程 麗

(重慶青年職業(yè)技術學院經(jīng)濟管理學院，重慶 400712)

生鮮食品在加工、儲藏、運輸、分銷及到消費者手中整個食品冷鏈中，存在很多導致食品腐敗的因素，如溫度、濕度、游離水、冷凝水等。這些因素中最重要的是溫度的控制[1-2]。生鮮食品在存儲、搬運和運輸過程中的溫度變化，將會顯著增加食品受食源性微生物感染的可能性。因此，在食品冷鏈中，其各個環(huán)節(jié)始終都應處于低溫環(huán)境下，以保證食品質(zhì)量安全，減少損耗，防止污染[3]。

在食品冷鏈中，為進一步提高生鮮食品的保溫效果，會選擇合適的材料對食品進行包覆[4]。包覆材料的熱傳遞有3種類型，即熱傳導、熱對流和熱輻射[5]。Thijs等[6]對冷鏈中生鮮食品包覆材料的熱性能進行了回顧。Macnish等[7]研究了不同包覆材料對草莓托盤保溫效果的影響，并指出其主要傳熱機制是熱輻射和熱對流，而覆蓋材料對這兩種熱傳遞機制起到隔熱作用，并且減小了食品受環(huán)境濕度的影響。而包覆材料的傳熱機制將會影響紅外熱成像照相機捕獲食品的實際溫度，將紅外熱成像技術應用于生鮮食品溫度檢測時，需要考慮包覆材料的性質(zhì)及其表面發(fā)射率。研究擬將兩種生鮮食品置于托盤并用3種不同材料(Tyvek,金屬化PET，金屬化發(fā)泡PET)進行包覆形成食品托盤，使用紅外熱成像照相機檢測食品托盤的溫度，并與探針式測溫器所測溫度進行比較，研究紅外熱成像照相機在不同食品和不同包覆材料所測溫度的差異性，進而衡量紅外熱成像技術在評估食品托盤溫度分布的有效性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷藏室：由0.1 m的聚氨酯夾芯板制成，尺寸2.0 m×1.5 m×1.5 m，用于模擬生鮮食品產(chǎn)品配送過程中的實際情況，其制冷壓縮機功率5 kW·h，采用R-134a為制冷劑，內(nèi)部風速2.5 m/s，室溫傳感器位于距地面1.5 m處墻壁上；

擴展式溫濕度數(shù)據(jù)自動采集器(探針式測溫儀)：HOBO U12-013型，美國ONSET公司；

紅外熱成像照相機：Flir-E6型，沈陽子尊科技有限公司；

Tyvek材料：尺寸為1 200 mm×1 000 mm×1 700 mm，杜邦中國集團有限公司；

金屬化PET、金屬化發(fā)泡PET(內(nèi)外兩層金屬化PET材料，中間層為發(fā)泡PET)：尺寸為1 200 mm×1 000 mm×1 700 mm，杜邦中國集團有限公司；

托盤：HYM型，1 200 mm×1 000 mm，杜邦中國集團有限公司；

塑料格柵箱：500 mm×380 mm×280 mm，每層9個盒子，共3層，杜邦中國集團有限公司；

新鮮甜菜及黃瓜：各400 kg，采摘后24 h內(nèi)開始試驗，市售。

1.2 試驗方法

1.2.1 紅外熱成像照相機參數(shù)設置 發(fā)射率是指物體表面輻射出的能量與相同溫度的黑體輻射能量的比率，取值范圍為0(完美白體)～1(完美黑體)。如果材料發(fā)射率為1(100% 輻射從物體表面發(fā)射)，紅外熱成像照相機設定捕獲發(fā)射率為1，則照相機測得的溫度被視為材料實際溫度；但是如果材料的發(fā)射率低于1，則照相機能夠捕獲發(fā)射輻射、透射輻射和反射輻射，最終所測溫度為3種輻射能量總和[8-9]。因此，需要降低材料的反射輻射，從而提高測量精度，并降低相機中設定的捕捉發(fā)射率，使其等同于材料發(fā)射率。研究中所測量的覆蓋物表面溫度是發(fā)射輻射、透射輻射和反射輻射的綜合結果。

為降低被測材料的反射輻射，提高測量精度，將鋁箔(發(fā)射率為0.04～0.09)覆蓋于金屬化PET材料和金屬化發(fā)泡PET材料的表面，白紙(發(fā)射率為0.7～0.9)覆蓋于Tyvek材料表面，同時，按紅外熱成像照相機廠家的建議，將相機捕獲發(fā)射率設置為0.040～0.090，但由于發(fā)射率低，無法讀取溫度。隨后，分別將發(fā)射率設置為0.95，0.80，0.60，如圖1(a)所示。相機輸出值與實際溫度相似。在圖1(b)中的探針式測溫儀顯示表面溫度分別是27.11，26.44，26.70 ℃。因此從紅外圖像的中點提取的溫度點(25.4，26.8，27.4 ℃)接近真實溫度。由于Tyvek材料具有較高的發(fā)射率，因此讀取的溫度值較準確。

