光學(xué)、高光譜和 X 射線成像以及光譜學(xué)用于不同類(lèi)型的食品檢測(cè)，從肉類(lèi)分級(jí)到發(fā)現(xiàn)異物。

 

ALBERT TU, HAMAMATSU CORP.

 

十年前，糧食供應(yīng)對(duì)世界上大多數(shù)人來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，但今天世界正面臨糧食危機(jī)。多種因素導(dǎo)致了這個(gè)問(wèn)題，包括最近的供應(yīng)鏈問(wèn)題、交付和勞動(dòng)力短缺以及世界各地的沖突。除了維持穩(wěn)定的食品供應(yīng)外，生產(chǎn)商還越來(lái)越多地致力于創(chuàng)造可持續(xù)的流程，在保持質(zhì)量的同時(shí)減少浪費(fèi)。

 

早期檢查可以創(chuàng)造安全的食品并減少資源浪費(fèi)。由濱松光子學(xué)公司提供。

 

提供安全、優(yōu)質(zhì)的食品需要對(duì)食品進(jìn)行檢查。過(guò)去，人們依靠人類(lèi)的感官來(lái)根據(jù)食物的外觀、氣味和質(zhì)地來(lái)判斷食物。但使用當(dāng)今更先進(jìn)的檢測(cè)方法，不僅可以根據(jù)顏色、質(zhì)地、水分含量和內(nèi)部特征對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)，還可以根據(jù)脂肪、糖分甚至葡萄糖水平等成分對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)，而不會(huì)損壞食品。憑借許多可用的檢測(cè)技術(shù)，光學(xué)和基于 X 射線的方法一直是最有效和最可靠的方法之一。有幾種主要方法，從機(jī)器視覺(jué)到光譜學(xué)再到高光譜成像（一種提供空間和光譜信息的技術(shù)），可以為特定過(guò)程發(fā)現(xiàn)最有效的檢測(cè)方法。

 

從人到機(jī)器

 

幾十年前，大多數(shù)食品供應(yīng)商都在使用人工對(duì)食品進(jìn)行分類(lèi)。隨著產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)，傳送帶被用于食品加工，由于準(zhǔn)確性和成本問(wèn)題，人類(lèi)視覺(jué)變得不再可行。檢查員很容易被相似的顏色和形狀混淆，他們無(wú)法識(shí)別產(chǎn)品表皮或包裝下的缺陷。沿著傳送帶傳送的大量農(nóng)產(chǎn)品也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

 

這些問(wèn)題迫使食品供應(yīng)商從人工分揀轉(zhuǎn)向自動(dòng)化機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。機(jī)器視覺(jué)提供了許多優(yōu)勢(shì)。例如，涉及可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光以及 X 射線的各種成像方法可用于各種級(jí)別的檢查。此外，公司可以在產(chǎn)品進(jìn)入消費(fèi)者手中之前減少食品檢驗(yàn)和包裝中的錯(cuò)誤，還可以追蹤過(guò)程問(wèn)題發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)，從而節(jié)省確定過(guò)程中哪個(gè)部分出錯(cuò)所花費(fèi)的時(shí)間和金錢(qián)。

 

挑剔的形狀和大小

 

帶有在線食品檢測(cè)軟件的高速 CCD 和 CMOS 相機(jī)已經(jīng)使用了數(shù)十年，以成功識(shí)別凹痕、劃痕和霉菌。這種相機(jī)還可以幫助根據(jù)顏色、形狀和大小對(duì)食物進(jìn)行分級(jí)。

 

在檢查質(zhì)量或污染證據(jù)時(shí)，食品的外觀帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)——取決于食品的體積和傳送帶的速度——因此需要具有高分辨率的在線高速相機(jī)。對(duì)于更高級(jí)的檢測(cè)，不同的多線相機(jī)，例如 RGB 三線和 RGB NIR 四線，可以同時(shí)捕獲光譜。根據(jù)工作環(huán)境，IP69K 或更高的防塵防水等級(jí)將是有益的。可見(jiàn)成像的優(yōu)點(diǎn)包括識(shí)別外觀缺陷，如劃痕和凹痕，以及按形狀和大小對(duì)物體進(jìn)行分級(jí)的能力。

 

次表面缺陷

 

非可見(jiàn)成像，例如使用砷化銦鎵 (InGaAs) 相機(jī)的短波紅外 (SWIR)，可提供典型 CCD 或 CMOS 相機(jī)無(wú)法提供的信息。非可見(jiàn)成像通常使用 InGaAs 相機(jī)，因?yàn)樗鼈冊(cè)?900 到 2500 nm 范圍內(nèi)具有高靈敏度。與幾十年前 InGaAs 制造技術(shù)處于起步階段不同，今天的制造商提供高分辨率、高速 InGaAs 相機(jī)，無(wú)需冷卻。

