一种用于测定食品中水分含量的新型非接触式方法

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：A new contactless method for local water content measurement applied for food product

　　

摘要

多项研究已经证明了太赫兹波在瞬态条件下用于估算质量扩散系数的有效性。监测瞬态水分含量被认为是许多干燥过程（例如木材、纸张等）中的关键参数。然而，准确控制这一物理量对于确保产品质量至关重要，对于食品而言，还能延长保质期。在这项研究中，利用太赫兹波对一种基于谷物的产品中的水分含量进行了局部测量，以马芬作为案例研究。为了表征产品内部水分的空间分布，将马芬切成等厚的片状，并使用太赫兹线扫描仪进行扫描。通过比较湿润样本和干燥样本的传输信号，确定了每片中的局部水分含量。将得到的测量平面叠加起来，可以得出马芬内部的整体水分分布情况。

引言

研究干燥过程中的水分传输对许多行业来说是一个重大挑战，包括农业食品和基于木材的材料领域。传统的干燥过程监测方法通常仅限于量化随时间变化的总水分损失，从而得出总体质量扩散系数。该系数通常涵盖了多种复杂的传输机制，例如液体和蒸汽在毛细力、重力和压力梯度影响下通过孔隙的移动。然而，这些传统技术无法提供有关材料几何形状或结构的见解，也无法说明它们对多孔介质内水分传输的影响。

一些技术允许局部测量水分含量——例如，在地质学中，常用时域反射法（TDR）（Ledieu等人，1986年；Walczak等人，2021年）。该技术已成功用于监测逐渐通过灌溉湿润的干燥土壤中的湿润前沿的进展。

由于无论是液态还是气态的水分，在不透明材料中都难以可视化，因此可视化技术往往依赖于可能对人类有害的辐射，如X射线或伽马射线。例如，Tidwell等人（2000年）使用X射线成像研究了非均匀孔隙率对岩石板中蒸汽扩散的影响，并分析了砖块和陶瓷等多孔材料中的二维液态水吸收。Roels和Carmeliet（2006年）也使用X射线计算机断层扫描技术监测了木材样品在瞬态条件下的局部水分分布。Dvinskikh等人（2011年）和MacMillan等人（2002年）使用磁共振成像（MRI）研究水分传输和木材-水相互作用。Wagner等人（2008年）展示了在烘焙过程中获得的MRI图像，突出了需要将MRI信号转换为有意义变量（如局部密度和水分含量）的定量方法的需求。

上述大多数技术成本高昂且依赖电离辐射，使其难以在工业环境中实施。相比之下，太赫兹（THz）辐射是非电离的，因此被认为适用于食品和生物系统。它指的是频率大约在0.15到5 THz之间的电磁波，对应的波长在2 μm到几毫米之间。太赫兹波的主要优点之一是能够穿透通常对可见光不透明的热绝缘材料，如木材、衣物、塑料、纸张和灰泥。此外，太赫兹辐射被水强烈吸收，并被金属反射，使其特别适合研究复杂基质中的水分分布。

大多数专门用于食品产品水分评估的THz研究依赖于光谱学方法，通过在不同频率范围内获取的光谱信息来推断水分含量（Parasoglou等人，2010年；Wetzel，2024年；Yang等人，2025年）。这些方法通常基于点测量，有时结合空间扫描程序来表征样品内的水分变化。虽然这些方法证明了太赫兹辐射对水分含量的敏感性，但它们与THz成像策略有显著不同。与宽带光谱测量相比，我们采用了一种固定频率的采集策略，频率为100 GHz，使用256像素的线扫描仪以阴影图配置进行成像。这种方法能够直接成像异质食品基质中的局部水分分布，空间分辨率约为1.5 mm。此外，所提出的采集策略考虑了未来的工业应用，特别是潜在的在线过程监测，同时保持仪器复杂性和成本与现有THz系统相当。

与广泛用于食品产品快速表面水分测量的近红外（NIR）成像相比，所提出的THz成像方法由于强烈的吸收对比度而对水分含量具有更高的敏感性，并且能够在光学不透明的食品基质中进行体积而不是表面限制的水分映射。然而，NIR技术在成本、采集速度和系统简单性方面通常更具优势，使其更适合大规模筛查应用。这些互补特性突显了THz成像作为复杂食品系统中空间分辨水分分析的强大工具的潜力。

在这个框架下，假设THz衰减与水分含量之间存在校准关系，可以在稳态或瞬态2D条件下确定局部水分含量（Bensalem等人，2023年）。通过获取物体的多个横截面扫描，可以重建水分分布的3D可视化图像。

在这项研究中，将新鲜准备好的马芬切成等厚的片状，并放置在塑料板上，然后将其置于太赫兹源和线扫描仪之间，以测量与固体基质和水分含量相关的衰减。随后，将片状物放入烤箱中干燥以去除水分，并进行第二次扫描以获得仅与固体基质相关的衰减。然后利用两个吸光度图像之间的比率生成每片中的水分含量2D图。最后，通过组合所有切片，重建了马芬内部的水分分布3D可视化图像。

章节摘录

实验设备

实验装置由Terasense（美国加利福尼亚州圣何塞）提供的商用太赫兹扫描仪组成。太赫兹成像扫描系统包括两个主要组件：一个线性太赫兹成像相机和一个100 GHz的太赫兹源。这两个组件都经过了优化和同步。根据制造商规格，该系统在100 GHz的固定频率下运行，动态范围大约为24–30 dB，具体取决于源的配置。

传输图的生成

图3显示了湿润（a）和干燥（b）样本的代表性扫描结果。较高的吸光度值对应于产品中的较高水分含量。

在图3的每个切片中都可以看到同心圆。虽然在干燥样本中这种图案更为明显，但在湿润样本中也观察到了这种现象。为了确定这一特征是来自马芬的谷物基质还是来自测量系统，还对其他材料进行了额外的实验。

结论与展望

尽管太赫兹（THz）分析在各个行业领域展示了相当的潜力，但其在农业食品领域的应用仍然相对有限。现有的研究主要集中在检测微生物污染物、农药残留物、异物和一般食品质量评估（Redo-Sanchez等人，2011年；Lee等人，2012年；Afsah-Hejri等人，2019年）。例如，最近的综述强调了太赫兹光谱在检测中的应用

CRediT作者贡献声明

Lison Pruvot：写作——审稿与编辑，撰写——原始草稿，可视化，验证，资源，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Theo Chavatte：写作——审稿与编辑，可视化，软件。Celia Sanz：写作——审稿与编辑，撰写——原始草稿，可视化。Mathieu Delample：写作——审稿与编辑，验证，监督，项目管理，资金获取。Mathilde Roze：写作——审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢法国“国家技术研究协会”（ANRT）通过博士研究基金（编号2023/0372）提供的财政支持。

Lison Pruvot|Theo Chavatte|Celia Sanz|Mathieu Delample|Mathilde Roze|Martine Crepin|Marie Marthe Groz|Alain Sommier

波尔多大学，法国国家科学研究中心（CNRS），波尔多高等理工学院（INP），I2M，UMR 5295，F-33400 Talence，法国