第1章绪论
2021年是我国经济和社会发展“十四五”规划的开局之年，我国食品工业主动适应经济发展成为新常态。近年来，在刚性需求和消费升级的推动下，食品工业保持稳定增长，不断调整、优化产业结构，加快转型升级步伐。据工信部网站消息，2019年1～12月，全国食品企业工业增加值保持稳定增长，农副食品加工业累计同比增长1.9%，食品制造业累计同比增长5.3%[1]。2021年1～12月，全国食品工业规模以上企业总利润同比增长5.5%。其中，农副产品加工业总利润同比下降9.2%，食品制造业总利润同比下降0.1%，而酒、饮料和精制茶制造业利润同比增长24.1%[2]。食品制造业在保障民生、拉动消费、促进经济与社会发展等方面继续发挥重要的支撑作用。随着食品工业总产值的高速增长，食品加工制造业技术也在不断更新，但与此同时，传统食品企业高能低效以及相对粗放的加工方式，使得食品产业面临巨大的挑战。尤其在食品收储以及加工过程中，相对滞后的检测手段已成为制约食品产业现代化升级的一个重要因素。近年来，高端制造技术、智能传感技术、现代网络技术和大数据的发展，推动着中国加工制造业逐步迈向智能化和信息化。食品行业作为国民经济的支柱产业，也逐步向智能化、信息化方向转型升级。由于无损检测技术具有速度快、成本低、易在线等特点，现已成为食品检测领域极具活力的朝阳技术，也是食品加工业走向现代化的重要保障。在食品工业高度发展的今天，快速无损检测技术可以为食品产业升级、克服发展瓶颈提供重要的创新动力。同时，其绿色高效的技术特点，可为食品行业的持续发展提供重要的科技支撑，引领食品行业向智能化、信息化方向发展。
1.1食品无损检测技术概述
1.1.1食品无损检测技术内涵
无损检测是指在不损害或不影响被检测对象使用性能，不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用检测对象结构品质变化等引起的热、声、光、电、磁等响应差异，借助现代化的技术和设备器材，对检测对象的结构、品质、状态及缺陷等变化进行检查和测试的方法[3]。食品无损检测技术针对不同测定对象输入光、力、声、电、磁等某种或几种形式的物理能量，由于检测对象不同，相应的响应信号也不一样，对于食品物料而言，这种输入和输出间的信号差异就反映了被测对象外观或内部成分、结构等特征的品质差异。
例如，食品物料受到外界光作用后，其能量状态会发生一定的变化，通常表现为吸收一定频率的光，从低能态向高能态跃迁或从基态向激发态跃迁，再辐射出一定频率的光。吸收光和辐射光的频率与构成物质的分子、原子的种类性质有关，具有高度选择性。因此，根据食品物料的光学特性可以鉴定其外观或内部的品质特征。通常而言，紫外光到可见光波长范围内的光线可使食品的电子能级产生激励，红外区域的光线可使物质分子间的振动能级和转动能级产生激励。力学法是指根据食品的振动力学特性，对试样施加振动或扭动激励，再测定试样的振动幅度、相位运动衰减等特征，依此判定检测对象的品质。声学法分析方式与力学法相似，同样是采用外界激励的方式，根据被激励后的食品所发出的声波信号变化，可判断食品的内外结构等品质特征。食品的电磁特性可分为主动电磁法和被动电磁法两种，前者是利用被检对象自身所具有的某种电磁性质如仿生传感或者生物电等特征判别检测对象，后者是以试样受电磁场作用后反作用于外部环境的特性为依据检测食品的品质。
食品无损检测技术是20世纪后期发展起来的应用科学相关的技术，该技术依托于物理学、信息科学、传感技术、光电技术、数据处理和计算机应用等交叉学科的知识体系。由于食品无损检测技术对食品物料检测输入和输出的均为物理能量，不会对检测对象造成破坏。此外，通常而言，食品物料的检测过程速度很快，在短时间内即可完成检测对象的品质检测，适用于现代食品工业中食品物料质量安全快速高通量检测。因此，我国食品工业在高速增长的今天，食品无损检测技术已成为食品检测领域极为活跃的朝阳技术，在食品产业智能化升级中扮演着越来越重要的角色。
1.1.2食品无损检测技术发展历程
国外发达国家开展食品无损检测技术研究相对较早，如美国在20世纪30年代即开始使用电子分选机分选大豆和花生。此外，美国农业部拉塞尔研究中心也根据瓜果含糖量的高低对红外光吸收程度的不同制成了实用型的瓜熟红外测定器。1953年，美国开始使用商品化的电子色选机；20世纪60年代Norris开发了与计算机相连的高密度分光光度计，利用这一系统完成了多种农产品外观品质的测定。此后，Ben-Gera等利用近红外光谱检测肉类食品的脂肪和水分，取得了较好的结果[4]。此后，学者们对光电无损检测技术以及在食品和农副产品中的散射特性原理和应用进行了深入研究，研究结果表明光电技术在食品、农产品的品质检测分级方面有较大的潜力。
