食品物性學(xué)

1、食品物質(zhì)光學(xué)性質(zhì),大部分的食品是由無(wú)數(shù)細(xì)小的內(nèi)部界面組成，在光學(xué)上是各向異性的。光進(jìn)入這種物料后在各個(gè)方向上散射，而不是以直線方式透過(guò)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(nèi)部結(jié)構(gòu)組成、內(nèi)部顏色和缺陷等信息的載體。對(duì)這些量的分析可以判斷食品物料的不同顏色、區(qū)分質(zhì)量?jī)?yōu)劣、指示成熟與否，從而可以對(duì)食品進(jìn)行分選和質(zhì)量分析。對(duì)食品光學(xué)性質(zhì)的

2、測(cè)定，最大優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)食品快速、無(wú)破壞、無(wú)損傷檢測(cè)。,食品物質(zhì)光學(xué)性質(zhì),食品與色澤色差的概念和食品色度的檢測(cè)方法食品光物性與測(cè)定食品的光學(xué)測(cè)定原理； 利用食品光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用； 食品近紅外測(cè)定的原理和應(yīng)用；,食品與色澤,食品的色澤是人的感官評(píng)價(jià)食品品質(zhì)的一個(gè)重要因素。不同的食品顯現(xiàn)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(lái)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(jìn)人們的食欲，有色彩變化搭配的食物容易增進(jìn)食欲，而單調(diào)或者雜亂無(wú)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(huì)對(duì)食品色彩產(chǎn)生很大的影響，從而引起人們不同的食欲反映，農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)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(jué)的關(guān)系大致與味覺(jué)相同，也是由生活聯(lián)想而得。從花色聯(lián)想到花香，根據(jù)試驗(yàn)心理學(xué)的報(bào)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(lián)想到燒焦了的食物，感到有蛋白質(zhì)烤焦的臭味。,1．物體的顏色 物質(zhì)的顏色與光密切相關(guān)。按物理學(xué)的觀點(diǎn)，太陽(yáng)輻射是一種電磁波，太陽(yáng)光只是其中的一部分，它是由不同波長(zhǎng)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(zhì)的顏色是物質(zhì)對(duì)太陽(yáng)可見光（白光）選擇性反射或透過(guò)的物理現(xiàn)象（物質(zhì)本身的自發(fā)光也使物質(zhì)產(chǎn)生顏色，限于篇幅，這里不做介紹）?？梢姽獗晃矬w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(jù)三原色學(xué)說(shuō)，任何一種顏色的光，都可看成是由 藍(lán)、綠、紅 三種顏色的光按一定比例組合起來(lái)的。 “顏色視覺(jué)”是由于外界物質(zhì)的輻射能刺激于人們眼睛內(nèi)視膜網(wǎng)敏感的視覺(jué)神經(jīng)中心末稍而引起的。光進(jìn)入眼睛后，三種顏色的光分別作用于視膜網(wǎng)上的三種細(xì)胞上，產(chǎn)生激勵(lì)，在視神經(jīng)中，這些分別產(chǎn)生的激勵(lì)又混合起來(lái)，產(chǎn)生彩色光的感覺(jué)。,食品顏色的表征,物體的顏色與照射的光源和人眼對(duì)顏色的感覺(jué)有關(guān)。由于人的生

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

7、覺(jué)特性來(lái)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(duì)明暗的特性，是在相同的照明條件下，以白板為基準(zhǔn)，對(duì)物體表面的視知覺(jué)特性給予的分度。 此外，還用 色差 來(lái)表示物體顏色知覺(jué)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(hào)，按一系列規(guī)定和定義表示顏色的系統(tǒng)稱為色度系統(tǒng)（亦稱表色系統(tǒng)）。 為了科學(xué)地表征顏色特征，國(guó)際照明委員會(huì)（CIE—International

8、Commission on Illumination）創(chuàng)立了CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)。 由CIE 1931年規(guī)定的光譜三刺激值為 表示的色度系統(tǒng)，稱為CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)，有時(shí)稱為20視場(chǎng)XYZ色度系統(tǒng)。 由CIE 1964年規(guī)定的光譜三刺激值為 表示的色度系統(tǒng)，稱為CIE 1964補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)，有時(shí)稱為100視場(chǎng)X10 Y10

