CN109070145B - 用于检测生马铃薯和马铃薯类食品中的丙烯酰胺前体的系统和方法 - Google Patents
用于检测生马铃薯和马铃薯类食品中的丙烯酰胺前体的系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于检测生马铃薯中的丙烯酰胺前体的方法和设备，包括：用来自光源(1)的照明光束照射生马铃薯表面的至少一个区域；使用光谱分析仪(11)测量由马铃薯(6)散射的光的强度；基于测得的散射光的强度生成检测信号；将检测信号与预定义阈值进行比较；以及如果检测信号超过预定义阈值，则将马铃薯分类为具有高丙烯酰胺前体浓度，该设备还可以包括发散透镜(2)、边缘滤波器(3)、透镜(4)、光阑(5)和(7)、透镜(8)、自动平移台(9)和光纤(10)。
Description
技术领域
本发明涉及马铃薯中的丙烯酰胺(Acrylamide)形成。特别地，本发明提供了用于检测生马铃薯中的丙烯酰胺前体(precursor)的系统和方法。
背景技术
迄今为止，美拉德(Maillard)反应和丙烯酰胺前体(还原(reducing)糖、天冬酰胺(asparagine)、淀粉、干物质)已经被广泛研究(Becalski等人，2004年；Douny，Widart，Maghuin-Rogister，De Pauw，以及Scippo，2012年；Mestdagh等人，2008年；Parker等人，2012年)。目前的研究集中在通过影响加工条件、通过改善储存条件和通过应用预处理技术来减少丙烯酰胺形成。还原糖、天冬酰胺、淀粉和干物质被定义为重要的丙烯酰胺前体。此外，加工条件，比如油炸温度和持续时间，也显示出对丙烯酰胺形成有很大影响(Romani等人，2008年)。目前，许多研究都集中在将油炸马铃薯中的丙烯酰胺水平最小化。目前的减少方法包括改进油炸过程、改善生马铃薯的储存条件(储存条件影响丙烯酰胺形成)、优化原料的选择和使用化学或天然添加剂应用预处理技术。丙烯酰胺浓度可以通过避免小而薄的切薯条、通过降低油炸温度和通过避免低于8℃的储存条件来降低(De Wilde等人，2006年，2005年；
等人，2006年)。考虑添加剂的使用，可以通过用氨基酸、柠檬酸、离子、绿茶和酶预处理切开的生马铃薯来减少丙烯酰胺形成(Jung等人，2003年；Medeiros Vinci等人，2012年；Morales等人，2014年；Pedreschi等人，2007年)。但是，通过这些调整，法式薯条的颜色、味道和口感通常被调整。而且，这难以在工业水平上实施。因此，我们感兴趣的是使用光谱检测技术对在油炸过程中产生过量丙烯酰胺的生马铃薯进行非破坏性识别。
第二个主要研究活动涉及使用可见光和近红外光谱法来确定马铃薯的成分。已经演示了干物质、葡萄糖和蔗糖浓度的光学监测(Haase，2006年；Helgerud等人，2015年；Rady，Guyer，Kirk，以及Donis-Gonzáalez，2014年；Subedi以及Walsh，2009年)。
迄今为止，无法以快速、灵敏和非破坏性的方式检测到将产生过量丙烯酰胺的未加工的马铃薯。
本发明的一个目的是提供一种光谱检测技术，用于对在高温加工过程中产生过量丙烯酰胺的生马铃薯进行非破坏性识别，而不影响产品的味道和结构。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于检测生马铃薯中的丙烯酰胺前体的方法，包括：
用照明光束照射生马铃薯表面的至少一个区域；
测量由马铃薯散射的光的强度；
基于测得的散射光的强度生成检测信号；
将检测信号与预定义阈值进行比较；以及
如果检测信号超过预定义阈值，则将马铃薯分类为具有高丙烯酰胺前体浓度。
