食品工業(yè)熱成像的研究現(xiàn)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(tǒng)能夠將被測物體發(fā)射的8～12μm波段的紅外射線轉化為電子信號、進而轉化為圖像。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范圍的紅外射線［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于食品工業(yè)。圖像模型中用不同色彩代表不同的溫度，能夠準確體現(xiàn)被測物體的空間溫度分布。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分辨率，并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］，與計算機軟件的連用可以加強其分析強度。高空間分辨率的熱成像技術可以根據(jù)溫差直觀分析被測物體，分析過程中圖像采集速度高達50～60圖/s，非常適于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(jiān)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(yè)中傳統(tǒng)的溫度控制采用熱電偶、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分辨率的優(yōu)點得到廣泛應用［7］。熱處理有助于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(tǒng)熱處理方式相比，熱成像技術對于殺菌處理中的熱量遷移和受熱均衡意義重大，并且有高速、無損和防止交叉感染的優(yōu)點。Samuel等［9］研發(fā)了一種高溫恒熱蒸汽殺菌系統(tǒng)，采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(tǒng)基于熱成像技術，結合蒸汽噴射、電力蒸汽干燥等原理，使用溫度監(jiān)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(tǒng)能夠有效降低胡蘿卜貯藏期間核盤菌引發(fā)的軟腐病發(fā)病率，減少其60%～80%具有植物毒性的顏色變化。熱成像技術有助于加強控制食品表面的冷熱循環(huán)［10－11］，可以用于即食食品質量安全控制以及食品表面溫度的在線檢測［12－13］。Ibarra等［14］依據(jù)雞胸肉的表面溫度和加熱時間構建統(tǒng)計學模型，借助熱成像技術測溫后進一步估算出雞肉蒸煮后的內部溫度。此外，該技術可以用于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(qū)分［16］。在另一項相似的研究里，該技術被用于確定黑麥、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］通過測定柑橘在失水過程中的溫度分布研究其脫水動力學，繼而確定水果的最終干燥點，建立其在線質量控制系統(tǒng)。此外，熱成像技術可以檢測食品的加熱效率、通風情況、空氣條件和制冷效果，追蹤食品生產中的潛在空氣污染源等［19］。
2熱成像技術在果蔬采后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采后果蔬的品質，造成較大的經濟損失。傳統(tǒng)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采后果蔬質量控制方面發(fā)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，該方法借助樣品之間熱擴散系數(shù)的差異，利用不同損傷程度的樣品對于溫度的差異性響應進行檢測。自然對流的方式在1980年已經被用于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.蘋果藏于26℃、空氣濕度50%的環(huán)境下48h，然后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(lián)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%，該方法可廣泛應用于果蔬的機械分選。貯藏前后的冷卻速率、表面溫度可以用于評價蘋果的表面質量和蠟質層結構，研究發(fā)現(xiàn)不同品種的冷卻速率有顯著區(qū)別，這與其蠟質層結構相關，但是該指標在貯藏期間卻并無顯著差異［26］。熱成像技術不僅可以用于檢測采后果蔬的機械傷，還可以用于其生理病害的檢測。“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，必須剖開后才見到病變。Baranowski等［27］將1.5℃下貯藏的水果樣品移至20℃環(huán)境中(溫差18.5℃)，升溫20min，通過升溫速率的差異判定果實是否感染水心病。研究發(fā)現(xiàn)，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后可以有效區(qū)分出被檢測物體細微的機械傷［28］。果蔬成熟度的評估在采摘前后都是很關鍵的步驟，Bulanon等［29］研究了柑橘樹冠、果實的熱量瞬時變化，將熱成像技術用于柑橘成熟度的檢測。該研究使用紅外照相機24h循環(huán)監(jiān)測樹冠，測定其表面溫度、環(huán)境溫度和相對濕度，再以上述測定數(shù)據(jù)結合果實的熱輻射系數(shù)(估值0.9)來補償熱力圖像。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，可通過測量果實在該時段的溫差而區(qū)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熱成像技術在谷物質量安全評估上的應用
病蟲害、微生物侵染是影響谷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(guī)范相關，也關系著人們谷物消費的健康、滿意度。傳統(tǒng)用于檢查糧食病蟲害的方法有手工挑選、篩分等，由于谷物籽粒數(shù)量大、體積小、許多特征肉眼難以發(fā)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(xiàn)和發(fā)展可以有效解決此類問題。利用熱成像技術可以檢測出谷物中胚后發(fā)育階段的昆蟲，原理是該時期的昆蟲呼吸作用生熱，與谷物形成溫度差異［33－34］。該技術在谷物病蟲害侵染鑒別方面效果良好，但在識別昆蟲的生長階段方面效果相對較差［35］。Manickavasagan等［36］研究了受銹赤扁谷盜侵染小麥的溫度分布圖，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于谷物的在線連續(xù)檢測。此外，熱成像技術在小麥的分級和品種鑒別中體現(xiàn)出較高的辨別力，這是傳統(tǒng)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、光學傳感、超聲波法等精密儀器系統(tǒng)也常被用于異物檢測［39］，上述方法都無法依據(jù)大小、形狀檢測出所有的異物。熱成像技術通過熱力性質的差異區(qū)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、組成和圖像的噪音有關［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
隨著高分辨率紅外檢測器的發(fā)展，熱成像技術在食品工業(yè)領域得到越來越廣泛的應用，然而該技術在食品質量在線檢測方面的應用還需克服一些局限性。首先，熱成像技術在檢測前一般通過冷或熱處理來形成樣品間的溫差，該過程有可能引入污染物并且改變某些食品的感官性質［42］。因此，熱成像檢測系統(tǒng)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(tǒng)在紅外攝像機的拍照范圍內要均一分布，否則熱分布的變化可能會影響成像效果。其次，環(huán)境熱干擾會影響熱成像傳感器的運行，因此在線監(jiān)測中，各加工過程都須注重環(huán)境溫度的控制。另外，傳輸帶系統(tǒng)等不均勻的圖像背景會影響由檢測器引發(fā)的背景噪聲的去除效果。就檢測器本身而言，如像素出現(xiàn)不均一的響應或“死點”、“壞點”，就要加強對所獲圖像精確性的要求。一般來說，“壞點”約占檢測器像素中的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性能。“壞點”的檢測表面可能溫度分布均勻，通過代替臨近像素的平均值或中值來校準此類像素。
作為食品工業(yè)中一項新興的質量安全評估技術，現(xiàn)代熱成像技術高效、高速、無損、無輻射源、精密度好、安全性高并且容易使用，在食品工業(yè)中將會有廣泛的應用前景。就今后的發(fā)展方向而言，與高光譜成像系統(tǒng)的聯(lián)用將加強熱成像技術在食品過程控制中的能力，也有助于對所測物體進行更加全面、完整的描述。該項復合技術有可能加強整個食品流程鏈的監(jiān)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(zhàn)。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(yè)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）
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