物料的光学特性

第二章食品的光学特性研究食品物质的光学特性可了解它们的一些其它特征，例如成熟度、内部缺陷、组成物含量等。精确地测定它们的光学特性，为物料的质量评定和分级提供重要的工程参数。本章主要讨论反射率、透光率、延迟发光等光学特性以及它们在食品工程中的实际应用．食品的光学性质是指食品物质对光的吸收、反射及其对感官反映的性质。1通过光学性质实现对食品的成分测定:

食品的成分虽说可以通过化学分析的方法测定，但因为其成分的变化可以引起对光的吸收、反射、折射、衍射、辐射等性质的变化，而光的测定又具有快速、准确、简单和无破坏等特点。所以，无论在仪器分析还是在生产线检测上，光学性质的研究都发挥着重要作用。研究的内容

2食品色泽的研究颜色和色泽是反映食品品质的重要物理性质，尤其生鲜食品，色泽往往成为判断其新鲜程度、成熟与否和品质的重要指标，但用语言表达色泽模糊，用仪器测定的指标代替，成为物性学的新内容。第一节光在物料中的传播及其相互作用

当一束光照到物体上时部分入射光被表面反射，其余的光透进物体中。进入物体中的光有的被物体吸收，有的被反射回表面，只有少部分光透过物料。被物体吸收的光有一部分可能转变成另一种形式的射线，如荧光和延迟发光等。因此，反射、吸收、透光和发光等构成了物料的光学特性。这些射线能量的大小是与物体的特性及入射能大小有关，

因此测定物体的这些光学特性即可了解物体的其它特性。大部食品物料是由无数细小的内部界面组成，在光学上是各向异性的。光进入这种物料后在各个方向散射，而不能以直线方式透过物体光在水果物料中的传播当一束光照到水果上时大约只有4％的入射能被物料表面反射,这一部分反射称作常规反射。其余射线透过表面并和细胞结构中无数随机定向的微观界面相遇，使其向各个方向散射。大部分射线将散射回到表面并在入射点附近离开水果，这类反射称作体反射其余的散射光漫射到物体较深处并最后到达离入射点较远的物体表面上。当光线通过水果时一定数量的射线被水果的各种组成成分吸收了,吸收率大小是与物料组成成分、波长以及光线在物料中移动路程长短有关。对于某些物料，特别是含叶绿素的一些物料，吸收的射线其一部分可转变为其它形式的射线，如荧光和延迟发光.

1物料是光致密物质,被光线照射时只有很少一部分光透过物料，透过水果的光强度约为入射光强度的10-8----10-3。因此，测定透过光需要高强度光源、灵敏的检测器、高增益放大器和良好的密封以防止试件周围的光泄漏进入检测器中

说明:2荧光是在一定波长内一种物料被能量激发而放射出的光能，它的波长不同于激发能的波长。延迟发光是在除去光源后由物料发射出来的光。

3荧光、延迟发光和散射光一样与物料特性及质量因素有关大,部分延迟发光强度和透过光强度有相同的数量级，它同样需要灵敏的检测仪并且必须在暗室内测定。4对于大部分物料来说，反射光的强度要比透过光和延迟发光强度大得多，在可见光和红外线波长范围内反射光强度约是入射光强度的1％-80％。由于反射光的强度相对来说较大，因此比较容易检测和在实际中应用。5物料是光的强散射介质，光在物料内多次散射和重新分布是光和物料相互作用的主要特征。反射光提供农产品表面特征的信息，如颜色、表面缺陷、病变和损伤等。而光的吸收和透射则是农产品内部结构组成、内部颜色和缺陷等信息的载体。对这些量的分析可以判断物料的不同颜色、区分质量优劣、指示成熟与否，从而可以对食品及农产品进行分选和质量分析。第二节物料的光学特性