生成检测信号可以包括计算散射光信号和镜面反射光信号的光分布的比率，并将该比率与预定义阈值进行比较。
在替代实施例中，生成检测信号的步骤可以包括计算在距入射光束的第一距离处检测到的散射光的测得的强度与在距入射光束的第二距离处检测到的散射光的测得的强度的比率，并将该比率与预定义阈值进行比较。
阈值可以通过测量至少一个预确定健康马铃薯和至少一个具有高丙烯酰胺前体浓度的马铃薯的散射图案来计算。
该方法可以在分拣机内实现。
本发明还提供一种计算机可读介质，计算机可读介质包含用于使计算机执行上述方法的程序指令。
本发明还提供了一种用于检测生马铃薯中的丙烯酰胺前体的设备，设备包括：
用于用照明光束照射生马铃薯表面的至少一个区域的装置；
用于测量由马铃薯散射的光的强度的装置；
用于基于测得的散射光的强度生成检测信号的装置；
用于将检测信号与预定义阈值进行比较的装置；以及
用于如果检测信号超过预定义阈值则将马铃薯分类为具有高丙烯酰胺前体浓度的装置。
用于生成检测信号的装置可以包括用于计算散射光信号和镜面反射光信号的光分布的比率的装置，以及用于将该比率与预定义阈值进行比较的装置。在替代实施例中，用于生成检测信号的装置可以包括用于计算在距入射光束的第一距离处检测到的散射光的测得的强度与在距入射光束的第二距离处检测到的散射光的测得的强度的比率的装置，以及用于将该比率与预定义阈值进行比较的装置。
阈值可以通过测量至少一个预确定健康马铃薯和至少一个具有高丙烯酰胺前体浓度的马铃薯的散射图案来计算。
用于照射的装置可以包括超连续谱光源。用于照明的装置可以包括至少一个激光源。用于照明的装置可以包括发射位于离散波长处的光的激光源的组合。离散波长可以在1000-1600nm的范围内。用于照射的装置可以包括光阑以获得圆形照明光斑。用于测量光的强度的装置可以包括多个检测器。用于测量光的强度的装置可以包括至少一根检测光纤和至少一个光谱分析仪。用于测量光的强度的装置还可以包括准直透镜，以将检测到的光耦合到检测光纤中。在替代实施例中，用于测量光的强度的装置可以包括至少一个光电倍增管(PMT)。用于测量光的强度的装置还可以包括至少一个光阑，每个光阑用于仅检测散射光的一部分。
本发明还提供了一种包括上述设备的分拣机。
本发明涉及筛选生产品中的丙烯酰胺前体。这可以通过照射产品并通过测量由产品散射的位于1000nm和2500nm之间的波长(带)处的光的强度以便基于内部散射生成检测信号来完成。
本发明可以包括监测取决于丙烯酰胺前体的浓度的散射行为的差异。
可以在照明区域中生成镜面光，并且可以在照明光束周围的大约2cm尺寸的区域中生成内部散射光。
优选地，筛选在对比度最大的特定波长(带)处进行。这可能在区域1000-1700nm内。
用于照射的装置可以是光谱宽带光源类型的，包括但不限于氘/卤素组合或基于超连续谱的光源。替代地，可以使用激光器或可能不同的激光器的组合。该激光器或每个激光器优选地在1000nm和1700nm之间的波长范围内工作。
用于测量由马铃薯散射的光的强度的装置可以是在期望光谱区域中敏感的任何形式的检测器(单波长或多波长)。
用于测量由马铃薯散射的光的强度的装置可以适于测量某个角度的散射强度。具有不同孔径尺寸的光阑或环形传感器的组合可以与检测器组合使用。
优选地，对去皮的马铃薯切片或薯条进行筛选。
筛选可以在分拣机内实现。
本发明利用空间分辨光谱法来识别在油炸过程中产生过量丙烯酰胺的未加工的马铃薯。
本发明利用生的、未加工的马铃薯的光谱与加工后的丙烯酰胺浓度之间的关系。通过在生产过程开始时，甚至在切生马铃薯之后，集中于对丙烯酰胺前体进行筛选，使不适合高温加工的马铃薯仍可用于在制备过程期间不需要大量加热的其它马铃薯产品，比如土豆泥。因此，这增加了食物安全并减少了食物浪费。
附图说明
