食品质量和安全是近年来引起广泛关注的话题，消费者越来越意识到食品质量和成分不仅对个人营养状况有影响，而且还与整体幸福感
相关联， 食品生产的处方问题变得很重要。另一方面，不同类型的过敏和不耐症是很常见的，消费者选择无麸质、无乳糖的有机食品
作为日常工作餐也变得很常见。除了消费者越来越多的要求外，食品生产商也有法律义务保证其产品的质量和安全。这需要先进的分析
方法来支持新产品的开发，以满足这些消费者需要和法定要求，同时也能提供愉快的感官体验。在食品生产中，需要快速的监测和控制
生产，以确保一致的质量和安全。因此，食品生产过程的控制必须在非常短的时间内完成，生产过程中的任何错误都可能导致产品报
废、销售损失，并有可能危及客户安全，所有这些都有可能升级为消费者的重大财产损失和健康问题。而使用Specim高光谱相机则能
胜任这项分析工作。
利用高光谱技术更好地控制食品成分和质量
食品质量和安全是近年来引起广泛关注的话题，消费者越来越意识到食品质量和成分不仅对个人营养状况有影响，而且还与整体幸福感
相关联，食品生产的处方问题变得很重要。另一方面，不同类型的过敏和不耐症是很常见的，普通消费者选择无麸质、无乳糖的有机食
品作为日常工作餐也变得很常见。除了消费者越来越多的要求外，食品生产商也有法律义务保证其产品的质量和安全。这需要先进的分
析方法来支持新产品的开发，以满足这些消费者需要和法定要求，同时也提供愉快的感官体验。在食品生产中，需要快速的方法来监测
和控制生产，以确保统一的质量和安全。因此，食品生产过程的控制必须在非常短的时间内完成；生产过程中的任何错误都可能导致产
品报废、销售损失，并有可能危及客户安全；所有这些都有可能升级为消费者的重大财产损失和健康问题。
从实验室到线上
有几种技术方法可用于监测食品质量。不过，其中许多是需要在实验室进行分析，这是劳动密集型的工作且很可能会非常缓慢，分析过
程可能需要几个小时、几天甚至是几周的时间，从开始测量到收到分析结果。 此外，样品经常在检测过程中被破坏。
高光谱成像在SWIR（短波红外）区域用于食品检测的优势
短波红外(SWIR)光谱技术是一种快速、无损的检测方法，已经在食品工业实验室和在线监测中得到广泛应用。该技术可以测定样品的
组分(如水分含量、蛋白质含量等)以及物理特征(如:研磨颗粒物的直径)。食品中的许多相关化学键会吸收SWIR (900 - 2500 nm)范围
内的特定波长的光。这些吸收特征揭示了样品的化学性质，可以用光谱法进行检测。该方法是分析均匀样品(如面粉)平均成分的理想方
法。对于更复杂的产品，光谱学的缺点是每次只能提供样品中单点的信息。
高光谱成像(HSI)将光谱学与成像能力相结合。这项技术提供了对复合或异质食品逐像素同时分析的可能性。作为一种成像技术，高光
谱成像不需要接触样品，具有良好的校准模型，可实时提供分析结果。
单个吸光度带的测量或全光谱的校准提供了有关成分的信息，这些信息可以在图像中绘制出来，以测量成分(如水分或脂肪)的分布。高
光谱成像还可以为非成像技术难以进行的复杂、多组分产品分析提供解决方案。
高光谱传感器提供数百个波段的信息。这提供了不同化学键的多重重叠吸光度带的数据，使校准能够针对与食品生产相关的特定分析
物。虽然与RGB成像相比，这是信息量上的一个主要优势，但它也带来了挑战。用户(或应用程序的创建者)必须知道哪些波段是目标波
段，哪些可以被记录下来进行分析，哪些可以被忽略。
Specim作为高光谱成像领域的先驱，在过去的21年里一直在提供高光谱传感器。在此期间，高光谱成像技术已经从主要应用于航空和
军事领域的高科技技术发展为高度有趣的具有挑战性的工业应用技术。早期的HSI检测技术还不够成熟，记录速度太慢，无法满足在线
生产的要求。在过去的几年中，HIS进步是巨大的，今天的高光谱相机可以达到每秒钟数千帧的速度和不到毫秒的曝光时间。
Campden BRI是食品行业高光谱分析服务的先驱
Campden BRI是一家总部位于英国的公司，其历史可以追溯到1919年，当时它作为水果和蔬菜保鲜研究站开业。如今，Campden
BRI是全球最大的会员制食品和饮料研究机构，在近80个国家拥有2400多名会员。会员包括Arla Foods Ltd.、家乐氏(Kellogg 's)、可
口可乐(Coca-Cola)、亨氏(Heinz)和雀巢（Nestlé）。
十年前，Campden BRI决定探索HSI提供的机遇，以加强他们的食品分析方法，和扩大他们的食品成像能力。“SWIR光谱技术已经在
农业食品领域建立起来，可以快速分析食品及其成分。高光谱成像为这种方法的新应用提供了机会，并提供了一种独特的方法来测量，
例如，在复杂的食品样品中水分和脂肪的分布”，Campden BRI首席科学家Martin Whitworth博士说，他负责领导图像分析的研
究。
对于在线生产，短的成像时间是关键要求之一。即使在离线分析和产品开发中，由于有用于照明样品的强外部光源，较短的成像时间也
是一个关键要求:短的曝光时间是必需的，以避免样品干燥或熔化等情况。
基于这些标准，Campden BRI决定选择推扫式HSI，因为它所用的成像时间很短。
