德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会北京代表处
近红外快速检测食品质量——无论是水果,肉类还是奶酪
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图示是集成了衍射光栅、光栅驱动、位置检测器和光隙的光谱仪,比目前可用的光谱仪要小得多

食品的质量并不总是符合消费者的期望。但是,在未来,借助一种光谱仪,顾客将在购买食品之前就能对其质量进行评估。该设备比方糖更小,制造成本低廉,甚至有一天可以安装在智能手机里。

那个梨熟了吗?或者,当你回家后发现买的梨既不甜也不多汁时,你会不会很恼火?那么那块肉呢?它是否含水太多,从而在烹饪时变硬?对消费者来说,买到合适的食物往往只能靠运气。但这一切都将改变。今后,你只需拿着手机靠近相关产品,激活相应的应用程序,从菜单中选择食物类型——比如“梨”,手机就会立即提出建议:这个梨的果糖含量很高,可以购买。

该应用基于一个近红外光谱仪,可以测量产品中的水、糖、淀粉、脂肪和蛋白质的含量。该系统能“看到”食品外皮下几厘米的地方——这意味着它可以检测,比如苹果核是否已经腐烂。薄包装膜对它来说不是问题,因为它可以直接透过包装膜进行测量。

该设备实际上是怎么工作的呢?通过向待测物品(比如一块肉)照射宽频光,根据肉的成分,设备将以不同强度反射近红外范围内的不同波长的光。科学家通过产生的光谱就可以知道食品中存在哪些物质及其数量。

比方糖更小

这一光谱仪的新颖之处是它的尺寸。其体积只有2.1cm³,比方糖小30%,比市面上比它大350倍的同类产品袖珍得多。另一个优点是,它的制造成本很低,适合大规模生产。“我们希望光谱仪能像数码相机那样发展,”Heinrich Grüger博士说。他管理位于德累斯顿的弗劳恩霍夫光电微系统研究所IPMS开发该系统的相关业务部门。“十年前价格为500欧元的相机远比不上今天你的手机自带的摄像头。”

光谱仪通常是通过组装零部件来制造的。反射镜、光隙、光栅和检测器都必须单独安装到位并对齐。而IPMS的研究人员直接在硅片上制造单个光栅和光隙。而且,薄薄的硅片大到足以容纳几百个光谱仪的部件,也就是说可以一次性生产数百个近红外系统。科学家们将有集成元件的硅片堆叠在有光学元件的硅片上。然后,他们对准并绑住硅片,再分开它们以形成单独的光谱仪。这意味着研究人员不需要安装每个组件,而只需要确定各自的复合硅制基片的位置。所谓的微机电系统(MEMS)技术的另一个优势是,所生产的设备要比手工制作的设备更坚固。

在5月22日至24日于纽伦堡举行的Sensor+Test展会上,IPMS的研究科学家将展出光谱仪的原型(12号厅,202号展位)。该设备预计在三到五年内可以投放市场。研究人员还致力于建设一个相应的基础设施。“我们正在开发智能算法。它能立即分析记录的光谱,将其与要求进行比较,然后给消费者是否购买的建议。这种建议完全基于质量特征,如成熟度和含水量。该系统不能进行微生物学或毒理学分析。”光谱仪的潜在应用领域并不限于食品。例如,该设备还可以检测赝品,检验某一产品是由优质原材料制成还是廉价的假货。它还可以测出汽车车身的某些部分是否被重新喷漆,以及测试药物和美容霜成分。

 

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