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。精確地測定它們的光學(xué)特性，為物料的質(zhì)量評定和分級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)特性以及它們在食品工程中的實際應(yīng)用．食品的光學(xué)性質(zhì)是指食品物質(zhì)對光的吸收、反射及其對感官反映的性質(zhì)。1通過光學(xué)性質(zhì)實現(xiàn)對食品的成分測定:

食品的成分雖說可以通過化學(xué)分析的方法測定，但因為其成分的變化可以引起對光的吸收、反射、折射、衍射、輻射等性質(zhì)的變化，而光的測定又具有快速、準確、簡單和無破壞等特點。所以，無論在儀器分析還是在生產(chǎn)線檢測上，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，但用語言表達色澤模糊，用儀器測定的指標代替，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部分入射光被表面反射，其余的光透進物體中。進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數(shù)細小的內(nèi)部界面組成，在光學(xué)上是各向異性的。光進入這種物料后在各個方向散射，而不能以直線方式透過物體光在水果物料中的傳播當(dāng)一束光照到水果上時大約只有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。其余射線透過表面并和細胞結(jié)構(gòu)中無數(shù)隨機定向的微觀界面相遇，使其向各個方向散射。大部分射線將散射回到表面并在入射點附近離開水果，這類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離入射點較遠的物體表面上。當(dāng)光線通過水果時一定數(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、波長以及光線在物料中移動路程長短有關(guān)。對于某些物料，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),被光線照射時只有很少一部分光透過物料，透過水果的光強度約為入射光強度的10-8----10-3。因此，測定透過光需要高強度光源、靈敏的檢測器、高增益放大器和良好的密封以防止試件周圍的光泄漏進入檢測器中

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

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)光強度和透過光強度有相同的數(shù)量級，它同樣需要靈敏的檢測儀并且必須在暗室內(nèi)測定。4對于大部分物料來說，反射光的強度要比透過光和延遲發(fā)光強度大得多，在可見光和紅外線波長范圍內(nèi)反射光強度約是入射光強度的1％-80％。由于反射光的強度相對來說較大，因此比較容易檢測和在實際中應(yīng)用。5物料是光的強散射介質(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。對這些量的分析可以判斷物料的不同顏色、區(qū)分質(zhì)量優(yōu)劣、指示成熟與否，從而可以對食品及農(nóng)產(chǎn)品進行分選和質(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)時一般是采用可見光，即波長大約為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。不同波長的可見光可使眼睛引起不同的顏色感覺。日常所見的白光，如日光、白熾燈光都是混合光，即它們是由波長為400一760nm的電磁放按適當(dāng)強度比例混合而成的。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)強度比例混合時可形成白光，這兩種色光稱為互補色。光的互補關(guān)系物質(zhì)呈現(xiàn)出不同顏色是由于該物質(zhì)對光具有選擇性吸收作用而產(chǎn)生的。當(dāng)物質(zhì)對可見光區(qū)域內(nèi)某種波長的光選擇性地吸收時，則該物質(zhì)呈現(xiàn)出被吸收波長光的互補色光的顏色。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)藍色。對白光中各種顏色的光都不吸收，為透明無色，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，如果入射光強度為I0,反射光強度為IR，則光的反射率R定義為物體反射光強度和入射光強度的比值，用百分數(shù)表示。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。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，并對它們反射光強度進行比較，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反射而投射到試樣表面。一般地說，試樣表面的反射率比白色表面低，投射到標準白色表面上的光強度可通過光量調(diào)節(jié)器F來減弱，直至標準表面和試樣表面具有相等的反射光強度。投射到標準白色表面上的光減弱到70％時才能和試樣表面反射的光強度保持一致，則試件對該波長的反射率為70％。在實際應(yīng)用中，測定物料各個波長時的反射率，以波長λ為橫座標，以反射率為縱座標，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，如蘋果、馬鈴薯和肉，而干的土塊卻沒有。這是水的吸收帶．其波長約為970、1190和1450nm左右,大多數(shù)在紅外線范圍內(nèi)。根據(jù)這個特性我們可用紅外線照射的方法測得其含水量。在波長為675nm左右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(jù)這種分析,我們可用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。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。