推扫式 HSI一次检测窄图像线的全光谱，并随着生产线的移动扫描整个样品。由于一次只成像一条狭窄的线，成像时间可以减少到毫秒
级。
当Campden BRI开始寻找符合他们标准的解决方案时，他们头脑中有一套清晰的方案。他们选择了一台specim 的SWIR相机。“它必
须工作在900 – 2500nm，它必须是能用在各种产品尺寸上的相机，它必须在几秒钟内完成测量，它必须可以在不同的生产地点使用。
我们已经使用这个传感器9年了。”
如今，Campden BRI已经为食品行业提供高光谱成像分析服务10年了。
该系统已广泛应用于面包、饼干、谷物、肉类、鱼类、糖果和油炸食品等多种产品。一个常见的应用是测量产品中的水分分布，或研究
生产条件(如烘烤)对最终产品水分均匀性的影响，或测量在货架期内水分分布的变化。这对于具有不同水活度的多种成分的产品尤其重
要，例如高水分填充的低水分产品。另一个应用是研究油炸产品中的脂肪分布。
Campden BRI的大部分工作是针对单个食品制造商的正式分析。在一些情况下，这涉及使用专门为这个客户产品开发的校准。许多客
户使用该服务来支持产品开发工作，使他们能够从生产试验中评估产品的质量。样品通常被送到Campden BRI的实验室，或者仪器可
以被运送到客户现场，对生产线上新鲜的样品进行分析。
除了为产品开发提供帮助外，这还使客户能够评估该方法对计划的在线应用的适用性，并帮助确定所需仪器的规格。选择推扫式系统的
另一个关键因素是，能够将实验室中使用的方法应用到在线应用中。
食品分析的应用实例
高光谱成像技术使用光谱数据来识别和分类图像中不同成分的特征。对于许多食品应用来说，该方法的最大好处是它是一种定量分析仪
器，可以测量特定化合物的浓度。这是通过将HSI图像与传统方法对一系列校准样品所做的参考测量值进行比较，建立校准模型来实现
的。有许多不同的算法(最小二乘，支持向量机，神经网络等)来建立这些校准模型，将样本中的所需参数映射到HSI数据输出。
根据被分析物的不同，不同的吸收峰对于校正是特别重要的。例如，结晶蔗糖在1435 nm处有一个特征吸收峰，脂类含有ch2键，吸光
带在1724和1762 nm处，水分子中的OH键有几个SWIR吸光度，包括在1925 nm处。在某些情况下，可以使用这些特定波长的图像进
行定性评估。然而，最好的结果是使用多元校准的波长，包括性质的相关选择的吸光度波段是未知的，或有多个重叠波段。
建立标定模型后，可直接用于未知样品的HIS成像，或是生产线上的样品，快速映射这些参数。下面给出了一些例子。
面包水分分布
水分分布是许多食品的一个重要属性，它影响食品的质地和有利于微生物活动的条件。水分在保质期内会发生变化，因此与产品的新鲜
度有关。分布并不总是均匀的，但如果没有成像技术，这是很难检测到的。
下图显示了Campden BRI的一项研究中新鲜白面包片中的水分分布。首先进行标定，然后将该模型应用于实际样品。图中紫色和蓝色
表示含水率低，黄色和红色表示含水率高。很容易看到，面包的水分含量在向中心方向迅速增加，而外层的水分含量非常低。
基于Campden BRI的研究，高光谱成像还可以用于检测复合材料产品中的水分迁移，这比单组分产品更具挑战性。
巧克力棒成分
由于高光谱成像在一个样品上提供每个像素的信息，它是多组分产品组合映射的理想方法。某些属性，如脂肪、水分或结晶蔗糖，在
SWIR范围内具有清晰的光谱特征。通过对参考样品进行校正，可以进行定量测量。完全定量测量需要为每个组件开发单独的校准。这
适用于需要定期分析同一类型样品的应用。然而，对于短期应用，或在没有参考样品的地方，即使没有完全校准，也可以获得有用的比
较信息。下面是一个商业巧克力棒的比较研究的例子。全面的校准需要获得每一种成分材料的参考样品。然而，通过绘制特定吸收带的
强度，可以进行有用的比较。
下图显示了三个吸光度带的分布图。CH2的一个带通常与脂肪含量的差异有关，另一个带通常与结晶蔗糖的存在有关，OH吸光度带通
常与水分含量的差异有关。脂肪含量高的区域显示为红色，而结晶蔗糖和水分分别显示为绿色和蓝色。组件的组合显示为混合的颜色。
果仁呈暗红色，表明脂肪含量高，焦糖呈蓝色或紫色，表明水分含量高，但脂肪含量不同。巧克力呈绿色、黄色或橙色，表明脂肪和结
晶蔗糖的不同组合;可以看出，这些不同的商业产品。为了进行更详细的分析或在线检测，可以对这些特性进行定量校准，比如面包中
的水分。
未来潜力巨大
高光谱成像技术正在兴起，许多公司正在评估其在在线生产中的应用。随着高光谱成像技术越来越成熟，越来越为人所知，越来越多的
用户可以使用高光谱成像技术。像Campden BRI这样的公司在向更广泛的受众提供有关这项技术的能力的信息，以及提供如何应用它
的方法方面发挥着重要作用。Campden BRI还可以为食品制造商进行初步试验，使他们能够评估该方法的适用性。
您可以通过我们的官方网站了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532。
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