将仅通过示例的方式，参考附图描述本发明的实施例，附图中：
图1示出了根据本发明的一个方面的扫描测量设备的一个实施例；
图2更详细地示出了图1的设备的检测部分。
图3示出了将在油炸过程中引起过多丙烯酰胺形成的储存的马铃薯的散射特性：(a)抗散射测量结果；(b)散射测量结果。
图4示出了新鲜马铃薯的散射特性：(a)抗散射测量结果；(b)散射测量结果。
图5示出了针对增加的储存时间，新鲜的马铃薯和储存的马铃薯的散射特性的比较。
图6示出了将随着储存时间变化的在1444nm处的积分散射图案和积分抗散射图案的比率可视化的散点图。
具体实施方式
本发明提供了一种使用空间分辨光谱法监测马铃薯的散射特性的方法，使得能够识别在油炸期间产生过量丙烯酰胺的马铃薯。
本发明使用空间分辨光谱法来表征未加工马铃薯的散射特性。本发明涉及一种测量方法学，该方法学使得能够非破坏性地识别各个马铃薯，并且适合于在工业在线(in-line)扫描配置中实现。
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于检测生马铃薯中的丙烯酰胺前体的设备的一个实施例。
使用图1的设备，可以测量在距照明光束不同距离处沿着马铃薯表面的不同位置处的反射光谱。该设备包括：照明部件，其中光束被引导并聚焦到样品上；以及检测部件，其收集并测量沿着样品的不同位置处的反射光谱(也参见图2)。
照明侧包括超连续谱光源1、边缘滤波器3、两个透镜2、4以及光阑5。超连续谱光源是Fianium-SC400带尾纤超连续谱光源，该超连续谱光源通过由高功率脉冲激光器泵浦光子晶体光纤生成高功率的宽带光，从而允许获得高信噪比的散射光。具体而言，它在整个415nm-1880nm光谱中发射4W的光功率，其中1.5W由泵浦激光器在1064nm处发射。因为超连续谱光源在1064nm处比在其它波长处发射更高的强度，因此在超连续谱光源的输出之后提供/安装发散透镜2和边缘滤波器3，以通过反射1064nm光来使其光谱平坦化。否则，如果边缘滤波器不存在，则光谱分析仪将被主导的1064nm光饱和。因为边缘滤波器只能处理每个表面区域的有限光功率，因此将发散透镜2安装在光源的输出和边缘滤波器之间。该透镜增加了超连续谱光源的光斑尺寸，以防止损坏边缘滤波器。在边缘滤波器后面，透镜4将光束聚焦到样品6上。为了获得圆形照明光斑，将光阑5安装在样品的前面。照明光斑在样品表面的位置处的直径为1.8mm。马铃薯可以定位成具有垂直于照明光束的平坦马铃薯表面。在本发明的其它实施例中，可以提供一个或多个激光光源，在这种情况下，可以省略边缘滤波器和光阑。
当光源照射样品时，取决于样品的化学成分和物理参数，入射光线将被吸收、透射和反射。样品的反射光通常由来自样品表面的镜面反射光和/或漫反射光以及来自样品组织的内部散射光组成。考虑到平坦的马铃薯表面，由于较小的表面粗糙度，因此可以忽略漫反射光。光的一部分将在表面处被镜面反射，其中反射角等于入射角，而另一部分将被内部散射。当入射光线穿透样品组织时发生内部散射。在这种情况下，反射光在照明位置周围取决于组织特性的距离处被发射。空间分辨光谱法测量沿着样品的不同位置处并且因此在距入射光束不同距离处的反射光强度。在入射光束的位置处，将捕获镜面反射。在距照明位置较远的距离处，能够测量内部散射光。
