JP2008122412A - 食品のカロリー測定方法及び食品のカロリー測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 被検対象の食品Mが載置されるテーブル2を有した食品保持部1と、テーブル2上に載置された被検対象の食品Mに近赤外領域の光を照射する光源部20と、この食品Mからの反射光あるいは透過光を受光する受光部30と、受光部30が受光した光の吸光度に基づいて食品Mのカロリーを算出する制御部40とを備え、制御部40において、予め、カロリー既知の多種類のサンプル食品Mに照射されるとともにこれらのサンプル食品Mから反射あるいは透過された近赤外線の吸光度における二次微分スペクトルの重回帰分析により算出された回帰式と、受光部30が受光した光の吸光度とから食品Mのカロリーを演算する。
【選択図】 図1
Description
被検対象の食品に近赤外線を照射し、被検対象の食品からの反射光あるいは透過光を受光し、受光した光の吸光度を測定し、これらの吸光度と上記回帰式とから食品のカロリーを算出する食品のカロリー測定方法において、
上記回帰式を、互いに相関係数の高い第1〜n波長の吸光度を変数とする下記の一般式の関係を満たす式で構成している。
先ず、多種類の食品の被検体の化学分析による既知のカロリー値と当該各被検体の吸光度との重回帰分析によって求められた上記多種類の食品のカロリーに帰属する相関係数が0.800以上になる第1波長(λ1)の近赤外線の波長域を選択し、
次に、当該第1波長(λ1)の近赤外線の波長域と、1100nm〜2000nmの範囲の波長域との重回帰分析によって、上記多種類の食品のカロリーに帰属し当該第1波長(λ1)の近赤外線の波長域の相関係数以上の高い相関係数となる第2波長(λ2)の波長域を選択し、
次に、上記第1波長(λ1)及び第2波長(λ2)の近赤外線の波長域と、1100nm〜2000nmの範囲の波長域との重回帰分析によって、上記多種類の食品のカロリーに帰属し上記第1波長(λ1)の近赤外線の波長域の相関係数以上の相関係数となる第3波長(λ3)の波長域を選択し、
このように、第1波長(λ1)〜第(n−1)波長(λn−1)の近赤外線の波長域と、1100nm〜2000nmの範囲の波長域との重回帰分析によって、上記多種類の食品のカロリーに帰属し上記第1波長(λ1)の近赤外線の波長域の相関係数以上の相関係数となる第n波長(λn)の波長域を選択する。
また、この場合、1100nmに満たない波長については、当該波長(1100nm〜2000nm)領域と比較すると、一般に水分の影響を受けることが少ないと言われている。しかしながら、食品のカロリー測定に必要な情報量、すなわち水溶性の食品のカロリーの情報量も、鋭敏に反映させることを考慮したことから、当該波長(1100nm〜2000nm)領域で、食品のカロリー測定波長を選択することとした。また、上記多種類の食品のカロリーを測定する手順として、近赤外線領域全てについて波長掃引することが必要であるが、本カロリー測定方法では1100nmに満たない波長領域を波長掃引しなくても良いことから、波長掃引時間を短縮し迅速に食品のカロリーを測定でき、分析効率が向上させられる。すなわち、多種類の食品のカロリー測定の精度の向上と分析作業効率の向上が図られる。
また、具体的には、上記回帰式を、互いに相関係数の高い第1波長の吸光度及び第2波長の吸光度を変数とする下記の数式1の関係を満たす式で構成している。
好ましくは、第1波長(λ1)を1306±2nmの範囲から選択し、第2波長(λ2)を1192±2nmの範囲から選択した。
上記制御部を、予め、カロリー既知の多種類のサンプル食品に照射されると共に該サンプル食品から反射あるいは透過された近赤外線領域の波長に対する吸光度における二次微分スペクトルの重回帰分析により算出された回帰式を記憶する回帰式記憶機能と、上記受光部が受光した光の吸光度と上記回帰式とから食品のカロリーを演算するカロリー演算機能とを備えて構成し、