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

的值始終比上塊、石塊大。利用這個特性就能從土塊和石塊中把馬鈴薯分離出來．二、光的透過特性光的透過特性用透光率表示。透光率或透光的強度定義為從一個物體上透過光的強度IT與入射光強度I0的比值，用百分數(shù)表示。但在實際使用中往往用光密度(也稱消光度或吸光度)單位來表示物料的透光性。光密度OD定義為入射光強度I0和透過光強度IT之比值以10為底的對數(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。表示測定物料透光率時光源、物料和檢測器的相互配置。光源和檢測器分別配置在試件兩邊，它適合于測定物料的內(nèi)部性質(zhì)。這種配置方法對光致密物質(zhì)，如大部分農(nóng)業(yè)物料的測定存在一定的缺點。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器之間距離，從而透過光強度隨物料尺寸有很大變化。其次，由于大部分物料只能透過很少的光，透過物料的光強度非常低，有時甚至無法測出透過的光。不適合于高速和連續(xù)測定,測定設(shè)備很難適應(yīng)于高速檢測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，可按配置光源和檢測器的位置。這種配置消除了物料大小的影響。光源和檢測器之間距離可以調(diào)節(jié)以獲得一定強度的透過光。這種測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:在波長為675nm左右粉紅番茄、菜姆、黃洋蔥等物料有一個明處的吸收帶，而馬鈴薯、肉和石塊無此吸收帶，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?？芍诓ㄩL675nm附近有明顯吸收帶，隨著番茄不斷成熟,光密度逐漸下降.在工程實際應(yīng)用中，如農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量分析和分級中，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，使測定的光密度值會在較大范圍內(nèi)波動。為了消除這些變動的影響，在透光率測定中往往采用兩個波長時的光密度比值或光密度差來表示物料的光學(xué)性質(zhì)。為了求光密度差ΔOD，選擇一個對物料品質(zhì)變化比較敏感的波長，另一個選用對品質(zhì)變化完全不敏感的波長(參照波長)，而兩個波長全部都對物料尺寸、光源、檢測器的變化是敏感的。利用扣除參照波長的光密度值，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)來確定密桔中的葉綠素含量。在測定厚度不同的物料時為了消除物料尺寸不同而產(chǎn)生的影響，可采用兩種波長時光密度比值。根據(jù)朗伯定率透過光強度為用波長為λ1和λ2測定光密度，其比為可見這個比值是與物料厚度無關(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后的若干秒內(nèi)其表面會發(fā)光，把這種現(xiàn)象稱作延遲發(fā)光(DLE)。這個過程既不能用磷光也不能用熒光來表示，它是與光合作用的可逆性有關(guān)。延遲發(fā)光強度與農(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)光強度也隨之下降。利用農(nóng)產(chǎn)品的延遲發(fā)光性可進行成熟度評定和自動分級。光源LS通過一組透鏡L1和L23個中性密度濾色片F(xiàn)l和快門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。為研究溫度對延遲發(fā)光強度的影響，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SH關(guān)閉后鏡片及時地切斷光源通路樣品的延遲發(fā)光通過干涉濾色片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。樣品激勵光照射面積由暗室中的罩子MA調(diào)節(jié)。延遲發(fā)光強度的峰值是在波長為650一750nm范圍內(nèi)，該光譜范圍正好是在紅光光譜區(qū)域.