第五章食品無損檢測技術與原理浙江工商大學食品與生物工程學院竇文超本章目錄第一節(jié)緒論第二節(jié)力學傳感器第三節(jié)電學傳感器第四節(jié)光學傳感器第五節(jié)化學傳感器第六節(jié)生物傳感器第一節(jié)緒論衣食住行衣服食物房子車子食品工業(yè)我國食品工業(yè)的開展狀況圖5.1我國歷年食品工業(yè)總產值增長圖食品品質1.外表品質:顏色、光澤、形狀、大小等2.物理品質:質量、硬度、粘度、彈性等3.內部品質：平安性、新鮮度、營養(yǎng)、口感等理想檢測方法快速、準確、無損無損檢測的概念非破壞性檢測無損檢測的定義無損檢測：就是在不破壞待測物原來狀態(tài)、化學性質等前提下，為了獲取與待測物的品質有關的內容、性質或成分等物理、化學情報所采用的檢測方法。無損檢測技術的應用生產過程的質量控制成品的質量控制產品流通和儲藏過程中的品質檢測無損檢測的特征經濟、環(huán)保簡便、易行在線檢測連續(xù)測定現(xiàn)場檢測信息量大無損檢測原理及方法食品無損檢測的主要方法力學方法電學方法光學方法化學方法生物方法第二節(jié)利用力學特性的檢測技術本節(jié)目的：需要掌握如何利用食品的力學特性、聲學特性以及超聲波特性對其進行無損檢測的原理及應用實例。5.2.1食品無損檢測中常用的力學特性1.固體食品:質量、密度、應力-應變規(guī)律、沖擊、震動、屈服強度、硬度、松弛、流變模型等；2.散粒體食品:摩擦、粘附、變形、流動、離析等；3.液體食品：流體力學特性、流變特性、黏性、黏彈性等；4.對所有形態(tài)食品都適用的：力學特性和超聲波特性。隨著水果蔬菜的生長期與儲藏時間，果蔬的堅實度會不斷變化M-T戳穿試驗方法〔MagnessTaylorpuncturetest〕5.2.2力學特性的檢測技術圖5.3桃子力學特性檢測系統(tǒng)示意圖桃子沖擊特性的無損檢測沖擊力特性參數(shù)：恢復系數(shù)〔r〕能量吸收率〔h〕時間特性參數(shù)〔c〕恢復系數(shù)：物料沖擊后與沖擊前的速度比。r=v2/v1能量吸收率：沖擊后物料吸收的能量與總能量的比。E=(h-h1)/h時間特性參數(shù)：沖擊力峰值與到達沖擊力峰值所經過的時間之比C=f/t5.2.3.西瓜品質的無損檢測：

檢測內容：成熟度和內部空洞

傳統(tǒng)方法：生長天數(shù)和感官鑒別

效果:難以準確判定，迫切需要一種能準確、方便且無損傷測定西瓜成熟度的裝置。MAKL公司研制生產的西瓜選果系統(tǒng)，利用打擊聲波解析測定裝置，判定西瓜的成熟度及內部空洞。該選果系統(tǒng)已得到實際應用。