圖1 金屬化PET的紅外成像圖及測溫圖Figure 1 Infrared image and temperature measurement of metallized PET

1.2.2 紅外熱成像照相機測量食品托盤的溫度 如圖2所示，將20 kg黃瓜和15 kg甜菜分別放在18個盒子中，將18個盒子分3層置于托盤上。探針式測溫儀放置于每層中央位置的盒子中，兩個探針則放置于對角線的兩個盒子中。一個托盤共9個探針并設定為每5 min記錄一次所測溫度。由于探針的位置涵蓋了托盤3層中心及對角線位置，因此可獲取托盤內(nèi)最高、最低和平均溫度。圖2(c)中頂部方框表示用紅外熱成像照相機拍攝的3張照片：分別為左上角，中間及右下角，將其中心點的溫度作為測量溫度。因此，位于托盤最上層的傳感器所測溫度可與紅外熱成像照相機所捕獲的溫度進行對比。

圖2 堆垛構造圖Figure 2 The schematic diagram of pallet

將樣品在冷藏室中冷卻到4 ℃，由探針式測溫儀和紅外熱成像照相機記錄溫度后，將溫度設定為23 ℃，再次記錄相應溫度數(shù)據(jù)。黃瓜托盤和甜菜托盤在不同時間內(nèi)進行3次測溫試驗。數(shù)據(jù)分析采用Matlab嵌入ad hoc軟件。熱成像照相機中記錄最高和最低溫度及相機屏幕中選定點的溫度，然后將照相機測溫數(shù)據(jù)與探針式測溫儀的所測數(shù)據(jù)進行比較分析。

2 結果與分析

2.1 甜菜托盤中紅外熱成像照相機測溫效果分析

如表1所示，低溫(4.0 ℃)環(huán)境下，覆蓋Tyvek托盤的探針式測溫儀所測溫度分布(4.5～7.0 ℃)在紅外熱成像照相機所測溫度范圍(1.9～8.1 ℃)內(nèi)，覆蓋金屬化PET和金屬化發(fā)泡PET的托盤也存在同樣的情況。但相比于覆蓋金屬化PET(1.7～9.8 ℃)和帶金屬化發(fā)泡PET(1.4～12.9 ℃)的托盤，覆蓋Tyvek托盤紅外熱成像照相機所測溫度值更接近探針式測溫儀所測溫度。室溫(23.0 ℃)環(huán)境中，紅外熱成像照相機的測量溫度大多高于探針式測溫儀傳感器測量的，但在覆蓋Tyvek材料的托盤中測得的最低溫度低于探針式測溫儀。所有室溫環(huán)境測試中，托盤左上角用探針式測溫儀所測溫度最高，而在低溫環(huán)境中結果恰好相反。

表1 紅外熱成像照相機和探針式測溫儀測量的甜菜托盤溫度值及標準偏差Table 1 Maximum and minimum temperatures and standard deviation of chard measured with thermal camera and temperature sensor ℃

表2列出了紅外熱成像照相機檢測甜菜托盤的溫度值與探針式測溫儀所測值的標準誤差。由表2可知，最大標準誤差(16.0 ℃)對應于覆蓋金屬化發(fā)泡PET托盤的測試中，最小標準誤差(12.2 ℃)對應于覆蓋金屬化PET托盤的測試中。而覆蓋Tyvek托盤的平均標準誤差(1.9 ℃)最低。

表2 甜菜托盤紅外溫度和探針式測溫儀的標準誤差

2.2 黃瓜托盤中紅外熱成像照相機測溫效果分析

如表3所示，環(huán)境低溫(4 ℃)狀態(tài)下，分別使用Tyvek和金屬化PET材料包覆時，探針式測溫儀測得的溫度始終高于紅外熱成像照相機在選定點測得的溫度。對于覆蓋金屬化發(fā)泡PET的，探針式測溫儀與紅外熱成像照相機的測量溫度更加接近。但在室溫(23 ℃)環(huán)境中，探針式測溫儀所測溫度均低于紅外熱成像照相機。在甜菜的測試中也觀察到了相似的結果。結合表1和表3 的數(shù)據(jù)可知，室溫環(huán)境下，甜菜和黃瓜的紅外熱成像照相機的大部分測量值都高于探針式測溫儀的測量值；低溫環(huán)境下，紅外熱成像照相機的測量值低于探針式測溫儀的。但金屬化發(fā)泡PET材料包覆這兩種食品托盤時未顯示出這種一致性，只有61%照相機測量值高于傳感器測量值。

