利用高光譜成像技術檢測咖啡豆中的污染物

目標：

本應用研究旨在探討高光譜成像 (HSI) 技術如何提升食品質量和安全檢測水平，重點關注咖啡豆中的污染物。本研究使用 Specim FX10、FX17 和 SWIR 相機，探索了HSI技術是如何檢測外來異物和污染物，以確保食品加工過程中的質量和安全。

食品質量與安全挑戰

食品生產商為了維持較高的質量標準，在識別污染物方面面臨挑戰，比如異物識別。檢測咖啡豆中混入的非咖啡物質，如木棍、貝殼和石頭，對于確保質量和安全至關重要。
高光譜成像技術能夠獲取每個像素的光譜數據，根據光譜特征區分咖啡豆和潛在污染物，從而實現精細的污染物檢測。該技術的非破壞性在食品行業是一大優勢，因為它可以在不改變或損壞產品的情況下進行檢測。

食品質量檢測中的高光譜成像技術

在本研究中，我們使用Specim的FX10、FX17和SWIR高光譜相機對兩種咖啡豆和幾種污染物進行了測量，每款相機都具有不同的光譜范圍和分辨率：

	Specim FX10 光譜范圍：400-1000nm 光譜分辨率（FWHM）：5.5nm 像素大小：約0.176mm
	Specim FX17 光譜范圍：900-1700nm 光譜分辨率（FWHM）：8nm 像素大小：約0.281mm
	Specim SWIR 光譜范圍：1000-2500nm 光譜分辨率（FWHM）：12nm 像素大小：約0.520mm

光譜數據使用SpecimONE處理平臺中的SpecimINSIGHT軟件進行處理。被測污染物包括木棍、貝殼和石頭。為評估不同相機在咖啡豆中挑出污染物的效果，記錄了每臺相機的光譜響應。

圖1 樣品和污染物照片

與傳統的視覺系統相比，高光譜成像的附加值顯而易見：

• 烘焙過的咖啡豆和污染物顏色非常相似，這使得僅使用RGB相機無法有效區分它們
• 咖啡豆和污染物的密度相近，使得X射線成像技術也無法奏效
• 高光譜成像可以揭示物質的化學成分，使其成為此應用的理想方法

樣品測量和數據分析

Specim FX10相機

Specim FX10相機采集的光譜數據未能顯示出有效區分咖啡豆和污染物的明顯光譜特征，光譜曲線中觀察到的差異很小。

    
圖2 Specim FX10相機采集的咖啡豆（左圖）和污染物（右圖）VNIR光譜曲線

正如預期，此時建立的PLS-DA模型在咖啡豆中分選污染物方面表現不佳。

圖3 基于Specim FX10采集數據建立的相關模型預測結果（咖啡豆標記為橙色，污染物標記為紫色）

Specim FX17相機

Specim FX17相機采集到了更多易于區分的光譜特征，特別是在1200、1430和1700 nm附近。這些特征峰與咖啡特有的光譜對齊，增強了區分污染物的能力。

    
圖4 Specim FX17相機采集的咖啡豆（左圖）和污染物（右圖）NIR光譜曲線

我們還要強調可以使用適當的預處理方法來增強光譜差異。此外，可以設定僅覆蓋相關范圍的感興趣光譜區域（ROI），這是Specim FX相機的另一個優勢。

圖5 Specim FX17光譜數據預處理后的曲線，橙色代表咖啡豆，紫色代表污染物

結果表明此時模型能很好地分離咖啡豆和污染物。

圖6 基于Specim FX17相關模型的預測結果（咖啡豆標記為橙色，污染物標記為紫色）

Specim?SWIR相機

SWIR相機向我們展示了更全面的光譜特征。它涵蓋了Specim FX17的光譜范圍，并進一步擴展到2500nm。額外的光譜范圍使得模型能夠包含更多與咖啡因相關的光譜標記，提高污染物檢測的準確性。

    
圖7 咖啡豆（左圖）和污染物（右圖）的SWIR光譜

圖8 基于Specim SWIR相關模型的預測結果（咖啡豆標記為橙色，污染物標記為紫色）

結論

通過以上結果可以看出Specim FX17和SWIR相機都能有效識別污染物，其中SWIR相機的準確度略高。然而，考慮到成本效益以及相機與SpecimONE的兼容性，我們推薦使用 Specim FX17相機用于咖啡加工中的污染物檢測。
在食品加工中使用高光譜成像技術可以提升產品安全性、減少浪費并提高質量控制標準，為制造商提供了一種可以檢測污染物并確保高質量標準的可靠工具。

免責聲明

本技術說明由 Spectral Imaging Ltd. 的Specim公司編寫，僅供一般指導之用。我們保留修改內容的所有權利。

關于Specim

作為高光譜成像（HSI）行業的龍頭公司之一，Specim產品涵蓋從可見光到熱紅外全部波段的測量，為用戶提供全面的高光譜成像解決方案，滿足工業、科學和研究用戶的不同需求。產品包括工業高光譜相機、實驗室高光譜相機以及機載高光譜相機，適配客戶特定的使用場景。Specim以分揀機客戶為核心，同時在分選回收、食品和制藥等行業也擁有廣泛的客戶群體。去年，Specim正式推出全新的SpecimONE高光譜成像平臺，該平臺使高光譜成像技術更便利、更快捷地與分揀機相結合。2021年起，SpecimONE平臺可開始交付。借助SpecimONE平臺，柯尼卡美能達將進一步擴大工業領域中高光譜成像的業務。