 

不可見(jiàn)成像的優(yōu)點(diǎn)包括能夠檢測(cè)水分含量，例如農(nóng)產(chǎn)品上的瘀傷，以及辨別異物，例如咖啡豆或大米等顏色相似的食物中的巖石。不可見(jiàn)成像還可以在塑料和紙張等薄表面下成像，或檢查包裝密封的質(zhì)量。

 

使用不同的波長(zhǎng)進(jìn)行成像會(huì)收集不同的信息。InGaAs：砷化銦鎵。由濱松光子學(xué)公司提供。

 

在生產(chǎn)線中戰(zhàn)略性地放置可見(jiàn)和不可見(jiàn)機(jī)器視覺(jué)，使它們能夠提供不同的信息——例如，用于檢查農(nóng)產(chǎn)品。根據(jù)提供的從外觀到內(nèi)部瘀傷的特征信息，可以對(duì)新鮮農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行分類(lèi)，將優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品保留給消費(fèi)者，而將外部損傷的農(nóng)產(chǎn)品用于加工食品或肥料。這個(gè)過(guò)程可以最大限度地減少來(lái)自農(nóng)場(chǎng)的產(chǎn)品的浪費(fèi)。

 

用于地下檢查的 X 射線

 

雖然可見(jiàn)和不可見(jiàn)機(jī)器視覺(jué)用于外觀或地下檢查，但 X 射線成像是檢查內(nèi)部特征的最可靠方法。盡管 X 射線成像主要用于醫(yī)療應(yīng)用和行李安全，但 X 射線檢測(cè)對(duì)于檢查食品行業(yè)的質(zhì)量變得越來(lái)越必要。

 

戰(zhàn)略性地放置使用不同方法的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)可以節(jié)省企業(yè)的時(shí)間和金錢(qián)，并為消費(fèi)者提供高質(zhì)量和安全的食品。金屬探測(cè)器經(jīng)常被用作內(nèi)部食品檢測(cè)的質(zhì)量檢查，但它們的檢測(cè)能力僅限于金屬物體，其靈敏度會(huì)根據(jù)金屬的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率而有所不同。然而，X 射線成像可以以非常高的靈敏度檢測(cè)金屬、玻璃、塑料、骨骼和貝殼。X 射線可以揭示異物的形狀、大小和位置。

 

在線 X 射線食品檢測(cè)是通過(guò)在傳送帶上移動(dòng)物體，同時(shí)使用 X 射線線掃描相機(jī)以非常高的速度逐行掃描來(lái)進(jìn)行的。這些相機(jī)有多種長(zhǎng)度（最長(zhǎng) 1 m）、速度和分辨率，以滿(mǎn)足食品加工商的生產(chǎn)線和質(zhì)量保證要求。然后將高動(dòng)態(tài)范圍的 X 射線圖像輸入計(jì)算機(jī)，由各種軟件程序執(zhí)行自動(dòng)缺陷識(shí)別。

 

X 射線成像的優(yōu)點(diǎn)包括透視厚表面和高速檢測(cè)內(nèi)部非常小的物體，以及識(shí)別包裝內(nèi)的物體或檢查包裝密封的質(zhì)量。

 

在檢查雞或魚(yú)體內(nèi)的骨頭等混合物質(zhì)物體時(shí)，可以使用雙能 X 射線來(lái)實(shí)現(xiàn)高靈敏度。這種在線食品檢測(cè)技術(shù)僅使用單個(gè) X 射線源與雙能 X 射線線掃描相機(jī)相結(jié)合，可以從 X 射線光譜中檢測(cè)兩個(gè)能級(jí)。操作員可以根據(jù)質(zhì)量保證標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整閾值設(shè)置，并且可以在自動(dòng)缺陷識(shí)別軟件中處理圖像。

 

食品復(fù)合材料的光譜學(xué)

 

食物主要由水、脂肪、蛋白質(zhì)和碳水化合物以及許多微量成分組成。可以表明質(zhì)量和安全性的食品特性（例如外觀、顏色、風(fēng)味和質(zhì)地）取決于食品系統(tǒng)內(nèi)的分子結(jié)構(gòu)以及分子內(nèi)和分子間的相互作用。為了識(shí)別和測(cè)量食品的分子成分，從而確定其質(zhì)量和安全性，食品供應(yīng)商可以求助于光譜學(xué)。

 