9、 Z10 色度系統(tǒng)。,食品顏色的表征,2．顏色的表示方法 在X10 Y10 Z10 色度系統(tǒng)中，色品（度）坐標(biāo) x10、y10、z10 按下式計(jì)算：,食品顏色的表征,式中的X10 、 Y10 、Z10 是儀器測(cè)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(tǒng)色品圖（補(bǔ)充件）

10、備注：① 標(biāo)準(zhǔn)照明體② 20 視場(chǎng) CIE 1964年色度系統(tǒng)色品圖（補(bǔ)充件）① 標(biāo)準(zhǔn)照明體 D65② 100 視場(chǎng),色品圖及樣品的標(biāo)注,表示色品坐標(biāo)的平面圖稱為色品（度）圖。在X10 Y10 Z10 色度系統(tǒng)中，以色品坐標(biāo)為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)。圖中有波長(zhǎng)分度的曲線，是把各單色光刺激點(diǎn)連接起來(lái)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(gè)

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(diǎn)來(lái)確定。但要精確地表示一個(gè)物品的顏色，必須用一個(gè)色品坐標(biāo)和一個(gè)明度因子來(lái)確定。,圖49—1 X10 Y10 Z10 色度系統(tǒng)的色品圖,物體色測(cè)量方法的分類,顏色測(cè)量方法一般分為 光譜光度測(cè)色法 和 刺激值直讀法 兩大類。⑴ 光譜光度測(cè)色法 光譜光度測(cè)色法用光譜光度計(jì)（帶積分球的分光光度計(jì)）進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量波長(zhǎng)的范圍一般為380～780ｎｍ，不能小于400～700ｎｍ。

12、試樣測(cè)量結(jié)果是單色光與透過(guò)率或反射率的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，需按公式經(jīng)復(fù)雜的計(jì)算才能得出三刺激值和色品坐標(biāo)值。⑵ 刺激值直讀法 刺激值直讀法用光電類測(cè)色儀器進(jìn)行測(cè)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(cè)量物體的三刺激值或色品坐標(biāo)，因而稱之為光電積分儀器。光電積分儀器包括光電色度計(jì)和色差計(jì)等。① 光電色度計(jì) 光電色度計(jì)是一種測(cè)量光源色和由儀器外部照明的物體色的光電積分測(cè)色儀器，用光電池、光電管或光電倍增管做探

13、測(cè)器，每臺(tái)儀器由3個(gè)或4個(gè)探測(cè)器將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行輸出，得出待測(cè)色的三刺激值或色度坐標(biāo)。,② 色差計(jì) 色差計(jì)是利用儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)光源照明來(lái)測(cè)量透射色或反射色的光電積分測(cè)色儀器，一般由照明光源、探測(cè)器、放大調(diào)節(jié)、儀表讀數(shù)或數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理等部分組成。通常用3個(gè)探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行輸出，得出待測(cè)色的三刺激值或色度坐標(biāo)；還可以通過(guò)模擬計(jì)算電路或連機(jī)的電子計(jì)算機(jī)給出兩個(gè)物體色的色差值。因此，這是一種操作簡(jiǎn)便的實(shí)用測(cè)

14、色儀器。,物體色測(cè)量方法的分類,SC-80色彩色差計(jì)的儀器結(jié)構(gòu)⑴ 主機(jī) ⑵ 液晶顯示器 ⑶操作鍵盤 ⑷ 光學(xué)測(cè)試頭 ⑸ 可升降的測(cè)試臺(tái) ⑹ 電源開關(guān) ⑺ 電源線插座 ⑻ 保險(xiǎn)管 ⑼ 打印機(jī)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(jì)的測(cè)試條件及有關(guān)數(shù)據(jù),,,標(biāo)準(zhǔn)照明體D65 相關(guān)色溫約為65

15、04K的平均晝光。 視場(chǎng) 當(dāng)頭和眼睛不動(dòng)時(shí)，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(xué)條件。,試樣要求與制備,待測(cè)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(duì)于成型制品，每批取樣一般不少于三塊（件）。①       試樣切

