食品物质光学性质课件

食品物质光学性质大部分的食品是由无数细小的内部界面组成，在光学上是各向异性的。光进入这种物料后在各个方向上散射，而不是以直线方式透过物体，多次散射和重新分布是光和食品相互作用的主要特征。反射光提供了食品表面特征的信息，如颜色、表面缺陷、病变和损伤等，而光的吸收和透射则是食品内部结构组成、内部颜色和缺陷等信息的载体。对这些量的分析可以判断食品物料的不同颜色、区分质量优劣、指示成熟与否，从而可以对食品进行分选和质量分析。对食品光学性质的测定，最大优点就是可以实现对食品快速、无破坏、无损伤检测。食品物质光学性质

食品与色泽色差的概念和食品色度的检测方法食品光物性与测定食品的光学测定原理；利用食品光学性质的应用；食品近红外测定的原理和应用；食品与色泽食品的色泽是人的感官评价食品品质的一个重要因素。不同的食品显现着各不相同的颜色，例如，菠菜的绿色、苹果的红色、胡萝卜的橙红色等，这些颜色是食品中原来固有的。饮食文化讲究色香味俱全，其中色彩排在首位，色彩可以促进人们的食欲，有色彩变化搭配的食物容易增进食欲，而单调或者杂乱无章的色彩搭配则使人倒足了胃口。不同彩色光源的照射也会对食品色彩产生很大的影响，从而引起人们不同的食欲反映，农贸市场中许多出售肉食的摊位用红色玻璃纸包裹灯泡用红色灯光照射食物，就是为了使肉食看上去更加新鲜，引起人的食欲。色彩与嗅觉的关系大致与味觉相同，也是由生活联想而得。从花色联想到花香，根据试验心理学的报告：通常红、黄、橙等的暖色系容易使人感到有香味，偏冷的冷色系容易使人感到有腐败的臭味。深褐色容易联想到烧焦了的食物，感到有蛋白质烤焦的臭味。1．物体的颜色

物质的颜色与光密切相关。按物理学的观点，太阳辐射是一种电磁波，太阳光只是其中的一部分，它是由不同波长的光所组成的。除可见光外，还有紫外光和红外光。食品颜色的表征

通常，物质的颜色是物质对太阳可见光（白光）选择性反射或透过的物理现象（物质本身的自发光也使物质产生颜色，限于篇幅，这里不做介绍）。可见光被物体反射或透射后的颜色，称为

物体色。不透明物体表面的颜色，称为

表面色。

根据三原色学说，任何一种颜色的光，都可看成是由蓝、绿、红三种颜色的光按一定比例组合起来的。

“颜色视觉”是由于外界物质的辐射能刺激于人们眼睛内视膜网敏感的视觉神经中心末稍而引起的。光进入眼睛后，三种颜色的光分别作用于视膜网上的三种细胞上，产生激励，在视神经中，这些分别产生的激励又混合起来，产生彩色光的感觉。食品颜色的表征

物体的颜色与照射的光源和人眼对颜色的感觉有关。由于人的生理上的差别，各人对颜色的灵敏性也大不相同，因此，人对颜色的判断带有很大的主观性。人类视觉的这些缺点是难以正确测定颜色的原因。2．颜色的表示方法

为了准确地描述和表示物体的颜色，新兴了一门科学——色度学。色度学是研究人的颜色视觉规律，颜色测量的理论与技术的科学。在这门科学里，物体的颜色一般用色调、色彩度和明度这三种尺度来表示。