上記制御部における回帰式記憶機能が記憶する回帰式と選択される近赤外線の波長の組み合わせは、上記の回帰式と波長との組み合わせが用いられる。より精度良くカロリーが測定される。
特に、食品から直接的にカロリーを測定できるようになるので、従来のように化学・物理的手段を組合わせた抽出技術や化学反応を用いた分析技術を応用する方法に比較して、滴定や試薬の調整等の煩雑で複雑な専門技術や操作等が不要になり、簡易で即座にしかも正確なカロリー値を得ることができるようになる。そのため、一般の個人や家庭で食品のカロリーを測定することなどに利用できるようになり、極めて便利になる。
この重量計測器10は昇降テーブル6と連結されており、Z方向駆動モータ9によりタイミングベルト8bを介してボールネジ8aを回転させることで、昇降テーブル6は矢印Z方向に動作可能で、支柱5のガイドを設けることで安定した動作が可能になる。
更に、食品保持部1には、食品Mからの水蒸気を除く吸引ファン12が備えられている。ファン12には、食品Mからの水蒸気をファン12に導くダクト13が設けられている。
尚、ライトチョッパ26の形はどのようなものでも良いが、受光素子32の応答性や信号処理回路42に合わせて1.0msec〜1.6msecのパルスに変える機構を備えているものが良い。
図5に示すように、受光素子32からの電気信号は、制御部40に伝達され制御部40に設けられた信号増幅回路41で信号を増幅し信号処理回路42で増幅された信号よりノイズ除去や増幅等の処理を行ない回帰式記憶機能やカロリー演算機能等を備えた総合制御演算処理部43にてカロリーを算出する。
図1中、44は制御部40に設けられたCRT等からなる表示部である。データは表示部44に表示される。表示部44の表示は画面操作部(図示せず)で操作され、入力画面、結果表示画面など、適宜に切り替わって表示可能になっている。計測中にアニメ等を表示しても良い。尚、測定結果をLCDパネルに表示してもよい。また、測定結果を音声出力するようにしても良い。更に、外部へのデータ出力インターフェースを設けてもよい。
また、制御部40は、図5に示すように、食品保持部1の各種モータや光源部20の駆動モータ25などを制御するモータ制御回路45、音響光学素子27を制御する分光制御回路46を備えている。
また、制御部40の総合制御演算処理部43は、重量計測器10により計測された食品Mの全重量についてのカロリーを算出する機能を備えて構成されている。ここでは、単位重量あたりのカロリーに全重量を乗じた値を算出する。
具体的には、例えば、糖質、タンパク質及び脂肪についての波長選択方法は、吸光度を二次微分したスペクトル波形で負の方向への吸収が現れているポイントを絞り込み、そのときの相関関係がより高い波長範囲を選択し、また、第2波長についても同様にし、そして、第3,第4波長についてはその中で全体の相関係数が高くなるような波長を重回帰分析で変数増加法を用いて選択する。
回帰式は、互いに相関係数の高い第1波長の吸光度及び第2波長の吸光度を変数とする下記の数式1で構成されている。
第1波長(λ1)は1270nm〜1308nm(最大1284nm 、重相関係数−0.891)、1352nm〜1388nm(最大1370nm、重相関係数−0.928)、1562nm〜1614nm(最大1578nm、重相関係数−0.901)、1698nm〜1740nm(最大1700nm、重相関係数−0.818)、1806nm〜1848nm(最大1818nm、重相関係数−0.953)が選択できる。
これらの波長領域を単一波長として使用しても、カロリーの標準誤差の範囲を広く設定すれば、カロリーの測定が可能であると推定される。次に、第2波長(λ2)の決定は、上述で選定した第1波長(λ1)領域と1100nm〜2000nmの範囲を重回帰分析によって、相関係数が高い値を示した波長を以って行なった。それらの第1波長(λ1)と高い相関を示した波長域を図7,図8,図9,図10によって示した。以下に詳しく説明する。
制御部40の総合制御演算処理部43においては、回帰式記憶機能が記憶する回帰式と、選択される近赤外線の波長の組み合わせが設定されている。図14乃至図16に示すフローチャートを用いて説明する。