16、割 對(duì)于陶瓷墻地磚，用切割機(jī)將其切成６.５×６.５ｃｍ的小塊做試樣。對(duì)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(cè)量結(jié)果時(shí)，應(yīng)將其置于105～110℃的干燥箱中烘1小時(shí)。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(cè)粉體試樣壓制成粉體試樣板。試樣板的表面應(yīng)平整、無(wú)紋理、無(wú)疵點(diǎn)和無(wú)污點(diǎn)。每批待測(cè)試樣（產(chǎn)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(cè) 試,㈠．反射樣品的測(cè)量 對(duì)于陶瓷墻地磚、不透明的玻璃試樣塊及粉體試樣板的測(cè)量。,㈡．透射樣品的測(cè)量 對(duì)于透明玻璃或其他透明體的測(cè)量。,數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11942-89指出：“本標(biāo)準(zhǔn)采

18、用國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）1964和1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的三刺激值和色品坐標(biāo)表示結(jié)果。也可以用CIE 1976 L*、a*、b*色度空間或主波長(zhǎng)（補(bǔ)色波長(zhǎng)）和興奮純度表示結(jié)果”。因此，測(cè)定記錄與數(shù)據(jù)處理應(yīng)包括這些內(nèi)容。 雖然用 SC-80色彩色差計(jì) 進(jìn)行測(cè)定時(shí)，測(cè)定結(jié)果可由打印機(jī)打出，但打印結(jié)果不直觀，而且是每個(gè)樣品打印一次，為清楚起見，可按右表的形式將幾個(gè)樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理記錄。,食品色度檢測(cè),這里主要介紹色差概念和檢測(cè)儀器。

19、CIELAB表色系統(tǒng)是1976年國(guó)際照明協(xié)會(huì)，簡(jiǎn)稱CIE)制定的均勻色立體表色系統(tǒng)，主要組成如圖9一28所示。表色系統(tǒng)中立軸代表明度，用L*表示，稱為明度指數(shù)，L*=100表示白色，L*=0表示黑色，中間有100個(gè)等級(jí)，代表不同的灰度。與立軸垂直的平面分為4個(gè)象限，由紅綠線和黃藍(lán)線劃分。+a*代表紅色，-a*代表綠色，+b*代表黃色，-b*代表藍(lán)色。a*、b*稱為彩度指數(shù)，c*稱為彩度，h稱為色調(diào)角。a*、b*、c*絕對(duì)值越大，色彩越

20、飽和，越純正。,食品色度檢測(cè),實(shí)際上，CIELAB表色系統(tǒng)是一個(gè)橢球體，在橢球體上任意一點(diǎn)都代表一種顏色，因此，由下式即可算出任意兩點(diǎn)的色差ΔE*ab。ΔE*ab與實(shí)際觀測(cè)對(duì)應(yīng)情況如表9一6所示。,食品的光學(xué)測(cè)定原理,光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，一部分在界面上被反射，一部分被介質(zhì)吸收，另一部分被介質(zhì)散射，余下部分按一定折射方向繼續(xù)前進(jìn)(這部分也可以叫做透射光)。因此，通過(guò)介質(zhì)透出的光強(qiáng)度必然比入射光弱。同時(shí)，由于不同波長(zhǎng)的光在介質(zhì)中的傳播速度不同，

21、因而同一介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光，有不同的折射率，所以一束白光或復(fù)合光在折射時(shí)，只要入射角不為零，則不同波長(zhǎng)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(zhì)中傳播時(shí)所發(fā)生的普遍現(xiàn)象。除此之外，還有熒光和延遲發(fā)光特性。,光的吸收,光通過(guò)任何介質(zhì)都有不同程度的被吸收。物質(zhì)對(duì)光的吸收有選擇性。同一介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)(不同顏色)的光的吸收程度不等。無(wú)色透明物質(zhì)，例如玻璃，對(duì)可見光(波長(zhǎng)在400一800nm之間)吸收