色调表示红、黄、绿、蓝、紫等颜色特性。

色彩度是用等明度无彩点的视知觉特性来表示物体表面颜色的浓谈，并给予分度。

明度表示物体表面相对明暗的特性，是在相同的照明条件下，以白板为基准，对物体表面的视知觉特性给予的分度。

此外，还用色差来表示物体颜色知觉的定量差异。食品颜色的表征

2．颜色的表示方法

使用规定的符号，按一系列规定和定义表示颜色的系统称为色度系统（亦称表色系统）。

为了科学地表征颜色特征，国际照明委员会（CIE—InternationalCommissiononIllumination）创立了CIE标准色度系统。

由CIE1931年规定的光谱三刺激值为表示的色度系统，称为CIE1931标准色度系统，有时称为20视场XYZ色度系统。

由CIE1964年规定的光谱三刺激值为表示的色度系统，称为CIE1964补充标准色度系统，有时称为100视场X10Y10Z10

色度系统。食品颜色的表征

2．颜色的表示方法

在X10Y10Z10

色度系统中，色品（度）坐标x10、y10、z10

按下式计算：

食品颜色的表征

式中的X10、

Y10、Z10是仪器测得试样的三刺激值。如果两种颜色完全一致，则限定这两种颜色的三刺激值必须相同。其中，Y10还表示颜色的明亮程度。

色度图色度图CIE1931年色度系统色品图（补充件）备注：①标准照明体②20视场

CIE1964年色度系统色品图（补充件）①标准照明体D65②100视场

色品图及样品的标注

表示色品坐标的平面图称为色品（度）图。在X10Y10Z10

色度系统中，以色品坐标为横坐标，为纵坐标。图中有波长分度的曲线，是把各单色光刺激点连接起来形成的光谱轨迹，把光谱轨迹两端连接的直线是紫轨迹，如图49-1所示。从、色品图中可见，可见光颜色分布在一个色品三角形中，物体的色品值可以在色品三角形中用唯一的点来确定。但要精确地表示一个物品的颜色，必须用一个色品坐标和一个明度因子来确定。图49—1X10Y10Z10

色度系统的色品图

物体色测量方法的分类

颜色测量方法一般分为光谱光度测色法和刺激值直读法两大类。⑴

光谱光度测色法光谱光度测色法用光谱光度计（带积分球的分光光度计）进行测定，测量波长的范围一般为380～780ｎｍ，不能小于400～700ｎｍ。试样测量结果是单色光与透过率或反射率的对应数据，需按公式经复杂的计算才能得出三刺激值和色品坐标值。⑵

刺激值直读法刺激值直读法用光电类测色仪器进行测定，这类仪器利用具有特定光谱灵敏度的光电积分元件，能直接测量物体的三刺激值或色品坐标，因而称之为光电积分仪器。光电积分仪器包括光电色度计和色差计等。①光电色度计光电色度计是一种测量光源色和由仪器外部照明的物体色的光电积分测色仪器，用光电池、光电管或光电倍增管做探测器，每台仪器由3个或4个探测器将光信号变为电信号进行输出，得出待测色的三刺激值或色度坐标。②色差计色差计是利用仪器内部的标准光源照明来测量透射色或反射色的光电积分测色仪器，一般由照明光源、探测器、放大调节、仪表读数或数字显示、数据运算处理等部分组成。通常用3个探测器将光信号转变为电信号进行输出，得出待测色的三刺激值或色度坐标；还可以通过模拟计算电路或连机的电子计算机给出两个物体色的色差值。因此，这是一种操作简便的实用测色仪器。物体色测量方法的分类

SC-80色彩色差计的仪器结构⑴主机⑵液晶显示器⑶操作键盘⑷光学测试头⑸可升降的测试台⑹电源开关⑺电源线插座⑻保险管⑼打印机插座⑽连接电缆插座⑾支架⑿锁紧丁⒀样品架⒁挡光板⒂光栏

