色和亮度的光。那么，任何一种颜色就可以用三刺激值作为变量表示。

——这就是颜色数值表示的原理。目前对颜色的表达方法有两大类：用颜色的三个基本特性：色调、明度和饱和度将各种颜色表现出来；

（从心理学角度出发，根据颜色的视觉特点。如孟塞尔颜色系列）以两组视觉实验数据为基础建立的一套颜色表示、测量和计算方法。（从心理学和物理学的观点出发；如CIE标准色度学系统）四、颜色的物理表达1.CIE—RGB表色系

1931年，RGB表色系是取三原色(Red：700nm；Green：546.1nm；Blue：435.8nm)为色品三角三个顶点，对等能量单色光谱用标准观察者求出它们的同色光三刺激值曲线。2.CIE—XYZ表色系在RGB系统基础上，CIE用数学方法从真实的三原色推算到出理论的三原色（即虚构的X、Y、Z的三原色）。目的：消除出现负值整个光谱轨迹都在色品三角形内。3.孟塞尔色彩图孟塞尔所创建的颜色系统是用颜色立体模型表示颜色的方法。

由中央轴向水平方向投射的角代表色调，各个中心角代表10种色调。

色调：10种基本色：5种主要色调红(R)﹑黄(Y)﹑绿(G)﹑蓝(B)﹑紫(P)和5种中间色调黄红(YR)﹑绿黄(GY)﹑蓝绿(BG)﹑紫蓝(PB)﹑红紫(RP)。每种色调又可分成10个等级，每种再细分为10等份（1~10），色圆有100的色调。标准色的表示任何颜色都可以用颜色立体模型上的色调﹑明度值和彩度这3项坐标加以标定。标定方法是先写出色调H﹐然后写出明度值V，在斜线后写彩度﹐即：色调明度/彩度例如:红色“5R4/14”

色彩图的优点：一目了然，简单直观,知道标号就可想像出颜色4.LAB表色系统亦称均匀色立体表色系统或L*a*b*表色系以色度学为基础建立，却吸收了孟塞尔颜色表色系统的直观的优点。L*--明度L*=0黑色L*=100白色

a*,b*值决定色调,表示颜色的彩度；为色调角优点：精确地表示各种色调，方便两种色调间色差的表示，表色系两点间的距离就可以表示两对应颜色的差。与XYZ存在的转换关系：第三节食品颜色的测定测定食品颜色时的注意事项试样的制作颜色的测定色差仪别名：测色仪英文名称：Colorimeter原理：以刺激值ＸＹＺ为基础形式：手持式，便携式、台式；反射式（主要形式）、透射式。数据：单独数显示，或与电脑联。表色系统:XYZ、CIELAB、HunterLab等（可以互换）输出：打印，电子文件等。样品形式：固体、粉体、液体。各种形式色差仪

3.1测定食品颜色时的注意事项1）凡是液体食品或是有透明感的食品，再用光照射时，不仅有反射光，还有一部分为透射光。因此，使用仪器的测定值往往与眼睛的判断产生差异。2）在测定固定食品时，往往颜色并不均匀，眼睛的观察往往是总体印象。用仪器测定时，只局限于被测定点的较小面积，所以要注意到仪器测值与目测颜色印象的差异。3）测定颜色的方法不同，仪器不同，都可能造成颜色值的不同。3.2试样的制作1）对于固体食品，测定时要尽量使表面平整，在可能的条件下最好把表面压平。2）对于糊状食品，要采用适当的方法，使食品中各成分混合均匀。3）颗粒食品测定时，尽量使颗粒大小一致。4）果汁类相当透明液体颜色的测定，应使试样面积大于光照射面积，否则光会散射出去。5）当测定透过色光时，应尽量将试样中的悬浮颗粒用过滤或离心分离的方法除去。6）对颜色不均匀的平面或混有颜色不同颗粒的食品，可以使试样在测定时旋转，已达到混色效果。3.3颜色的测定主要有：比色分析法光电反射光度法3.3.1比色分析法

指应用单色性较差的光（即波长范围较宽）与被测物质作用而建立的分析方法。只在可见光区域内使用，可分为目视比色法和光电比色法。1）目视比色法

指用眼观察比较溶液颜色深浅来确定物质含量或溶液浓度的方法。目视比色法常用的是标准系列法，有标准色卡对照法和标准液比较法。

标准色卡对照法：国际上使用的一般都是根据色彩图指定的标准色卡，用标准色卡与试样比较颜色时，光线非常重要，一般要采用国际照明协会所指定的标准光源，光线的照射角度也要求为45度，在比较时，色卡与试样的观察面积不同也影响判断的正确性，所以要求对试样进行一定的遮挡。标准色卡目测法在食品上常用的有谷物、淀粉、水果、蔬菜等规格等级的鉴定。标准液比较法：主要用来比较液体食品的颜色，其中标准液多用化学药品溶剂制成。除目测法外，在比较标准溶液时也可以使比色计来测定，例如，对食用油就可以采用威桑比色计来进行颜色测定。这种简单比色计可大大提高比较的准确性。2）光电比色法

