1、食品物質光學性質,大部分的食品是由無數細小的內部界面組成，在光學上是各向異性的。光進入這種物料后在各個方向上散射，而不是以直線方式透過物體，多次散射和重新分布是光和食品相互作用的主要特征。反射光提供了食品表面特征的信息，如顏色、表面缺陷、病變和損傷等，而光的吸收和透射則是食品內部結構組成、內部顏色和缺陷等信息的載體。對這些量的分析可以判斷食品物料的不同顏色、區(qū)分質量優(yōu)劣、指示成熟與否，從而可以對食品進行分選和質量分析。對食品光學性質的

2、測定，最大優(yōu)點就是可以實現對食品快速、無破壞、無損傷檢測。,食品物質光學性質,食品與色澤色差的概念和食品色度的檢測方法食品光物性與測定食品的光學測定原理； 利用食品光學性質的應用； 食品近紅外測定的原理和應用；,食品與色澤,食品的色澤是人的感官評價食品品質的一個重要因素。不同的食品顯現著各不相同的顏色，例如，菠菜的綠色、蘋果的紅色、胡蘿卜的橙紅色等，這些顏色是食品中原來固有的。飲食文化講究色香味俱全，其中色彩排在首位，色彩可

3、以促進人們的食欲，有色彩變化搭配的食物容易增進食欲，而單調或者雜亂無章的色彩搭配則使人倒足了胃口。不同彩色光源的照射也會對食品色彩產生很大的影響，從而引起人們不同的食欲反映，農貿市場中許多出售肉食的攤位用紅色玻璃紙包裹燈泡用紅色燈光照射食物，就是為了使肉食看上去更加新鮮，引起人的食欲。色彩與嗅覺的關系大致與味覺相同，也是由生活聯想而得。從花色聯想到花香，根據試驗心理學的報告：通常紅、黃、橙等的暖色系容易使人感到有香味，偏冷的冷色系容易

4、使人感到有腐敗的臭味。深褐色容易聯想到燒焦了的食物，感到有蛋白質烤焦的臭味。,1．物體的顏色 物質的顏色與光密切相關。按物理學的觀點，太陽輻射是一種電磁波，太陽光只是其中的一部分，它是由不同波長的光所組成的。除可見光外，還有紫外光和紅外光。,食品顏色的表征,通常，物質的顏色是物質對太陽可見光（白光）選擇性反射或透過的物理現象（物質本身的自發(fā)光也使物質產生顏色，限于篇幅，這里不做介紹）。可見光被物體反射或透射后的顏色，稱為

5、 物體色。不透明物體表面的顏色，稱為 表面色。,根據三原色學說，任何一種顏色的光，都可看成是由 藍、綠、紅 三種顏色的光按一定比例組合起來的。 “顏色視覺”是由于外界物質的輻射能刺激于人們眼睛內視膜網敏感的視覺神經中心末稍而引起的。光進入眼睛后，三種顏色的光分別作用于視膜網上的三種細胞上，產生激勵，在視神經中，這些分別產生的激勵又混合起來，產生彩色光的感覺。,食品顏色的表征,物體的顏色與照射的光源和人眼對顏色的感覺有關。由于人的生

6、理上的差別，各人對顏色的靈敏性也大不相同，因此，人對顏色的判斷帶有很大的主觀性。人類視覺的這些缺點是難以正確測定顏色的原因。,2．顏色的表示方法 為了準確地描述和表示物體的顏色，新興了一門科學 —— 色度學。色度學是研究人的顏色視覺規(guī)律，顏色測量的理論與技術的科學。在這門科學里，物體的顏色一般用色調、色彩度和明度這三種尺度來表示。 色調 表示紅、黃、綠、藍、紫等顏色特性。 色彩度 是用等明度無彩點的視知

7、覺特性來表示物體表面顏色的濃談，并給予分度。 明度 表示物體表面相對明暗的特性，是在相同的照明條件下，以白板為基準，對物體表面的視知覺特性給予的分度。 此外，還用 色差 來表示物體顏色知覺的定量差異。,食品顏色的表征,2．顏色的表示方法 使用規(guī)定的符號，按一系列規(guī)定和定義表示顏色的系統稱為色度系統（亦稱表色系統）。 為了科學地表征顏色特征，國際照明委員會（CIE—International