1、檢測裝置西瓜聲波檢測裝置示意圖光電式果高測定裝置2、根本檢測原理

果品的聲波特性隨內部果肉的性質不同而變化。西瓜果實受到打擊時，產生的聲波的特點與西瓜的內部品質有關。聲波的特點：波形功率譜峰值頻率對稱度指數(shù)衰減率

大量試驗說明：

打擊聲波為非對稱波形，波形對稱度為，指數(shù)衰減率為由快速傅立葉變換法解析出的功率譜峰值頻率為164-280Hz；

未熟西瓜打擊聲波呈規(guī)那么的指數(shù)衰減波形，對稱度為0.92—0.98，指數(shù)衰減率為，功率譜峰值頻率為132-164HZ適熟西瓜過熟或空洞西瓜呈不規(guī)那么的波形，指數(shù)衰減率為0.10-0.16，對稱度為0.90-0.97，功率譜峰值頻率為110-130Hz。另外，過熟或空洞西瓜的打擊聲波到達檢測部位的時間與適熟西瓜略有不同。利用電子計算機解析打擊聲波波形，根據(jù)由試驗確定的鑒別基準值，便可測定內部空洞、成熟度和果肉變質狀態(tài)。對稱度衰減率頻率Hz未成熟0.55-0.800.40-0.76164-280適成熟0.92—0.980.12-0.18132-164過成熟0.90-0.970.1-0.16107-130檢測裝置由機械局部和聲波解析兩局部組成。機械局部包括光電式果高測定局部、打擊裝置、聲波傳感器和空洞、成熟度表示裝置、控制裝置等。隨載果托盤送來的西瓜由光電式果高測定裝置測出西瓜的高度。托盤運動到成熟度測定處，兩個定位臂自動動作，使其停止在預定位置上。三個互成120℃可沿導桿垂直上下移動的聽筒狀聲波傳感器根據(jù)果高測定裝置測出的果高，自動下移至西瓜赤道高度后，再水平移動，與西瓜外表接觸。此時，和聲波傳感器，同步下移的打擊裝置動作打擊西瓜。打擊聲波被三個傳感器檢測，經放大及模式轉換后，輸入電子計算機進行聲波解析，并根據(jù)預定的鑒別基準，判斷成熟度和內部空洞，判定結果輸出到成熟度表示裝置，控制臂動作壓下托盤上相應的表示裝置。然后傳感器和打擊裝置離開西瓜并升起，完成一次測定。該裝置測定一個西瓜只需4s。西瓜選瓜包裝系統(tǒng)工藝流程待選潔凈機/newpage20.htm

檢測自動裝箱封箱5.2.4.利用測定聲波傳播速度確定甜瓜的成熟度經研究發(fā)現(xiàn)，隨著甜瓜的成熟，聲波在甜瓜中的傳播速度和共振頻率均將降低，而且兩者的變化趨勢完全一致。利用傳播速度來確定甜瓜成熟度，不需測定質量，與共振頻率相比，聲波傳播速度是易測定的指標(如圖5—12所示)。試驗說明，適宜食用的成熟甜瓜的聲波傳播速度為37－50m／s。://=10第三節(jié)利用電學特性的檢測技術

食品的組織、成分、結構、狀態(tài)等和它們的電特性都有著密切的關系，食品與農產品的成分、狀態(tài)或品質的檢測是研究其電特性的主要目的之一。食品與農產品電特性的變化主要表現(xiàn)在電流密度、磁導率、絕對介電常數(shù)(電容率)、電導率等方面。主要相關參數(shù):電磁波的波長：λ電阻：RΩ[oumige]ρ[rou]：電阻率電容：C復阻抗:Z*〔介于導體和絕緣體之間的物質的電特性〕例如：利用生物電特性鑒別受精蛋為何鑒別受精蛋？不浪費大量食用蛋不消耗無用的能量防止和減少細菌對正常孵化蛋的污染。

母雞產下176克巨無霸蛋破吉尼斯世界紀錄國內種蛋孵化場用的方法：人工光照法剔除無精蛋和死胚蛋，在孵化的第5天進行光照，剔出無精蛋。浪費蛋：新鮮蛋孵化72h后，就不適合加工成蛋制品，浪費大量食用蛋，消耗無用的能量，而且孵不出雛雞的蛋中的細菌又污染正常的孵化蛋。鑒別無精蛋和死胚蛋的方法/.../CONSERV/conserv-pic.html現(xiàn)代方法：光透射率、熱像圖、紅外輻射以及計算機圖像處理技術識別種蛋受精情況。生物電現(xiàn)象是生命組織普遍存在的一種生理現(xiàn)象，凡有生命的細胞都會產生生物電流。雞蛋的生物電現(xiàn)象是這一生命單元在不同時期生命活動的表現(xiàn)。研究說明，種蛋的生物電與其受精與否、雞胚雌雄性別以及蛋品新鮮度之間存在較大的相關性，可以成為鑒別和剔除無精蛋、弱精蛋和死胚蛋的一種新的技術和方法。雞蛋的生物電現(xiàn)象：雞蛋生物電檢測系統(tǒng)它包括電極、雞蛋夾緊裝置、放大器、A／D采集器、計算機和監(jiān)控示波器等。電極從蛋殼外采集的電信號送入放大器后分成兩路：一路接示波器；一路接A／D采集器。采樣后數(shù)據(jù)送入計算機，供處理分析用。．雞蛋生物電信號的測試及分析種蛋在實驗室用孵化器孵化，溫度為37.8，濕度為50％，在室溫下進行測試。檢測時，先將電極的海綿套浸入生理鹽水，將雞蛋小頭朝下插入夾緊裝置，lmin后，待示波器上顯示生命電信號后啟動A／D采集器，記錄數(shù)據(jù)。每次測定時間為2min，每天1次，持續(xù)10d，然后翻開蛋殼，檢查胚胎。受精蛋與無精蛋的生物電信號的波形有較大的差異。通過100只樣本(60只種蛋和40只無精蛋)連續(xù)10d的跟蹤觀測，發(fā)現(xiàn)無精蛋的電信號的波幅很小，其時域信號大多近乎直線；受精蛋的生物電信號較為豐富，其時域信號波形如圖3—17所示。

