1、食品与农产品品质无损检测新技术,李保国 教授Tel:55271117;Email:lbaoguo126.cong 综合楼C区209室,第一章 绪论,人们的生存：衣食住行 衣衣服； 食食品； 住房子； 行车子。,食品工业,民以食为天 食以安为先,食品农产品检测,我国食品工业结构不合理的表现,基础原料加工比重过大，食品制造业不到40%。 食品制成品占居民食物消费支出不到60%，而发达国家则高达90%以上。 农产品加工分为粗加工、深加工以及食品工业的社会化3个阶段。 工业发达国家大部分已进入第2阶段，少数国家已进入第3阶段。 食品工业产值和农业产值的比例看，美国是160%，日本为232%，中国是30
2、.7%。 食品与农产品的品质有3个方面：外表品质颜色、形状、大小、色泽等； 物理品质质量、重量、粘度、弹性等； 内部品质新鲜、营养、口感、安全性等。,二、常用的快速检测新技术,无损检测 ：在不破坏待测物原来的状态、化学性质等前提下，为了获取与待测物的品质有关的内容、性质或成分等物理、化学情报所采用的检查方法。 无损检测技术主要有3种应用形式：一是在生产过程质量控制中的无损检测； 二是用于成品的质量控制 ； 三是在产品流通和贮藏过程中的品质监测，特别是在规定的保质期、保存期中的品质监控 。,三、无损检测的特征,无须大量的试剂、溶媒等化学药品 不要分析的前处理工作，试样制作简单，可迅速分析，分析精
3、度高 适用于在线检测 同一样品可反复使用 无需特别的称重过程。所以，即使在室外等环境中，也同样能完成检测过程。 无损检测的方法可以在单元操作下获得多个信息,激励能量,四、无损检测原理及方法,无损检测技术一般是从外部给待测物一个激励能量，待测物受激励能量影响时，从输入和输出的关系可获得待测物的理化特性,反馈信息,对象物,信号放大器,信号检测及处理,对象物理化学特性,输入能,输出能,信号,图1.1 无损检测方法原理图,食品与农产品加工常用无损检测技术,力学方法 电磁学方法 光学方法 放射线法 化学发光方法及其他方法,五、无损检测的一般步骤,建立在以物理仪器为基础上的间接检测法 建立两者之间相互关联
4、的一般步骤如下。（1）选择合理的检测系统和检测系统的参数设定； （2）收集包括可能出现的所有状态的样本，一般需要量在5080个左右，其中一部分用作定标方程的建立，另一部分用作对定标方程的检验； （3）按统一的检测方法对全部样本进行物理信息的测定； （4）按国标或行标用法定的化学方法测量全部样本的待测成分的含量； （5）运用化学计量学方法建立定标样本化学测量值与物理检测数据之间的定标方程； （6）将预测样本的物理检测数据代入定标方程计算出待测成分的理论计算值；（7）进行预测样本的预测计算值与化学测量值之间的误差计算与分析，若误差不能达到预定的要求，则需要改变定标方程的建立方法，返回到第（5）步重
5、新建立定标方程。,六、过程检测的5个发展阶段,离线检测 （报告结果不及时，分析结果可能不准确） 现场检测 侧线在线检测 定位实时在线检测 非接触性检测,七、无损检测的应用实例,加拿大在输出小麦检查小麦的蛋白质含量: 每年样品约60万个，现在有90%采用近红外无损检测法代替传统的凯氏（Keldal）定氮法，每年可节约50万美元检测费用。 日本北海道农业试验场改良水稻的品种，要求半年内检查万个样品，传统的凯氏定氮法一年只能检查2千个,用了效率高90倍的近红外法，成功地解决了困难。 脱脂大豆粉生产时，传统的办法是每隔4小时从生产线上取样分析蛋白质含量。 日本的稻米加工厂已广泛使用了米粒色选机，可以挑
6、出霉变米粒和未成熟米粒及其他杂质。,第二章 利用力学（机械）特性的检测技术,第一节 常用的力学（机械）特性 力学检测研究的是物料的力学量的检测，它包括质量、容积、密度、应力、硬度、振动、冲击以及在声场和超声波作用下的各种响应等 . 常用力学（机械）特性主要有下面的内容: （1）固体物料的力学特性主要包含质量（重量）、密度、应力-应变规律、冲击、振动、屈服强度、硬度、蠕变、松弛、流变模型等； （2）散粒体的力学特性包含摩擦、黏附、变形、流动、离析等； （3）液体物料的力学特性主要包含流体力学特性、流变特性、黏性、粘弹性等；（4）声学特性和超声波特性等,第二节 力学特性的检测技术,一、果蔬坚实度的