8、Commission on Illumination）創(chuàng)立了CIE標準色度系統。 由CIE 1931年規(guī)定的光譜三刺激值為 表示的色度系統，稱為CIE 1931標準色度系統，有時稱為20視場XYZ色度系統。 由CIE 1964年規(guī)定的光譜三刺激值為 表示的色度系統，稱為CIE 1964補充標準色度系統，有時稱為100視場X10 Y10

9、 Z10 色度系統。,食品顏色的表征,2．顏色的表示方法 在X10 Y10 Z10 色度系統中，色品（度）坐標 x10、y10、z10 按下式計算：,食品顏色的表征,式中的X10 、 Y10 、Z10 是儀器測得試樣的三刺激值。 如果兩種顏色完全一致，則限定這兩種顏色的三刺激值必須相同。其中，Y10 還表示顏色的明亮程度。,,,色度圖,色 度 圖CIE 1931年色度系統色品圖（補充件）

10、備注：① 標準照明體② 20 視場 CIE 1964年色度系統色品圖（補充件）① 標準照明體 D65② 100 視場,色品圖及樣品的標注,表示色品坐標的平面圖稱為色品（度）圖。在X10 Y10 Z10 色度系統中，以色品坐標為橫坐標，為縱坐標。圖中有波長分度的曲線，是把各單色光刺激點連接起來形成的光譜軌跡，把光譜軌跡兩端連接的直線是紫軌跡，如圖49-1所示。 從、色品圖中可見，可見光顏色分布在一個

11、色品三角形中，物體的色品值可以在色品三角形中用唯一的點來確定。但要精確地表示一個物品的顏色，必須用一個色品坐標和一個明度因子來確定。,圖49—1 X10 Y10 Z10 色度系統的色品圖,物體色測量方法的分類,顏色測量方法一般分為 光譜光度測色法 和 刺激值直讀法 兩大類。⑴ 光譜光度測色法 光譜光度測色法用光譜光度計（帶積分球的分光光度計）進行測定，測量波長的范圍一般為380～780ｎｍ，不能小于400～700ｎｍ。

12、試樣測量結果是單色光與透過率或反射率的對應數據，需按公式經復雜的計算才能得出三刺激值和色品坐標值。⑵ 刺激值直讀法 刺激值直讀法用光電類測色儀器進行測定，這類儀器利用具有特定光譜靈敏度的光電積分元件，能直接測量物體的三刺激值或色品坐標，因而稱之為光電積分儀器。光電積分儀器包括光電色度計和色差計等。① 光電色度計 光電色度計是一種測量光源色和由儀器外部照明的物體色的光電積分測色儀器，用光電池、光電管或光電倍增管做探

13、測器，每臺儀器由3個或4個探測器將光信號變?yōu)殡娦盘栠M行輸出，得出待測色的三刺激值或色度坐標。,② 色差計 色差計是利用儀器內部的標準光源照明來測量透射色或反射色的光電積分測色儀器，一般由照明光源、探測器、放大調節(jié)、儀表讀數或數字顯示、數據運算處理等部分組成。通常用3個探測器將光信號轉變?yōu)殡娦盘栠M行輸出，得出待測色的三刺激值或色度坐標；還可以通過模擬計算電路或連機的電子計算機給出兩個物體色的色差值。因此，這是一種操作簡便的實用測

14、色儀器。,物體色測量方法的分類,SC-80色彩色差計的儀器結構⑴ 主機 ⑵ 液晶顯示器 ⑶操作鍵盤 ⑷ 光學測試頭 ⑸ 可升降的測試臺 ⑹ 電源開關 ⑺ 電源線插座 ⑻ 保險管 ⑼ 打印機插座 ⑽ 連接電纜插座 ⑾ 支架 ⑿ 鎖緊丁 ⒀ 樣品架 ⒁ 擋光板 ⒂ 光欄,SC-80輕便色彩色差計的測試條件及有關數據,,,標準照明體D65 相關色溫約為65

