物料的光學(xué)特性

第二章食品的光學(xué)特性研究食品物質(zhì)的光學(xué)特性可了解它們的一些其它特征，例如成熟度、內(nèi)部缺陷、組成物含量等。精確地測(cè)定它們的光學(xué)特性，為物料的質(zhì)量評(píng)定和分級(jí)提供重要的工程參數(shù)。本章主要討論反射率、透光率、延遲發(fā)光等光學(xué)特性以及它們?cè)谑称饭こ讨械膶?shí)際應(yīng)用．食品的光學(xué)性質(zhì)是指食品物質(zhì)對(duì)光的吸收、反射及其對(duì)感官反映的性質(zhì)。1通過(guò)光學(xué)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)食品的成分測(cè)定:

食品的成分雖說(shuō)可以通過(guò)化學(xué)分析的方法測(cè)定，但因?yàn)槠涑煞值淖兓梢砸饘?duì)光的吸收、反射、折射、衍射、輻射等性質(zhì)的變化，而光的測(cè)定又具有快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單和無(wú)破壞等特點(diǎn)。所以，無(wú)論在儀器分析還是在生產(chǎn)線檢測(cè)上，光學(xué)性質(zhì)的研究都發(fā)揮著重要作用。研究的內(nèi)容

2食品色澤的研究顏色和色澤是反映食品品質(zhì)的重要物理性質(zhì)，尤其生鮮食品，色澤往往成為判斷其新鮮程度、成熟與否和品質(zhì)的重要指標(biāo)，但用語(yǔ)言表達(dá)色澤模糊，用儀器測(cè)定的指標(biāo)代替，成為物性學(xué)的新內(nèi)容。第一節(jié)光在物料中的傳播及其相互作用

當(dāng)一束光照到物體上時(shí)部分入射光被表面反射，其余的光透進(jìn)物體中。進(jìn)入物體中的光有的被物體吸收，有的被反射回表面，只有少部分光透過(guò)物料。被物體吸收的光有一部分可能轉(zhuǎn)變成另一種形式的射線，如熒光和延遲發(fā)光等。因此，反射、吸收、透光和發(fā)光等構(gòu)成了物料的光學(xué)特性。這些射線能量的大小是與物體的特性及入射能大小有關(guān)，

因此測(cè)定物體的這些光學(xué)特性即可了解物體的其它特性。大部食品物料是由無(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)方向散射，而不能以直線方式透過(guò)物體光在水果物料中的傳播當(dāng)一束光照到水果上時(shí)大約只有4％的入射能被物料表面反射,這一部分反射稱作常規(guī)反射。其余射線透過(guò)表面并和細(xì)胞結(jié)構(gòu)中無(wú)數(shù)隨機(jī)定向的微觀界面相遇，使其向各個(gè)方向散射。大部分射線將散射回到表面并在入射點(diǎn)附近離開(kāi)水果，這類(lèi)反射稱作體反射其余的散射光漫射到物體較深處并最后到達(dá)離入射點(diǎn)較遠(yuǎn)的物體表面上。當(dāng)光線通過(guò)水果時(shí)一定數(shù)量的射線被水果的各種組成成分吸收了,吸收率大小是與物料組成成分、波長(zhǎng)以及光線在物料中移動(dòng)路程長(zhǎng)短有關(guān)。對(duì)于某些物料，特別是含葉綠素的一些物料，吸收的射線其一部分可轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降纳渚€，如熒光和延遲發(fā)光.

1物料是光致密物質(zhì),被光線照射時(shí)只有很少一部分光透過(guò)物料，透過(guò)水果的光強(qiáng)度約為入射光強(qiáng)度的10-8----10-3。因此，測(cè)定透過(guò)光需要高強(qiáng)度光源、靈敏的檢測(cè)器、高增益放大器和良好的密封以防止試件周?chē)墓庑孤┻M(jìn)入檢測(cè)器中

說(shuō)明:2熒光是在一定波長(zhǎng)內(nèi)一種物料被能量激發(fā)而放射出的光能，它的波長(zhǎng)不同于激發(fā)能的波長(zhǎng)。延遲發(fā)光是在除去光源后由物料發(fā)射出來(lái)的光。