無精蛋的電信號的波幅很小，其時域信號大多近乎直線；受精蛋的生物電信號較為豐富，大局部受精蛋：孵化48h后，直流電位發(fā)生特征性變化，其波形呈現(xiàn)方波。無精蛋：在檢測過程中始終未測到電信號的蛋為無精蛋；孵化lOd的無精蛋的卵黃還完好，內容物緩慢地變質；弱精蛋或死胚蛋：開始檢測時有一定的信號，但經過一段時間電信號消失。孵化lOd的弱精和死胚蛋的卵黃都已渾濁，變質較快；發(fā)育正常的受精蛋卵黃也是完整的，并有豐富的血網(wǎng)膜和胚胎點。這幾類蛋的生物電特征反映了與其相應的內容物狀態(tài)。因此，根據(jù)雞蛋生物電信號的特征就可判斷雞蛋是否受精，剔出無精蛋、弱精蛋和死胚蛋。第四節(jié)：利用光學特性的檢測技術

1、概述2、可見光的檢測技術及其實例3、紫外光的檢測技術及其實例1、概述：

利用紫外、可見、紅外等光線與物體的相互作用而產生的反射、散射和吸收等現(xiàn)象，用于食品品質檢驗是20世紀60年代開始的新方法。

光學特性可以反映食品與農產品物料的：外表顏色、內部顏色、內部組成結構以及某種特定物質的含量，進而反映了食品與農產品物料的某些重要的品質指標，目前興旺國家已把光學特性檢測和分選技術應用于食品與農產品的物料質量評定和質量管理的許多方面。

在電磁波譜中常用的光有：紫外光：波長250－340nm可見光：波長在380－780nm之間紅外光：波長在0.78－1000μm之間電磁波按波長的分類及各波長區(qū)域的名稱如下圖。

應用光學特性檢測技術測定食品與農產品物料品質的最終目的：

進行自動化分級、分類和分選。如：剔除缺陷品：如損傷個體、霉變個體按某成分含量分類：如葉綠素分茶葉的新鮮度對成熟度分類：以便分別貯藏和銷售。經過自動分類的合格產品，可以獲得總體質量等級的提高。2、可見光的檢測技術及其實例對食物〔品〕含有異種、異色顆粒、變霉變質粒、機械損傷個體等產品進行檢測和分選。常規(guī)手段：方法：眼、手配合的人工分選主要特點：是生產率低、勞動力費用高、容易受主觀因素的干擾、精確度低。可見光特性進行的檢測和分選技術的優(yōu)越性：克服了手工分選的缺點，①檢查全面：能同時檢測外表品質和內部品質，且不破壞檢測個體，經過檢測和分選的產品可以直接出售或進行后續(xù)工序的處理。②精確和可靠：對產品進行全數(shù)〔100％〕的、客觀的檢測，排除了主觀因素的影響和采樣偏差；③便于實現(xiàn)在線檢測：勞動強度低，自動化程度高，生產費用降低；④機械的適應能力強：通過調節(jié)背景光或比色板，即可以處理不同的物料，生產能力大，適應了日益開展的商品市場的需要和工廠化加工的要求。

在利用可見光的特性對食品與農產品的品質進行快速無損檢測中，常用的方法主要有:

反射法折射法透射法延時發(fā)光法

常用的方法用于檢測的原理及實例原理：水果表皮的顏色可以利用光反射特性來鑒別，將一定波長的光照射水果，根據(jù)其反射光的強弱可以判別其外表顏色。

例1：左圖為某種檸檬不同成熟度的反射光譜。在波長678nm處，二者有明顯差異，可選一小段λ1－λ2進行檢測分選。/archives/cat_276706.html

是安徽祁門紅茶的反射光譜，波長在600nm以上，葉和梗的反射率相差很大，可用相應的濾光片，濾除葉和梗的反射率相差不大的一段光譜〔400－600〕，利用其反射率相差較大的一段光線進行檢測，將茶梗從茶葉中分選剔除。

有時，只采用一段光譜還難以把物料中的合格品與疵品完全分開，可采用兩段或多段光譜對物料進行檢測分選。圖4-21是三個等級的花生仁的反射光譜，采用兩段的反射光譜就可以將它們分開。