22、很少。通常lcm厚的玻璃對(duì)可見光只吸收約1%，但玻璃對(duì)紫外線吸收較為顯著。石英對(duì)紫外線吸收不多，而對(duì)紅外線吸收性較強(qiáng)。一般有色透明體，例如紅色玻璃對(duì)紅、橙色光吸收較弱(透過(guò)較多)，而對(duì)其他色光吸收較強(qiáng)。諸如這類現(xiàn)象稱為透明介質(zhì)對(duì)光的選擇透射。相對(duì)來(lái)說(shuō)，也就是選擇吸收。當(dāng)綠色或藍(lán)色光投入紅色玻璃片，則紅色玻璃片呈現(xiàn)非透明現(xiàn)象。,光的吸收,設(shè)強(qiáng)度為I的某種光，通過(guò)厚度為dx的某種均勻介質(zhì)層，因被介質(zhì)吸收部分光能量而使強(qiáng)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(zhì)性質(zhì)和光波的波長(zhǎng)有關(guān)，稱為該介質(zhì)對(duì)該種光的吸收系數(shù)。當(dāng)介質(zhì)總厚度為x，原入射光強(qiáng)度為I0，通過(guò)整個(gè)介質(zhì)以后的光強(qiáng)度為I，將上式積分，得,光的吸收,上式即為朗伯定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)于選擇吸收的物質(zhì)來(lái)說(shuō)，在吸收波段內(nèi)，aλ可以很大，aλ越大，表示吸收越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證明，稀溶液對(duì)光的吸收系數(shù)aλ與其濃度c成正比，即有aλ＝kic的關(guān)系，式中ki

24、為決定于吸收物質(zhì)的分子特性，而與濃度無(wú)關(guān)的另一常數(shù)。,根據(jù)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(cè)定,定義反射率R＝Iτ/I1，Iτ為反射光強(qiáng)度，I1為入射光強(qiáng)度。反射光密度Dτ的定義式為利用反射光密度差來(lái)進(jìn)行反射光特性的測(cè)定。兩個(gè)特定波長(zhǎng)的反射光密度差為△Dτ，則式中，R1和R2分別為兩個(gè)特定波長(zhǎng)的光對(duì)物體表面的反射率。如果選定兩個(gè)波長(zhǎng)入射光的強(qiáng)度近似相等，則反射

25、光密度差為,透光特性的測(cè)定,I0 = Ia + It + Ir,透射光的強(qiáng)度 It與入射光的強(qiáng)度I0的比值稱為透光率,透光率愈大，溶液對(duì)光的吸收愈少,透光率的負(fù)對(duì)數(shù)稱為 吸光度 A(absorbance),吸光度愈大，溶液對(duì)光的吸收愈多。,透光特性的測(cè)定,光密度Dλ=－lg T，為透光率倒數(shù)的對(duì)數(shù)。A為特定情況下的光密度。,食品光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用,光透過(guò)特性的測(cè)定方法和應(yīng)用 測(cè)定裝置 光密度差的求出與兩種波長(zhǎng)的選擇 利用光密度比測(cè)

26、定 透光測(cè)定法在食品品質(zhì)評(píng)價(jià)上的應(yīng)用 光反射特性的測(cè)定方法和應(yīng)用 延遲發(fā)光現(xiàn)象的利用,測(cè)定裝置,檢測(cè)食品的光透過(guò)特性或光反射特性所用儀器最典型的構(gòu)造，由以下部分組成:光源、光譜分離器、光波檢測(cè)器、示波器、記錄儀等。光源:一般采用標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)光分離出來(lái)的部件。到達(dá)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(dá)到同樣效果。光波

27、檢測(cè)器:檢測(cè)器選擇時(shí)要考慮到反應(yīng)速度、光譜響應(yīng)、靈敏度、雜波水平、電阻抗、尺寸、價(jià)格等因素。一般測(cè)定透光或反射光的檢測(cè)器，在可見光領(lǐng)域常用硫化鉛光敏電阻。示波器、記錄儀:把檢測(cè)器感知的信號(hào)放大，并且顯示、記錄。,測(cè)定裝置,溫州蜜橘光密度差測(cè)定結(jié)果,為了提高測(cè)定精度，如前文所述，在測(cè)定光密度差時(shí)要選擇兩種特定波長(zhǎng)的光。一種波長(zhǎng)應(yīng)該是對(duì)于待測(cè)成分的變化十分敏感;一種波長(zhǎng)相反，應(yīng)是對(duì)待測(cè)成分變化幾乎沒(méi)有反應(yīng)。由于兩波長(zhǎng)一般都對(duì)試樣尺寸、光源

