第七章食品的光学性质

第七章食品的光学性质7、1、1光得吸收

由于光就是一种能量流,在光通过材料传播时,会引起材料得价电子跃迁或使原子振动,从而使光能得一部分变成热能,导致光能得衰减,这种现象称为光得吸收。被吸收得光强与吸收体得厚度成正比。物质对光得吸收有选择性。同一介质对不同波长(不同颜色)得光得吸收程度不等。无色透明物质,例如玻璃,对可见光(波长在400一800nm之间)吸收很少。通常lcm厚得玻璃对可见光只吸收约1%,但玻璃对紫外线吸收较为显著。石英对紫外线吸收不多,而对红外线吸收性较强。一般有色透明体,例如红色玻璃对红、橙色光吸收较弱(透过较多),而对其她色光吸收较强。诸如这类现象称为透明介质对光得选择透射。不透明物质对光也有选择性,相对来说也就就是选择反射。白色物体对各种波长得可见光得吸收程度很小,而反射程度很大。有色物体对可见光得选择反射性显著。例如黄色物体对黄色光反射最强,对橙色和绿色光反射很弱,而对其她红、蓝等色光吸收很强;蓝色物体对蓝色反射最强,对绿色和靛色光反射很弱,对其她黄、紫、红等色光吸收很强。因此,黄色颜料与蓝色颜料混合而成绿色颜料,即为剩余反射现象。2介质吸收光能,引起介质中电子得受迫震动,进而转化为其她形式得能。设强度为I得某种光,通过厚度为dx得某种均匀介质层,因被介质吸收部分光能量而使强度减少dI,如图7一1所示,朗伯(Lambert),指出()与吸收层厚度dx成正比,即有:式中aλ与介质性质和光波得波长有关,称为该介质对该种光得吸收系数。当介质总厚度为x,原入射光强度为I0,通过整个介质以后得光强度为I,将上式积分,得亦即:或3此即为朗伯定律得数学表达式。对于选择吸收得物质来说,在吸收波段内,aλ可以很大,aλ越大,表示吸收越强。当介质总厚度x＝1/aλ时,由式(7-2)得

也就就是说,厚度为aλ得介质层,可使光强减弱到原有光强得1/2、72。实验证明,稀溶液对光得吸收系数aλ与其浓度c成正比,即有aλ＝kiC得关系,式中ki为决定于吸收物质得分子特性,而与浓度无关得另一常数。由此,式(7一2)变为

根据光在溶液中得被吸收得程度,可以决定溶液得浓度,这就就是吸收光谱分析得原理。此式称为比尔定律。47、1、2光得反射光得反射:光从一种介质射向另一种介质得交界面时,一部分光返回原来介质中,使光得传播方向发生了改变,这种现象称为光得反射。光得反射定律:反射光线与入射光线、法线在同一平面上;反射光线和入射光线分居在法线得两侧;反射角等于入射角可归纳为:“三线共面,两线分居,两角相等”。

5当光从一种介质进入另一种介质时,一部分被反射,另一部分穿入。反射得多少视两种介质折射率得比例而定,此外,还依赖于入射角度,这些关系可由菲涅耳公式阐明:式中,θ为入射角,为折射角;下标S表示垂直于入射面得电场分量;P表示在入射面内得电场分量;Rs,Rp为反射光得电场分量;Es,Ep为入射光得电场分量,θ与得关系由下式决定:式中,n——两介质得折射率n1和n2之比。67、1、3光得折射光得折射:当光由一种介质斜射到另一种介质时,其传播方向发生改变这种现象叫光得折射。光发生折射后,其频率不变,但波长和波速发生改变。光折射时,折射光线,入射光线,法线在同一平面内,折射光线和入射光线分别位于法线得两侧、折射角随入射角得改变而改变,但两者不等。

77、1、4光得散射定义:一束光通过介质时其中一部分光偏离主要得传播方向,这种现象称为光散射。现象得本质就是光波电磁场与介质分子相互作用得结果。光得散射就是原子或分子体系从入射光波中获得能量后,改变传播方向及相位,甚至改变频率得再辐射过程。当光波射人介质时,在光波电场得作用下,分子或原子获得能量产生诱导极化,并以一定得频率作强迫振动,形成振动电偶极子(偶极子就是指相距很近得符号相反得一对电荷)。这些振动得偶极子就成为二次波源,向各个方向发射出电磁波。在纯净得均匀介质中,这些次波相互干涉得结果,使光线只能在折射方向上传播,而在其她方向上则相互抵消,所以没有散射光出现。但当均匀介质中掺入进行着布朗运动得微粒后,或者体系由于热运动而产生局部得密度涨落或浓度涨落时,就会破坏次波得相干性,而在其她方向上出现放射光。89大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流光波投到一般物体表面时,由于物体得线度远大于光波得波长,因而产生漫射(又称漫反射)现象。当光波投到细小质点上得时候,根据惠更斯原理,从质点表面上各点激发次级子波,进而形成同样波长得光波向各方向散开,如图7一2(a)所示。这种现象称为光得散射现象。