在研究物料的光学性质时一般是采用可见光，即波长大约为400一760nm的电磁光谱部分物质呈现的颜色与光有密切关系。不同波长的可见光可使眼睛引起不同的颜色感觉。日常所见的白光，如日光、白炽灯光都是混合光，即它们是由波长为400一760nm的电磁放按适当强度比例混合而成的。白色光可用三棱镜色散成单色光。当将某两种颜色的光按适当强度比例混合时可形成白光，这两种色光称为互补色。光的互补关系物质呈现出不同颜色是由于该物质对光具有选择性吸收作用而产生的。当物质对可见光区域内某种波长的光选择性地吸收时，则该物质呈现出被吸收波长光的互补色光的颜色。例如，某物质吸收了红光，则该物质呈现出青色。吸收黄绿色的光，对其它的光吸收很少或不吸收，呈现紫色。吸收黄色的光，呈现蓝色。对白光中各种颜色的光都不吸收，为透明无色，反之，则呈黑色。一、光的反射特性当一束平行单色光照射到物料上时，如果入射光强度为I0,反射光强度为IR，则光的反射率R定义为物体反射光强度和入射光强度的比值，用百分数表示。表示测定光的反射率时光源、物料和检测器的配置方法，阴影部分表示测定光近似通过的区域。测定反射率时一般是将一束光同时照射到物料样品和一个标准的白色参照表面(一层氧化镁)上，并对它们反射光强度进行比较，以确定反射率.由光源A发出的光经三棱镜B色散,并被C分隔成一个狭窄的波长范围。通过狭缝的光束被涂银的镜片D分成两束相同强度的光束。通过镜片D的光束投射到一个标准的白色氧化镁表面上，而由镜片D反射的光束被镜片E反射而投射到试样表面。一般地说，试样表面的反射率比白色表面低，投射到标准白色表面上的光强度可通过光量调节器F来减弱，直至标准表面和试样表面具有相等的反射光强度。投射到标准白色表面上的光减弱到70％时才能和试样表面反射的光强度保持一致，则试件对该波长的反射率为70％。在实际应用中，测定物料各个波长时的反射率，以波长λ为横座标，以反射率为纵座标，即可绘制出物料反射率光谱特性曲线。是一些食品物料的光反射率特性曲线的实例。不同物料之间光谱特性曲线的差异主要是由于物料组成物吸收特性的差异。反射率曲线有若干明显的吸收带。这些吸收带存在于高含水量的物料中，如苹果、马铃薯和肉，而干的土块却没有。这是水的吸收带．其波长约为970、1190和1450nm左右,大多数在红外线范围内。根据这个特性我们可用红外线照射的方法测得其含水量。在波长为675nm左右绿苹果有一个明显的吸收带，而红苹果的吸收带则不太明显。这是叶绿素的吸收带，由于随着物料成熟度提高叶绿素含量下降，因此绿苹果比红苹果的吸收带明显得多。根据这种分析,我们可用675nm波长的光照射物料，以测定物料叶绿素含量，从而可以确定物料的成熟度。是不同成熟度的柠檬光反射率特性曲线。柠檬表皮颜色愈深，则在678nm波峰时的吸收率愈高、反射率愈低。随着柠檬成熟度提高、表皮逐渐由绿变黄,反射率逐渐提高。

利用单一波长测定时不可避免地受到物料尺寸、形状和光泽以及光源强度、光电池灵敏度和放大器增益等的影响，因此在工程实际测定中往往采用两个波长的反射率差ΔR或两个波长反射率的比值Rλ1/Rλ2或(Rλ1-Rλ2)/Rλ1来表示物料的光学性质。是两种不同成熟度的番茄反射率曲线。选550nm波长为参照波长，它对反射率变化是不敏感的，另一个波长选作670nm，它是叶绿素吸收带，对成熟度是比较敏感的。于是，红番茄的ΔR值(670nm一550nm)为正值，而绿番茄的ΔR值为负值，这样就可将成熟和不成熟番茄完全分开．单用670nm波长的反射率值是无法将两种番茄有效地分开。为马铃薯、土块和石块的反射率曲线。用不同波长的光照射马铃薯、土块和石块发现，马铃薯在波长600-1300nm的反射率Rλ1比土块和石块大,而马铃薯在波长1500-2400nm时的反射率Rλ2比土块和石块小。因此．在该波长范围内马铃薯的Rλ1/Rλ2