28、，檢測(cè)器等因素的變化反應(yīng)敏感，故后一種波長(zhǎng)就作為參照波長(zhǎng)，用來(lái)抵消這些因素的影響。例如，根據(jù)溫州蜜橘顏色選果時(shí)，所使用的兩種波長(zhǎng)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(guān)關(guān)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(duì)△D值幾乎沒(méi)有影響。也就是說(shuō)，使用這兩種波長(zhǎng)光測(cè)定時(shí)，果實(shí)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(cè)定結(jié)果,利用光密度比測(cè)定,當(dāng)測(cè)定厚度不同的果實(shí)

29、時(shí)，為了消除果實(shí)尺寸的影響，可以利用兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光密度比進(jìn)行測(cè)定。其理由如下:根據(jù)朗伯定律，I2=I1e-αλδ，αλ為吸收系數(shù)，δ為試樣厚度。D＝lg(I1/I2)＝αλδ/2.303，當(dāng)分別用波長(zhǎng)為單色光測(cè)定同一試樣的D時(shí)，D(λ1)/D(λ2)=αλ1/αλ2，即在關(guān)系式中不會(huì)出現(xiàn)厚度。,透光法在食品品質(zhì)評(píng)價(jià)上的應(yīng)用,透光測(cè)定法是食品無(wú)損檢測(cè)的一種常用方法，比較典型的應(yīng)用有:果蔬成熟度的檢測(cè)、谷類水分含量測(cè)定，玉米霉變損傷檢測(cè)

30、、碎米程度、食品顏色、雞蛋內(nèi)血絲混入的檢測(cè)等。應(yīng)用這種方法的前提是，食品中與光透過(guò)有關(guān)的物質(zhì)或色素，必須和食品的品質(zhì)指標(biāo)有好的相關(guān)性。例如，測(cè)定果實(shí)的成熟度，是利用了果實(shí)中含有的葉綠素量與成熟度明顯相關(guān)這一規(guī)律。另外有關(guān)的物質(zhì)還有花青素昔類、胡蘿卜素等。,透光法在食品品質(zhì)評(píng)價(jià)上的應(yīng)用,果實(shí)內(nèi)部的空洞、褐變、病變等可以通過(guò)透光法測(cè)定。例如對(duì)蘋果的糖蜜病，由于蜜病區(qū)細(xì)胞間的空隙充滿了水，因此，對(duì)入射光擴(kuò)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(gè)波，即可發(fā)現(xiàn)糖蜜病變。對(duì)于蘋果內(nèi)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(zhǎng)為600nm和740nm。,透光法在食品品質(zhì)評(píng)價(jià)上的應(yīng)用,光反射特性的測(cè)定方法和應(yīng)用,圖9一9表示測(cè)定光的反射率時(shí)光源、物料和檢測(cè)器的配置方法，陰影部分表示測(cè)定光近似通過(guò)的區(qū)域。,光反射特性的測(cè)定方法和應(yīng)用,測(cè)定反射率時(shí)一般是將一束光同時(shí)照射到物料樣品和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的白色參照表面(一層氧化鎂)上，并對(duì)它們反射

32、光強(qiáng)度進(jìn)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(jīng)三棱鏡B色散，并被C分隔成一個(gè)狹窄的波長(zhǎng)范圍。通過(guò)狹縫的光束被涂銀的鏡片D分成兩束相同強(qiáng)度的光束。通過(guò)鏡片D的光束投射到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)定方法和應(yīng)用,圖9一11是一些食品物料的光反射率特性曲線的實(shí)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(méi)有。由此可見，這是水的吸收帶。其波長(zhǎng)約為970nm,1190nm和1450nm,大多數(shù)在紅外線范圍內(nèi)。根據(jù)該特性我們可用紅外線照射的方法測(cè)得其含水量。由圖9一11還可看出，在波長(zhǎng)約為675nm時(shí)綠蘋果有一個(gè)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(jù)這種分析，我們