15、04K的平均晝光。 視場 當頭和眼睛不動時，被觀察物的立體角范圍。,照明余觀察條件 ， 在GB 3979中規(guī)定有 o/d 和 d/o 兩種幾何光學條件。,試樣要求與制備,待測試樣可以是陶瓷墻地磚、平板玻璃等成型制品，也可以是水泥等粉末狀制品。 ⑴ 塊狀樣品的制備 對于成型制品，每批取樣一般不少于三塊（件）。①       試樣切

16、割 對于陶瓷墻地磚，用切割機將其切成６.５×６.５ｃｍ的小塊做試樣。對于玻璃，用玻璃刀將其切成６.５×６.５ｃｍ的小塊做試樣。試樣切割之后，檫凈備用。②       試樣處理 在一般情況下不必烘樣。如果試樣受潮影響其測量結果時，應將其置于105～110℃的干燥箱中烘1小時。取出后置于干燥器中冷卻到室溫備用。,,試樣要求與制備,⑵ 粉狀試

17、樣板的制備 采用恒壓粉體壓樣器，將待測粉體試樣壓制成粉體試樣板。試樣板的表面應平整、無紋理、無疵點和無污點。每批待測試樣（產品）須壓制三塊試樣板。,恒壓粉體壓樣器,試樣板,裝料壓樣,五. 彩 色 試 樣 的 測 試,㈠．反射樣品的測量 對于陶瓷墻地磚、不透明的玻璃試樣塊及粉體試樣板的測量。,㈡．透射樣品的測量 對于透明玻璃或其他透明體的測量。,數據記錄與數據處理,國家標準GB 11942-89指出：“本標準采

18、用國際照明委員會（CIE）1964和1931標準色度系統的三刺激值和色品坐標表示結果。也可以用CIE 1976 L*、a*、b*色度空間或主波長（補色波長）和興奮純度表示結果”。因此，測定記錄與數據處理應包括這些內容。 雖然用 SC-80色彩色差計 進行測定時，測定結果可由打印機打出，但打印結果不直觀，而且是每個樣品打印一次，為清楚起見，可按右表的形式將幾個樣品的數據進行整理記錄。,食品色度檢測,這里主要介紹色差概念和檢測儀器。

19、CIELAB表色系統是1976年國際照明協會，簡稱CIE)制定的均勻色立體表色系統，主要組成如圖9一28所示。表色系統中立軸代表明度，用L*表示，稱為明度指數，L*=100表示白色，L*=0表示黑色，中間有100個等級，代表不同的灰度。與立軸垂直的平面分為4個象限，由紅綠線和黃藍線劃分。+a*代表紅色，-a*代表綠色，+b*代表黃色，-b*代表藍色。a*、b*稱為彩度指數，c*稱為彩度，h稱為色調角。a*、b*、c*絕對值越大，色彩越

20、飽和，越純正。,食品色度檢測,實際上，CIELAB表色系統是一個橢球體，在橢球體上任意一點都代表一種顏色，因此，由下式即可算出任意兩點的色差ΔE*ab。ΔE*ab與實際觀測對應情況如表9一6所示。,食品的光學測定原理,光通過介質時，一部分在界面上被反射，一部分被介質吸收，另一部分被介質散射，余下部分按一定折射方向繼續(xù)前進(這部分也可以叫做透射光)。因此，通過介質透出的光強度必然比入射光弱。同時，由于不同波長的光在介質中的傳播速度不同，

21、因而同一介質對不同波長的光，有不同的折射率，所以一束白光或復合光在折射時，只要入射角不為零，則不同波長的光，將按不同的折射角而散開，稱之為色散。由此可見，光的吸收、散射、反射和色散是光在介質中傳播時所發(fā)生的普遍現象。除此之外，還有熒光和延遲發(fā)光特性。,光的吸收,光通過任何介質都有不同程度的被吸收。物質對光的吸收有選擇性。同一介質對不同波長(不同顏色)的光的吸收程度不等。無色透明物質，例如玻璃，對可見光(波長在400一800nm之間)吸收

