熱成像在食品工業(yè)的運用研討
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本文作者：王雪瑩、羅佳麗、黃明亮、蔣和體 單位：西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院
微型輻射熱測量器是敏感的紅外探測器，當(dāng)受到被測物的紅外輻射時，攝像系統(tǒng)能夠?qū)⒈粶y物體發(fā)射的8~12μm波段的紅外射線轉(zhuǎn)化為電子信號、進而轉(zhuǎn)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(zhì)都可以應(yīng)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(zhǔn)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(shù)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(guān)性質(zhì)，如結(jié)構(gòu)組成、尺寸、理化性質(zhì)、動力學(xué)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(shù)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圖每秒，非常適于測定熱性質(zhì)變化迅速的物體[6]。
熱成像技術(shù)在食品工業(yè)中的研究現(xiàn)狀
熱成像技術(shù)在熱處理中的應(yīng)用。溫度的控制、監(jiān)測不僅是預(yù)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(shù)在內(nèi)的一些無觸點式測量方法和成像技術(shù)也以其高頻率和高分辨率的優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用[7]。熱處理有助于多種食品風(fēng)味物質(zhì)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(dǎo)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(shù)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(nèi)部受熱、損傷程度。該系統(tǒng)基于熱成像技術(shù)，結(jié)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(jié)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(shù)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(zhì)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(gòu)建統(tǒng)計學(xué)模型，借助熱成像技術(shù)測溫后進一步估算出雞肉蒸煮后的內(nèi)部溫度。此外，該技術(shù)可以用于微波加熱過程的設(shè)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(shù)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(shù)還可以改善水果熱消耗、提升其質(zhì)量品質(zhì)。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(xué)，繼而確定水果的最終干燥點，建立其在線質(zhì)量控制系統(tǒng)。此外，熱成像技術(shù)可以檢測食品的加熱效率、通風(fēng)情況、空氣條件和制冷效果，追蹤食品生產(chǎn)中的潛在空氣污染源等[19]。
熱成像技術(shù)在果蔬采后質(zhì)量控制方面的應(yīng)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(zhì)，造成較大的經(jīng)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(shù)在采后果蔬質(zhì)量控制方面發(fā)展快速[20、21、22]。目前，熱成像技術(shù)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(yīng)進行檢測。自然對流的方式在1980年已經(jīng)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(shù)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(shù)與高光譜技術(shù)聯(lián)用可有效檢測果實的早期機械傷[25]。結(jié)果表明受損組織與正常組織在30~180s內(nèi)至少存在1~2℃的溫差，機械傷檢出率為100%，該方法可廣泛應(yīng)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(zhì)量和蠟質(zhì)層結(jié)構(gòu)，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(zhì)層結(jié)構(gòu)相關(guān)，但是該指標(biāo)在貯藏期間卻并無顯著差異[26]熱成像技術(shù)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?！八牟 笔翘O果生理病害中的一種，病果內(nèi)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(yù)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(jié)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(guān)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(shù)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(jié)合果實的熱輻射系數(shù)（估值0.9）來補償熱力圖像。分析結(jié)果表明樹冠和果實的溫差在下午四點至午夜時間段內(nèi)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(shù)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。
熱成像技術(shù)在谷物質(zhì)量安全評估上的應(yīng)用。病蟲害、微生物侵染是影響谷物質(zhì)量安全的重要因素，食品在貨架期和貯藏期內(nèi)的病蟲害檢測至關(guān)重要，這不僅與食品安全規(guī)范相關(guān)，也關(guān)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(zhǔn)確判斷侵染昆蟲的具體生長時期[32]，熱成像技術(shù)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(shù)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(shù)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(guān)，該研究結(jié)果可進一步應(yīng)用于谷物的在線連續(xù)檢測。此外，熱成像技術(shù)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]。
熱成像技術(shù)在異物檢測方面的應(yīng)用。異物檢測是食品質(zhì)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(xué)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(shù)通過熱力性質(zhì)的差異區(qū)分食品和異物，該技術(shù)在異物檢測方面是一種輔助方法，是光學(xué)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(zhì)、組成和圖像的噪音有關(guān)[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(shù)在該檢測領(lǐng)域的有效性。
熱成像技術(shù)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(shù)在食品工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，然而該技術(shù)在食品質(zhì)量在線檢測方面的應(yīng)用還需克服一些局限性。首先，熱成像技術(shù)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(zhì)[42]。因此，熱成像檢測系統(tǒng)的設(shè)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(nèi)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(yīng)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(jīng)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(zhǔn)此類像素。
作為食品工業(yè)中一項新興的質(zhì)量安全評估技術(shù)，現(xiàn)代熱成像技術(shù)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(yīng)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(shù)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(fù)合技術(shù)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(lǐng)域的相關(guān)研究尚處在試驗階段，未來的研究應(yīng)該注重其在工業(yè)中的具體應(yīng)用。