3熒光、延遲發(fā)光和散射光一樣與物料特性及質(zhì)量因素有關(guān)大,部分延遲發(fā)光強(qiáng)度和透過(guò)光強(qiáng)度有相同的數(shù)量級(jí)，它同樣需要靈敏的檢測(cè)儀并且必須在暗室內(nèi)測(cè)定。4對(duì)于大部分物料來(lái)說(shuō)，反射光的強(qiáng)度要比透過(guò)光和延遲發(fā)光強(qiáng)度大得多，在可見(jiàn)光和紅外線波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射光強(qiáng)度約是入射光強(qiáng)度的1％-80％。由于反射光的強(qiáng)度相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，因此比較容易檢測(cè)和在實(shí)際中應(yīng)用。5物料是光的強(qiáng)散射介質(zhì)，光在物料內(nèi)多次散射和重新分布是光和物料相互作用的主要特征。反射光提供農(nóng)產(chǎn)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農(nóng)產(chǎn)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)食品及農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行分選和質(zhì)量分析。第二節(jié)物料的光學(xué)特性

在研究物料的光學(xué)性質(zhì)時(shí)一般是采用可見(jiàn)光，即波長(zhǎng)大約為400一760nm的電磁光譜部分物質(zhì)呈現(xiàn)的顏色與光有密切關(guān)系。不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光可使眼睛引起不同的顏色感覺(jué)。日常所見(jiàn)的白光，如日光、白熾燈光都是混合光，即它們是由波長(zhǎng)為400一760nm的電磁放按適當(dāng)強(qiáng)度比例混合而成的。白色光可用三棱鏡色散成單色光。當(dāng)將某兩種顏色的光按適當(dāng)強(qiáng)度比例混合時(shí)可形成白光，這兩種色光稱為互補(bǔ)色。光的互補(bǔ)關(guān)系物質(zhì)呈現(xiàn)出不同顏色是由于該物質(zhì)對(duì)光具有選擇性吸收作用而產(chǎn)生的。當(dāng)物質(zhì)對(duì)可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)某種波長(zhǎng)的光選擇性地吸收時(shí)，則該物質(zhì)呈現(xiàn)出被吸收波長(zhǎng)光的互補(bǔ)色光的顏色。例如，某物質(zhì)吸收了紅光，則該物質(zhì)呈現(xiàn)出青色。吸收黃綠色的光，對(duì)其它的光吸收很少或不吸收，呈現(xiàn)紫色。吸收黃色的光，呈現(xiàn)藍(lán)色。對(duì)白光中各種顏色的光都不吸收，為透明無(wú)色，反之，則呈黑色。一、光的反射特性當(dāng)一束平行單色光照射到物料上時(shí)，如果入射光強(qiáng)度為I0,反射光強(qiáng)度為IR，則光的反射率R定義為物體反射光強(qiáng)度和入射光強(qiáng)度的比值，用百分?jǐn)?shù)表示。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。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)它們反射光強(qiáng)度進(jìn)行比較，以確定反射率.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反射而投射到試樣表面。一般地說(shuō)，試樣表面的反射率比白色表面低，投射到標(biāo)準(zhǔn)白色表面上的光強(qiáng)度可通過(guò)光量調(diào)節(jié)器F來(lái)減弱，直至標(biāo)準(zhǔn)表面和試樣表面具有相等的反射光強(qiáng)度。投射到標(biāo)準(zhǔn)白色表面上的光減弱到70％時(shí)才能和試樣表面反射的光強(qiáng)度保持一致，則試件對(duì)該波長(zhǎng)的反射率為70％。在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)定物料各個(gè)波長(zhǎng)時(shí)的反射率，以波長(zhǎng)λ為橫座標(biāo)，以反射率為縱座標(biāo)，即可繪制出物料反射率光譜特性曲線。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組成物吸收特性的差異。反射率曲線有若干明顯的吸收帶。這些吸收帶存在于高含水量的物料中，如蘋(píng)果、馬鈴薯和肉，而干的土塊卻沒(méi)有。這是水的吸收帶．其波長(zhǎng)約為970、1190和1450nm左右,大多數(shù)在紅外線范圍內(nèi)。根據(jù)這個(gè)特性我們可用紅外線照射的方法測(cè)得其含水量。在波長(zhǎng)為675nm左右綠蘋(píng)果有一個(gè)明顯的吸收帶，而紅蘋(píng)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(píng)果比紅蘋(píng)果的吸收帶明顯得多。根據(jù)這種分析,我們可用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。是不同成熟度的檸檬光反射率特性曲線。檸檬表皮顏色愈深，則在678nm波峰時(shí)的吸收率愈高、反射率愈低。隨著檸檬成熟度提高、表皮逐漸由綠變黃,反射率逐漸提高。