图1和图2的扫描设备的检测侧包括光阑7、透镜8、光纤10、自动平移台9和光谱分析仪11。检测光纤将散射光引导至光谱分析仪。检测光纤安装在平移台上，平移台使得能够在水平方向和垂直方向(X方向和Y方向)上移动。每个移动可以是手动的或自动的。水平方向使得能够优化检测光纤的对准，使得光纤的中心通过照明光斑的中心。垂直方向使得能够扫描马铃薯表面。在每次测量期间，针对检测光纤的不同垂直位置捕获反射光谱。可以用运动控制器对垂直移动进行编程，以减少扫描持续时间并提高移动准确度。在检测光纤10的前面，安装光阑7和透镜8。光阑7限制检测器在一个测量位置期间从其接收光的马铃薯表面的区域。光阑7还选择要检测的散射信号的某个部分。因此，检测器测量能够在散射图中进行可视化的某种光强度。透射从200nm至2500nm的光的准直透镜8收集通过光阑的光并将该光耦合到检测光纤中。没有这种透镜，光纤10将不能捕获通过光阑的所有光。检测光纤10连接到光谱分析仪11，光谱分析仪11测量随着波长变化的绝对光强度。提供宽带光谱分析仪，该分析仪包括具有线性检测器阵列的两个不同通道，使得能够同时测量紫外(UV)、可见(VIS)和近红外(NIR)光谱。第一个通道包含能够测量200nm和1100nm之间的光谱的光谱仪，其具有1.4nm的分辨率。第二个通道包含能够测量1000nm和1700nm之间的光谱的光谱仪，其具有4nm的分辨率。对于检测光纤的每个垂直位置，光谱被两个光谱分析仪通道同时捕获。
应该认识到的是，在根据本发明提供其它检测装置的情况下，可以省略透镜、光纤、平移台和光谱分析仪。检测装置可以包括在自由空间中检测的一个或多个光电倍增管。
本发明使得能够在不影响从测试马铃薯生产的法式薯条的味道、结构和成分的情况下，非破坏性地识别产生过量丙烯酰胺的生马铃薯。此外，1444nm激光器的商业可用性允许将这种识别方法学集成到在线扫描机器中，从而使得能够对生马铃薯的丙烯酰胺形成可能性进行工业监测。
本发明的设备适合并入到马铃薯分拣机中。在使用之前，将需要校准分拣机。通过在4℃处储存马铃薯在冰箱中，能够人工制造在油炸期间将引起丙烯酰胺形成的马铃薯。通过在这个温度处储存马铃薯，可以影响前体浓度。可以在油炸之前和之后对储存于低温处的马铃薯和新鲜健康马铃薯二者的校准样品进行化学分析。化学分析可以比较油炸马铃薯中丙烯酰胺的浓度和生马铃薯中不同的丙烯酰胺前体(淀粉、水、糖)的浓度。通过测量健康的和冷藏的马铃薯的散射信号和抗散射信号，能够定义阈值。这些阈值可以用于根据马铃薯的估计的丙烯酰胺前体浓度对马铃薯进行分类。
化学分析允许理解哪些散射特性对应于哪些丙烯酰胺前体浓度。化学分析还准许油炸马铃薯中丙烯酰胺的浓度与油炸之前马铃薯的散射特性之间的相关性，从中可以推断出哪种化学成分对应于哪种散射特性。在校准分选机之后，可以通过使用利用校准样品获得的给定相关性，基于测得的强度，估计马铃薯的前体浓度。
在测量某个强度时，该强度可以与化学成分已知的校准样品的测得强度进行比较。
筛选方法允许以不同的子类对马铃薯进行分类。第一子类可能包含在高温加工期间会引起高丙烯酰胺浓度(>800ppb)的马铃薯；第二子类可能导致低得多的丙烯酰胺浓度(<800ppb)。来自第一子类的马铃薯可以用于仅需要低温加工的马铃薯应用(诸如土豆泥)。加工后的第二类马铃薯中较低的丙烯酰胺浓度导致更健康的高温产品(诸如法式薯条和薯片)。
本发明的方法和设备能够处理大批量的马铃薯，从而允许工业实现而不影响马铃薯产品的味道和/或结构。
表1：生马铃薯和油炸马铃薯(法式薯条)的取代基(substituents)浓度，表明随着储存时间的增加丙烯酰胺浓度增加。
表1中所示的化学分析结果证实，新鲜的马铃薯和储存的生马铃薯在油炸期间产生不同的丙烯酰胺浓度。因此，可以测量新鲜的马铃薯和储存的马铃薯之间的散射差并将其用作法式薯条中丙烯酰胺形成的指示符。因此，新鲜的、非冷藏的马铃薯可能被认为是健康的马铃薯，它与在较低温度处储存或冷藏(温度低于4℃)的马铃薯相比将产生较低的丙烯酰胺浓度(<600ppb)。因此，马铃薯的健康与其丙烯酰胺前体浓度有关。健康的马铃薯可以被定义为具有低丙烯酰胺前体浓度(例如，小于600ppb)的马铃薯。例如，冷藏的马铃薯(温度低于4℃)产生更高的丙烯酰胺浓度(>600ppb)。欧盟委员会关于针对食品中丙烯酰胺水平的调查的建议2013/647/EU包含在(参考：http://eurlex.europa.eu/legalcontent/EN/TXT/PDF/？uri＝CELEX:32013HQ647&from＝EN)中。