光电管比色计实际上是以光电管代替目测，以减少误差的一种仪器测定方法。这种仪器由彩色滤光片、透过光接受光电管和与光电管连接的电流计组成。该仪器主要用来测定液体试样色的浓度，所以常以无色标准液为基准。3.3.2光电反射光度法

光电反射光度计亦称色彩色差计，这种仪器可以用光电测定的方法，迅速、准确、方便地测出各种试样被测位置的颜色。色彩色差计目前种类很多，有测定大面积的也有测定小面积的；有测定带光泽表面的，也有测透明液体颜色的。从结构原理上主要有两种类型：直接刺激值测定法和分光测定法。第四节食品光学测定原理及应用一、光物性基本概念1、光透过度（transmittance）当光波通过介质时，光的强度下降，主要原因是有介质材料对光的吸收、反射、散射等。

光透过度或透光率：T＝I2/I1内部光透过度T1的负对数值成为吸光度或吸光率（absorbance）：A＝lgT1=－lg(I/I1)2、光密度（opticaldensity）：光密度为透光率倒数的对数，D＝lg(1/T)

3、光反射率（reflectance，R）:

光反射率为从物体反射出来的辐照能与向物体表面入射能之比。4.荧光现象：是当一种波长的光能照射物体时，可激发被照射物发出不同于照射波波长的其他波长的光能。5.延迟发光现象：当用一种光波照射物体，在照射停止后，所激发的光仍能继续放射一段时间的现象。一、光物性基本概念光波透过一定厚度的介质材料后，其光强减弱程度与光在介质中经历的路程和介质的特性有关，即光强的减少量与光强及介质厚度成正比，比例系数称为吸光系数。朗伯定律：当光波被透明溶液中溶解的物质吸收时，吸光系数与溶液浓度成正比。比尔定律：被吸收的光能与光路中吸光的分子数成正比，即可以通过测定吸光系数求出透明液体的浓度。二、食品光学测定原理要使比尔定律成立，需要光路中吸收光的每个分子对光的吸取不受周围分子影响。即当溶液浓度达到足以使分子间的相互作用影响对光能的吸收时，比尔定律所表现出的关系就会出现误差。全波长扫描：使用仪器的有效波长范围（如190nm-1100nm），按照一定的波长间隔来对样品进行全波长扫描。二、食品光学测定原理光谱曲线：扫描出来的吸光度值（或者透光率）和波长的关系曲线。实际测定时，常使用光密度（D）作为测定指标。根据比尔定律，溶液的某特定波长的光密度正比于吸光物质浓度和它在该波长时的吸收系数。对食品品质测定时，用D值不方便，应用较多的是用两个波长的光密度差ΔD（或ΔA）来确定食品的光透过特性。----分光光度计是以光透过度为测量基础。反射光特性的测定与透射光的测定类似，也利用反射光密度差来进行测定。二、食品光学测定原理1.光透过性质的测定方法和应用差分仪——用来测定ΔD的仪器透光测定法是食品无损检测的一种常用方法，典型应用有果蔬成熟度的检测、谷类水分含量测定、玉米霉变损伤检测、碎米程度、食品颜色、鸡蛋内血丝混入检测等。测试原理：食品中与光透过有关的物质或色素，必须和食品的品质项目有好的相关关系。测定果实的成熟度，是利用果实中叶绿素含量与成熟度明显相关的规律。类似的有关物质还有花青素、胡萝卜素等。三、食品光学性质的应用

1.光透过性质的测定方法和应用对花生熟度的测定：随着花生的成熟，光密度减少；成熟花生油的透光性比生花生油好。对食品水分的测定，主要水吸收光谱的特征吸收带。果实内部的空洞、褐变、病变等也可以通过透光法测定。根据透光检测，开发出了自动选果机。2.

三、食品光学性质的应用2.反射光特性的测定用于对水果表皮的颜色、成熟度或伤疤的检测。3.延迟发光现象的利用延迟发光即DLE具有暗期恢复(darkrecovery)、光饱和与感温性等特点。常用于含叶绿素的果蔬类食品检测。