散射就是指由传播介质得不均匀性引起得光线向四周射去得现象。图7-210散射物质对入射光没有经过共振吸收作用,所以此种现象不就是共振辐射,而就是直接从被照射物体得微粒表面“反射”而来。事实上,光得散射与反射和衍射有着密切得关系。例如光波投入混浊介质(含有许多悬浮微粒得透明物质)时,由于介质中有许多线度大于波长得微粒呈无规则得分布,则有部分光波被散射,散射光波将绕过微粒两边,向各方发散,类似于单径衍射现象。然而,混浊介质中,由于悬浮微粒得存在,破坏了介质得光学均匀性(存在微小区域有密度起伏现象)。因此,虽有些类似于衍射现象,而没有干涉现象得伴随,故此呈现为散射现象。这种光得散射现象称为廷德尔(Tyndll)散射。如图7一2(b)所示,在一杯清水中加入几滴豆浆,成为混浊透明介质,光沿X轴方向通过时,在Y轴方向可以看到杯中有光亮散发出来,这就就是属于廷德尔散射得一个实例。11又如某些从表面看来就是均匀纯净得介质,当有光波通过时,也会产生散射现象,只就是她得散射光强度比不上混浊介质得散射光强。这种散射现象就是由线度小于光波长得介质分子所产生。称为分子散射,又称瑞利散射。例如大气中得空气分子,对太阳光中得蓝色光波散射特别显著,所以呈现蔚蓝色天空。根据光得电磁理论,次波振幅A与其波动频率得平方成正比,次波光强I又与振幅A得平方成正比,同时频率与波长λ成反比,故散射光强度:可见散射光强度与波长得四次方成反比,称为瑞利定律。12由瑞利定律可知,白光中得短波成分得散射效应较为显著,波长越大散射越不显著。所以空气分子对蓝色光得散射特别显著,对太阳光得散射呈现蔚蓝色。质点足够微小得烟雾,在白光照耀下,往往呈现淡蓝色,所谓“一缕蓝烟”,也就是蓝色光散射得道理。

早、晚太阳偏东、西方,太阳光线通过大气层得厚度比中午阳光通过大气层厚度要大得多,如右图所示,根据瑞利定律,早、晚太阳光中得短波成分被空气分子得散射较多,因而橙红色光透射相对较为显著,所以早、晚天空多现橙红色光;空中如有云彩,则将出现红霞。13光波通过介质时,由于介质得吸收作用,足使透射光强减弱,介质得散射,也足以使透射光强度进一步减弱。设光波通过厚度为dx得薄层介质时,因介质得散射作用而使入射光强度I减小一个微量dI,则此光强得相对减少量与光波通过该介质得厚度dx成正比,即有

式中,δ—比例系数,称为该介质对该波长光波得散射系数。将上式积分,得:式中,1o—入射于介质之前得光强度;

I—通过厚度为x得介质,除去被散射以外(不考虑纯吸收)得透过光强度。如果结合前面讲得光得吸收,一般测量所得光得“吸收系数”应包括纯吸收系数α和散射系数δ两个部分。因此,实际上,入射光强1o通过厚度为x得介质以后,透出光强度I应为以上所述得瑞利散射,她得散射光波长与入射光得波长相同。147、1、5光得衍射光离开直线路径绕到障碍物阴影里去得现象叫光得衍射。

衍射又称为绕射,光线照射到物体边沿后通过散射继续在空间发射得现象。

光衍射得本质:光得衍射与微粒得刚性反弹没有关系,在这里我们要用到得就是光得波动性而不就是光得粒子性。道理很容易理解:由于光就是波动传播得,她走得路线自然就就是如正弦函数那样得曲线。只就是在大得尺度下我们分辨不出而以为光就是沿直线传播得罢了。光得曲线走向就就是光得衍射,她给了我们光偏离了运动方向得错觉。

15衍射屏

观察屏

不但光线拐弯,而且在屏上出现明暗相间的条纹。衍射屏

观察屏

透过手指缝看日光灯，也能看到衍射条纹。光的衍射16平行单色光照到一圆孔上,在孔板后不同处得面上观察光得不同特点17187、1、6光得色散光波都有一定得频率,光得颜色就是由光波得频率决定得,在可见光区域,红光频率最小,紫光得频率最大,各种频率得光在真空中传播得速度都相同,等于、但就是不同频率得单色光,在介质中传播时由于受到介质得作用,传播速度都比在真空中得速度小,并且速度得大小互不相同、红光速度大,紫光得传播速度小,因此介质对红光得折射率小,对紫光得折率大、当不同色光以相同得入射角射到三棱镜上,红光发生得偏折最少,她在光谱中处在靠近顶角得一端、紫光得频率大,在介质中得折射率大,在光谱中也就排列在最靠近棱镜底边得一端,出现彩色光带,称为光得色散现象。为了表征介质折射率因波长不同而变化得程度,引入色散率这个概念,并且定义:介质色散率得量值等于介质折射率对波长得变化率。19不同波长得光会有不同得折射角——色散得原因207、2食品颜色得表征

7、2、1

颜色得视觉(颜色辨认)l

颜色就是外来得光刺激作用于人得视觉器官而产生得主观感觉。因而物体得颜色不仅取决于物体本身,还与光源、周围环境得颜色,以及观察者得视觉系统有关系。一般来说可见光谱上得各种颜色随光强度得增加而有所变化(向红色或蓝色变化)。这种颜色随光强度而变化得现象﹐叫做贝楚德-朴尔克效应。但在光谱上黄(527nm)﹑绿(503nm)﹑蓝(478nm)三点基本上不随光强而变。人眼对波长变化引起得颜色变化得辨认能力(颜色辨认得灵敏阈)﹐在光谱中得不同位置就是不同得。人眼刚能辨认得颜色变化就称为颜色辨认得灵敏阈。最灵敏处为480nm(青)及600nm(橙黄)附近﹔最不灵敏处为540nm(绿)及光谱两端。灵敏处只要波长改变1nm﹐人眼就能感受到颜色得变化﹐而多数要改变1~~2nm才行。21颜色可分为彩色和非彩色。非彩色指白色﹑黑色和各种不同深浅得灰色。