カロリーを測定する被検対象の食品である食品Mを、扉を開けて予め重量の分かった皿11に載置し、回転テーブル2に置く(1−1)。扉を閉めて指令手段から測定開始指令を発すると、識別ルーチンに入り、使用者の識別が行なわれる(1−2)。
識別ルーチンでは、図15に示すように、先ず、指令手段から、例えば名前などを入力する(2−1)。これにより、使用者が登録され記憶されるとともに、すでに登録があれば、該当する使用者のデータが呼び出され(2−2)、後述もする累積データが表示される(2−3)。データを消去すれば(2−4YES)、累積データを消去し(2−5)、ゼロ表示を行ない(2−6)、識別ルーチンを終了する。データを消去しなければ(2−4NO)、そのまま識別ルーチンを終了する。
測定ルーチンでは、まず、重量計測器10により食品の重量が計測される。この場合、皿11の重量を予め計測しておき、その分を差し引いて補正する。この補正は、重量計測器10そのもので行なってもよく、後述の制御部40において行なっても良い。制御部40で行なう場合には、皿11を含む全重量を重量計測器10で計測し、制御部40において、全重量から皿11の重量を差し引く。これにより、食品Mの正味の重量が計測される。
例えば、食品Mがカレーライス等の種々な材料で構成された食品の場合には、食品Mの一部にだけ、近赤外線を照射する方法だと一箇所のカロリー情報だけしか得られなくて、例えばカレーライスの場合だとニンジン、ジャガイモや肉類等が混在しており、その食品の真のカロリー情報が得られないこともあり、全面をスキャンするとすべての情報が得られ平均化することが可能である。そのため、食品の素材が単一な場合はスキャンが必ずしも必要ないが、混在している場合には極めて有用になる。
そして、図16に示すように、回転テーブル2の回転を停止し(3−9)、昇降テーブル6を下降させ(3−10)、測定ルーチンを終了する。
(実験例1)
先ず、上述したカロリー測定波長が食品Mのカロリーに特異的であることを確認した。上記の波長で測定したカロリー値と化学分析による糖,脂肪,タンパクの各含有量及びカロリーの分析値との相関係数を算出した。結果を、図17(糖質の相関)、図18(脂質の相関)、図19(たんぱく質の相関)、図20(カロリーの相関)に示す。これらの結果から以下のことが言える。本発明による帰属波長を用いたカロリー測定値は、化学分析によるカロリー値とは、相関係数0.979であり(図20)、糖とは0.830(図17)、脂肪とは0.780(図18)、タンパクとは0.029(図19)であった。すなわち、化学分析によるカロリー値と最も高い相関を示した。一般に食品や食品素材のカロリーは、糖、脂肪及びタンパクの各成分量と各々の換算係数を乗じて算出している。本発明による測定波長及び方法が、特定の成分を計測して、カロリーに換算しているのであれば、糖、脂肪及びタンパクの各成分の含有量に最も高い相関を示すものであるが、それらの含有量に対する相関よりもカロリー値に高い相関を示している。このことは本発明による測定波長は、一般に食品や食材のカロリーを算定する際の必要な糖や脂肪及びタンパクの各含有量を示すものでなく、カロリーを反映し得る官能基を検出しているものと判断される。
次に、上記の波長が、カロリーを測定するために優位な帰属波長であること、また、本装置によりカロリーを簡易で迅速に、精度高く測定できることを証明する実験(実験例2−1,実験例2−2)を行なった。本実験に用いたサンプルは、化学分析によってカロリー値が既知の食品である。そのサンプルと化学分析によるカロリー値を図21に示す。
この実験では、2波長を選択した。すなわち、第1波長(λ1)を1360nm、第2波長(λ2)を1722nmの2波長を用いてカロリーを測定した。本発明の方法及び装置によるカロリー値と化学分析のカロリー値との相関を図22に示した。回帰式としてはC=(366.467)+(−2103.557)・d2 A1(λ1)/dλ2 +(−1243.905)・d2 A2(λ2)/dλ2 の条件で行なった。既知のカロリー測定値のとの相関係数は0.976、標準誤差34.7であった。