的值始终比上块、石块大。利用这个特性就能从土块和石块中把马铃薯分离出来．二、光的透过特性光的透过特性用透光率表示。透光率或透光的强度定义为从一个物体上透过光的强度IT与入射光强度I0的比值，用百分数表示。但在实际使用中往往用光密度(也称消光度或吸光度)单位来表示物料的透光性。光密度OD定义为入射光强度I0和透过光强度IT之比值以10为底的对数，即光密度OD的数值愈小，则物料吸收率愈小，透光率愈大。表示测定物料透光率时光源、物料和检测器的相互配置。光源和检测器分别配置在试件两边，它适合于测定物料的内部性质。这种配置方法对光致密物质，如大部分农业物料的测定存在一定的缺点。首先，透光率受物料尺寸影响，物料的大小影响了光源和检测器之间距离，从而透过光强度随物料尺寸有很大变化。其次，由于大部分物料只能透过很少的光，透过物料的光强度非常低，有时甚至无法测出透过的光。不适合于高速和连续测定,测定设备很难适应于高速检测以满足于不同尺寸物料和保持良好密封。为了克服上述缺点，可按配置光源和检测器的位置。这种配置消除了物料大小的影响。光源和检测器之间距离可以调节以获得一定强度的透过光。这种测定反映了物料表面和中心之间区域的物料性质透光率光谱特性曲线，可看出:在波长为675nm左右粉红番茄、菜姆、黄洋葱等物料有一个明处的吸收带，而马铃薯、肉和石块无此吸收带，这也是叶绿素吸收带。表示番茄在不同成熟阶段的透光率曲线。可知，在波长675nm附近有明显吸收带，随着番茄不断成熟,光密度逐渐下降.在工程实际应用中，如农产品质量分析和分级中，用光密度OD表示物料的光学性质是不充分的。由于试件大小变化、光源或灯的能量输出的变化以及仪器灵敏度变化，使测定的光密度值会在较大范围内波动。为了消除这些变动的影响，在透光率测定中往往采用两个波长时的光密度比值或光密度差来表示物料的光学性质。为了求光密度差ΔOD，选择一个对物料品质变化比较敏感的波长，另一个选用对品质变化完全不敏感的波长(参照波长)，而两个波长全部都对物料尺寸、光源、检测器的变化是敏感的。利用扣除参照波长的光密度值，能抵消由于各种变化产生的影响。利用光密度差ΔOD