SC-80轻便色彩色差计的测试条件及有关数据

标准照明体D65

相关色温约为6504K的平均昼光。

视场当头和眼睛不动时，被观察物的立体角范围。

照明余观察条件，在GB3979中规定有o/d和d/o两种几何光学条件。试样要求与制备

待测试样可以是陶瓷墙地砖、平板玻璃等成型制品，也可以是水泥等粉末状制品。⑴

块状样品的制备对于成型制品，每批取样一般不少于三块（件）。①

试样切割对于陶瓷墙地砖，用切割机将其切成６.５×６.５ｃｍ的小块做试样。对于玻璃，用玻璃刀将其切成６.５×６.５ｃｍ的小块做试样。试样切割之后，檫净备用。②

试样处理在一般情况下不必烘样。如果试样受潮影响其测量结果时，应将其置于105～110℃的干燥箱中烘1小时。取出后置于干燥器中冷却到室温备用。试样要求与制备

⑵粉状试样板的制备

采用恒压粉体压样器，将待测粉体试样压制成粉体试样板。试样板的表面应平整、无纹理、无疵点和无污点。每批待测试样（产品）须压制三块试样板。

恒压粉体压样器试样板装料压样五.彩色试样的测试㈠．反射样品的测量对于陶瓷墙地砖、不透明的玻璃试样块及粉体试样板的测量。㈡．透射样品的测量对于透明玻璃或其他透明体的测量。

数据记录与数据处理

国家标准GB11942-89指出：“本标准采用国际照明委员会（CIE）1964和1931标准色度系统的三刺激值和色品坐标表示结果。也可以用CIE1976L*、a*、b*色度空间或主波长（补色波长）和兴奋纯度表示结果”。因此，测定记录与数据处理应包括这些内容。虽然用SC-80色彩色差计进行测定时，测定结果可由打印机打出，但打印结果不直观，而且是每个样品打印一次，为清楚起见，可按右表的形式将几个样品的数据进行整理记录。食品色度检测这里主要介绍色差概念和检测仪器。CIELAB表色系统是1976年国际照明协会，简称CIE)制定的均匀色立体表色系统，主要组成如图9一28所示。表色系统中立轴代表明度，用L*表示，称为明度指数，L*=100表示白色，L*=0表示黑色，中间有100个等级，代表不同的灰度。与立轴垂直的平面分为4个象限，由红绿线和黄蓝线划分。+a*代表红色，-a*代表绿色，+b*代表黄色，-b*代表蓝色。a*、b*称为彩度指数，c*称为彩度，h称为色调角。a*、b*、c*绝对值越大，色彩越饱和，越纯正。食品色度检测实际上，CIELAB表色系统是一个椭球体，在椭球体上任意一点都代表一种颜色，因此，由下式即可算出任意两点的色差ΔE*ab。ΔE*ab与实际观测对应情况如表9一6所示。食品的光学测定原理光通过介质时，一部分在界面上被反射，一部分被介质吸收，另一部分被介质散射，余下部分按一定折射方向继续前进(这部分也可以叫做透射光)。因此，通过介质透出的光强度必然比入射光弱。同时，由于不同波长的光在介质中的传播速度不同，因而同一介质对不同波长的光，有不同的折射率，所以一束白光或复合光在折射时，只要入射角不为零，则不同波长的光，将按不同的折射角而散开，称之为色散。由此可见，光的吸收、散射、反射和色散是光在介质中传播时所发生的普遍现象。除此之外，还有荧光和延迟发光特性。光的吸收光通过任何介质都有不同程度的被吸收。物质对光的吸收有选择性。同一介质对不同波长(不同颜色)的光的吸收程度不等。无色透明物质，例如玻璃，对可见光(波长在400一800nm之间)吸收很少。通常lcm厚的玻璃对可见光只吸收约1%，但玻璃对紫外线吸收较为显著。石英对紫外线吸收不多，而对红外线吸收性较强。一般有色透明体，例如红色玻璃对红、橙色光吸收较弱(透过较多)，而对其他色光吸收较强。诸如这类现象称为透明介质对光的选择透射。相对来说，也就是选择吸收。当绿色或蓝色光投入红色玻璃片，则红色玻璃片呈现非透明现象。光的吸收设强度为I的某种光，通过厚度为dx的某种均匀介质层，因被介质吸收部分光能量而使强度减少dI，如图9一1所示，朗伯（Lambert），指出(dI/I)与吸收层厚度dx成正比，即有光的吸收式中aλ与介质性质和光波的波长有关，称为该介质对该种光的吸收系数。当介质总厚度为x，原入射光强度为I0，通过整个介质以后的光强度为I，将上式积分，得光的吸收上式即为朗伯定律的数学表达式。对于选择吸收的物质来说，在吸收波段内，aλ可以很大，aλ越大，表示吸收越强。实验证明，稀溶液对光的吸收系数aλ与其浓度c成正比，即有aλ＝kic的关系，式中ki为决定于吸收物质的分子特性，而与浓度无关的另一常数。根据光在溶液中的被吸收的程度，可以决定溶液的浓度，这就是吸收光谱分析的原理。此式称为比尔定律。反射光特性的测定