利用單一波長(zhǎng)測(cè)定時(shí)不可避免地受到物料尺寸、形狀和光澤以及光源強(qiáng)度、光電池靈敏度和放大器增益等的影響，因此在工程實(shí)際測(cè)定中往往采用兩個(gè)波長(zhǎng)的反射率差ΔR或兩個(gè)波長(zhǎng)反射率的比值Rλ1/Rλ2或(Rλ1-Rλ2)/Rλ1來(lái)表示物料的光學(xué)性質(zhì)。是兩種不同成熟度的番茄反射率曲線。選550nm波長(zhǎng)為參照波長(zhǎng)，它對(duì)反射率變化是不敏感的，另一個(gè)波長(zhǎng)選作670nm，它是葉綠素吸收帶，對(duì)成熟度是比較敏感的。于是，紅番茄的ΔR值(670nm一550nm)為正值，而綠番茄的ΔR值為負(fù)值，這樣就可將成熟和不成熟番茄完全分開(kāi)．單用670nm波長(zhǎng)的反射率值是無(wú)法將兩種番茄有效地分開(kāi)。為馬鈴薯、土塊和石塊的反射率曲線。用不同波長(zhǎng)的光照射馬鈴薯、土塊和石塊發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯在波長(zhǎng)600-1300nm的反射率Rλ1比土塊和石塊大,而馬鈴薯在波長(zhǎng)1500-2400nm時(shí)的反射率Rλ2比土塊和石塊小。因此．在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)馬鈴薯的Rλ1/Rλ2

的值始終比上塊、石塊大。利用這個(gè)特性就能從土塊和石塊中把馬鈴薯分離出來(lái)．二、光的透過(guò)特性光的透過(guò)特性用透光率表示。透光率或透光的強(qiáng)度定義為從一個(gè)物體上透過(guò)光的強(qiáng)度IT與入射光強(qiáng)度I0的比值，用百分?jǐn)?shù)表示。但在實(shí)際使用中往往用光密度(也稱消光度或吸光度)單位來(lái)表示物料的透光性。光密度OD定義為入射光強(qiáng)度I0和透過(guò)光強(qiáng)度IT之比值以10為底的對(duì)數(shù)，即光密度OD的數(shù)值愈小，則物料吸收率愈小，透光率愈大。表示測(cè)定物料透光率時(shí)光源、物料和檢測(cè)器的相互配置。光源和檢測(cè)器分別配置在試件兩邊，它適合于測(cè)定物料的內(nèi)部性質(zhì)。這種配置方法對(duì)光致密物質(zhì)，如大部分農(nóng)業(yè)物料的測(cè)定存在一定的缺點(diǎn)。首先，透光率受物料尺寸影響，物料的大小影響了光源和檢測(cè)器之間距離，從而透過(guò)光強(qiáng)度隨物料尺寸有很大變化。其次，由于大部分物料只能透過(guò)很少的光，透過(guò)物料的光強(qiáng)度非常低，有時(shí)甚至無(wú)法測(cè)出透過(guò)的光。不適合于高速和連續(xù)測(cè)定,測(cè)定設(shè)備很難適應(yīng)于高速檢測(cè)以滿足于不同尺寸物料和保持良好密封。為了克服上述缺點(diǎn)，可按配置光源和檢測(cè)器的位置。這種配置消除了物料大小的影響。光源和檢測(cè)器之間距離可以調(diào)節(jié)以獲得一定強(qiáng)度的透過(guò)光。這種測(cè)定反映了物料表面和中心之間區(qū)域的物料性質(zhì)透光率光譜特性曲線，可看出:在波長(zhǎng)為675nm左右粉紅番茄、菜姆、黃洋蔥等物料有一個(gè)明處的吸收帶，而馬鈴薯、肉和石塊無(wú)此吸收帶，這也是葉綠素吸收帶。表示番茄在不同成熟階段的透光率曲線。可知，在波長(zhǎng)675nm附近有明顯吸收帶，隨著番茄不斷成熟,光密度逐漸下降.在工程實(shí)際應(yīng)用中，如農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量分析和分級(jí)中，用光密度OD表示物料的光學(xué)性質(zhì)是不充分的。由于試件大小變化、光源或燈的能量輸出的變化以及儀器靈敏度變化，使測(cè)定的光密度值會(huì)在較大范圍內(nèi)波動(dòng)。為了消除這些變動(dòng)的影響，在透光率測(cè)定中往往采用兩個(gè)波長(zhǎng)時(shí)的光密度比值或光密度差來(lái)表示物料的光學(xué)性質(zhì)。為了求光密度差ΔOD，選擇一個(gè)對(duì)物料品質(zhì)變化比較敏感的波長(zhǎng)，另一個(gè)選用對(duì)品質(zhì)變化完全不敏感的波長(zhǎng)(參照波長(zhǎng))，而兩個(gè)波長(zhǎng)全部都對(duì)物料尺寸、光源、檢測(cè)器的變化是敏感的。利用扣除參照波長(zhǎng)的光密度值，能抵消由于各種變化產(chǎn)生的影響。利用光密度差ΔOD

