作物成分的分析和檢測通常采用化學方法,使用高效液相色譜(HPLC)或者分光光度法測量提取物。但是化學方法檢測需要研磨,具有破壞性,提取和分析所需的大量時間對于工業環境來說是不切實際的。
高光譜成像(HSI)是食品科學領域中新技術。它可以快速,非破壞性和非接觸方式分析單個谷物或豆類樣品,并提供以高通量掃描樣品的可能性,同時可視化空間分布。
英國著名的諾丁漢大學Nicola Caporasoa等研究人員利用Specim高光譜分別對咖啡豆的蔗糖、咖啡因、脂質等;可可豆的多酚含量等;小麥籽粒蛋白質含量進行無損品質檢測,4篇文章分別發表在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、咖啡因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量。咖啡豆中的酸和生物堿會影響咖啡的風味。樣本來自巴西,埃塞俄比亞,墨西哥等13個國家。對27個批次進行取樣,其中60%經過濕處理,剩余的40%干燥處理。從每個批次中隨機取樣10個單豆用于實驗,利用Specim高光譜在980-2500 nm光譜范圍內進行成像。
圖1:在Robusta和Arabica批次,在單像素的綠咖啡豆中(a)蔗糖,(b)咖啡因和(c)葫蘆巴堿,數字表示每種化合物的濃度,mg /g。粗體數字表示預測化合物濃度,然后是每種咖啡豆的參考測量值。
參考文獻: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 高光譜成像快速預測綠咖啡豆的水分和脂質含量
綠咖啡豆水分會影響咖啡豆的保質期,脂質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批綠咖啡豆用于實驗,從每批咖啡豆隨機選擇并單獨分析,利用Specim高光譜進行成像檢測。
圖2:咖啡豆的水分含量a)灰度圖像,顯示在一個光譜帶處從連續移動臺獲得的反射率超立方體;b)重建圖像,顯示在單個像素級可視化的預測水分含量;c)預測咖啡豆另一面水分含量;d)批次細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。 數字表示平均預測水分,以%表示。
圖3:在綠色咖啡豆中的總脂質含量可視化的應用: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180°)。數字是預測平均脂質,根據每個bean的像素值計算含量,表示為%(dmb)。
參考文獻: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 高光譜成像預測可可豆的發酵指數,多酚含量和抗氧化活性
可可是巧克力生產的關鍵成分。可可豆酚類化合物,抗氧化活性和發酵指數是可可品質的重要參數。17個可可豆批次中隨機選擇,使用Specim高光譜成像系統在1000-2500nm的光譜范圍內(HSI)定量預測個體的發酵指數(FI),總多酚(TP)和抗氧化活性(AA)。
圖4:發酵指數,總多酚含量和抗氧化活性。單個像素級別(左側的圖片),或平均預測值以獲得單豆值(右側的bean)。白色數字表示每個可可豆的預測平均值,黑色表示參考測量值。發酵指數值是無量綱的,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: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 高光譜成像預測小麥籽粒蛋白質含量
小麥品質中,蛋白質含量是非常重要的參數。它會影響烘焙產品的質量,尤其是麩質面包的生產。蛋白質含量對最終價格產生重大影響,許多國家都以蛋白質含量作為定義小麥價格的關鍵標準。
樣品主要來自英國各供應商,還包括加拿大,法國,意大利,德國和東歐小麥。不同品種,不同環境和不同農藝條件的小麥,總共約190個小麥樣品用于本實驗,使用Specim高光譜進行成像檢測。
圖5:a)單像素級應用,顯示背側(左:平均值:12.7%)和腹側(右:平均值:13.5%)相同籽粒的兩面。批次的參考蛋白質測量:13.1%;b)通過平均每個籽粒的光譜,左:低蛋白質樣本,參考蛋白質含量=
10.2%; 預測值= 9.7%。右:高蛋白質樣本,參考蛋白含量= 15.1%,預測值=
14.6%。黑色文字:預測值;白色文本:參考值(%)。
參考文獻:Nicola Caporaso, et al. Protein content prediction in single wheat kernels using hyperspectral imaging. Food Chemistry, 2018, 240: 32- 42.
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