表3 紅外熱成像照相機和探針式測溫儀測量的黃瓜托盤溫度值及標準偏差Table 3 Maximum and minimum temperatures and standard deviation of cucumber measured with thermal camera and temperature sensor ℃

表4列出了紅外熱成像照相機檢測黃瓜托盤的溫度值與探針式測溫儀所測值的標準誤差。由表4可知，覆蓋金屬化發(fā)泡PET的托盤最大標準誤差為21.8 ℃，最小標準誤差為0.3 ℃，而金屬化PET 覆蓋的托盤最下標準誤差只有0.1 ℃。覆蓋金屬化PET和金屬化發(fā)泡PET黃瓜托盤的最大誤差值相差4.3 ℃。平均誤差最小的是覆蓋Tyvek托盤，僅為3.9 ℃。結合表2和表4的溫度測量值可知，紅外熱成像照相機和探針式測溫儀平均標準誤差范圍為1.9～6.0 ℃。

表4 黃瓜托盤紅外溫度和探針式測溫儀的標準誤差

2.3 3種覆蓋材料紅外熱成像照相機所測溫度對比分析

圖3為3組覆蓋材料的紅外熱成像照相機所測溫度的對比結果。如前所述，取托盤左上角、右下角、中間位置的測溫平均值，這些溫度值分為兩個區(qū)域，分別對應于4～6 ℃的低溫區(qū)域和20～23 ℃的高溫區(qū)域。

由圖3可知，低溫區(qū)域中的所測溫度值分布比高溫區(qū)域的離散性更大，這是由于低溫狀態(tài)下包覆材料的隔熱效應導致的。覆蓋材料發(fā)射率的不同會影響紅外熱成像照相機所測溫度值的離散度[10]，3種包覆材料中，由于Tyvek材料的發(fā)射率最高，導致其所測溫度值離散度最低，在低溫下的離散度不超過2.5 ℃，高溫下僅在1 ℃左右。低溫環(huán)境下，金屬化發(fā)泡PET分別包覆黃瓜和甜菜托盤時，其不同區(qū)域所測溫度值具備類似離散性分布，離散度超過4 ℃。但在高溫環(huán)境中，其離散度在1.5 ℃以內(nèi)。低溫環(huán)境下，金屬化PET的離散度也超過4 ℃，但與金屬化發(fā)泡PET不同的是，包覆黃瓜和甜菜時所測的區(qū)域溫度值分布不同。高溫區(qū)域，金屬化PET的離散度達到了2 ℃。從包覆托盤產(chǎn)品方面分析，金屬化發(fā)泡PET包覆的黃瓜托盤中，環(huán)境溫度為4～8 ℃時，其所測溫度值離散度達到了4 ℃，托盤產(chǎn)品為甜菜時，其離散度也超過3.5 ℃。

圖3 金屬化PET、金屬化發(fā)泡PET和Tyvek的紅外熱成像照相機溫度對比

包覆材料的隔熱效果是通過300 min內(nèi)食品托盤溫度增量測試來進行評估。甜菜測試組中，溫度增量分別為：Tyvek 8 ℃，金屬化PET 7 ℃和金屬化發(fā)泡PET 5 ℃；黃瓜測試組中，溫度增量分別為：Tyvek 5 ℃，金屬化PET 5 ℃和金屬化發(fā)泡PET 3 ℃。綜合文中的相關數(shù)據(jù)，由于在覆蓋材料發(fā)射率的影響，其紅外熱成像照相機所測溫度值存在較大差異。而導致測量溫度差異的另一個原因是包覆材料不同的保溫效果引起的，由于金屬化發(fā)泡PET材料由3層組成，中間的發(fā)泡PET可達到一定的氣體隔熱效果，因此其保溫效果最好，而單層Tyvek材料的保溫效果最差。保溫效果越好，在低溫狀態(tài)下，紅外熱成像照相機在不同位置的所測的溫度值相差就越大。

3 結論

應用紅外熱成像技術評估帶覆蓋材料食品托盤的表面溫度分布，結果表明，紅外熱成像照相機捕獲的數(shù)據(jù)與探針式測溫器之間的溫差達1.9～6.0 ℃，這與覆蓋材料、覆蓋材料的發(fā)射率及覆蓋材料的傳熱影響有關。包覆材料提供了一定的食品保溫效果，其中金屬化發(fā)泡PET材料的保溫效果最好，5 h內(nèi)甜菜和黃瓜溫度分別只升高5 ℃和3 ℃。Tyvek材料提供了最弱的溫度保護，5 h內(nèi)甜菜和黃瓜溫度分別升高了8 ℃和5 ℃。后續(xù)將關注包覆材料發(fā)射率與紅外熱成像照相機讀數(shù)之間的相互作用。