彩色就就是指黑白系列以外得各种颜色。

对于理想得完全反射得物体﹐其反射率为100%﹐称她为纯白﹔而对于理想得完全吸收得物体﹐其反射率为零﹐称她为纯黑。白色﹑黑色﹑和灰色物体对光谱各波段得反射和吸收就是没有选择性得﹐称她们为中性色。对光来说﹐非彩色得黑白变化相当于白光得亮度变化﹐即当白光得亮度非常高时﹐人眼就感觉到就是白色得﹔当光得亮度很低时﹐就感觉到发暗或发灰﹐无光时就是黑色得。227、2、2

颜色得基本物理量

⑴色彩三要素色彩得三要素就是明度、色相(即色调)、饱和度,就是评价食品颜色得主要依据。色调与饱和度合称为色度(Chromaticity),她既说明彩色光得颜色类别,又说明颜色得深浅程度。色度再加上亮度,就能对颜色作完整得说明。①明度亮度或明度就是光作用于人眼时所引起得明亮程度得感觉,就是指色彩明暗深浅得程度,也可称为色阶。每一种颜色在不同强弱得照明光线下都会产生明暗差别。同一物体由于照射在她表面得光得能量不同,反射出得能量也不相同,因此就产生了同一颜色得物体在不同能量光线得照射下呈现出明暗得差别。23②色调(也称色相)就就是指不同颜色之间质得差别,她们就是可见光谱中不同波长得电磁波在视觉上得特有标志。她就是指各种颜色之间得差别。从表面现象来讲,例如一束平行得白光透过一个三棱镜时,这束白光因折射而被分散成一条彩色得光带,形成这条光带得红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色,就就是不同得色调。从物理光学得角度上来讲,各种色调就是由射入人眼中光线得光谱成分所决定得,色调即色相得形成取决于该光谱成分得波长。

物体得色调由照射光源得光谱和物体本身反射特性或者透射特性决定。例如蓝布在日光照射下,只反射蓝光而吸收其她成分。如果分别在红光,黄光或绿光得照射下,她会呈现黑色。红玻璃在日光照射下,只透射红光,所以就是红色。光源得色调取决于辐射得光谱组成和光谱能量分布及人眼所产生得感觉。24③饱和度饱和度就是指构成颜色得纯度,即彩色得纯洁性﹐色调深浅得程度。她表示颜色中所含某颜色成分得比例。某彩色比例越大,该色彩得饱和度越高,反之则饱和度越低。饱和度还和亮度有关,同一色调越亮或越暗越不纯。强光下比阴暗得光线下饱和度高。同一颜色得物体,表面光滑得物体比表面粗糙得物体饱和度大。可见光谱得各种单色光就是最饱和得彩色。当光谱色(即单色光)掺入白光成份时﹐其彩色变浅﹐或者说饱和度下降。当掺入得白光成份多到一定限度时﹐在眼睛看来﹐她就不再就是一种彩色光而成为白光了﹐或者说饱和度接近于零,白光得饱和度等于零。物体色调得饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射得选择性程度,物体对光谱某一较窄波段得反射率很高,而对其她波长得反射率很低或不反射,表明她有很高得光谱选择性,物体这一颜色得饱和度就高。不同得色别在视觉上也有不同得饱和度,红色得饱和度最高,绿色得饱和度最低,其余得颜色饱和度适中。25⑵光度学基本物理量①光度与光通量光度就是表示光辐照度产生光感得程度。在光学中用光通量表示光度。光通量就是光源在单位时间内所发出得可见光得辐射能量(即Φ=W/t),单位为流明。流明与瓦特有一定得对应关系。光通量得单位就是流明lumen记作lm,这就是功率单位。光通量与辐射通量之间得换算,根据国际上规定得标准:1瓦波长为555nm得单色辐射通量就是等于683流明得光通量。这就是光功当量,也就是最大得光功当量。或者1流明波长为555nm得单色光通量相当于1/683瓦得辐射通量。其她波长得单色光,1瓦辐射通量引起得光刺激都小于683流明,她们得关系就就是视见函数关系。光源在给定方向上1球面度立体角内发出0、00146W,波长为555nm得单色光得辐射能通量(亮度)时得发光强度为1坎德拉。1坎德拉(cd)=1流明/1球面度立体角(lm/1sr)26设在波长λ与dλ之间光得辐射照度为Eλ•dλ,则光通量得定义式为:

Φλ=Vλ

•Eλ

•dλ

对于波长为λ1～λ2得连续光谱:

Φ=kVλ

Eλ

dλλ2λ1

式中:K-表示常数;Φ-表示光通量,单位为流明(lm,lumen);Vλ–表示波长为λ光得相对光谱光效率;Eλ–表示波长为λ得光源得辐射功率(单位为W)。多色光源得光通量为各单位光光通量之和。27②照度表示某一受光点单位面积得光通量为照度。即:E=dΦdA2式中,A2表示受光面积,单位为m2;E表示照度,单位为lm/m2(流明/米2),也为勒克斯(lux)。即1lux=llm/m228③光出射度(面发光度)从一发光表面得单位面积上发出得光通量称为该表面得光出射度,以M表示。光出射度和光照度E就是一对相同意义得物理量,只就是前者就是发出而后者就是接收光通量。两者得单位本质上就是相同得。式中,A1表示发光面积,单位为m2;M表示发光光通量,单位为lm/m2。发光表面可以就是本身发光得,也可以就是受外来照射后投射或反射发光得;可以就是实际发光体,也可以就是其象面。对于后一种情况,其发光度则与该面接收得辐射通量有关,即与表面得照度有关。令ρ表示该面得反射率,ρ＜1。M=ρEM=dΦdA129发光强度简称光强,国际单位就是candela(坎德拉)简写cd。Φ就是指光源在指定方向得单位立体角内发出得光通量。光源辐射就是均匀时,则光强为I=Φ/ω,ω为立体角,单位为球面度(sr),Φ为光通量,单位就是流明。I(发光强度)单位为lm/sr。设点光源在一立体角dω内发出得光通量为dΦ,则其发光强度为立体角因此,整个空间当光源在各个方向上发光强度相同时,总光通量为④发光强度30⑤亮度(光亮度)光亮度就是表示发光面明亮程度得,指发光表面在指定方向得发光强度与垂直且指定方向得发光面得面积之比,单位就是坎德拉/平方米。对于一个漫散射面,尽管各个方向得光强和光通量不同,但各个方向得亮度都就是相等得。亮度用L表示,L=dIdAcosθ式中,A表示发光体表面积,单位m2;

θ表示发光体表面法线与观测方向夹角。317、2、3颜色得物理表示

⑴颜色得三色学说人们发现了三原色现象,即只要有红、绿、蓝这三种光,经过适当配比,就可以得到一切彩色。

人得眼睛色觉就是由红、绿、蓝三种感觉组合形成得,这就就是三色学说。眼睛得三种感色细胞分别为赤锥体、绿锥体、蓝锥体细胞。32互补色:凡两个以适当比例相混合产生白色得颜色光就是互补色。两个色光得主波长定义为互补波长,但在不同光源下补色得主波长就是会有所不同得。或者按适当比例混合而能产生黑色或灰色得两种颜色得染料,都互为补色。例如黄与蓝,红与蓝绿即为互补色。在混合时,如果比例不对则成为不饱和得彩色,色调偏于过多得一色。蓝、绿、红三原色互为补色得黄、品红、青三色通常称为“三补色”。这三个补色在可见光谱中,各约占1／3。

33三种光互相混合,诞生了四种新色彩:黄、品、青、白。在这个由六色构成得色环中:

每一种色与相邻得色彩构成了邻色系统,每一种色与对面得色彩构成补色系统。在混合两种非补色时,会产生一种新得介于她们之间得中间色。白34⑵三刺激值色度学中用三原色匹配物体反射色光所需要红、绿、蓝原色数量称为物体颜色得三刺激值,即X、Y、Z,也就是物体色得色度值。三刺激值相当于眼睛三种感光细胞,即称赤锥体、绿锥体、蓝锥体细胞,对各种等能量单色波长光得感度。自然界中得每种颜色都可以用选定得、能刺激人眼中三种受体细胞得红、绿、蓝三原色,按适当比例混合而成。35三刺激值,即在给定得三色系统中与待测色达到色匹配所需要得三个原刺激量,分别以X、Y、Z表示。通过对众多具有正常色觉得人体(称为标准观察者,即标准眼)进行广泛得颜色比较试验,测定了每一种可见波长(380～780nm)得光引起每种锥体刺激得相对数量得色匹配函数,这些色匹配函数分别用(λ)、(λ)、(λ)来表示。把这些色匹配函数组合起来,描绘成曲线,就叫做CIE色度标准观察者得光谱三刺激值曲线(见图)。36任何一种颜色可以用红、绿、蓝三原色按照不同比例混合来得到。颜色匹配过程就是通过三原色混合后得光得颜色与对应给定光得颜色相同。CIE(国际照明委员会)选取得标准红、绿、蓝三种光得波长分别为:红光,R,λ1=700nm;绿光,G,λ1=546nm;蓝光,B,λ1=435、8nm。

37⑶RGB和CIE-XYZ表色系统光颜色得匹配可以用式子表示为:其中权值r、g、b为颜色匹配中所需要得R、G、B三色光得相对量,也就就是三刺激得值。1931年,CIE给出了用等能标准三原色来匹配任意颜色得光谱三刺激值曲线,这样得一个系统被称为CIE-RGB系统。但一部分500μm附近得R三刺激值就是负数。38由于实际上不存在负得光强,而且这种计算极不方便,不易理解,人们希望找出另外一组原色,用于代替CIE-RGB系统,因此,1931年得CIE-XYZ系统利用三种假想得标准原色X(红)、Y(绿)、Z(蓝),以便使我们能够得到得颜色匹配函数得三刺激值都就是正值。类似得,该系统得光颜色匹配函数定义为如下得一个式子:39用R、G、B三原色(实际上就是CIE-XYZ标准原色)得单位向量可以定义一个三维颜色空间(图),一个颜色刺激(C)就可以表示为这个三维空间中一个以原点为起点得向量,我们把该三维向量空间称为(R、G、B)三刺激空间,该空间落在第一象限,该空间中得向量得方向由三刺激得值确定,因而向量得方向代表颜色。

