食品无损检测技术与原理

第五章食品无损检测技术与原理浙江工商大学食品与生物工程学院窦文超本章目录第一节绪论第二节力学传感器第三节电学传感器第四节光学传感器第五节化学传感器第六节生物传感器第一节绪论衣食住行衣服食物房子车子食品工业我国食品工业的开展状况图5.1我国历年食品工业总产值增长图食品品质1.外表品质:颜色、光泽、形状、大小等2.物理品质:质量、硬度、粘度、弹性等3.内部品质：平安性、新鲜度、营养、口感等理想检测方法快速、准确、无损无损检测的概念非破坏性检测无损检测的定义无损检测：就是在不破坏待测物原来状态、化学性质等前提下，为了获取与待测物的品质有关的内容、性质或成分等物理、化学情报所采用的检测方法。无损检测技术的应用生产过程的质量控制成品的质量控制产品流通和储藏过程中的品质检测无损检测的特征经济、环保简便、易行在线检测连续测定现场检测信息量大无损检测原理及方法食品无损检测的主要方法力学方法电学方法光学方法化学方法生物方法第二节利用力学特性的检测技术本节目的：需要掌握如何利用食品的力学特性、声学特性以及超声波特性对其进行无损检测的原理及应用实例。5.2.1食品无损检测中常用的力学特性1.固体食品:质量、密度、应力-应变规律、冲击、震动、屈服强度、硬度、松弛、流变模型等；2.散粒体食品:摩擦、粘附、变形、流动、离析等；3.液体食品：流体力学特性、流变特性、黏性、黏弹性等；4.对所有形态食品都适用的：力学特性和超声波特性。随着水果蔬菜的生长期与储藏时间，果蔬的坚实度会不断变化M-T戳穿试验方法〔MagnessTaylorpuncturetest〕5.2.2力学特性的检测技术图5.3桃子力学特性检测系统示意图桃子冲击特性的无损检测冲击力特性参数：恢复系数〔r〕能量吸收率〔h〕时间特性参数〔c〕恢复系数：物料冲击后与冲击前的速度比。r=v2/v1能量吸收率：冲击后物料吸收的能量与总能量的比。E=(h-h1)/h时间特性参数：冲击力峰值与到达冲击力峰值所经过的时间之比C=f/t5.2.3.西瓜品质的无损检测：

检测内容：成熟度和内部空洞

传统方法：生长天数和感官鉴别

效果:难以准确判定，迫切需要一种能准确、方便且无损伤测定西瓜成熟度的装置。MAKL公司研制生产的西瓜选果系统，利用打击声波解析测定装置，判定西瓜的成熟度及内部空洞。该选果系统已得到实际应用。

1、检测装置西瓜声波检测装置示意图光电式果高测定装置2、根本检测原理

果品的声波特性随内部果肉的性质不同而变化。西瓜果实受到打击时，产生的声波的特点与西瓜的内部品质有关。声波的特点：波形功率谱峰值频率对称度指数衰减率

大量试验说明：

打击声波为非对称波形，波形对称度为，指数衰减率为由快速傅立叶变换法解析出的功率谱峰值频率为164-280Hz；

未熟西瓜打击声波呈规那么的指数衰减波形，对称度为0.92—0.98，指数衰减率为，功率谱峰值频率为132-164HZ适熟西瓜过熟或空洞西瓜呈不规那么的波形，指数衰减率为0.10-0.16，对称度为0.90-0.97，功率谱峰值频率为110-130Hz。另外，过熟或空洞西瓜的打击声波到达检测部位的时间与适熟西瓜略有不同。利用电子计算机解析打击声波波形，根据由试验确定的鉴别基准值，便可测定内部空洞、成熟度和果肉变质状态。对称度衰减率频率Hz未成熟0.55-0.800.40-0.76164-280适成熟0.92—0.980.12-0.18132-164过成熟0.90-0.970.1-0.16107-130检测装置由机械局部和声波解析两局部组成。机械局部包括光电式果高测定局部、打击装置、声波传感器和空洞、成熟度表示装置、控制装置等。随载果托盘送来的西瓜由光电式果高测定装置测出西瓜的高度。托盘运动到成熟度测定处，两个定位臂自动动作，使其停止在预定位置上。三个互成120℃可沿导杆垂直上下移动的听筒状声波传感器根据果高测定装置测出的果高，自动下移至西瓜赤道高度后，再水平移动，与西瓜外表接触。此时，和声波传感器，同步下移的打击装置动作打击西瓜。打击声波被三个传感器检测，经放大及模式转换后，输入电子计算机进行声波解析，并根据预定的鉴别基准，判断成熟度和内部空洞，判定结果输出到成熟度表示装置，控制臂动作压下托盘上相应的表示装置。然后传感器和打击装置离开西瓜并升起，完成一次测定。该装置测定一个西瓜只需4s。西瓜选瓜包装系统工艺流程待选洁净机/newpage20.htm