定义反射率R＝Iτ/I1，Iτ为反射光强度，I1为入射光强度。反射光密度Dτ的定义式为利用反射光密度差来进行反射光特性的测定。两个特定波长的反射光密度差为△Dτ，则式中，R1和R2分别为两个特定波长的光对物体表面的反射率。如果选定两个波长入射光的强度近似相等，则反射光密度差为透光特性的测定I0=Ia+It+Ir透射光的强度It与入射光的强度I0的比值称为透光率透光率愈大，溶液对光的吸收愈少I0ItIrIa

透光率的负对数称为吸光度A(absorbance)吸光度愈大，溶液对光的吸收愈多。透光特性的测定光密度Dλ=－lg

T，为透光率倒数的对数。A为特定情况下的光密度。食品光学性质的应用

光透过特性的测定方法和应用

测定装置光密度差的求出与两种波长的选择利用光密度比测定透光测定法在食品品质评价上的应用光反射特性的测定方法和应用延迟发光现象的利用测定装置检测食品的光透过特性或光反射特性所用仪器最典型的构造，由以下部分组成:光源、光谱分离器、光波检测器、示波器、记录仪等。光源:一般采用标准白光源，提供可见光范围的连续光谱。光谱分离器:可以把特定波长光分离出来的部件。到达试样的光的纯度或特性取决于分光手段，一般分光手段采用棱镜或衍射光栅作的单色仪，也可以使用滤光镜达到同样效果。光波检测器:检测器选择时要考虑到反应速度、光谱响应、灵敏度、杂波水平、电阻抗、尺寸、价格等因素。一般测定透光或反射光的检测器，在可见光领域常用硫化铅光敏电阻。示波器、记录仪:把检测器感知的信号放大，并且显示、记录。测定装置温州蜜橘光密度差测定结果为了提高测定精度，如前文所述，在测定光密度差时要选择两种特定波长的光。一种波长应该是对于待测成分的变化十分敏感;一种波长相反，应是对待测成分变化几乎没有反应。由于两波长一般都对试样尺寸、光源，检测器等因素的变化反应敏感，故后一种波长就作为参照波长，用来抵消这些因素的影响。例如，根据温州蜜橘颜色选果时，所使用的两种波长分别为681.5nm和700nm，那么得到的△D值与叶绿素含量有着很好的相关关系[图9一5(a)]。如图9一5(b)所示，即使橘果的大小有差异，但对△D值几乎没有影响。也就是说，使用这两种波长光测定时，果实的尺寸即使大小不齐，也可以完成颜色选果。温州蜜橘光密度差测定结果利用光密度比测定当测定厚度不同的果实时，为了消除果实尺寸的影响，可以利用两个不同波长的光密度比进行测定。其理由如下:根据朗伯定律，I2=I1e-αλδ，αλ为吸收系数，δ为试样厚度。D＝lg(I1/I2)＝αλδ/2.303，当分别用波长为单色光测定同一试样的D时，D(λ1)/D(λ2)=αλ1/αλ2，即在关系式中不会出现厚度。透光法在食品品质评价上的应用透光测定法是食品无损检测的一种常用方法，比较典型的应用有:果蔬成熟度的检测、谷类水分含量测定，玉米霉变损伤检测、碎米程度、食品颜色、鸡蛋内血丝混入的检测等。应用这种方法的前提是，食品中与光透过有关的物质或色素，必须和食品的品质指标有好的相关性。例如，测定果实的成熟度，是利用了果实中含有的叶绿素量与成熟度明显相关这一规律。另外有关的物质还有花青素昔类、胡萝卜素等。透光法在食品品质评价上的应用果实内部的空洞、褐变、病变等可以通过透光法测定。例如对苹果的糖蜜病，由于蜜病区细胞间的空隙充满了水，因此，对入射光扩散减少，D值也减少。如图9一6所示，使用水吸收峰值的760nm和810nm两个波，即可发现糖蜜病变。