22、很少。通常lcm厚的玻璃對可見光只吸收約1%，但玻璃對紫外線吸收較為顯著。石英對紫外線吸收不多，而對紅外線吸收性較強。一般有色透明體，例如紅色玻璃對紅、橙色光吸收較弱(透過較多)，而對其他色光吸收較強。諸如這類現象稱為透明介質對光的選擇透射。相對來說，也就是選擇吸收。當綠色或藍色光投入紅色玻璃片，則紅色玻璃片呈現非透明現象。,光的吸收,設強度為I的某種光，通過厚度為dx的某種均勻介質層，因被介質吸收部分光能量而使強度減少dI，如圖9一1

23、所示，朗伯（Lambert），指出(dI/ I)與吸收層厚度dx成正比，即有,光的吸收,式中aλ與介質性質和光波的波長有關，稱為該介質對該種光的吸收系數。當介質總厚度為x，原入射光強度為I0，通過整個介質以后的光強度為I，將上式積分，得,光的吸收,上式即為朗伯定律的數學表達式。對于選擇吸收的物質來說，在吸收波段內，aλ可以很大，aλ越大，表示吸收越強。實驗證明，稀溶液對光的吸收系數aλ與其濃度c成正比，即有aλ＝kic的關系，式中ki

24、為決定于吸收物質的分子特性，而與濃度無關的另一常數。,根據光在溶液中的被吸收的程度，可以決定溶液的濃度，這就是吸收光譜分析的原理。此式稱為比爾定律。,反射光特性的測定,定義反射率R＝Iτ/I1，Iτ為反射光強度，I1為入射光強度。反射光密度Dτ的定義式為利用反射光密度差來進行反射光特性的測定。兩個特定波長的反射光密度差為△Dτ，則式中，R1和R2分別為兩個特定波長的光對物體表面的反射率。如果選定兩個波長入射光的強度近似相等，則反射

25、光密度差為,透光特性的測定,I0 = Ia + It + Ir,透射光的強度 It與入射光的強度I0的比值稱為透光率,透光率愈大，溶液對光的吸收愈少,透光率的負對數稱為 吸光度 A(absorbance),吸光度愈大，溶液對光的吸收愈多。,透光特性的測定,光密度Dλ=－lg T，為透光率倒數的對數。A為特定情況下的光密度。,食品光學性質的應用,光透過特性的測定方法和應用 測定裝置 光密度差的求出與兩種波長的選擇 利用光密度比測

26、定 透光測定法在食品品質評價上的應用 光反射特性的測定方法和應用 延遲發(fā)光現象的利用,測定裝置,檢測食品的光透過特性或光反射特性所用儀器最典型的構造，由以下部分組成:光源、光譜分離器、光波檢測器、示波器、記錄儀等。光源:一般采用標準白光源，提供可見光范圍的連續(xù)光譜。光譜分離器:可以把特定波長光分離出來的部件。到達試樣的光的純度或特性取決于分光手段，一般分光手段采用棱鏡或衍射光柵作的單色儀，也可以使用濾光鏡達到同樣效果。光波

27、檢測器:檢測器選擇時要考慮到反應速度、光譜響應、靈敏度、雜波水平、電阻抗、尺寸、價格等因素。一般測定透光或反射光的檢測器，在可見光領域常用硫化鉛光敏電阻。示波器、記錄儀:把檢測器感知的信號放大，并且顯示、記錄。,測定裝置,溫州蜜橘光密度差測定結果,為了提高測定精度，如前文所述，在測定光密度差時要選擇兩種特定波長的光。一種波長應該是對于待測成分的變化十分敏感;一種波長相反，應是對待測成分變化幾乎沒有反應。由于兩波長一般都對試樣尺寸、光源

28、，檢測器等因素的變化反應敏感，故后一種波長就作為參照波長，用來抵消這些因素的影響。例如，根據溫州蜜橘顏色選果時，所使用的兩種波長分別為681.5nm和700nm，那么得到的△D值與葉綠素含量有著很好的相關關系[圖9一5(a)]。如圖9一5(b)所示，即使橘果的大小有差異，但對△D值幾乎沒有影響。也就是說，使用這兩種波長光測定時，果實的尺寸即使大小不齊，也可以完成顏色選果。,溫州蜜橘光密度差測定結果,利用光密度比測定,當測定厚度不同的果實