可能期望扫描马铃薯两次，以捕获散射光信号和镜面反射光信号。为了获得散射光信号，可以用长积分时间(光谱分析仪针对一次光谱测量而捕获光子的时间)(例如，分别针对可见光通道和NIR通道的3000ms和4000ms)测量光谱。但是，该配置不能够测量镜面反射光。当将光纤定位在照明光斑的位置处时，将测量饱和光信号。为了测量镜面反射光(抗散射信号)，可能期望用较短的光谱分析仪的积分时间来扫描马铃薯，例如对于可见光通道和NIR通道分别为250ms和1000ms。可以在沿着马铃薯块茎表面的多个位置处捕获光谱。在沿着马铃薯表面的不同位置处的这些反射测量可能同时发生，从而导致实时测量。
可以通过测量新鲜马铃薯和储存在冰箱中的马铃薯的散射图案和抗散射图案来研究它们的散射特性。图3和图4各自示出了两种扫描测量配置的比较：(a)抗散射测量结果；(b)散射测量结果。图3示出了冷藏马铃薯(因此易于高丙烯酰胺形成)的那些结果，图4示出了不易高丙烯酰胺形成的新鲜马铃薯的那些结果。可以清楚地看到，新鲜马铃薯比储存的马铃薯显示出更少的散射。
对于每个波长，通过将测得的强度映射成沿马铃薯表面的位置的函数来获得散射图案和抗散射图案。抗散射曲线表示镜面反射光，如图3a和图4a所示。它在马铃薯表面上的照明光斑的中心处包含小峰(位置零对应于马铃薯表面上的照明光斑的中心)。散射曲线示出了在照明光斑的位置处的饱和图案，但是使得能够可视化整个马铃薯组织的光漫射，如图3b和图4b所示。由阴影区域指示的非饱和区域中捕获的光强度是光散射量的值。散射图案越宽，光在整个马铃薯组织中的漫射越大。
为了将马铃薯的散射特性表征为照明波长的函数，可以计算积分散射图案和积分抗散射图案的比率。图5示出了针对增加的储存时间，使用图3和图4中灰色区域所指示的积分的比率对新鲜的马铃薯和储存的马铃薯的散射特性的比较。对积分散射图案和积分抗散射图案的比率的研究允许在不同的储存时间之后针对不同的测量时刻在新鲜的马铃薯和储存的马铃薯的散射特性之间进行比较。
平均比率指示在1444nm处的大散射差。在该波长处，可以观察到随着储存时间增加而增加的比率。对于储存11周之后的测量时刻，仅获得新鲜的马铃薯和储存的马铃薯之间的小差异，而在28周之后，获得比率的大增加。这与表明储存28周之后比储存18周之后有明显更高的丙烯酰胺浓度的化学分析(表1)对应。
为了定量研究散射特性的变化和一致性，创建了将1444nm处的积分散射图案和积分抗散射图案的比率随着储存时间变化可视化的散射图。图6示出了随着储存时间的增加而增加的积分散射信号和积分抗散射信号的比率。考虑储存的马铃薯，可以观察到随着储存时间增加，1444nm处的积分散射图案和积分抗散射图案的比率的值增加。此外，储存的马铃薯块茎的产生大比率的相对量也随着储存时间显著增加。对于每个测量时刻，1444nm处的积分散射信号和积分抗散射信号的平均比率显示出对于储存的马铃薯比对于新鲜的马铃薯更大的值(表2)。但是，观察到平均比率的大的变化。对于每个测量时刻，新鲜马铃薯块茎显示出由于其取代基的大的自然变化而导致的大的变化。与新鲜马铃薯相比，储存的马铃薯块茎显示出甚至更大的变化。由于新鲜马铃薯的大成分变化，储存的马铃薯将不是同样地调整其内部结构，从而在储存之后产生甚至更大的变化。因此，不同的马铃薯块茎将在储存期间不同地调整，从而导致油炸之后不同的丙烯酰胺浓度。
表2：在储存不同周之后，在1444nm处的积分散射信号和积分抗散射信号的比率的平均值和变化。