对于苹果内部的褐变，如图9-7所示，随褐变加重，D增加。采用的基本波长为600nm和740nm。透光法在食品品质评价上的应用光反射特性的测定方法和应用图9一9表示测定光的反射率时光源、物料和检测器的配置方法，阴影部分表示测定光近似通过的区域。光反射特性的测定方法和应用测定反射率时一般是将一束光同时照射到物料样品和一个标准的白色参照表面(一层氧化镁)上，并对它们反射光强度进行比较，以确定反射率，如图9一10所示。由光源A发出的光经三棱镜B色散，并被C分隔成一个狭窄的波长范围。通过狭缝的光束被涂银的镜片D分成两束相同强度的光束。通过镜片D的光束投射到一个标准的白色氧化镁表面上，而由镜片D反射的光束被镜片E再反射到试样表面。光反射特性的测定方法和应用图9一11是一些食品物料的光反射率特性曲线的实例。不同物料之间光谱特性曲线的差异主要是由于物料吸收特性的差异。由图9一11可见，反射率曲线有若干明显的吸收带。这些吸收带存在于高含水量的物料中，如苹果、马铃薯和肉，而干的土块却没有。由此可见，这是水的吸收带。其波长约为970nm,1190nm和1450nm,大多数在红外线范围内。根据该特性我们可用红外线照射的方法测得其含水量。由图9一11还可看出，在波长约为675nm时绿苹果有一个明显的吸收带，而红苹果的吸收带则不太明显。这是叶绿素的吸收带，由于随着物料成熟度提高，叶绿素含量下降，因此绿苹果比红苹果的吸收带明显得多。根据这种分析，我们可用675nm波长的光照射物料，以测定物料叶绿素含量，从而可以确定物料的成熟度。延迟发光现象的利用番茄、柿子和橘子在白炽光激励下的延迟发光光谱曲线，如图9一15、图9一16和图9一17所示。由图可见，延迟发光强度的峰值是在波长为650一750nm范围内，该光谱范围正好是在红光光谱区域。因此，在测定装置中所选择的光电管应对红光有良好的响应。激励光源采用白炽灯或荧光灯均可得到良好的延迟发光输出。按分光系统分类固定波长滤光片型光栅色散型快速傅立叶变换型声光可调滤光器阵列检测型近红外光谱分析仪器食品酒制品、饮料、调味品、乳制品、食用油、烘焙食品、肉类等成分鉴别、产地鉴别、真伪鉴别农牧谷类作物、烟草、咖啡、水果、蔬菜、茶叶等成分鉴别、成熟度、品质分级、品种鉴定、产地鉴别、真伪鉴别石油炼制原油、天然气、汽油等成分鉴别、重整近红外光谱技术的应用优点：（1）快速，通常30秒内就可给出分析结果，可进行在线分析；（2）制样简单；（3）信息量大，可同时测定多组分；（4）经定标建模后，无须用其他常规化学分析手段，不使用有毒有机试剂，无污染；（5）非破坏性分析，可实现产品的无损质量检测；（6）可使用光纤，从而可实现远程分析检测。缺点：（1）建立模型需要大量有代表性且化学值已知的样品；（2）模型需要不断的维护改进；（3）近红外测定精度与参比分析精度直接相关，在参比方法精度不够的情况下，无法得到满意结果。

近红外光谱分析技术的优缺点近红外光谱谱区示意图分子的不同振动形式对称伸缩振动---非对称伸缩振动---摇摆振动---摇摆振动---弯曲振动---剪切振动不同化合物基团在近红外区的吸收谱带透射光谱法透射光谱法就是把待测样品置于作用光与检测器之间，检测器所检测到的分析光是作用光通过样品体与样品分子相互作用后的光，若样品是透明的真溶液，则分析光在样品中经过的路程一定，透射光的强度与样品组