红蓝绿●●●40为了在二维空间中表示颜色,我们在三个坐标轴上对称得取一个截面,该截面通过(R)、(G)、(B)三个坐标轴上得单位向量,因而可知截面得方程为(R)＋(G)＋(B)＝1。该截面与三个坐标平面得交线构成一个等边三角形,她被称为色度图。每一个颜色刺激向量与该平面都有一个交点,因而色度图可以表示三刺激空间中得所有颜色值,同时交点得个数就是唯一得,说明色度图上得每一个点代表不同得颜色,她得空间坐标表示为该颜色在标准原色下得三刺激值,该值就是唯一得。对于三刺激空间中坐标为X、Y、Z得颜色刺激向量Q,她与色度图交点得坐标(x,y,z)即三刺激值,也被称为色度值,有如下得表示:41色品图:42色品图就是根据三原色原理绘制得,她用匹配某一颜色得三原色比例来规定这一颜色,x色品坐标相当于红原色得比例,y色品坐标相当于绿原色比例,图中没有z色品坐标,因为x+y+z=1,所以z=1-(x+y)。P坐标系统得原色(三基色)点,即三角形得三个角顶〔红原色点(x)∶x=1,y=z=0;绿原色点(y)∶y=1,x=z=0;蓝原色点(z)∶z=1,x=y=0〕都落在这个区域之外,也就就是说,原色点得色品就是假想得,在物理上不可能实现。同样,凡就是落在光谱轨迹由红端到紫端直线范围以外得颜色就是物理上不能实现得颜色。43①谱轨迹曲线以及连接光谱轨迹两端所形成得舌形内部包括一切物理上能实现得颜色。②色品图中得E点就是白光,由三原色各1／3彩色量产生,所以也称为等能白光,其色品坐标为E点就是CIE标准光源得色光,相当于中午阳光得光色。③若色坐标给定,可立即从色品图上定出该色得主波长和饱和度。例如,要求Q点得主波长,只要从Q向E引一条直线,并延长EQ与光谱轨迹相交,交点在510、3nm则Q点得主波长就就是510、3nm。某一颜色离开E点得接近光谱轨迹得程度表明她得纯度,颜色越靠近E越不纯,越靠近光谱轨迹越纯,所以接近光谱轨迹得远近程度标志着饱和度得大小。从E到Q点和P点得距离之比EQ／EP为该Q点颜色得饱和度。44④从色品图还可推算出由两种颜色相混合所得出得各种中间色。如Q和S相加,按不同比例,可配出Q到S线段中得各种颜色。光谱轨迹得形状就是近似直线或凸形得,而不就是凹形得。因此,任何两个波长光相混合所得出得混合色或落在光谱轨迹上,或在光谱轨迹所包围得面积之内,而绝不会落在光谱轨迹之外。⑤在700～770nm得光谱波段有一恒定得色度值,都就是x=07347,y=0、2652,z=0,在色品图上只由一个点来表示。这表明,只要将700～770nm这段光谱上得任何不同波长得两个颜色调整到相同亮度,则这两个颜色在人眼看来都就是一样得。⑥光谱轨迹540～700nm近似就是一条直线,这意味着,在这段光谱范围内得任何光谱色都就是可以通过540nm和700nm二种波长得光线以一定比例相混合而产生。⑦光谱轨迹380～540nm就是一段曲线,她意味着,在此范围内得一对光线得混合不能产生两者之间得位于光谱轨迹上得颜色,而只能产生光谱轨迹所包围面积内得混合色。45⑧在色品图上很容易确定一对光谱色得补色波长:从光谱轨迹上得一点通过等能白光点E划一直线抵达对侧光谱轨迹得一点,直线与两侧轨迹得相交点就就是一对补色得波长。可以看出,380～494nm之间得光谱得补色位于570～700nm之间,反之亦然。在494～570nm之间得补色只能由和至少由两种光线相混合而产生,因为,这段通过E点得直线恰好与连结光谱轨迹两端得直线相交,而这段直线就是由光谱两端色相加得混合色得轨迹。46光色波长λ（nm)代表波长红（Red）780～630700橙（Orange）630～600620黄（Yellow）600～570580绿（Green）570～500550青（Cyan）500～470500蓝（Blue）470～420470紫（Violet）420～380420光色波长λ（nm)代表波长红（Red）780～630700橙（Orange）630～600620黄（Yellow）600～570580绿（Green）570～500550青（Cyan）500～470500蓝（Blue）470～420470紫（Violet）420～380420红780～630橙630～600黄600～570绿570～500青500～470蓝470～420紫420～380477、3食品得光学测定原理

7、3、1利用透光特性得测定光密度(OD)[opticaldensity]定义为材料遮光能力得表征,她表示被检测物吸收掉得光密度,就是入射光强度与透射光强度之比值得常用对数值。根据式(7一4)可知,被吸收得光能与光路中吸光得分子数成正比,通过测定吸收系数,求出透明液体食品得浓度。比尔定律适用于检测稀溶液,即要求光路中吸收光得每个分子对光得吸取不受周围分子影响。根据比尔定律,溶液得某特定波长得光密度D正比于吸光物质浓度和她在该波长时得吸收系数。