检测自动装箱封箱5.2.4.利用测定声波传播速度确定甜瓜的成熟度经研究发现，随着甜瓜的成熟，声波在甜瓜中的传播速度和共振频率均将降低，而且两者的变化趋势完全一致。利用传播速度来确定甜瓜成熟度，不需测定质量，与共振频率相比，声波传播速度是易测定的指标(如图5—12所示)。试验说明，适宜食用的成熟甜瓜的声波传播速度为37－50m／s。://=10第三节利用电学特性的检测技术

食品的组织、成分、结构、状态等和它们的电特性都有着密切的关系，食品与农产品的成分、状态或品质的检测是研究其电特性的主要目的之一。食品与农产品电特性的变化主要表现在电流密度、磁导率、绝对介电常数(电容率)、电导率等方面。主要相关参数:电磁波的波长：λ电阻：RΩ[oumige]ρ[rou]：电阻率电容：C复阻抗:Z*〔介于导体和绝缘体之间的物质的电特性〕例如：利用生物电特性鉴别受精蛋为何鉴别受精蛋？不浪费大量食用蛋不消耗无用的能量防止和减少细菌对正常孵化蛋的污染。

母鸡产下176克巨无霸蛋破吉尼斯世界纪录国内种蛋孵化场用的方法：人工光照法剔除无精蛋和死胚蛋，在孵化的第5天进行光照，剔出无精蛋。浪费蛋：新鲜蛋孵化72h后，就不适合加工成蛋制品，浪费大量食用蛋，消耗无用的能量，而且孵不出雏鸡的蛋中的细菌又污染正常的孵化蛋。鉴别无精蛋和死胚蛋的方法/.../CONSERV/conserv-pic.html现代方法：光透射率、热像图、红外辐射以及计算机图像处理技术识别种蛋受精情况。生物电现象是生命组织普遍存在的一种生理现象，凡有生命的细胞都会产生生物电流。鸡蛋的生物电现象是这一生命单元在不同时期生命活动的表现。研究说明，种蛋的生物电与其受精与否、鸡胚雌雄性别以及蛋品新鲜度之间存在较大的相关性，可以成为鉴别和剔除无精蛋、弱精蛋和死胚蛋的一种新的技术和方法。鸡蛋的生物电现象：鸡蛋生物电检测系统它包括电极、鸡蛋夹紧装置、放大器、A／D采集器、计算机和监控示波器等。电极从蛋壳外采集的电信号送入放大器后分成两路：一路接示波器；一路接A／D采集器。采样后数据送入计算机，供处理分析用。．鸡蛋生物电信号的测试及分析种蛋在实验室用孵化器孵化，温度为37.8，湿度为50％，在室温下进行测试。检测时，先将电极的海绵套浸入生理盐水，将鸡蛋小头朝下插入夹紧装置，lmin后，待示波器上显示生命电信号后启动A／D采集器，记录数据。每次测定时间为2min，每天1次，持续10d，然后翻开蛋壳，检查胚胎。受精蛋与无精蛋的生物电信号的波形有较大的差异。通过100只样本(60只种蛋和40只无精蛋)连续10d的跟踪观测，发现无精蛋的电信号的波幅很小，其时域信号大多近乎直线；受精蛋的生物电信号较为丰富，其时域信号波形如图3—17所示。