この実験では、3波長を選択した。すなわち、第1波長(λ1)を1706nm、第2波長(λ2)を1402nm、第3波長(λ3)を1738nmの3波長を用いてカロリーを測定した。本発明の方法及び装置によるカロリー値と化学分析のカロリー値との相関を図23に示した。回帰式としてはC=(300.394)+(−1697.002)・d2 A1(λ1)/dλ2 +(796.210)・d2 A2(λ2)/dλ2 +(−3379.720)・d2 A3(λ3)/dλ2 の条件で行なった。既知のカロリー測定値との相関係数は0.983、標準誤差27.3であった。
次に、上記の7波長を選択した場合、食品などの食品のカロリーを測定するために優位な帰属波長であること、また、本装置によりカロリーを簡易で迅速に、精度高く測定できることを証明する実験を行なった。
次に、化学分析によって食品のカロリーを算出する場合には、糖質とタンパク質と脂質の各成分量を得る必要がある。本実験例は、本装置により食品の糖質量を算出した場合、精度高く測定できることを証明するものである。
次にまた、本実験例は、本装置により食品のタンパク質量を算出した場合、精度高く測定できることを証明する実験である。
次にまた、本装置により食品の脂肪量を算出した場合、精度高く測定できることを証明する実験を行なった。
次にまた、本装置により糖質、タンパク質、脂肪の各成分量を測定して、一般的なカロリー換算計数を乗じて算出したカロリー値と、本装置の方法及び装置で測定したカロリー値及び五訂日本食品標準成分表によって算出したカロリー値との対応を比較した。
更にまた、上記実施の形態に係る回帰式において、カロリーCの単位はKcal/100gとしたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、要するに、提示した数式の関係を満たす式であれば、カロリーCの単位をどのように設定しても良い。
そして、食品に伴う肥満等のカロリー過多やカロリー不足に伴う健康管理分野、糖尿病などのカロリー依存に起因する疾病予防や疾病管理等、食品のカロリー成分検査、またはカロリー表示義務に伴う食品等のカロリー量を測定する分野等に利用ができる。
更には、食品に限らず、例えば、木材などの資材や、燃料などのカロリー計算にも適用でき、利用分野は多岐にわたり、産業上極めて有用になる。
1 食品保持部
2 回転テーブル
3 回転モータ
4 溝
5 支柱
6 昇降テーブル
7 X方向移動モータ
8 昇降駆動部
9 Z方向駆動モータ
10 重量計測器
11 皿
12 吸引ファン
13 ダクト
20 光源部
21 支持板
22 ハロゲンランプ
23 連通口
24 絞り付鏡筒
25 駆動モータ
26 ライトチョッパ
27 音響光学素子
28 赤外線反射ミラー
29 冷却ファン
30 受光部
31 本体
32 受光素子
40 制御部
41 信号増幅回路
42 信号処理回路
43 総合制御演算処理部
44 表示部
45 モータ制御回路
46 分光制御回路
Claims (10)
- 被検対象の食品からの反射光あるいは透過光を受光し、近赤外領域の波長に対する吸光度を測定し、この測定値に基づいて食品のカロリーを測定する食品のカロリー測定方法であって、
予め、カロリー既知のサンプル食品に近赤外線を照射し、該サンプル食品からの反射光あるいは透過光を受光し、受光した光の吸光度における二次微分スペクトルの重回帰分析により回帰式を算出しておき、
被検対象の食品に近赤外線を照射し、被検対象の食品からの反射光あるいは透過光を受光し、受光した光の吸光度を測定し、これらの吸光度と上記回帰式とから食品のカロリーを算出する食品のカロリー測定方法において、
上記回帰式を、互いに相関係数の高い第1〜n波長の吸光度を変数とする下記の一般式
上記一般式において、第1波長(λ1)乃至第n波長(λn)を選択するに当たり、
