高光譜成像在咖啡豆、可可豆、小麥品質檢測方面的應用

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.