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THz技术在食品品质检测中的应用研究

2018.6.29

　　摘要：THz技术是近些年迅速发展起来的一大高科技技术，在很多领域都得到了广泛的应用。本论文先简要叙述了THz技术的概况，随后就主要分析了THz技术在食品品质检测中的应用研究。
　　我国自古以来以来就以大国居称，即使到了现今社会，依然还是人口大国。所以保障食品的安全问题就是国家的战略需求。由于现今社会由于品质问题引起的食品安全事故越来越多，俗话说的好，“民以食为天”。所以食品就受到广大人名群众的关注，所以做好食品的安全精准的检测就显得格外有必要，也就是因为这个原因，现在迫切需要召开一个食品的检测研究。而粮食的储备其实直接关系到国家粮食的安全问题，而粮食在存储中发生虫害、霉变等问题导致我国平均粮食的损失远远大于发达国家。从这个层面上来说，开展精准、安全的粮食存储研究对于提升整个国家的粮食储存水平、保障粮食的数量不受影响、保障粮食的质量具有重要的时代意义。
　　THz又名太赫兹，在整个电磁波普中太赫兹辐射处于微波和红波之间。在1980年之前，因为缺少THz波相关的检测技术，所以人们将THz波称之为电磁波谱中的THz空隙（THz Gap）。这两年，人们在THz辐射源与探测器方面取得越来越多的成绩，尤其是半导体材料技术和超快激光技术，这两个方面的快速发展大大促进了THz技术的进步。THz波段产生的光子能量比较低，它不会产生离子反应，所以特别适合旅客安检以及生物组织的活体检查工作上。THz波具有极强的穿透力，它能够穿透液体和许多介电的材料，比如说像衣服、木材、塑料等。利用THz还可以对于不透明的物体进行成像，这个可以作为超声波和X射线技术的补充。THz技术具有其自身独有的性质，它能够在农产品品质检测、生物分子检测、食品在线检测与质量控制等方面获取到其它技术难以获得的信息。
　　一、THz技术的概述
　　THz光谱技术实际上可以用来检测材料的远红外线特质以及频率之间的关系，用来剖析检测材料的实质。到目前为止，我们可以通过很多不同的办法去得到材料中的THz光谱。THz技术中最新的技术当属THz时域光谱技术。此技术尤其自身不同的优点，它利用宽波段的THz脉冲。接下来我们就分别对THz时域光谱技术极其成像技术做简单的分析。
　　（一）THz时域光谱技术（THz-TDS）
　　THz时域光谱技术（THz-TDS）的试验系统的组成部分有时间延迟控制系统、THz发射元件、THz探测器件、超快脉冲激光器。它的工作原理比较简单，就是发射一束可控的THz电磁波，照射子在需要被检测的样品上，然后与之发生作用，在整个时域里去测量THz脉冲发生的一系列变化。具体做法如下，将超快的激光脉冲分成两部分，一束用来刺激THz脉冲，另一束则用来检测THz脉冲的瞬间电场的变化，最后通过对于扫描使用的激光以及THz脉冲所产生的相对延长的时间，就可以得出THz脉冲电场强度跟随时间变化所发生的改变，而这个改变的波形其实就是测量的样品的时域光谱。THz-TDS时域光谱技术系统有两种类型，即反射型以及透射型，所以可以分为材料的反射式测量和材料的投射式测量，我们在具体测量的时候可以根据不同样品的特征或者要求进行相对应的测试方式，不必千篇一律。
　　（二）THz成像技术
　　脉冲THz成像技术又可以被称之为T-ray成像0，它是由Hu实现该技术的，现在该技术已经被广泛使用在各个领域中，尤其是在无损检测、非接触式测量上，它显示出不同于他者的独特魅力和优势。THz成像可以像X光成像那样生成物体的密度分布图，并且还可以提供THz的光谱信息，这是THz光谱所具有的不同于其他的独特性质。THz成像是相当敏感的，这点就可以保证在测试的时候实现成分的测量或者材料的鉴定。因为不同的材质的物品有着不同的折射率，所以我们可以利用THz是相位的具体信息，对于物品形成三维立体认识，做到对于质地的把控。
　　二、THz技术应用在食品质量的研究应用