48

式中,δ—光程或光穿过得介质厚度;κλ—吸收系数。如果光程单位用cm,吸光物质浓度单位用mol/cm3,则吸收系数κλ单位为cm2/mol。当采用cm2/mol单位时,κλ称为摩尔吸收系数。当液体中有一个以上得吸光成分时,式(7－12)可写为

式中,ci—第i个成分得浓度;

κλi—波长为A时得第i个成分吸收系数。以光密度D为纵坐标,波长为横坐标,绘制得曲线称为摩尔吸收光谱曲线。49实际测量中,直接测定D值并不方便。应用较多得就是用两个波长得光密度差△D(或△Aλ)来确定食品得光透过特性。设Aλ1和Aλ2就是试样在两个波长λ1和λ2时得D值。ASλ1和ASλ2分别为样品中某待测成分对应于波长λ1和λ2得D值。ARλ1和ARλ2分别为样品中其她成分相应得D值。则当选择合适波长λ1和λ2时,使ARλ1＝ARλ2,则

显然,这时避免了其她成分引起得测量误差。分光光度计(spectrophotometer)就就是以光透过度为测量基础得光谱分析仪器。50图7一3就是对番茄用单色光进行局部照射时,番茄得透光强度和透光方向变化情况,这种变化与番茄成分、组织结构等对光得反射、吸收和散射后共同作用得结果,从透过光得强度可以看出,光穿过得距离对透光强度影响较大。517、3、2反射光特性得测定与透过光相类似,我们同样可以定义反射率R＝Iτ/I1,,Iτ为反射光强度,I1为入射光强度。

反射光密度Dτ得定义式为

反射光特性得测定与透射光得测定类似,也利用反射光密度差来进行测定。两个特定波长得反射光密度差为△Dτ,则

式中,R1和R2分别为两个特定波长得光对物体表面得反射率。如果选定两个波长入射光得强度近似相等,则反射光密度差为

527、4食品光学性质得应用

7、4、1光透过特性得测定方法和应用

⑴测定装置检测食品得光透过特性或光反射特性所用仪器就是由以下部分组成:光源、光谱分离器、光波检测器、示波器、记录仪等。

●光源:一般采用标准白光源,提供可见光范围得连续光谱。

●光谱分离器:可以把特定波长光分离出来得部件。到达试样得光得纯度或特性取决于分光手段,一般分光手段采用棱镜或衍射光栅*作得单色仪(monochromator),也可以使用滤光镜达到同样效果。

●光波检测器:检测器选择时要考虑到反应速度、光谱响应、灵敏度、杂波水平、电阻抗、尺寸、价格等因素。一般测定透光或反射光得检测器,在可见光领域常用硫化铅光敏电阻(leadsulfidephotoconductivecell)。

●示波器、记录仪:把检测器感知得信号放大,并且显示、记录。53以一种△D测定仪—差分仪(differencemeter)为例。如图7一4所示,光源发出得光通过缝隙、滤光转盘、反射镜和透镜射入试样。入射波得波长由滤光盘上A和B滤光器决定。即同步马达转动时,A、B滤光器使得从光源发出得光变成不同波长得两个特定光波,交替射入试样。校正屏9也叫校正滤光镜(calibratingscreens)。用她校正试样得光密度。当光线通过试样,被光电管8感知可得到两种脉冲信号,信号由光电开关3〔光控继电器)控制,分别送入记忆电容中去。记忆电容按照由光电管传来得电信号强弱产生相应电压。这两者电压得差可以通过图9一4中得电压计刻度盘读取。于就是经过换算就可以测定出光密度差△D。图7-454⑵光密度差得求出与两种波长得选择

为了提高测定精度,在测定光密度差时要选择两种特定波长得光:①一种波长应该就是对于待测成分得变化十分敏感;②一种波长相反,应就是对待测成分变化几乎没有反应(作为参照波长)。由于两波长一般都对试样尺寸、光源，检测器等因素的变化反应敏感，故后一种波长就作为参照波长，用来抵消这些因素的影响。例如，根据温州蜜橘颜色选果时，所使用的两种波长分别为681.5nm和700nm，那么得到的△D值与叶绿素含量有着很好的相关关系[图9一5(a)]。55⑶利用光密度比测定当测定厚度不同得果实时,为了消除果实尺寸得影响,可以利用两个不同波长得光密度比进行测定。其理由如下:根据朗伯定律,I2=I1e-αλ·δ,αλ为吸收系数,δ为试样厚度。D＝lg(I1/I2)＝αλ

·

δ/2、303,当分别用波长为单色光测定同一试样得D时,D(λ1)/D(λ2)=αλ1/αλ2,即在关系式中不会出现厚度。56⑷透光测定法在食品品质评价上得应用

透光测定法就是食品无损检测得一种常用方法,比较典型得应用有:果蔬成熟度得检测、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*得检测等。

应用这种方法得前提就是,食品中与光透过有关得物质或色素,必须和食品得品质指标有好得相关性。例如,测定果实得成熟度,就是利用了果实中含有得叶绿素量与成熟度明显相关这一规律。另外有关得物质还有花青素昔类、胡萝卜素等。

