高光譜成像在咖啡豆、可可豆、小麥品質(zhì)檢測方面的應(yīng)用

    作物成分的分析和檢測通常采用化學(xué)方法，使用液相色譜（HPLC）或者分光光度法測量提取物。但是化學(xué)方法檢測需要研磨，具有破壞性，提取和分析所需的大量時(shí)間對于工業(yè)環(huán)境來說是不切實(shí)際的。

    高光譜成像（HSI）是食品科學(xué)領(lǐng)域中新技術(shù)。它可以快速，非破壞性和非接觸方式分析單個(gè)谷物或豆類樣品，并提供以高通量掃描樣品的可能性，同時(shí)可視化空間分布。

    英國的諾丁漢大學(xué)Nicola Caporasoa等研究人員利用Specim高光譜分別對咖啡豆的蔗糖、caffeine、脂質(zhì)等；可可豆的多酚含量等；小麥籽粒蛋白質(zhì)含量進(jìn)行無損品質(zhì)檢測，4篇文章分別發(fā)表在2018年的《Food Research International》（IF：3.520）、《Journal of Food Engineering》（IF：3.197）、《Food Chemistry》（IF：4.946）。

1 高光譜成像對綠咖啡豆的蔗糖、caffeine和葫蘆巴堿無損檢測

    咖啡是世界上非常受歡迎的飲料之一，其綠咖啡豆化合物（包括蔗糖和生物堿）的水平直接影響咖啡的質(zhì)量。咖啡豆中的酸和生物堿會影響咖啡的風(fēng)味。樣本來自巴西，埃塞俄比亞，墨西哥等13個(gè)國家。對27個(gè)批次進(jìn)行取樣，其中60％經(jīng)過濕處理，剩余的40％干燥處理。從每個(gè)批次中隨機(jī)取樣10個(gè)單豆用于實(shí)驗(yàn)，利用Specim高光譜在980-2500 nm光譜范圍內(nèi)進(jìn)行成像。

    圖1：在Robusta和Arabica批次，在單像素的綠咖啡豆中（a）蔗糖，（b）caffeine和（c）葫蘆巴堿，數(shù)字表示每種化合物的濃度，mg /g。粗體數(shù)字表示預(yù)測化合物濃度，然后是每種咖啡豆的參考測量值。

    參考文獻(xiàn)：Nicola Caporaso, et al. Non-destructive analysis of sucrose, caffeine and trigonelline on single green coffee beans by hyperspectral imaging, Food Research International, 2018, 106: 193- 203.

2 高光譜成像快速預(yù)測綠咖啡豆的水分和脂質(zhì)含量

    綠咖啡豆水分會影響咖啡豆的保質(zhì)期，脂質(zhì)會影響咖啡沖泡的健康和感官，來自哥倫比亞、印度、越南等，共27批綠咖啡豆用于實(shí)驗(yàn)，從每批咖啡豆隨機(jī)選擇并單獨(dú)分析，利用Specim高光譜進(jìn)行成像檢測。

    圖2：咖啡豆的水分含量a）灰度圖像，顯示在一個(gè)光譜帶處從連續(xù)移動臺獲得的反射率超立方體；b）重建圖像，顯示在單個(gè)像素級可視化的預(yù)測水分含量；c）預(yù)測咖啡豆另一面水分含量；d）批次細(xì)分為置于潮濕條件下的試樣（上部）和在烘箱（下部）中部分干燥試樣。 數(shù)字表示平均預(yù)測水分，以％表示。

    圖3：在綠色咖啡豆中的總脂質(zhì)含量可視化的應(yīng)用：Arabica （上圖）和 Robusta（下圖）批次的示例。該圖的左半部分和右半部分顯示了放置在相對表面上的相同咖啡豆（圍繞y軸旋轉(zhuǎn)180°）。數(shù)字是預(yù)測平均脂質(zhì)，根據(jù)每個(gè)bean的像素值計(jì)算含量，表示為％（dmb）。

    參考文獻(xiàn)：Nicola Caporaso, et al. Rapid prediction of single green coffee bean moisture and lipid content by hyperspectral imaging. Journal of Food Engineering, 2018, 227: 18- 29.

3 高光譜成像預(yù)測可可豆的發(fā)酵指數(shù)，多酚含量和抗氧化活性

    可可是巧克力生產(chǎn)的關(guān)鍵成分。可可豆酚類化合物，抗氧化活性和發(fā)酵指數(shù)是可可品質(zhì)的重要參數(shù)。17個(gè)可可豆批次中隨機(jī)選擇，使用Specim高光譜成像系統(tǒng)在1000-2500nm的光譜范圍內(nèi)（HSI）定量預(yù)測個(gè)體的發(fā)酵指數(shù)（FI），總多酚（TP）和抗氧化活性（AA）。

    圖4：發(fā)酵指數(shù)，總多酚含量和抗氧化活性。單個(gè)像素級別（左側(cè)的圖片），或平均預(yù)測值以獲得單豆值（右側(cè)的bean）。白色數(shù)字表示每個(gè)可可豆的預(yù)測平均值，黑色表示參考測量值。發(fā)酵指數(shù)值是無量綱的，總多酚表示為mg ferulic acid equivalent/ g cocoa，而抗氧化活性表示為mmol Trolox equivalent/ kg cocoa。

    參考文獻(xiàn)：Nicola Caporaso, et al. Hyperspectral imaging for non-destructive prediction of fermentation index, polyphenol content and antioxidant activity in single cocoa beans. Food Chemistry, 2018, 258: 343- 351.

4 高光譜成像預(yù)測小麥籽粒蛋白質(zhì)含量

    小麥品質(zhì)中，蛋白質(zhì)含量是非常重要的參數(shù)。它會影響烘焙產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是麩質(zhì)面包的生產(chǎn)。蛋白質(zhì)含量對終價(jià)格產(chǎn)生重大影響，許多國家都以蛋白質(zhì)含量作為定義小麥價(jià)格的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。

    樣品主要來自英國各供應(yīng)商，還包括加拿大，法國，意大利，德國和東歐小麥。不同品種，不同環(huán)境和不同農(nóng)藝條件的小麥，總共約190個(gè)小麥樣品用于本實(shí)驗(yàn)，使用Specim高光譜進(jìn)行成像檢測。

    圖5：a）單像素級應(yīng)用，顯示背側(cè)（左：平均值：12.7％）和腹側(cè)（右：平均值：13.5％）相同籽粒的兩面。批次的參考蛋白質(zhì)測量：13.1％；b）通過平均每個(gè)籽粒的光譜，左：低蛋白質(zhì)樣本，參考蛋白質(zhì)含量= 10.2％; 預(yù)測值= 9.7％。右：高蛋白質(zhì)樣本，參考蛋白含量= 15.1％，預(yù)測值= 14.6％。黑色文字：預(yù)測值；白色文本：參考值（％）。

    參考文獻(xiàn)：Nicola Caporaso, et al. Protein content prediction in single wheat kernels using hyperspectral imaging. Food Chemistry, 2018, 240: 32- 42.

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