三、食品光学性质的应用三、食品光学性质的应用4.食品近红外线测定的原理和应用近红外线的范围为可见光到红外线，常用波长为0.7~3.0μm的光波。利用食品成分对近红外的吸收特性，可对谷类、乳制品、肉制品和饲料等的水分、蛋白、脂质、糖质、氨基酸等进行有效的无损检测。原理：当近红外线光波频率与分子构造中原子结合振动频率相同或呈倍数关系时，该波长的波就被食品吸收。食品大多由多种成分组成，因此吸收光谱是一个叠加而成的总和，需要根据标准物质确定吸收比例之后，再根据多元回归分析得到结构或含量。第五节应用实例一、利用机器视觉技术进行水果品质高速实时监测与分级1）机器视觉技术简介机器视觉技术（machinevisiontechnology）是随着计算机的发展而开拓出来的一个新的计算机应用领域。机器视觉是利用一个用以代替人眼的图像传感器，获取一个物体的图像，将图像转换成一个数据矩阵，并利用一个用以代替人脑的计算机来分析图像并完成一个与视觉有关的任务。它是计算机、光学、数学、信息论、模式识别、数学形态学、人工智能、自动化、CCD技术、视觉学、心理学、脑科学、数字图像处理等众多学科交叉综合的一门学科。2）水果品质高速实时监测与分级系统Y.Tao研制成功了MERLIN高速高频机器视觉水果分级系统，该机器可用于苹果、橘子等水果的分级。目前，该系统已广泛用于各类水果的分级。多摄像机监测系统示意一、利用机器视觉技术进行水果品质高速实时监测与分级1）超弱发光技术简介超弱发光（Ultraweakbioluminescence）是任何有生命的物质都发射的一种超弱光子流，其发射光谱是从红外经可见到近紫外的很宽光谱。我国超弱发光研究起步较晚，在农业方面特别是对种子的抗性、发芽率与超弱发光的关系等研究较多。但用于果蔬分级检测方面的研究还比较少，目前还处于尝试阶段。与应用计算机视觉进行果蔬检测分级相比，除具有无损伤检测的特点外，由于超弱发光是测试活体物质的生命活性，故能更好地检测果蔬内部的变化情况，因而，检测结果更为准确、客观。二、利用生物超弱发光技术进行果蔬的检测与分级2）光子成像探测系统光子成像探测系统的测试原理是将生命样品置于黑暗环境中，用灵敏度极高的光探测器接受来自样品的超弱发光，将其转换成电信号，再用电路放大，用计算机分析处理，从而获得样品的发光信息。二、利用生物超弱发光技术进行果蔬的检测与分级二、利用生物超弱发光技术进行果蔬的检测与分级下图所示为HAMAMATSU公司生产的超弱发光图像探测系统。该系统由图像增强器、图像处理器、摄像系统等组成，是以微通道板像增强器为主的超弱发光图像探测系统。3）番茄成熟度的超弱发光检测①测试方法：利用图9-34所示的超弱发光测试系统，使用前先将仪器开机预热30min，再将样品置于暗室的黑箱中，静置5min后测试。②番茄成熟度的超弱发光检测结果与分析：按照GB8852-1988中所界定的番茄成熟期的标准，分别测试了未熟期、绿熟期、红熟期、红熟后期过熟期番茄的超弱发光强度，列于表9-6中。二、利用生物超弱发光技术进行果蔬的检测与分级二、利用生物超弱发光技术进行果蔬的检测与分级实验表明，番茄的发光强度与其成熟有很大的关系，成熟度越低，发光强度越高。一般来说，果蔬的超弱发光越强，其生理生活反应越活跃，表明其代谢越强。1）食品颜色定量化测试与评价的基本原理食品颜色的定量化测试是基于CIE1976L*a*b*表色系统对食品的相关色度学指标加以测试计算，从而获得食品的色差来定量化评价食品的颜色。CIE1976L*a*b*表色系统的主要组成如下图。表色系统中立轴代表明度，用L*表示，L*=100为白色，L*=0为黑色，中间有100个等级，代表不同的灰度。与立轴垂直的平面分为4个像素，+a*代表红色，-a*代表绿色，+b*代表黄色，-b*代表蓝色。a*、b*、c*绝对值越大，色差越饱和，越纯正。三、食品颜色的定量化测试及评价色差值与观察感觉L*a*b*表色系不仅可以精确地表示各种色调，它也为两种色调之间的差，即色差的表示带来了方便。尤其是在研究或测定近似颜色的差别程度，或食品的变色程度时，匀色空间L*a*b*表色系上两点间的距离ΔE*ab就可以表示两对应颜色的差。ΔL*Δa*Δb*分别为两点间三坐标值的差。为实际的色空间两点间距离，称为NBS（NationalBureauofStandards）单位，它与观察感觉的关系如下表所示。ΔE*ab值与观察感觉ΔE*ab值感觉到的色差程度0~0.5极小的差异0.5~1.5稍有差异1.5~3.0感觉到有差异3.0~6.0较显著差异6.0~12.0很明显差异>12.0不同颜色根据色差计测色后显示的数据结果，进行如下分析：

△E总色差的大小△E=[(△L)+(△a)+(△b)]1/2△L=L样品-L标准（明度差异）△a=a样品-a