7、检测 检测坚实度的主要原因有下面3个方面。 （1）果蔬生长中成熟度的监测和分析，决定合适的收获期。 （2）果蔬收获过程按其成熟度分级，以便存储。（3）果蔬内部品质的检测，保鲜、存储期的确定。 目前坚实度检查的常用方法是M-T戳穿试验方法(Magness-Taylor puncturetest)。 1.果蔬组织材料的特性:果蔬组织的时变特性；果蔬组织的各项异性。,2果蔬坚实度检测方法,（1）利用冲击力检测果蔬坚实度的方法 未成熟的坚硬果蔬冲击力含高频成分较多 Nahir和Stephenson研究了西红柿的冲击力时域特征并用于西红柿坚实度分级。 （2）检测果蔬坚实度的振动频率分析法 利用果蔬振动的
8、固有频率检测其坚实度为众多学者所关注 Armstrong等用冲击振动产生的噪声和振动信号分别研究了苹果和桃子的坚实度。,二、果蔬的冲击特性的检测,通常成熟度判断大都采用破坏方法，如硬度、糖酸度测量。 非破坏法，如按颜色、呼吸强度等，一般只能作定性判断，不适用于机械化自动分级。 而用手工和目测进行成熟度分级，精确度差、生产率低。,1典型冲击力特性图,（1）恢复系数,（2）能量吸收率,第一次碰撞后回弹高度势能为物料碰撞后所具有的机械能：,式中，hl为回弹高度（m）物料本身吸收的能量百分率E为：,桃子硬度高，t值大，hl大，E值变小。E是为与能量有关的参数,（3）冲击力时间特性参数,冲击力时间特性参
9、数定义: 冲击力峰值与到达冲击力峰值所经过的时间之比。,硬度越高，fp值也越高，tp值越短，故时间特性c值越大,2冲击力特性参数与硬度的关系,(1) 恢复系数r与硬度H的关系,设：指数曲线模型为：双曲线模型为：式中H为桃子硬度，N/cm2；待定系数。,将试验所得的一批桃子的数据采用上述两种种模型进行回归分析，结果见表2-1中的第1行。,表2-1 3个冲击力参数与硬度的回归数学模型及F检验,表2-1 3个冲击力参数与硬度的回归数学模型及F检验,(2) 能量吸收率E与硬度H的关系,将试验所得数据分别用,模型拟合结果见表2-1的第2行。由F值知:采用指数的函数关系更接近桃子的实际情况,（3）冲击力时
10、间特性参数C与硬度H的关系,硬度增加，冲击力时间特性参数值变大.将试验所得数据分别用:,模型拟合，其中双曲线拟合更加合理 。,(4) 3个冲击力参数比较,表2-2 不同成熟度、质量桃子的3个冲击力参数值（每个重复8次）,注：1.下落高度h=3cm；2.成熟度等级过熟，刚熟，未熟；3.括号内为标准差。,三、梨的动态力学特性的检测,测试梨的动态特性试验系统的结构方框图如图2-6所示。主要设备有：激振器、力传感器、加速度传感器以及电荷放大器等。,梨的果实动态试验时应力与应变间存在一个相位角（如图2-7所示），利用动态试验应力与应变间的相位角和弹性模量可评价梨子的成熟程度。,四、利用蜂蜜的粘度特性检测
11、其品质,国家有关标准规定其蔗糖含量小于5%。糖蜜是指以蔗糖代替蜜饲喂蜂群产生（配制）的蜜或在蜂蜜中掺入蔗糖配制成的蜜，蔗糖含量大于5%。,式中： 物料的粘度，Pa.s； 混合液体的含水量，mL/mL； 还原糖含量，g/mL 蔗糖含量，g/mL。,蜂蜜粘度糖蜜粘度,五、利用冲击振动检测西瓜的成熟度,1西瓜的力学和物理特性 表2-3 某一品种西瓜各部位材料的弹性模量,2冲击振动方法无损检测西瓜成熟度的原理,球体的拉压弹性模E量与固有频率f、质量m之间的关系为：,当已知西瓜的固有频率和质量后，就可以确定其弹性模量。,西瓜成熟后，瓜瓤的弹性模量变小，质量一定的西瓜的固有频率必然降低，通过测量固有频率来
12、计算弹性模量是非破坏性的，这就是利用冲击响应的固有频率无损检测西瓜成熟度的基本原理 .,3西瓜固有频率的测量,由图2-9可见，西瓜在冲击激励下产生的振动会产生多阶固有频率经过对西瓜前4阶固有频率和幅值与其含糖量相关性的研究，发现仅基频(第1阶固有频率)与含糖量有较好的相关性(相关系数为0.80)故以基频作为振动参数来研究西瓜的成熟度比较合适。,从图中可以看出，成熟度指数与含糖量有较为接近的线性关系(r=0.82)。,第三节 声学特性的检测技术,一、声学特性检测技术研究概况 二、食品与农产品的声学特性及检测原理 食品与农产品的声学特性是指食品与农产品在声波作用下的反射特性、散射特性、透射特性、吸收特性、衰减系数和传播速度及其本身的声阻抗与固有频率等，它们反映了声波与食品或农产品相互作用的基本规律。 农产品声学特性的检测装置通常由:声波发生器、声波传感器、电荷放大器、动态信号分析仪、微型计算机、绘图仪或打印机等组成。 农产品的声学特性随食品与农产品内部组织的变化而变化，不同农产品的声学特性不同，同一种类而品质不同的农产品其声学特性往往也存在差异.,三、声学特性检测的典型实例,1. 利用测定共振频率确定苹果硬度,经快速傅立叶变换可求得其共振频率 f 根据苹果硬度与成正比的关系(m为苹果的质量),即可求出硬度 。,