先ず、多種類の食品の被検体の化学分析による既知のカロリー値と当該各被検体の吸光度との重回帰分析によって求められた上記多種類の食品のカロリーに帰属する相関係数が0.800以上になる第1波長(λ1)の近赤外線の波長域を選択し、
次に、当該第1波長(λ1)の近赤外線の波長域と、1100nm〜2000nmの範囲の波長域との重回帰分析によって、上記多種類の食品のカロリーに帰属し当該第1波長(λ1)の近赤外線の波長域の相関係数以上の高い相関係数となる第2波長(λ2)の波長域を選択し、
次に、上記第1波長(λ1)及び第2波長(λ2)の近赤外線の波長域と、1100nm〜2000nmの範囲の波長域との重回帰分析によって、上記多種類の食品のカロリーに帰属し上記第1波長(λ1)の近赤外線の波長域の相関係数以上の相関係数となる第3波長(λ3)の波長域を選択し、
このように、第1波長(λ1)〜第(n−1)波長(λn−1)の近赤外線の波長域と、1100nm〜2000nmの範囲の波長域との重回帰分析によって、上記多種類の食品のカロリーに帰属し上記第1波長(λ1)の近赤外線の波長域の相関係数以上の相関係数となる第n波長(λn)の波長域を選択することを特徴とする食品のカロリー測定方法。 - 被検対象の食品が載置されるテーブルを有した食品保持部と、テーブル上に載置された被検対象の食品に近赤外領域の光を照射する光源部と、この食品からの反射光あるいは透過光を受光する受光部と、該受光部が受光した光の吸光度に基づいて食品のカロリーを算出する制御部とを備え、
上記制御部を、予め、カロリー既知の多種類のサンプル食品に照射されると共に該サンプル食品から反射あるいは透過された近赤外線領域の波長に対する吸光度における二次微分スペクトルの重回帰分析により算出された回帰式を記憶する回帰式記憶機能と、上記受光部が受光した光の吸光度と上記回帰式とから食品のカロリーを演算するカロリー演算機能とを備えて構成し、
上記制御部における回帰式記憶機能が記憶する回帰式と選択される近赤外線の波長の組み合わせは、上記請求項1記載の回帰式と波長との組み合わせであることを特徴とする食品のカロリー測定装置。 - 上記受光部を、食品からの反射光あるいは透過光を受光する複数の受光素子を備えて構成したことを特徴とする請求項2記載の食品のカロリー測定装置。
- 上記光源部からの光が通過する筒状の本体を設け、上記受光素子を上記本体の食品側の面に等角度関係で設けたことを特徴とする請求項3記載の食品のカロリー測定装置。
- 上記食品保持部を光源部に対して相対的に移動させて上記受光部に該食品の複数箇所の反射光あるいは透過光を受光可能にし、上記制御部を、上記受光部が受光した複数の箇所の光の吸光度に基づいて食品のカロリーを算出する機能を備えて構成したことを特徴とする請求項3または4記載の食品のカロリー測定装置。
- 上記食品保持部に、食品の重量を計測するための重量計測器を設け、上記制御部を、上記重量計測器により計測された食品の全重量についてのカロリーを算出する機能を備えて構成したことを特徴とする請求項3乃至5いずれかに記載の食品のカロリー測定装置。
- 上記光源部は、光を分光する音響光学素子を備えたことを特徴とする請求項3乃至6いずれかに記載の食品のカロリー測定装置。
- 上記食品保持部は、食品からの水蒸気を除くファンを備えたことを特徴とする請求項3乃至7いずれかに記載の食品のカロリー測定装置。
- 上記制御部は、該受光部が受光した光の吸光度に基づいて食品の糖質、タンパク質及び脂肪などの食品の各成分量を算出する成分量算出機能を備えたことを特徴とする請求項3乃至8いずれかに記載の食品のカロリー測定装置。
- 上記制御部は、カロリー測定に係る1つの食品に対応した使用者を識別する使用者識別機能と、該使用者識別機能が識別した使用者毎のカロリーの測定値を記憶する測定値記憶機能と、該測定値記憶機能が記憶するカロリーの測定値を使用者毎に積算する測定値積算機能とを備えたことを特徴とする請求項3乃至9いずれかに記載の食品のカロリー測定装置。
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