基于多种光学技术的食品无损检测：保障食品安全质量

在当今社会，为消费者提供安全、高质量的食品是至关重要的，而这离不开对食品的有效检查。过去，人们主要依赖人类的感官来判断食品质量，工人站在传送带旁手动分拣产品。但这种方式存在诸多问题，高速和大批量分拣时，人工容易疲劳、分心，从而导致错误，难以保证持续的高度专注和对细节的把控。

随着科技的发展，如今有了更先进的食品检测方法，其中基于光学的不同波段检测方法结合光谱技术大放异彩。这些方法包括可见光、红外、太赫兹以及 X 射线等波段的检测，它们为现代食品工业带来了高效、安全的检测手段，不仅能根据食品的颜色、质地、水分含量和内部特征进行分级，还能对脂肪、糖分等含量进行评估，且不会对食品造成损坏。

一、可见光相机检测

几十年来，带有在线食品检测软件的高速 CCD 和 CMOS 相机被用于食品检测。它们可以识别凹痕、划痕和霉菌等，还能根据颜色、形状和大小对食物进行分级。在检测食品质量或异物时，分辨食品外观是个挑战，这取决于食品体积和传送带速度，所以需要高分辨率的在线高速相机。

可见光成像能识别外观缺陷，如划痕和凹痕，也能按形状和大小对物体分级。除农产品外，金属、矿物、塑料和废物也采用这种光学分选方法。在现代色选机中，相机取代人眼，机械臂等取代人手，系统运行速度更快、更准确、更稳定且持续时间长。不过，可见光范围相机也有局限，像水果表面下的瘀伤或腐烂、肉中嵌入的金属、骨头或塑料等不可见污染物，色选机就无法检测到。

二、短波红外相机检测

非可见光成像，如使用赛斯拜克的短波红外（SWIR）探测器，能提供 CCD 或 CMOS 相机无法观察到的信息。水的吸收系数在 970nm（近红外或 NIR）和 1440nm（短波红外或 SWIR）处有峰值，意味着这些波长遇到水时会被吸收，所以近红外尤其是短波红外波长在检测水分方面表现出色，因为水分在红外成像仪上显示得很暗，即使瘀伤尚未完全形成且在表面以下，水分的存在也可能表明瘀伤。

SP150M相机在 900 - 1700nm 范围内有高灵敏度，不过其成本较高。基于 Ge 锗基材料的红外相机成本低、设备紧凑、便携，但现阶段分辨率较低，多局限于实验室应用，有望提升后用于食品检测。短波红外相机能突破人眼视觉极限，检测水分含量和异物，如颜色相似的食物。将可见光和非可见光的机器视觉用于生产线，可对新鲜农产品分类，减少产品浪费。

三、X 射线检测

可见光和短波红外的机器视觉用于外观或亚表面检测，而 X 射线成像是检测内部特征的可靠方法。X 射线成像在医学和安检领域闻名，在食品行业质量检查中也愈发重要。金属检测设备用于食品内部质量检查时，检测范围仅限金属物体，且灵敏度受磁导率和金属导电性影响，而 X 射线成像能高灵敏度地检测金属、玻璃、塑料、骨骼和贝壳等，并揭示异物的形状、大小和位置。X 射线成像还能穿透厚表面，高速检测内部小物体，识别包装内物体或检查包装密封质量。

四、太赫兹检测

X 射线虽有穿透性但辐射大，对人体有伤害，太赫兹有望替代它。太赫兹波位于微波与红外之间，又称 “远红外”，对许多非金属材料有穿透能力，且没有电离腐蚀，在非接触成像模式下，不会对操作人员或特殊成分食品造成负面影响。太赫兹技术能穿透纸盒和塑料包装，查看固态食品内部异物，还能看到食品内部组成部分用于成分计量。不过，太赫兹技术在食品检测领域应用尚不广泛，主要因为水对其强吸收性，对含水量高的食品检测效果差，且目前多为扫描成像，不适配产线高速检测，设备成本也较高，但随着技术进步，有望成为常见检测技术。

五、红外光谱仪检测

食品由多种成分组成，其特性可表明质量安全性。光谱学是基于分子信息评估食品质量的成功技术之一，食品供应商可借此生成定量数据，不依赖人类感官的主观判断。借助内置光谱库，能更易识别食品关键成分，量化统计数据可衡量食品质量，且光谱学样品制备少，可快速在线分析。

近红外（NIR）光谱是获取营养、新鲜度和成熟度信息的关键。友思特 Linksquare 便携式光谱仪在采集光谱数据基础上精简体积，手持即可检测食品，结合光谱数据库能反馈水果、肉类新鲜度等信息。

六、光谱相机检测

光谱检测有时只能获取食品单个位置光谱信息，而食品变质、糖分含量等可能仅在局部。光谱相机将相机与光谱结合，可获取整个食品覆盖面积的光谱信息。

多光谱或高光谱相机能检测数十个或数百个窄带图像，根据不同化学物质在不同波长下吸收和反射光的独特光谱特征，可识别不同化学成分含量或外观相似但材质不同的样品，实现分拣、分级。光谱成像还能检测食物中多种问题，如外形相似的异物、瘀伤、冷伤、硬度、成熟度、矿物质含量等，且都是非破坏性检测，可减少浪费。利用短波红外波段的光谱成像，可对肉类、家禽或鱼类进行分级，识别和量化化学成分，提供营养、脂肪百分比、糖含量和新鲜度等信息。