日本自20世纪70年代起开展了光特性检测研究，利用农产品的延迟发光特性成功地进行了西红柿、香蕉、橘子、生茶等的分选试验。日本工业技术院发明一种大米品质测定器，它通过传感器测定大米的透光率和分光比结合数学模型检测大米的成熟度、虫病及色泽等级。日本积水化学工业株式会社发明了基于光纤技术的液体糖度检测器。
此外，以色列、荷兰、法国、德国、意大利、西班牙等国家也陆续开展食品、农产品无损检测研究，并研制相关的技术装备。例如，以色列研发了水果分级机，利用反射光谱特性分析水果表面缺陷，再配以称重系统将采集到的信息经计算机综合评定，给水果分级。
我国开展食品、农产品无损检测技术研究起步相对较晚，20世纪70年代曾有个别院所开始探索采用无损检测技术对食品的质量进行检测分析的可行性。例如，北京市粮食科学研究所电子技术应用组在20世纪70年代就曾探讨过用近红外反射法快速检测谷物、油料成分的可能性[5]。20世纪80年代后期，陆续有高校和科研院所采用近红外光谱技术检测谷物、禽蛋、水果等成分、新鲜度、成熟度等，并进行研究分析；采用生物电特征对有精蛋和无精蛋进行识别；采用荧光技术对花生等农产品的毒素进行检测分析等。
21世纪，食品无损检测技术得到长足发展，各种无损检测新技术不断涌现，如新型的仿生传感技术、高(多)光谱成像技术、气味成像化技术，以及多传感器信息融合等技术的涌现；而机器视觉、近红外光谱等传统无损检测技术也在不断更新换代和拓展应用领域。食品无损检测技术在食品收购、运输、储藏过程中的质量安全监控以及食品、农产品加工过程中的品质检验监控，都发挥着越来越重要的作用。
1.1.3国际食品无损检测技术发展趋势
为了更全面了解食品无损检测技术发展的基础研究状况与发展趋势，本书作者对国际食品无损检测技术基础研究演化趋势进行全面检索。食品无损检测技术萌芽于20世纪50年代，当时发表的论文相对较少，仅有零散的论文发表，该状况持续到70年代末。图1-1为80年代后国际食品无损检测技术基础研究演化趋势图，从图1-1可以看出，80～90年代食品无损检测领域开始有少量的基础研究论文发表。进入21世纪后，该领域所发表论文有了突破性增长，2000年可检索到的发表论文数超过200篇，2013年发表论文数则超过1000篇，从2018年开始，每年发表论文数均可达到1600篇以上。在所发表的论文中，近红外光谱技术一直是食品质量安全无损检测领域最活跃、发表论文数量*多的无损检测技术(图1-1)。此外，有关仿生传感技术、机器视觉技术、光谱成像技术方面的研究也较为活跃。
图1-2为21世纪后国际食品无损检测技术基础研究主要国家(地区)分布趋势图。从食品无损检测相关研究的国家(地区)分布来看(图1-2)，在食品无损检测领域开展研究初期，美国一直占据该技术研究的主导地位，法国、德国等发达国家也有较好的基础。中国学者早期在食品无损检测领域发表文章一直相对较少，2000年才开始在国际期刊有一定数量的论文发表，而后逐年快速增加，到2013年，中国从事食品无损检测领域研究的学者已超过美国，成为该研究领域发表科技论文数量*多的国家。总体而言，中美两国学者发表论文数量在全球占据明显优势，德国、法国、西班牙等欧盟国家的学者也发表了大量的基础研究论文。此外，韩国、加拿大的学者在食品无损检测领域也开始了诸多的基础科学研究，发表了相关的科技论文。
图1-3为食品无损检测技术基础研究在各大洲的分布状况。从更广阔的各大洲地域基础研究分布来看(图1-3)，在食品无损检测领域的基础研究方面，欧洲的学者所占比例*高，达到38%；亚洲学者也基本相当，达到36%，所发表的基础研究论文主要来自中国、日本、韩国、印度等国家学者的研究成果；此外，美国、加拿大等北美洲国家在食品无损检测领域也有较多的相关研究。
图1-4为不同食品无损检测技术应用于不同检测对象的研究论文分布趋势图。从研究对象来看，食品无损检测技术在不同的检测对象中的研究分布也有所差别，不同技术适用的检测对象也不同。其中，近红外光谱对植物油的检测研究论文数量*高(图1-4)，原因主要归结于植物油化学成分的变化在近红外光谱区域有较为明显的呈现，采用近红外光谱检测技术对不同品质、类型的植物油有较好的检测效果，因此有较多的研究论文发表。近红外光谱检测技术在对水果、谷物、禽肉品质检测方面，均有较多的研究论文发表。对于大宗农产品，水果、谷物、肉类等质量安全的检测方面，各种无损检测技术均有涉及。
