包覆材料對紅外熱成像測量生鮮食品溫度效果的影響

程 麗

(重慶青年職業(yè)技術(shù)學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，重慶 400712)

生鮮食品在加工、儲藏、運(yùn)輸、分銷及到消費(fèi)者手中整個食品冷鏈中，存在很多導(dǎo)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(yùn)和運(yùn)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(yīng)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(jìn)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(jìn)行包覆[4]。包覆材料的熱傳遞有3種類型，即熱傳導(dǎo)、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(jìn)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(jī)制是熱輻射和熱對流，而覆蓋材料對這兩種熱傳遞機(jī)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(jī)制將會影響紅外熱成像照相機(jī)捕獲食品的實際溫度，將紅外熱成像技術(shù)應(yīng)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(jìn)行包覆形成食品托盤，使用紅外熱成像照相機(jī)檢測食品托盤的溫度，并與探針式測溫器所測溫度進(jìn)行比較，研究紅外熱成像照相機(jī)在不同食品和不同包覆材料所測溫度的差異性，進(jìn)而衡量紅外熱成像技術(shù)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(jī)功率5 kW·h，采用R-134a為制冷劑，內(nèi)部風(fēng)速2.5 m/s，室溫傳感器位于距地面1.5 m處墻壁上；

擴(kuò)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(jī)：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(tuán)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(tuán)有限公司；

托盤：HYM型，1 200 mm×1 000 mm，杜邦中國集團(tuán)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(tuán)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(jī)參數(shù)設(shè)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(jī)設(shè)定捕獲發(fā)射率為1，則照相機(jī)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(jī)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(jī)中設(shè)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(jié)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(jī)廠家的建議，將相機(jī)捕獲發(fā)射率設(shè)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(shè)置為0.95，0.80，0.60，如圖1(a)所示。相機(jī)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(zhǔn)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(jī)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(shè)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(jī)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(jī)所捕獲的溫度進(jìn)行對比。

圖2 堆垛構(gòu)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(jī)記錄溫度后，將溫度設(shè)定為23 ℃，再次記錄相應(yīng)溫度數(shù)據(jù)。黃瓜托盤和甜菜托盤在不同時間內(nèi)進(jìn)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(jī)中記錄最高和最低溫度及相機(jī)屏幕中選定點的溫度，然后將照相機(jī)測溫數(shù)據(jù)與探針式測溫儀的所測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜菜托盤中紅外熱成像照相機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jié)果恰好相反。

表1 紅外熱成像照相機(jī)和探針式測溫儀測量的甜菜托盤溫度值及標(biāo)準(zhǔn)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(jī)檢測甜菜托盤的溫度值與探針式測溫儀所測值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。由表2可知，最大標(biāo)準(zhǔn)誤差(16.0 ℃)對應(yīng)于覆蓋金屬化發(fā)泡PET托盤的測試中，最小標(biāo)準(zhǔn)誤差(12.2 ℃)對應(yīng)于覆蓋金屬化PET托盤的測試中。而覆蓋Tyvek托盤的平均標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)誤差

2.2 黃瓜托盤中紅外熱成像照相機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)。在甜菜的測試中也觀察到了相似的結(jié)果。結(jié)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(jī)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(jī)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(jī)測量值高于傳感器測量值。

表3 紅外熱成像照相機(jī)和探針式測溫儀測量的黃瓜托盤溫度值及標(biāo)準(zhǔn)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(jī)檢測黃瓜托盤的溫度值與探針式測溫儀所測值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。由表4可知，覆蓋金屬化發(fā)泡PET的托盤最大標(biāo)準(zhǔn)誤差為21.8 ℃，最小標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.3 ℃，而金屬化PET 覆蓋的托盤最下標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合表2和表4的溫度測量值可知，紅外熱成像照相機(jī)和探針式測溫儀平均標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)誤差

2.3 3種覆蓋材料紅外熱成像照相機(jī)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(jī)所測溫度的對比結(jié)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(yīng)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(yīng)導(dǎo)致的。覆蓋材料發(fā)射率的不同會影響紅外熱成像照相機(jī)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(dǎo)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(dá)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(dá)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(jī)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(jìn)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(guān)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(jī)所測溫度值存在較大差異。而導(dǎo)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(dá)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(jī)在不同位置的所測的溫度值相差就越大。

3 結(jié)論

應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)評估帶覆蓋材料食品托盤的表面溫度分布，結(jié)果表明，紅外熱成像照相機(jī)捕獲的數(shù)據(jù)與探針式測溫器之間的溫差達(dá)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(guān)。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(hù)，5 h內(nèi)甜菜和黃瓜溫度分別升高了8 ℃和5 ℃。后續(xù)將關(guān)注包覆材料發(fā)射率與紅外熱成像照相機(jī)讀數(shù)之間的相互作用。