29、時，為了消除果實尺寸的影響，可以利用兩個不同波長的光密度比進行測定。其理由如下:根據朗伯定律，I2=I1e-αλδ，αλ為吸收系數，δ為試樣厚度。D＝lg(I1/I2)＝αλδ/2.303，當分別用波長為單色光測定同一試樣的D時，D(λ1)/D(λ2)=αλ1/αλ2，即在關系式中不會出現厚度。,透光法在食品品質評價上的應用,透光測定法是食品無損檢測的一種常用方法，比較典型的應用有:果蔬成熟度的檢測、谷類水分含量測定，玉米霉變損傷檢測

30、、碎米程度、食品顏色、雞蛋內血絲混入的檢測等。應用這種方法的前提是，食品中與光透過有關的物質或色素，必須和食品的品質指標有好的相關性。例如，測定果實的成熟度，是利用了果實中含有的葉綠素量與成熟度明顯相關這一規(guī)律。另外有關的物質還有花青素昔類、胡蘿卜素等。,透光法在食品品質評價上的應用,果實內部的空洞、褐變、病變等可以通過透光法測定。例如對蘋果的糖蜜病，由于蜜病區(qū)細胞間的空隙充滿了水，因此，對入射光擴散減少，D值也減少。如圖9一6所示，

31、使用水吸收峰值的760nm和810nm兩個波，即可發(fā)現糖蜜病變。對于蘋果內部的褐變，如圖9-7所示，隨褐變加重，D增加。采用的基本波長為600nm和740nm。,透光法在食品品質評價上的應用,光反射特性的測定方法和應用,圖9一9表示測定光的反射率時光源、物料和檢測器的配置方法，陰影部分表示測定光近似通過的區(qū)域。,光反射特性的測定方法和應用,測定反射率時一般是將一束光同時照射到物料樣品和一個標準的白色參照表面(一層氧化鎂)上，并對它們反射

32、光強度進行比較，以確定反射率，如圖9一10所示。由光源A發(fā)出的光經三棱鏡B色散，并被C分隔成一個狹窄的波長范圍。通過狹縫的光束被涂銀的鏡片D分成兩束相同強度的光束。通過鏡片D的光束投射到一個標準的白色氧化鎂表面上，而由鏡片D反射的光束被鏡片E再反射到試樣表面。,光反射特性的測定方法和應用,圖9一11是一些食品物料的光反射率特性曲線的實例。不同物料之間光譜特性曲線的差異主要是由于物料吸收特性的差異。由圖9一11可見，反射率曲線有若干明顯的

33、吸收帶。這些吸收帶存在于高含水量的物料中，如蘋果、馬鈴薯和肉，而干的土塊卻沒有。由此可見，這是水的吸收帶。其波長約為970nm,1190nm和1450nm,大多數在紅外線范圍內。根據該特性我們可用紅外線照射的方法測得其含水量。由圖9一11還可看出，在波長約為675nm時綠蘋果有一個明顯的吸收帶，而紅蘋果的吸收帶則不太明顯。這是葉綠素的吸收帶，由于隨著物料成熟度提高，葉綠素含量下降，因此綠蘋果比紅蘋果的吸收帶明顯得多。根據這種分析，我們

34、可用675nm波長的光照射物料，以測定物料葉綠素含量，從而可以確定物料的成熟度。,延遲發(fā)光現象的利用,番茄、柿子和橘子在白熾光激勵下的延遲發(fā)光光譜曲線，如圖9一15、圖9一16和圖9一17所示。由圖可見，延遲發(fā)光強度的峰值是在波長為650一750nm范圍內，該光譜范圍正好是在紅光光譜區(qū)域。因此，在測定裝置中所選擇的光電管應對紅光有良好的響應。激勵光源采用白熾燈或熒光燈均可得到良好的延遲發(fā)光輸出。,按分光系統分類,固定波長濾光片型,光柵色