測定裝置中所選擇的光電管應(yīng)對紅光有良好的響應(yīng)。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。延遲發(fā)光強度受多種因素的影響。當(dāng)光照激勵時間增加時延遲發(fā)光強度也隨之增加到最大值，之后隨光照時間繼續(xù)增加延遲發(fā)光強度反而緩慢下降，最后達到一個穩(wěn)定值，稱作達到飽和狀態(tài)。結(jié)果表明：當(dāng)激勵光照度為5500Lx時激勵時間為3-6s，延遲發(fā)光強度達到最大值光照激勵時間對番茄延遲發(fā)光強度的影響光照激勵強度愈高，達到延遲發(fā)光飽和狀態(tài)所需時間愈短。為保證延遲發(fā)光達到飽和狀態(tài)，激勵光強度應(yīng)盡可能的高。當(dāng)延遲發(fā)光達到飽和水平后，增加光照激勵時間或強度對增加延遲發(fā)光強度已不起多大影響。激勵光強度對番茄延遲發(fā)光強度的影響在飽和狀態(tài)下激勵光強度變化不再影響延遲發(fā)光強度，因此延遲發(fā)光強度檢測應(yīng)在延遲發(fā)光飽和狀態(tài)下進行。在用光照激勵農(nóng)產(chǎn)品之前，首先需將物料在暗室中放置一段時間，把這段時間稱作暗期表示番茄延遲發(fā)光強度的衰減曲線。光照激勵前的暗期長短對延遲發(fā)光曲線有明顯影響。暗期短使延遲發(fā)光強度減弱，暗期長可使延遲發(fā)光達到飽和狀態(tài)。暗期對延遲發(fā)光強度的影響樣品溫度對延遲發(fā)光強度也有一定影響。對番茄和柿子測定表明，當(dāng)溫度低于13和17℃時延遲發(fā)光強度隨溫度增加而稍有增加，隨著溫度繼續(xù)增加延遲發(fā)光強度反而下降。對茶葉和煙葉試驗表明，當(dāng)溫度分別低于31℃和35℃時延遲發(fā)光強度隨溫度增加而增加，當(dāng)高于上述溫度延遲發(fā)光強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。利用分光光度計測定桃子和蘋果的反射率和透光率光譜曲線發(fā)現(xiàn)，在波長為675nm時的透光率是和成熟度相關(guān)的，該波長正好是葉綠素的吸收帶。波長為700nm和740nm的光密度差與桃子葉綠素含量的對數(shù)相關(guān)。當(dāng)光密度差ΔOD降低時，葉綠素含量也下降，桃子的食用質(zhì)量改善。番茄的顏色是一項重要的質(zhì)量因素。表皮顏色可根據(jù)光反射率評定。利用分光光度計測量綠、紅綠和紅番茄的透光率曲線發(fā)現(xiàn)，用550一650nm波長測定其透光率峰值是確定番茄成熟過程的一種有效方法對花生研究表明，利用480nm和510nm波長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沙墒於扔绊懙摹＿@些差異在波長為425、455和480nm時最明顯。在特定波長內(nèi)，成熟花生的油一般比未成熟花生的油透過更多的光。二、成分分析測定農(nóng)產(chǎn)品成分在評定其質(zhì)量方面是非常重要的。光學(xué)技術(shù)是測定農(nóng)產(chǎn)品成分的有效工具。經(jīng)測定表明，自由液體水在波長為760、970、1190和1450和1940nm有5個明顯的吸收帶，利用水的光譜性質(zhì)已研制出了紅外線水分測定儀。測定谷粒、種子、肉和其它產(chǎn)品中的水分。對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表明，當(dāng)含水量在3.4-18.5％時測定波長為l940nm時光密度可有效地判別出種子甲醇萃取物中的含水量。對花生測定表明，波長為970nm和900nm時的光密度差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，其波長為940nm和2080nm時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售中是重要的質(zhì)量因素。牛奶脂肪的快速和準確的測定對牛奶加工工業(yè)是有重要價值的。已研制出了一種測定牛奶脂肪、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)波長在573、646、960和790nm的光譜吸收峰值的強度而確定的。三、內(nèi)部缺陷掐測一些農(nóng)產(chǎn)