(681.5-700nm)來(lái)確定密桔中的葉綠素含量。在測(cè)定厚度不同的物料時(shí)為了消除物料尺寸不同而產(chǎn)生的影響，可采用兩種波長(zhǎng)時(shí)光密度比值。根據(jù)朗伯定率透過(guò)光強(qiáng)度為用波長(zhǎng)為λ1和λ2測(cè)定光密度，其比為可見(jiàn)這個(gè)比值是與物料厚度無(wú)關(guān)的。三、延遲發(fā)光特性綠色的含有葉綠素的農(nóng)產(chǎn)品如番茄、桔子、柿子、茶葉等在用光照射激勵(lì)后的若干秒內(nèi)其表面會(huì)發(fā)光，把這種現(xiàn)象稱作延遲發(fā)光(DLE)。這個(gè)過(guò)程既不能用磷光也不能用熒光來(lái)表示，它是與光合作用的可逆性有關(guān)。延遲發(fā)光強(qiáng)度與農(nóng)產(chǎn)品葉綠素含量有明顯的相關(guān)性。隨著這些產(chǎn)品的成熟度不斷地提高，葉綠素含量不斷地下降，延遲發(fā)光強(qiáng)度也隨之下降。利用農(nóng)產(chǎn)品的延遲發(fā)光性可進(jìn)行成熟度評(píng)定和自動(dòng)分級(jí)。光源LS通過(guò)一組透鏡L1和L23個(gè)中性密度濾色片F(xiàn)l和快門(mén)SH，照到鏡片M上。光被鏡片M反射，照射到放置在暗室CH內(nèi)的樣品S上。光源利用風(fēng)扇F冷卻。為研究溫度對(duì)延遲發(fā)光強(qiáng)度的影響，在暗室內(nèi)還裝有加熱器H、隔熱屏HS和熱電偶TG。鏡片M是絞接的，當(dāng)快門(mén)SH關(guān)閉后鏡片及時(shí)地切斷光源通路樣品的延遲發(fā)光通過(guò)干涉濾色片F(xiàn)2、紫外線濾色片F(xiàn)3和聚光鏡L3，由光電倍增管PMT接收。暗室和光的通道的內(nèi)壁均涂黑以吸收散射光。樣品激勵(lì)光照射面積由暗室中的罩子MA調(diào)節(jié)。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.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。延遲發(fā)光強(qiáng)度受多種因素的影響。當(dāng)光照激勵(lì)時(shí)間增加時(shí)延遲發(fā)光強(qiáng)度也隨之增加到最大值，之后隨光照時(shí)間繼續(xù)增加延遲發(fā)光強(qiáng)度反而緩慢下降，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，稱作達(dá)到飽和狀態(tài)。結(jié)果表明：當(dāng)激勵(lì)光照度為5500Lx時(shí)激勵(lì)時(shí)間為3-6s，延遲發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最大值光照激勵(lì)時(shí)間對(duì)番茄延遲發(fā)光強(qiáng)度的影響光照激勵(lì)強(qiáng)度愈高，達(dá)到延遲發(fā)光飽和狀態(tài)所需時(shí)間愈短。為保證延遲發(fā)光達(dá)到飽和狀態(tài)，激勵(lì)光強(qiáng)度應(yīng)盡可能的高。當(dāng)延遲發(fā)光達(dá)到飽和水平后，增加光照激勵(lì)時(shí)間或強(qiáng)度對(duì)增加延遲發(fā)光強(qiáng)度已不起多大影響。激勵(lì)光強(qiáng)度對(duì)番茄延遲發(fā)光強(qiáng)度的影響在飽和狀態(tài)下激勵(lì)光強(qiáng)度變化不再影響延遲發(fā)光強(qiáng)度，因此延遲發(fā)光強(qiáng)度檢測(cè)應(yīng)在延遲發(fā)光飽和狀態(tài)下進(jìn)行。在用光照激勵(lì)農(nóng)產(chǎn)品之前，首先需將物料在暗室中放置一段時(shí)間，把這段時(shí)間稱作暗期表示番茄延遲發(fā)光強(qiáng)度的衰減曲線。光照激勵(lì)前的暗期長(zhǎng)短對(duì)延遲發(fā)光曲線有明顯影響。