光譜學(xué)是基于分子信息評(píng)估食品質(zhì)量的最成功的技術(shù)之一。食品供應(yīng)商不依賴(lài)人類(lèi)感官——主觀判斷外觀、顏色和其他食品特性——而是使用光譜學(xué)來(lái)生成定量數(shù)據(jù)。在內(nèi)置光譜庫(kù)的幫助下，光譜使食品供應(yīng)商更容易識(shí)別食品的關(guān)鍵成分，量化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可用于衡量食品質(zhì)量。此外，光譜學(xué)需要最少的樣品制備或不需要樣品制備，從而可以對(duì)單個(gè)或多個(gè)樣品進(jìn)行快速和在線分析。

 

近紅外 (NIR) 光譜是了解營(yíng)養(yǎng)、新鮮度和成熟度信息的關(guān)鍵。在 NIR 光譜中可檢測(cè)到的食物成分示例如上表所示。

 

市場(chǎng)上有許多 NIR 光譜儀，包括將寬帶鹵素?zé)艚M合到手持式 Fabry-Pérot 干涉儀中的 NIR 光譜儀，其波長(zhǎng)范圍從 1350 到 2150 nm。該設(shè)備允許用戶(hù)執(zhí)行反射或透射測(cè)量，以表征有關(guān)食品質(zhì)量的重要信息，而無(wú)需進(jìn)行樣品制備，例如識(shí)別乳制品中的脂肪、蛋白質(zhì)和水分含量。

 

對(duì)于水果和蔬菜，確定成熟度和含糖量不僅可以提供有關(guān)田間施肥的信息，還可以根據(jù)含糖量和成熟度對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)。

 

用于分類(lèi)的高光譜成像

 

高光譜成像是一種技術(shù)，它結(jié)合了相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，以識(shí)別空間信息，如大小和形狀，與光譜儀的優(yōu)點(diǎn)，識(shí)別光譜信息，如糖含量或水分含量。這種技術(shù)提供了多種類(lèi)型的信息，是區(qū)分異物、識(shí)別脂肪含量或檢測(cè)不需要的摻假物質(zhì)的好工具。

 

由于高光譜成像系統(tǒng)的工作方式類(lèi)似于使用數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)個(gè)光譜儀，因此在圖像的每個(gè)像素處提供反射光的化學(xué)特征，衍射光柵和圖像傳感器性能起著關(guān)鍵作用。在每個(gè)范圍內(nèi)，實(shí)際上收集了數(shù)百個(gè)光譜帶，因此針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行微調(diào)并具有高靈敏度和足夠動(dòng)態(tài)范圍的光柵可在食品沿著檢測(cè)線移動(dòng)時(shí)提供精確信息。

 

SWIR高光譜成像

 

在 SWIR 中運(yùn)行的高光譜成像系統(tǒng)還可用于根據(jù)人眼可能無(wú)法檢測(cè)到或傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)相機(jī)可能無(wú)法測(cè)量的特征對(duì)肉類(lèi)、家禽或魚(yú)類(lèi)進(jìn)行分級(jí)。此外，SWIR 高光譜成像可以幫助識(shí)別和量化食品的化學(xué)成分，根據(jù)分析的每種復(fù)合材料的不同波長(zhǎng)或光譜指紋提供營(yíng)養(yǎng)、脂肪百分比、糖含量和新鮮度等信息。例如，無(wú)人機(jī)上的 SWIR 高光譜相機(jī)可以幫助測(cè)量樹(shù)上生長(zhǎng)的蘋(píng)果的含糖量，并在收獲季節(jié)前預(yù)測(cè)蘋(píng)果的等級(jí)和質(zhì)量。

 

高光譜成像傳感器代表了機(jī)器視覺(jué)行業(yè)的一項(xiàng)強(qiáng)大技術(shù)，其中需要超越傳統(tǒng)顏色的精度。食品檢驗(yàn)是一項(xiàng)關(guān)鍵應(yīng)用。

 

肉質(zhì)

 

分級(jí) 肉質(zhì)分級(jí)涉及眾多因素，而脂肪始終是最重要的兩個(gè)因素之一。可以通過(guò)多種方式檢查大理石花紋，而使用高光譜成像可以更容易地識(shí)別或鑒定大量肉類(lèi)。高光譜成像可以識(shí)別純脂肪、含有大理石花紋或瘦肉的部分。它還能夠識(shí)別骨片是否在肉內(nèi)。

 

為食品供應(yīng)商創(chuàng)建可持續(xù)的商業(yè)周期目前很困難，涉及供應(yīng)有限和其他供應(yīng)鏈問(wèn)題。在流程之前、期間或之后避免更多的資源浪費(fèi)可能是關(guān)鍵。戰(zhàn)略性地放置使用不同方法的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)可以節(jié)省企業(yè)的時(shí)間和金錢(qián)，并為消費(fèi)者提供高質(zhì)量和安全的食品。