　　在现今社会的全球，有许多研究小组在进行食品的质量检测技术评估与研究。因为使用光学的探测技术能够保证检测不受到影响，不管是从X射线还是到红外线，这些都有大量的报道去支持。特别是近几年来红外线和水果等农产品相互联系之后，它的光谱就和这些样品的许多方面息息相关，比如说是酸度、成熟度等，其实这个可以运用于农产品成熟度的检测。但由于自身的局限性，现在这个研究目前还处于研究的阶段。而THz光谱和成像技术作为比较新型的测定技术，对于食品本身有其自身的感应作用，所以这个技术可以在食品检测和质量把控上有新的突破。
　　（一）THz技术在食品水分检测中的应用
　　在食品处理的工艺中水分检测工作时相当重要的，但实际上到目前为止都没有明确的办法去检测水分。因为水分子对于THz波段有十分强烈的反应，它会引起分子之间的震动，水分子对于THz辐射具有很强的吸收能力。因为THz具有穿透非金属等物质材料，对于水分子就有很强的吸收作用。THz光谱可以用来检测食物中的少量的含水量。
　　对于干燥食品质量把控的最重要的一个环节就是检测食物中水分的高灵敏测量。Ogawa这些元素利用毫米波吸收干态食物中的冷冻度和水分量，在试验中建立了相对应的植物和食物的冷冻度和含水量的检测系统，通过对于这个检测系统的把控，我们就可以掌握整个食物的质量。根据上述的性质我们可以利用水以及冰在THz的吸收的作用，做好相对应的水分检测工作。另外，我们还可以根据冰和水的不同系数，分别来鉴定和鉴别水以及冷冻性食物的冷冻性。
　　我们常喝的速溶咖啡以及奶粉中如果有过多的水分就会导致整个口味变淡，并且出现结块的现象。Takeshi等在频率比较低的情况下使用TDS的方法可以检测脱水食品中的含水比例。我们会选择使用低频段的光谱，其实还是因为水对于THz有比较强的吸收作用，但是这个的限制对象却很有限，它要求只能是比较干的物品又或者比较薄的东西，但THz的低频段对于水的吸收相对比较少，虽然到最后这个波段有所减弱，但是我们仍然可以检测到相对应的信号。我们一般情况下将咖啡粉末放置在玻璃瓶中，不过玻璃瓶一般不会吸收THz辐射，所以我们就可以对于瓶内的水分含量做到该有的密度检测。
　　（二）THz技术对于食品内部品质检测与质量控制的应用
　　在对于肉制品内部品质的检测中，我们可以根据THz波对于肉制品中瘦肉以及脂肪不同的穿透能力这一特殊性，对肉质进行检验。最近几年，生物THz的成像技术发展比较迅速，但主要的研究还是集中在成像方法上的。Fergu-son利用THz辐射技术对不同生物进行不同的成像，以此来进行区分分类。我们在具体进行区分的时候，可以采用THz电场技术对于牛肉、鸡肉、猪肉等脂肪组织进行投射成像。另外，因为THz对于水或者脂肪的吸收有着不同的图像对比性，而我们通过观察THz光谱不同的强度，就可以十分清晰的分出动物的肌肉、骨头、脂肪等具体图像，从而也可以清楚的指导他们各自所具有的吸收能力。
　　同样地，THz技术在水果内部品质中也同样可以展开，我们利用THz-TDS技术对于糖容量进行计算和测量，最后得出了相对应的结论，糖分浓度和THz波段之间是成反比关系的，而这个结果对于开展蔬菜水果等食品内部品质的检测是具有相当重要的意义的，对于之后水果蔬菜的存放问题也具有很强的借鉴作用。
　　结语：
　　我们所说的THz检测技术本身的意义就在于不破坏食物本身，然后还可以使其的分工更加准确、便捷，这样就能加快食品的加工速率，适合大规模的生产要求。这对于我国食品的品质提高具有很大的作用，也降低了工人的劳动强度，也可以创造巨大的经济价值和社会利益。所以我们应该重视新科技在食品生产的转移，以及后续的研究工作。尤其是这种THz检测技术在食品加工中的应用和研究，这样对于推进食品加工业的发展具有很强的现实意义。
　　参考文献：
　　[1]卜凡艳，韩剑众.无损检测技术在食品品质检测中的应用[J].食品工业科技，2007，07：221-224.
　　[2]闫战科，张宏建，应义斌.THz技术在农产品/食品品质检测中的应用[J].光谱学与光谱分析，2007，11：2228-2234.

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周锦帆