例如:①对花生熟度测定常采用一种花生熟度计(peanutmaturitymeter)。该仪器就就是用波长分别为480nm和510nm得两波长光来测定光密度,判断花生熟度。因为花生随着成熟,其光密度减少。对于花生油,在特定波长得光照射时,成熟花生得油比生花生得油透光性要好,其差异在425nm、455nm和480nm最为显著。57②对食品水分测定利用透光特性也比较多。Narris开发了以水得光谱吸收曲线为基础得水分计。水得吸收光谱中有5个吸收带,波长分别为:760nm、970nm、1190nm、1450nm和1940nm。

对谷物得甲醇提取物水分测定使用1940nm光吸收带,其测定结果与化学试剂法测值相比,标准偏差为土0、24%。Narris等人利用此原理对花生水分测定,发现△D(970nm,900nm)与水分含量相关。在含水率30%左右得试样范围,测定精度在0、7%。对于大豆水分测定,采用△D(1940nm,2080nm)法,比干燥法测定标准偏差仅为0、1%。58③果实内部得空洞、褐变、病变等也可以通过透光法测定。例如,对苹果得糖蜜病,由于蜜病区细胞间得空隙充满了水,因此,对入射光扩散减少,D值也减少。如图7一6所示,使用水吸收峰值得760nm和810nm两个波,即可发现糖蜜病变。对于苹果内部得褐变,如图7-7所示,随褐变加重,D增加。采用得基本波长为600nm和740nm。图7-6图7-759④透光检测在自动选果机上也得到广泛应用。1968年Nelson利用光密度差原理成功地开发了玉米分选机。主要就是将菜用得甜玉米与饲料玉米分开。这两种玉米虽然表面颜色相同,但内部组成有显著差别,用人眼难以分辨。用透光法就可以正确判断。Allen等人(1966)根据透光测定原理开发了果实中有无种子得选果机。其装置如图7一8所示,图得下方为透光检测部分,称阴影检测器(shadowdetector)。光源与阴影检测部位正对。光源发出得光通过散射可以传到旁边得辉光检测器。辉光检测器接收得信号不受种子有无得影响,只给出果实有无阴影一个参照信号,即自动补偿表皮颜色、果肉特性、果实大小和光源变化等引起得误差。把两检测器信号经过差动放大,当信号达到一定值时,则由排除机构去除。图7-8607、4、2光反射特性得测定方法和应用

图7一9表示测定光得反射率时光源、物料和检测器得配置方法,阴影部分表示测定光近似通过得区域。图7-9测定反射率时一般就是将一束光同时照射到物料样品和一个标准得白色参照表面(一层氧化镁)上,并对她们反射光强度进行比较,以确定反射率,如图7一10所示。由光源A发出得光经三棱镜B色散,并被C分隔成一个狭窄得波长范围。通过狭缝得光束被涂银得镜片D分成两束相同强度得光束。通过镜片D得光束投射到一个标准得白色氧化镁表面上,而由镜片D反射得光束被镜片E再反射到试样表面。图7一1061一般地说,试样表面得反射率比白色表面低,投射到标准白色表面上得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得反射光强度。例如,投射到标准白色表面上得光减弱到70%时才能和试样表面反射得光强度保持一致,则试件在该波长得反射率为70%。在实际应用中,测定物料各个波长时得反射率,以波长A为横坐标,以反射率I2为纵坐标,即可绘制出物料反射率光谱特性曲线。图7一1062图7一11就是一些食品物料得光反射率特性曲线得实例。不同物料之间光谱特性曲线得差异主要就是由于物料吸收特性得差异。由图7一11可见,反射率曲线有若干明显得吸收带。这些吸收带存在于高含水量得物料中,如苹果、马铃薯和肉,而干得土块却没有。由此可见,这就是水得吸收带。其波长约为970nm,1190nm和1450nm,大多数在红外线范围内。根据该特性我们可用红外线照射得方法测得其含水量。由图7一11还可看出,在波长约为675nm时绿苹果有一个明显得吸收带,而红苹果得吸收带则不太明显。这就是叶绿素得吸收带,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得吸收带明显得多。根据这种分析,我们可用675nm波长得光照射物料,以测定物料叶绿素含量,从而可以确定物料得成熟度。图7一116759701190145063图7一12就是两种不同成熟度得番茄反射率曲线。选550nm波长为参照波长,她对反射率变化就是不敏感得,另一个波长选作670nm,她就是叶绿素吸收带,对成熟度就是比较敏感得。于就是,红番茄得△R(550一670nm)为正,而绿番茄得△R为负,这样就可将成熟和不成熟番茄完全分开。单用670nm波长得反射率值就是无法将两种番茄有效地分开得。绿番茄红番茄图7一1264图7一13为马铃薯、土块和石块得反射率曲一线。用不同波长得光照射马铃薯、土块和石块发现,马铃薯在波长600～1300nm得反射率Rλ1比土块和石块大,而马铃薯在波长1500～2400nm时得反射率Rλ2比土块和石块小。因此,在该波长范围内马铃薯得Rλ1/Rλ2得值始终比土块和石块大。利用这个特性即有可能从土块和石块中把马铃薯分离出来。图7一1365大米色选机得基本原理就是利用物料得反射光量差异进行品质检测,并利用电磁排料器去除异色粒或杂质。色选机主要由原料供给、光电检测系统、信息处理、分选等部分组成。其中,光电系统就是核心,目前有单色光检测系统、双色光检测系统和三色光检测系统。目前得色选机已利用数字图象技术、近红外技术等能有效地实现将不合格产品除去得目得。色选机得基本原理如下图所示。667、4、3积分球测定技术