无精蛋的电信号的波幅很小，其时域信号大多近乎直线；受精蛋的生物电信号较为丰富，大局部受精蛋：孵化48h后，直流电位发生特征性变化，其波形呈现方波。无精蛋：在检测过程中始终未测到电信号的蛋为无精蛋；孵化lOd的无精蛋的卵黄还完好，内容物缓慢地变质；弱精蛋或死胚蛋：开始检测时有一定的信号，但经过一段时间电信号消失。孵化lOd的弱精和死胚蛋的卵黄都已浑浊，变质较快；发育正常的受精蛋卵黄也是完整的，并有丰富的血网膜和胚胎点。这几类蛋的生物电特征反映了与其相应的内容物状态。因此，根据鸡蛋生物电信号的特征就可判断鸡蛋是否受精，剔出无精蛋、弱精蛋和死胚蛋。第四节：利用光学特性的检测技术

1、概述2、可见光的检测技术及其实例3、紫外光的检测技术及其实例1、概述：

利用紫外、可见、红外等光线与物体的相互作用而产生的反射、散射和吸收等现象，用于食品品质检验是20世纪60年代开始的新方法。

光学特性可以反映食品与农产品物料的：外表颜色、内部颜色、内部组成结构以及某种特定物质的含量，进而反映了食品与农产品物料的某些重要的品质指标，目前兴旺国家已把光学特性检测和分选技术应用于食品与农产品的物料质量评定和质量管理的许多方面。

在电磁波谱中常用的光有：紫外光：波长250－340nm可见光：波长在380－780nm之间红外光：波长在0.78－1000μm之间电磁波按波长的分类及各波长区域的名称如下图。

应用光学特性检测技术测定食品与农产品物料品质的最终目的：

进行自动化分级、分类和分选。如：剔除缺陷品：如损伤个体、霉变个体按某成分含量分类：如叶绿素分茶叶的新鲜度对成熟度分类：以便分别贮藏和销售。经过自动分类的合格产品，可以获得总体质量等级的提高。2、可见光的检测技术及其实例对食物〔品〕含有异种、异色颗粒、变霉变质粒、机械损伤个体等产品进行检测和分选。常规手段：方法：眼、手配合的人工分选主要特点：是生产率低、劳动力费用高、容易受主观因素的干扰、精确度低。可见光特性进行的检测和分选技术的优越性：克服了手工分选的缺点，①检查全面：能同时检测外表品质和内部品质，且不破坏检测个体，经过检测和分选的产品可以直接出售或进行后续工序的处理。②精确和可靠：对产品进行全数〔100％〕的、客观的检测，排除了主观因素的影响和采样偏差；③便于实现在线检测：劳动强度低，自动化程度高，生产费用降低；④机械的适应能力强：通过调节背景光或比色板，即可以处理不同的物料，生产能力大，适应了日益开展的商品市场的需要和工厂化加工的要求。

在利用可见光的特性对食品与农产品的品质进行快速无损检测中，常用的方法主要有:

反射法折射法透射法延时发光法

常用的方法用于检测的原理及实例原理：水果表皮的颜色可以利用光反射特性来鉴别，将一定波长的光照射水果，根据其反射光的强弱可以判别其外表颜色。

例1：左图为某种柠檬不同成熟度的反射光谱。在波长678nm处，二者有明显差异，可选一小段λ1－λ2进行检测分选。/archives/cat_276706.html

是安徽祁门红茶的反射光谱，波长在600nm以上，叶和梗的反射率相差很大，可用相应的滤光片，滤除叶和梗的反射率相差不大的一段光谱〔400－600〕，利用其反射率相差较大的一段光线进行检测，将茶梗从茶叶中分选剔除。

有时，只采用一段光谱还难以把物料中的合格品与疵品完全分开，可采用两段或多段光谱对物料进行检测分选。图4-21是三个等级的花生仁的反射光谱，采用两段的反射光谱就可以将它们分开。