水果色選機機理：水果依次下落至色檢箱，在通過色檢箱的過程中，受到上下光線的照射。對于不同的物料，為得到適宜波長的光，可更換背景板3。從水果皮反射的光，靠箱內相隔120°配置的鏡子1反射進入到三個透鏡5，通過集光器4混合，然后分成兩路，分別通過帶有不同波長濾光片的光學系統(tǒng)，得到不同波長下的反射率，從而區(qū)別水果的顏色。光電色選機的工作原理〔選擇花生仁、米粒等〕：貯料斗中的物料由振動喂料器送入通道成單行排列，依次落入光電檢測室，在光電探測器與比色板之間通過。被選顆粒對光的反射率及比色板的反射率用光電探測器相比較，顏色的差異使光電探測器內部的電壓改變，并經放大。如果兩者的信號差異超過自動控制水平的預置值，即被存儲延時，隨即驅動氣閥，高速噴射氣流將物料吹送入旁路通道。而合格品流經光電檢測室時，檢測信號與標準信號差異微小，信號經處理判斷為正常，氣流噴嘴不動作，物料進入合格品通道。特點：單直線運動，自動上果，雙邊下果、洗果、打蠟、上光、貼果品商標，電腦程序化，顏色傳感分色，重量傳感稱重，果品輸送全部自動化，適合圓形分選，整機分部組合，固定安裝。

選果速度：20000個果/小時

分選等級：5×2×2個

分選精度：±2克/個，±0.1千克/箱(20千克)

分選重量區(qū)間：10-500克

配套動力：﹤20KW

電源：380V

體積：36×5×2.5m反射法檢測技術：

通過農產品的顏色變化，識別、評價植物或果實及它們的品質特性(包括外表的和內部的成分含量，如糖度、酸度、淀粉、蛋白質等)。

實例是光電色選機光電色選機光電色選機：是一種利用物料的光學特性將顏色不正常、外表有缺陷或內部變質的疵品及雜質從大批物料中無損檢出，并自動分選剔除的食品機械。特點：綜合應用了現(xiàn)代光學、電子學、生物學等新技術，是典型的光、機、電、液一體化的高新技術設備。應用：在食品加工、糧食加工、果蔬加工、種子加工等行業(yè)得到廣泛應用。

合肥一民營企業(yè)研發(fā)制造出“光電色選機

“光電色選機”是糧食企業(yè)中使用的高科技儀器，進口產品價格驚人。合肥市高新區(qū)內一家民營企業(yè)，近日研發(fā)制造出可替代進口產品的同類產品，而價格只有外國貨的一半(2005年11月).

電腦光電色選機

主要特點及用途：電腦自動控制、自動保護、自動故障診斷、自動報警剔除大米中的異色粒，剔除糯米中的其它米，剔除其他固體中的異色粒。技術參數(shù)：通道數(shù)：18+6，內藏二次色選產量：1.4噸/小時色選精度：99.7%色選帶出比：≤1:3供電電源：220VAC，50Hz功率：1kw/products_detail.php?id=930&kus...

美國休斯頓的德爾塔科技公司(DELTATechnologyCorporation)的色彩分選設備3、紫外光的檢測技術及其實例

紫外光的波長短、能級高，利用紫外光進行食品與農產品的無損檢測有兩種方法：直接檢測法和間接檢測法

紫外光直接檢測法：用紫外光直接檢測的方法,包括折射檢測方法、透射檢測方法和反射檢測法等。

間接檢測方法：紫外光作為鼓勵光源使被檢測對象產生二次發(fā)光的間接檢測方法。原理：紫外光－－鼓勵光源－－待測食物上－－某些化學成分和某些微生物(如霉菌毒素)－－發(fā)出熒光(或磷光)－－波長及強度與物體的構成、某些成分的含量以及鼓勵紫外光的頻率(波長)與強度(振幅)等外界因素有關。熒光激發(fā)光譜可供鑒別熒光物質及熒光測定時選擇適宜的激發(fā)光之用。激發(fā)光譜說明不同波長的激發(fā)光產生熒光的相對效率。激發(fā)光譜中最頂峰的波長，能使熒光的物質發(fā)出最強的熒光。激發(fā)光波長熒光強度熒光物質的激發(fā)光譜熒光物質有兩種特征光譜：激發(fā)光譜和熒光光譜。用不同波長的單色光〔多為紫外光〕激發(fā)熒光物質使之發(fā)光，然后測定每一波長的激發(fā)光所產生的熒光強度，并以激發(fā)光波長為橫坐標，熒光強度為縱坐標作圖，便可得到熒光物質的激發(fā)光譜。實際上，激發(fā)光譜就是熒光物質的表觀吸收光譜。我國是世界花生生產大國，面積和產量均占世界各國的前列。在國際貿易中，對花生仁的級別、品質各國都有嚴格的要求，通常從以下幾個方面來判斷其品質好壞。①花生仁的大小均勻度。②破碎粒率一般不超過4％。③表皮顏色要求均勻，不得有雜色，皮色以淡紅色或淡褐色為佳。暗紅色表皮最不受歡送，這種花生仁不易脫皮。此外，由于生長、收獲及貯藏過程中病變或受外界傷害污染，往往也造成花生仁表皮顏色的變化。④黃曲霉素B1含量。食品受黃曲霉素B1污染是造成肝癌發(fā)病高的主要原因之一，特別是花生、玉米易被污染。通常黃曲霉菌生長在少數(shù)籽粒上，只要剔除這局部籽粒即可保證總體品質。