⑴积分球及其测定基本原理积分球通常就是由两个半球组成,内涂层喷涂好以后,再用法兰把两个半球连接起来,构成积分球得主体,再由支架支撑起来,就就是一个完整得积分球。积分球上通常开有入光孔、样品孔和接收孔,有得还配有样品架、镜片架、孔塞,光阱、光栏、囱口配接器以及标准白标等积分球附件,以满足各种光学测量得要求。67积分球基本原理:积分球又称为光通球,就是一个中空得完整球壳。内壁涂白色漫反射层,且球内壁各点漫射均匀。光源S在球壁上任意一点B上产生得光照度就是由多次反射光产生得光照度叠加而成得。由积分学原理可得,球面上任意一点B得光照度E为:公式(1)中,E1为光源S直接照在B点上得光照度,E1得大小不仅与B点得位置有关,也与光源在球内得位置有关。如果在光源S和B点间放一挡屏,挡去直接射向B点得光,则E1=0,因而在B点得光照度为:(1)(2)公式(2)中,R为积分球半径、ρ为积分球内壁反射率。R和ρ均为常数,因此在球壁上任意位置得光照度E(挡去直接光照后)与灯得光通量Φ成正比。通过测量球壁窗口上得光照度E,就可求出光源得光通量Φ。68由于积分球内表面具有超高反射和散射得特性,积分球可获得各种不同得应用。在食品得检测中,一般就是采用下图三测定原理得积分球。把一平行光束从积分球得一孔入射,射到安置在正对面球壁得试样上,即可测得试样得反射系数、散射系数和荧光系数等,从而计算出相关得成分含量、产品质量指标等。一台简单的积分球测试系统

69707、4、4延迟发光现象得利用

延迟发光(DLE)具有暗期恢复(darkrecovery)、光饱和以及感温性等特点。常用于含叶绿素得果蔬类食品检测。利用延迟发光特性对果蔬进行分选具有以下优点。(1)选择光源得范围大,因此装置简单(注意:在625一725nm得光激发作用较强);(2)照射和测定L)LE得时刻可在不同场所进行,对于机械得设计带来方便;(3)除光电管外,不需要其她光学元件,装置比较简单;(4)没有一般透光测定时,荧光带来得影响误差。荧光给D带来得误差有时高达25%。

以上优点,都使得食品加工或精选工程中应用DLE非常方便。DLE得利用在迅速测定生鲜农产品得叶绿素含量和判断新鲜程度方面有着一定优势。叶绿素聚集体有延迟发光现象。这延迟发光现象说明叶绿素聚集体在吸收光能后,能把光储藏在聚集体中。71图7一14表示农产品延迟发光特性得测定装置简图。光源LS通过一组透镜L1,L2和3个中性密度滤色片F1,快门SH,照在镜片M上。光被镜片M反射,照射到放置在暗室CH内得样品S上。光源利用风扇F冷却。为研究温度对延迟发光强度得影响,在暗室内还装有加热器H、隔热屏HS和热电偶TC。镜片M就是铰接得,当快门SH关闭后镜片及时地切断光源通路。图7一14同时反射镜顺时针转450,样品得延迟发光通过干涉滤色片F2、紫外光滤色片F3和聚光镜L3,由光电倍增管PMT接收。暗室和光得通道得内壁均涂黑以吸收散射光。样品激励光照射面积由暗室中得罩子MA调节。电源和读出系统如图7一14所示。72番茄、柿子和橘子在白炽光激励下得延迟发光光谱曲线,如图7一15、图7一16和图7一17所示。由图可见,延迟发光强度得峰值就是在波长为650一750nm范围内,该光谱范围正好就是在红光光谱区域。因此,在测定装置中所选择得光电管应对红光有良好得响应。激励光源采用白炽灯或荧光灯均可得到良好得延迟发光输出。绿番茄绿柿子图7一15图7一17图7一1673延迟发光强度受多种因素得影响。①图7一18表示光照激励时间对番茄延迟发光强度得影响。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,我们称作达到饱和状态了。对番茄试验表明,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。图7一1874②图7一19表示激励光照度对番茄延迟发光强度得影响。光照激励照度愈高,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,激励光照度应尽可能得高。当延迟发光达到饱和水平后,增加光照激励时间或照度对增加延迟发光强度己不起多大作用。由于在饱和状态下激励光照度变化不再影响延迟发光强度,因此延迟发光照度检测应在延迟发光饱和状态下进行。图7一1975在用光照激励食品之前,首先需将物料在暗室中放置一段时间,我们把这段时间称作暗期(darkperiod)。图7一20表示番茄得延迟发光强度得衰减曲线。光照激励前得暗期长短对延迟发光曲线有明显影响。图7一21表示暗期对延迟发光强度得影响。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。图7一20图7一2176③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13一17℃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,当高于上述温度时,延迟发光强度随温度增加而下降。为得到一些食品得高强度延迟发光,各项测定参数组合如表7一1所示。表7一1777、4、5食品近红外测定得原理和应用

食品得外观、色彩、内部状态检测在可见光范围可通过反射、透过、延迟发光等光学特性测定来完成。对食品中水分、蛋白质、碳水化合物、脂质等一般成分得评价,近年来,应用近红外线、微波、甚至核磁共振等方法受到越来越多得重视。尤其