34、可用675nm波長(zhǎng)的光照射物料，以測(cè)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(xiàn)象的利用,番茄、柿子和橘子在白熾光激勵(lì)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(qiáng)度的峰值是在波長(zhǎng)為650一750nm范圍內(nèi)，該光譜范圍正好是在紅光光譜區(qū)域。因此，在測(cè)定裝置中所選擇的光電管應(yīng)對(duì)紅光有良好的響應(yīng)。激勵(lì)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(tǒng)分類,固定波長(zhǎng)濾光片型,光柵色

35、散型,快速傅立葉變換型,聲光可調(diào)濾光器,陣列檢測(cè)型,近紅外光譜分析儀器,食品 酒制品、飲料、調(diào)味品、乳制品、食用油、烘焙食品、肉類等 成分鑒別、產(chǎn)地鑒別、真?zhèn)舞b別,農(nóng)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(zhì)分級(jí)、品種鑒定、產(chǎn)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(shù)的應(yīng)用,優(yōu)點(diǎn)：（1）快速，通常30秒內(nèi)就可給出分析結(jié)果，可進(jìn)行在線分析； （2）制樣簡(jiǎn)單； （3）信息量大，可同時(shí)測(cè)定多組分； （4）經(jīng)定標(biāo)建模后，無(wú)須用其他常規(guī)化學(xué)分析手段，不使用有毒有機(jī) 試劑，無(wú)污染； （5）非破壞性分析，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的無(wú)損質(zhì)量檢測(cè)； （6

37、）可使用光纖，從而可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分析檢測(cè)。,缺點(diǎn)：（1）建立模型需要大量有代表性且化學(xué)值已知的樣品； （2）模型需要不斷的維護(hù)改進(jìn) ； （3）近紅外測(cè)定精度與參比分析精度直接相關(guān)，在參比方法精度不夠的情況下，無(wú)法得到滿意結(jié)果。,近紅外光譜分析技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),近紅外光譜譜區(qū)示意圖,,分子的不同振動(dòng)形式,對(duì)稱伸縮振動(dòng)---非對(duì)稱伸縮振動(dòng)---搖擺振動(dòng)---搖擺振動(dòng)---彎曲振動(dòng)---剪切振動(dòng),,不同化

38、合物基團(tuán)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(cè)樣品置于作用光與檢測(cè)器之間，檢測(cè)器所檢測(cè)到的分析光是作用光通過(guò)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(jīng)過(guò)的路程一定，透射光的強(qiáng)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(shí)，檢測(cè)器與光源置于待測(cè)樣品的同一側(cè)，檢測(cè)器檢測(cè)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(lái)的光。物體對(duì)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（顆粒或粉末）后，在物體表面或內(nèi)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(shí)別與聚類的一些算法，主要用于鑒定。在模式識(shí)別運(yùn)算時(shí)需要有一組用于計(jì)算機(jī)“學(xué)習(xí)”的樣品集，通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，得出學(xué)習(xí)樣品在數(shù)學(xué)空間的范圍，對(duì)未知樣品運(yùn)算后，若也在此范圍內(nèi)，則該樣品屬于學(xué)習(xí)樣品集類型，反之則否定。聚類運(yùn)算時(shí)不需學(xué)習(xí)樣品集，它通過(guò)待分析樣品的

40、光譜特征，根據(jù)光譜近似程度進(jìn)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(shí)，需要建立光譜參數(shù)與樣品含量間的關(guān)系（標(biāo)準(zhǔn)曲線）。但對(duì)復(fù)雜樣品作近紅外光譜定量分析時(shí)，為了解決近紅外譜區(qū)重疊與譜圖測(cè)定不穩(wěn)定的問(wèn)題，必須充分應(yīng)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(guó)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(cè)定的原理和應(yīng)用,食品的外觀、色彩、內(nèi)部狀態(tài)檢測(cè)在可見光范圍可通過(guò)反射、透過(guò)、延遲發(fā)光等光學(xué)特性測(cè)定來(lái)完成。對(duì)食品中水分、蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂質(zhì)等一般成分的評(píng)價(jià)，近年來(lái)，應(yīng)用近紅外線、微波、甚至核磁共振等方法受到越來(lái)越多的重視。尤其是近紅外線技術(shù)，在食品的非破壞檢測(cè)方面取得較大進(jìn)步。,食品近紅外測(cè)定的原理和應(yīng)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(zhǎng)為1.94μm。水以外還有蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、淀粉等成分對(duì)吸收光