利用紫外光的檢測技術應用1．利用紫外光－熒光檢測花生的黃曲霉素花生仁中被黃曲霉菌污染產生的黃曲霉素通常指4種黃曲霉和寄生曲霉產生的二呋喃香豆素類代謝產物，即黃曲霉素B1、黃曲霉素B2、黃曲霉素G1、黃曲霉素G2。這4種物質可以根據(jù)其在紫外光激發(fā)下產生的熒光的顏色加以區(qū)別。B(blue)指藍色熒光，G(green)指綠色熒光。其中黃曲霉素B1的毒性最大，對花生等食品與農產品的污染最嚴重。由于被黃曲霉菌污染產生的黃曲霉素B1在紫外光激發(fā)下可產生熒光，所以可以使用熒光分析的方法對其進行快速檢測。熒光越強，說明黃曲霉素的含量越高，污染越嚴重。花生仁熒光顯微觀察原理如下圖。高壓汞燈發(fā)出的線光譜經聚焦后通過一組激發(fā)濾光片，得到波長為334－365nm的紫外光束，該光束經兩向鏡(dichroic)和聚焦鏡投射在水平放置的花生仁上，其外表被激發(fā)出的熒光經450nm的截止濾光片和目鏡，進入觀察者眼中，得到清晰的熒光成像。在目鏡處觀察到的是藍色熒光，該藍光是黃曲霉素Bl發(fā)出的熒光。

花生仁外表熒光測定系統(tǒng)如圖4—32所示。150W氙燈發(fā)出的紫外光經主單色儀分光后，分成兩路：一路進入激發(fā)探測器，并通過比值法消除光源波動的影響；一路直接照射在花生仁外表，由花生仁外表產生的熒光經發(fā)射單色儀分光，并由發(fā)射探測器檢測，得到與熒光強度成正比的電壓信號。按熒光強度將物料(花生仁)分成三類：強熒光．(I類霉變嚴重仁)

弱熒光(Ⅱ類霉變較輕仁)無光(Ⅲ類正常仁)。在生產實際中人們可以選擇發(fā)射熒光的峰值處的波長，根據(jù)峰值的大小來判別花生仁的品質。

從破損的細胞中漏出果皮外表紫外光(激發(fā)光源)精油發(fā)出強熒光〔波長560nm〕

220nm和365nm兩處波長正常柑橘不釋放

利用正常部位與損傷部位的熒光發(fā)光強度的不同，通過計算機進行數(shù)據(jù)處理后即可以進行柑橘的分級。例:利用紫外線檢測柑橘的損傷

圖4—38可以看出，柑橘發(fā)出的熒光的強度按成熟果、半成熟果、未成熟果依次減弱，且峰值波長逐漸變小。其原因可以被認為隨著柑橘的成熟，精油逐漸增多，果皮一旦破損，露出外表的也多，熒光也隨之變強。另外，成熟度不同，峰值波長也隨之變化，反映出光的顏色也在變化。利用柑橘在紫外光激發(fā)下發(fā)射出的熒光光譜的峰值波長的位置和峰值的強弱，對柑橘的外表是否發(fā)生損傷以及損傷面積的大小進行定性和定量的檢測，為進一步進行分級操作提供依據(jù)。煙臺神奇的番茄樹＜單株結果高達16000＞第五節(jié)氣體傳感器檢測技術

1.概述:以前煙、酒、飲料等的品質都依靠人的感官來評定，造成很大的個體差異，所以希望找到一種客觀準確的嗅覺鑒別方法來代替人工品聞。電子鼻就是肩負著這個使命誕生的！電子鼻的定義：是指由多個性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當?shù)哪Ｊ椒诸惙椒ńM成的具有識別單一和復雜氣味能力的裝置2.工作原理信號預處理氣敏傳感器陣列模式識別氣體輸出金屬氧化物半導體傳感器聲外表波傳感器導電有機聚合物膜傳感器石英晶體諧振傳感器電化學傳感器