暗期短使延遲發(fā)光強(qiáng)度減弱，暗期長(zhǎng)可使延遲發(fā)光達(dá)到飽和狀態(tài)。暗期對(duì)延遲發(fā)光強(qiáng)度的影響樣品溫度對(duì)延遲發(fā)光強(qiáng)度也有一定影響。對(duì)番茄和柿子測(cè)定表明，當(dāng)溫度低于13和17℃時(shí)延遲發(fā)光強(qiáng)度隨溫度增加而稍有增加，隨著溫度繼續(xù)增加延遲發(fā)光強(qiáng)度反而下降。對(duì)茶葉和煙葉試驗(yàn)表明，當(dāng)溫度分別低于31℃和35℃時(shí)延遲發(fā)光強(qiáng)度隨溫度增加而增加，當(dāng)高于上述溫度延遲發(fā)光強(qiáng)度隨溫度增加而下降。第三節(jié)在食品工程上的應(yīng)用一、顏色和成熟度分析試驗(yàn)已經(jīng)證明，物料的光的反射率和透光率光譜曲線與其成熟度和顏色有明顯的相關(guān)性。利用分光光度計(jì)測(cè)定桃子和蘋(píng)果的反射率和透光率光譜曲線發(fā)現(xiàn)，在波長(zhǎng)為675nm時(shí)的透光率是和成熟度相關(guān)的，該波長(zhǎng)正好是葉綠素的吸收帶。波長(zhǎng)為700nm和740nm的光密度差與桃子葉綠素含量的對(duì)數(shù)相關(guān)。當(dāng)光密度差ΔOD降低時(shí)，葉綠素含量也下降，桃子的食用質(zhì)量改善。番茄的顏色是一項(xiàng)重要的質(zhì)量因素。表皮顏色可根據(jù)光反射率評(píng)定。利用分光光度計(jì)測(cè)量綠、紅綠和紅番茄的透光率曲線發(fā)現(xiàn)，用550一650nm波長(zhǎng)測(cè)定其透光率峰值是確定番茄成熟過(guò)程的一種有效方法對(duì)花生研究表明，利用480nm和510nm波長(zhǎng)的光密度差可以鑒別花生的成熟度,當(dāng)花生成熟以后,光密度差減小?；ㄉ偷墓饷芏戎挡煌彩鞘芑ㄉ沙墒於扔绊懙?。這些差異在波長(zhǎng)為425、455和480nm時(shí)最明顯。在特定波長(zhǎng)內(nèi)，成熟花生的油一般比未成熟花生的油透過(guò)更多的光。二、成分分析測(cè)定農(nóng)產(chǎn)品成分在評(píng)定其質(zhì)量方面是非常重要的。光學(xué)技術(shù)是測(cè)定農(nóng)產(chǎn)品成分的有效工具。經(jīng)測(cè)定表明，自由液體水在波長(zhǎng)為760、970、1190和1450和1940nm有5個(gè)明顯的吸收帶，利用水的光譜性質(zhì)已研制出了紅外線水分測(cè)定儀。測(cè)定谷粒、種子、肉和其它產(chǎn)品中的水分。對(duì)65種谷物(小麥、玉米、燕麥、大麥、高粱、水稻)、油料作物(亞麻、花生)、食用豆、牧草和蔬菜種子的甲醇萃取物樣品作試驗(yàn)表明，當(dāng)含水量在3.4-18.5％時(shí)測(cè)定波長(zhǎng)為l940nm時(shí)光密度可有效地判別出種子甲醇萃取物中的含水量。對(duì)花生測(cè)定表明，波長(zhǎng)為970nm和900nm時(shí)的光密度差ΔOD和含水量成線性相關(guān)，在含水量為30％以下時(shí)允差可控制在0.7％。碎小麥、碎大豆、面粉和麩皮等物料當(dāng)含水量在20％以下時(shí)，其波長(zhǎng)為940nm和2080nm時(shí)的光密度差和含水量之間有明顯的相關(guān)性牛奶含脂率在牛奶加工和銷(xiāo)售中是重要的質(zhì)量因素。牛奶脂肪的快速和準(zhǔn)確的測(cè)定對(duì)牛奶加工工業(yè)是有重要價(jià)值的。已研制出了一種測(cè)定牛奶脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖和非脂性固體物質(zhì)的紅外線牛奶分析儀。它是分別根據(jù)波長(zhǎng)在573、646、960和790nm的光譜吸收峰值的強(qiáng)度而確定的。三、內(nèi)部缺陷掐測(cè)一些農(nóng)產(chǎn)