通常，可以得出结论，马铃薯在1444nm处的散射特性允许识别错误储存的马铃薯块茎。生马铃薯中的积分散射信号和积分抗散射信号的比率越大，油炸期间的丙烯酰胺形成越大。因此，证明了散射测量能够感测由丙烯酰胺前体的变化引起的马铃薯块茎成分的变化。基于1444nm处的散射特性，演示了马铃薯的内部结构和油炸期间丙烯酰胺形成之间的关系。
在本发明中使用未加工的马铃薯的内部散射特性来监测丙烯酰胺前体，从而使得能够非破坏性地排除不适合于法式薯条生产的马铃薯。
当词语“包括”和词语“具有/包含”在本文中参考本发明使用时，用于指定所述特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、组件或其组的存在或附加。
应该认识到的是，为了清楚起见，在单独的实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反地，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。
Claims (13)
1.一种用于检测生马铃薯中的丙烯酰胺前体的方法，包括：
用照明光束照射生马铃薯表面的至少一个区域；
测量由马铃薯从内部散射的光的强度；
测量来自马铃薯的表面的反射的光的强度；
基于测得的从内部散射的光的强度以及测得的反射的光的强度的比率来生成检测信号；
将检测信号与预定义阈值进行比较；以及
如果检测信号超过预定义阈值，则将马铃薯分类为具有高丙烯酰胺前体浓度。
2.如权利要求1所述的方法，其中由马铃薯从内部散射的光是在距照射区域一定距离处检测的，以及来自马铃薯的表面的反射的光是在照射区域处检测的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中预定义阈值通过测量至少一个预确定健康马铃薯和至少一个具有高丙烯酰胺前体浓度的马铃薯的散射图案来计算。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述方法在分拣机内实现。
5.一种用于检测生马铃薯中的丙烯酰胺前体的设备，包括：
用于用照明光束照射生马铃薯表面的至少一个区域的装置；
用于测量由马铃薯从内部散射的光的强度以及来自马铃薯的表面的反射的光的强度的装置；
用于基于测得的从内部散射的光的强度以及反射的光的强度的比率来生成检测信号的装置；
用于将检测信号与预定义阈值进行比较的装置；以及
用于如果检测信号超过预定义阈值则将马铃薯分类为具有高丙烯酰胺前体浓度的装置。
6.如权利要求5所述的设备，其中用于测量由马铃薯从内部散射的光的强度以及测量来自马铃薯的表面的反射的光的强度的装置包括用于在距照射区域一定距离处检测由马铃薯从内部散射的光以及在照射区域处检测来自马铃薯的表面的反射的光的装置。
7.如权利要求5或6所述的设备，其中阈值通过测量至少一个预确定健康马铃薯和至少一个具有高丙烯酰胺前体浓度的马铃薯的散射图案来计算。
8.如权利要求5或6所述的设备，其中用于照射的装置包括激光器。
9.如权利要求5或6所述的设备，其中用于照射的装置包括光阑(5)以获得圆形照明光斑。
10.如权利要求5或6所述的设备，其中用于测量光的强度的装置包括至少一个光电倍增管。
11.如权利要求5或6所述的设备，其中用于测量光的强度的装置还包括至少一个光阑(7)，以仅检测散射光的一部分。
12.一种分拣机，包括如权利要求5至11中任一项所述的设备。
13.一种计算机可读介质，包含程序指令，当计算机执行所述程序指令时，使所述计算机执行如权利要求1至4中任一项所述的方法。
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