(681.5-700nm)来确定密桔中的叶绿素含量。在测定厚度不同的物料时为了消除物料尺寸不同而产生的影响，可采用两种波长时光密度比值。根据朗伯定率透过光强度为用波长为λ1和λ2测定光密度，其比为可见这个比值是与物料厚度无关的。三、延迟发光特性绿色的含有叶绿素的农产品如番茄、桔子、柿子、茶叶等在用光照射激励后的若干秒内其表面会发光，把这种现象称作延迟发光(DLE)。这个过程既不能用磷光也不能用荧光来表示，它是与光合作用的可逆性有关。延迟发光强度与农产品叶绿素含量有明显的相关性。随着这些产品的成熟度不断地提高，叶绿素含量不断地下降，延迟发光强度也随之下降。利用农产品的延迟发光性可进行成熟度评定和自动分级。光源LS通过一组透镜L1和L23个中性密度滤色片Fl和快门SH，照到镜片M上。光被镜片M反射，照射到放置在暗室CH内的样品S上。光源利用风扇F冷却。为研究温度对延迟发光强度的影响，在暗室内还装有加热器H、隔热屏HS和热电偶TG。镜片M是绞接的，当快门SH关闭后镜片及时地切断光源通路样品的延迟发光通过干涉滤色片F2、紫外线滤色片F3和聚光镜L3，由光电倍增管PMT接收。暗室和光的通道的内壁均涂黑以吸收散射光。样品激励光照射面积由暗室中的罩子MA调节。延迟发光强度的峰值是在波长为650一750nm范围内，该光谱范围正好是在红光光谱区域.测定装置中所选择的光电管应对红光有良好的响应。激励光源采用白炽灯或荧光灯均可得到良好的延迟发光输出。延迟发光强度受多种因素的影响。当光照激励时间增加时延迟发光强度也随之增加到最大值，之后随光照时间继续增加延迟发光强度反而缓慢下降，最后达到一个稳定值，称作达到饱和状态。结果表明：当激励光照度为5500Lx时激励时间为3-6s，延迟发光强度达到最大值光照激励时间对番茄延迟发光强度的影响光照激励强度愈高，达到延迟发光饱和状态所需时间愈短。为保证延迟发光达到饱和状态，激励光强度应尽可能的高。当延迟发光达到饱和水平后，增加光照激励时间或强度对增加延迟发光强度已不起多大影响。激励光强度对番茄延迟发光强度的影响在饱和状态下激励光强度变化不再影响延迟发光强度，因此延迟发光强度检测应在延迟发光饱和状态下进行。在用光照激励农产品之前，首先需将物料在暗室中放置一段时间，把这段时间称作暗期表示番茄延迟发光强度的衰减曲线。光照激励前的暗期长短对延迟发光曲线有明显影响。暗期短使延迟发光强度减弱，暗期长可使延迟发光达到饱和状态。暗期对延迟发光强度的影响样品温度对延迟发光强度也有一定影响。对番茄和柿子测定表明，当温度低于13和17℃时延迟发光强度随温度增加而稍有增加，随着温度继续增加延迟发光强度反而下降。对茶叶和烟叶试验表明，当温度分别低于31℃和35℃时延迟发光强度随温度增加而增加，当高于上述温度延迟发光强度随温度增加而下降。第三节在食品工程上的应用一、颜色和成熟度分析试验已经证明，物料的光的反射率和透光率光谱曲线与其成熟度和颜色有明显的相关性。利用分光光度计测定桃子和苹果的反射率和透光率光谱曲线发现，在波长为675nm时的透光率是和成熟度相关的，该波长正好是叶绿素的吸收带。波长为700nm和740nm的光密度差与桃子叶绿素含量的对数相关。当光密度差ΔOD降低时，叶绿素含量也下降，桃子的食用质量改善。番茄的颜色是一项重要的质量因素。表皮颜色可根据光反射率评定。利用分光光度计测量绿、红绿和红番茄的透光率曲线发现，用550一650nm波长测定其透光率峰值是确定番茄成熟过程的一种有效方法对花生研究表明，利用480nm和510nm波长的光密度差可以鉴别花生的成熟度,当花生成熟以后,光密度差减小。花生油的光密度值不同也是受花生成成熟度影响的。这些差异在波长为425、455和480nm时最明显。在特定波长内，成熟花生的油一般比未成熟花生的油透过更多的光。二、成分分析测定农产品成分在评定其质量方面是非常重要的。光学技术是测定农产品成分的有效工具。经测定表明，自由液体水在波长为760、970、1190和1450和1940nm有5个明显的吸收带，利用水的光谱性质已研制出了红外线水分测定仪。测定谷粒、种子、肉和其它产品中的水分。对65种谷物(小麦、玉米、燕麦、大麦、高粱、水稻)、油料作物(亚麻、花生)、食用豆、牧草和蔬菜种子的甲醇萃取物样品作试验表明，当含水量在3.4-18.5％时测定波长为l940nm时光密度可有效地判别出种子甲醇萃取物中的含水量。对花生测定表明，波长为970nm和900nm时的光密度差ΔOD和含水量成线性相关，在含水量为30％以下时允差可控制在0.7％。碎小麦、碎大豆、面粉和麸皮等物料当含水量在20％以下时，其波长为940nm和2080nm时的光密度差和含水量之间有明显的相关性牛奶含脂率在牛奶加工和销售中是重要的质量因素。牛奶脂肪的快速和准确的测定对牛奶加工工业是有重要价值的。已研制出了一种测定牛奶脂肪、蛋白质、乳糖和非脂性固体物质的红外线牛奶分析仪。它是分别根据波长在573、646、960和790nm的光谱吸收峰值的强度而确定的。三、内部缺陷掐测一些农产