水果色选机机理：水果依次下落至色检箱，在通过色检箱的过程中，受到上下光线的照射。对于不同的物料，为得到适宜波长的光，可更换背景板3。从水果皮反射的光，靠箱内相隔120°配置的镜子1反射进入到三个透镜5，通过集光器4混合，然后分成两路，分别通过带有不同波长滤光片的光学系统，得到不同波长下的反射率，从而区别水果的颜色。光电色选机的工作原理〔选择花生仁、米粒等〕：贮料斗中的物料由振动喂料器送入通道成单行排列，依次落入光电检测室，在光电探测器与比色板之间通过。被选颗粒对光的反射率及比色板的反射率用光电探测器相比较，颜色的差异使光电探测器内部的电压改变，并经放大。如果两者的信号差异超过自动控制水平的预置值，即被存储延时，随即驱动气阀，高速喷射气流将物料吹送入旁路通道。而合格品流经光电检测室时，检测信号与标准信号差异微小，信号经处理判断为正常，气流喷嘴不动作，物料进入合格品通道。特点：单直线运动，自动上果，双边下果、洗果、打蜡、上光、贴果品商标，电脑程序化，颜色传感分色，重量传感称重，果品输送全部自动化，适合圆形分选，整机分部组合，固定安装。

选果速度：20000个果/小时

分选等级：5×2×2个

分选精度：±2克/个，±0.1千克/箱(20千克)

分选重量区间：10-500克

配套动力：﹤20KW

电源：380V

体积：36×5×2.5m反射法检测技术：

通过农产品的颜色变化，识别、评价植物或果实及它们的品质特性(包括外表的和内部的成分含量，如糖度、酸度、淀粉、蛋白质等)。

实例是光电色选机光电色选机光电色选机：是一种利用物料的光学特性将颜色不正常、外表有缺陷或内部变质的疵品及杂质从大批物料中无损检出，并自动分选剔除的食品机械。特点：综合应用了现代光学、电子学、生物学等新技术，是典型的光、机、电、液一体化的高新技术设备。应用：在食品加工、粮食加工、果蔬加工、种子加工等行业得到广泛应用。

合肥一民营企业研发制造出“光电色选机

“光电色选机”是粮食企业中使用的高科技仪器，进口产品价格惊人。合肥市高新区内一家民营企业，近日研发制造出可替代进口产品的同类产品，而价格只有外国货的一半(2005年11月).

电脑光电色选机

主要特点及用途：电脑自动控制、自动保护、自动故障诊断、自动报警剔除大米中的异色粒，剔除糯米中的其它米，剔除其他固体中的异色粒。技术参数：通道数：18+6，内藏二次色选产量：1.4吨/小时色选精度：99.7%色选带出比：≤1:3供电电源：220VAC，50Hz功率：1kw/products_detail.php?id=930&kus...

美国休斯顿的德尔塔科技公司(DELTATechnologyCorporation)的色彩分选设备3、紫外光的检测技术及其实例

紫外光的波长短、能级高，利用紫外光进行食品与农产品的无损检测有两种方法：直接检测法和间接检测法

紫外光直接检测法：用紫外光直接检测的方法,包括折射检测方法、透射检测方法和反射检测法等。

间接检测方法：紫外光作为鼓励光源使被检测对象产生二次发光的间接检测方法。原理：紫外光－－鼓励光源－－待测食物上－－某些化学成分和某些微生物(如霉菌毒素)－－发出荧光(或磷光)－－波长及强度与物体的构成、某些成分的含量以及鼓励紫外光的频率(波长)与强度(振幅)等外界因素有关。荧光激发光谱可供鉴别荧光物质及荧光测定时选择适宜的激发光之用。激发光谱说明不同波长的激发光产生荧光的相对效率。激发光谱中最顶峰的波长，能使荧光的物质发出最强的荧光。激发光波长荧光强度荧光物质的激发光谱荧光物质有两种特征光谱：激发光谱和荧光光谱。用不同波长的单色光〔多为紫外光〕激发荧光物质使之发光，然后测定每一波长的激发光所产生的荧光强度，并以激发光波长为横坐标，荧光强度为纵坐标作图，便可得到荧光物质的激发光谱。实际上，激发光谱就是荧光物质的表观吸收光谱。我国是世界花生生产大国，面积和产量均占世界各国的前列。在国际贸易中，对花生仁的级别、品质各国都有严格的要求，通常从以下几个方面来判断其品质好坏。①花生仁的大小均匀度。②破碎粒率一般不超过4％。③表皮颜色要求均匀，不得有杂色，皮色以淡红色或淡褐色为佳。暗红色表皮最不受欢送，这种花生仁不易脱皮。此外，由于生长、收获及贮藏过程中病变或受外界伤害污染，往往也造成花生仁表皮颜色的变化。④黄曲霉素B1含量。食品受黄曲霉素B1污染是造成肝癌发病高的主要原因之一，特别是花生、玉米易被污染。通常黄曲霉菌生长在少数籽粒上，只要剔除这局部籽粒即可保证总体品质。