35、散型,快速傅立葉變換型,聲光可調濾光器,陣列檢測型,近紅外光譜分析儀器,食品 酒制品、飲料、調味品、乳制品、食用油、烘焙食品、肉類等 成分鑒別、產地鑒別、真?zhèn)舞b別,農牧 谷類作物、煙草、咖啡、水果、蔬菜、茶葉等 成分鑒別、成熟度、品質分級、品種鑒定、產地鑒別、真?zhèn)舞b別,石油煉制 原油、天然氣、汽油等

36、 成分鑒別、重整,近紅外光譜技術的應用,優(yōu)點：（1）快速，通常30秒內就可給出分析結果，可進行在線分析； （2）制樣簡單； （3）信息量大，可同時測定多組分； （4）經定標建模后，無須用其他常規(guī)化學分析手段，不使用有毒有機 試劑，無污染； （5）非破壞性分析，可實現產品的無損質量檢測； （6

37、）可使用光纖，從而可實現遠程分析檢測。,缺點：（1）建立模型需要大量有代表性且化學值已知的樣品； （2）模型需要不斷的維護改進 ； （3）近紅外測定精度與參比分析精度直接相關，在參比方法精度不夠的情況下，無法得到滿意結果。,近紅外光譜分析技術的優(yōu)缺點,近紅外光譜譜區(qū)示意圖,,分子的不同振動形式,對稱伸縮振動---非對稱伸縮振動---搖擺振動---搖擺振動---彎曲振動---剪切振動,,不同化

38、合物基團在近紅外區(qū)的吸收譜帶,,透射光譜法,透射光譜法就是把待測樣品置于作用光與檢測器之間，檢測器所檢測到的分析光是作用光通過樣品體與樣品分子相互作用后的光，若樣品是透明的真溶液，則分析光在樣品中經過的路程一定，透射光的強度與樣品組分濃度由比耳定律決定。,,反射光譜法,反射光譜分析時，檢測器與光源置于待測樣品的同一側，檢測器檢測到的分析光是光源發(fā)出的作用光投射到物體后，以各種方式反射回來的光。物體對光的反射分為規(guī)則反射光（鏡面反射）與漫

39、反射。規(guī)則反射光指在物體表面按入射角等于反射角的反射定律發(fā)生的反射。漫反射是光投向漫反射體（顆?；蚍勰┖?，在物體表面或內部發(fā)生的方向不定的反射。,,定性分析,近紅外光譜定性分析利用模式識別與聚類的一些算法，主要用于鑒定。在模式識別運算時需要有一組用于計算機“學習”的樣品集，通過計算機運算，得出學習樣品在數學空間的范圍，對未知樣品運算后，若也在此范圍內，則該樣品屬于學習樣品集類型，反之則否定。聚類運算時不需學習樣品集，它通過待分析樣品的

40、光譜特征，根據光譜近似程度進行分類。,,定量分析,近紅外光譜分析與其它吸收光譜按照比耳定律作定量分析類似。作常規(guī)光譜定量分析時，需要建立光譜參數與樣品含量間的關系（標準曲線）。但對復雜樣品作近紅外光譜定量分析時，為了解決近紅外譜區(qū)重疊與譜圖測定不穩(wěn)定的問題，必須充分應用全光譜的信息。,,近紅外光譜定量分析的流程與步驟,,傅立葉近紅外分析儀器,德國布魯克公司在 2001 年推出的 真正非接觸式在線傅立葉近紅外分析儀器： MATRIX-E,

41、,食品近紅外測定的原理和應用,食品的外觀、色彩、內部狀態(tài)檢測在可見光范圍可通過反射、透過、延遲發(fā)光等光學特性測定來完成。對食品中水分、蛋白質、碳水化合物、脂質等一般成分的評價，近年來，應用近紅外線、微波、甚至核磁共振等方法受到越來越多的重視。尤其是近紅外線技術，在食品的非破壞檢測方面取得較大進步。,食品近紅外測定的原理和應用,大豆的近紅外吸收光譜如圖9一22所示。其中水的吸收波長為1.94μm。水以外還有蛋白質、脂質、淀粉等成分對吸收光