利用紫外光的检测技术应用1．利用紫外光－荧光检测花生的黄曲霉素花生仁中被黄曲霉菌污染产生的黄曲霉素通常指4种黄曲霉和寄生曲霉产生的二呋喃香豆素类代谢产物，即黄曲霉素B1、黄曲霉素B2、黄曲霉素G1、黄曲霉素G2。这4种物质可以根据其在紫外光激发下产生的荧光的颜色加以区别。B(blue)指蓝色荧光，G(green)指绿色荧光。其中黄曲霉素B1的毒性最大，对花生等食品与农产品的污染最严重。由于被黄曲霉菌污染产生的黄曲霉素B1在紫外光激发下可产生荧光，所以可以使用荧光分析的方法对其进行快速检测。荧光越强，说明黄曲霉素的含量越高，污染越严重。花生仁荧光显微观察原理如下图。高压汞灯发出的线光谱经聚焦后通过一组激发滤光片，得到波长为334－365nm的紫外光束，该光束经两向镜(dichroic)和聚焦镜投射在水平放置的花生仁上，其外表被激发出的荧光经450nm的截止滤光片和目镜，进入观察者眼中，得到清晰的荧光成像。在目镜处观察到的是蓝色荧光，该蓝光是黄曲霉素Bl发出的荧光。

花生仁外表荧光测定系统如图4—32所示。150W氙灯发出的紫外光经主单色仪分光后，分成两路：一路进入激发探测器，并通过比值法消除光源波动的影响；一路直接照射在花生仁外表，由花生仁外表产生的荧光经发射单色仪分光，并由发射探测器检测，得到与荧光强度成正比的电压信号。按荧光强度将物料(花生仁)分成三类：强荧光．(I类霉变严重仁)

弱荧光(Ⅱ类霉变较轻仁)无光(Ⅲ类正常仁)。在生产实际中人们可以选择发射荧光的峰值处的波长，根据峰值的大小来判别花生仁的品质。

从破损的细胞中漏出果皮外表紫外光(激发光源)精油发出强荧光〔波长560nm〕

220nm和365nm两处波长正常柑橘不释放

利用正常部位与损伤部位的荧光发光强度的不同，通过计算机进行数据处理后即可以进行柑橘的分级。例:利用紫外线检测柑橘的损伤

图4—38可以看出，柑橘发出的荧光的强度按成熟果、半成熟果、未成熟果依次减弱，且峰值波长逐渐变小。其原因可以被认为随着柑橘的成熟，精油逐渐增多，果皮一旦破损，露出外表的也多，荧光也随之变强。另外，成熟度不同，峰值波长也随之变化，反映出光的颜色也在变化。利用柑橘在紫外光激发下发射出的荧光光谱的峰值波长的位置和峰值的强弱，对柑橘的外表是否发生损伤以及损伤面积的大小进行定性和定量的检测，为进一步进行分级操作提供依据。烟台神奇的番茄树＜单株结果高达16000＞第五节气体传感器检测技术

1.概述:以前烟、酒、饮料等的品质都依靠人的感官来评定，造成很大的个体差异，所以希望找到一种客观准确的嗅觉鉴别方法来代替人工品闻。电子鼻就是肩负着这个使命诞生的！电子鼻的定义：是指由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置2.工作原理信号预处理气敏传感器阵列模式识别气体输出金属氧化物半导体传感器声外表波传感器导电有机聚合物膜传感器石英晶体谐振传感器电化学传感器