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Emerging rapid and
non-destructive techniques
for quality and safety
evaluation of cacao: recent
advances, challenges,
and future trends
Cite this article
Alvarado, M.C., Sanchez, P.D.C. & Polongasa, S.G.N. Emerging rapid and non-destructive techniques for quality and safety evaluation of cacao: recent advances, challenges, and future trends. Food Prod Process and Nutr 5, 40 (2023).
https://doi.org/10.1186/s43014-023-00157-w
2023年9月，Food Production, Processing and Nutrition 在线发表了卡拉加州立大学Dr. Marjun C. Alvarado课题组 Emerging rapid and non-destructive techniques for quality and safety evaluation of cacao: recent advances, challenges, and future trends 的综述。
可可具有巨大的营养价值和经济价值，是世界上最受欢迎的农产品之一。可可豆的品质很大程度上受气候、土壤、成熟度以及采后处理过程（发酵、干燥、储存）影响，其中最重要的检测参数包括发酵指数、成熟度、形态、缺陷、化学成分等。对可可豆进行品质检测，可筛选出高质量可可，有效减少可可豆种植者的损失。目前对可可的品质和安全评估主要依赖人工，任务繁重且结果未必准确。
切割试验是最常用的评估可可豆发酵指数和品质的传统方法，可监测可可豆发酵过程中的颜色变化，但需要人工计数，结果并不准确。另一种常用的方法是色谱分析，可测定微量代谢物和污染物，但在检测过程中会造成样品的损坏。
目前已有大量的课题研究了可可品质的传统评估，但新兴快速无损检测技术的研究比较少。基于此，本文重点介绍了检测可可品质和安全的新兴快速无损检测方法，以及它们在收获、分级/分选、发酵和采后处理中的应用和相关技术的优缺点，并展望了可可无损检测未来发展的方向。
传统检测技术与无损检测技术
01 无损检测技术
采后是可可豆风味和香气形成的阶段。发酵过程中，各种细菌和酶与可可豆中的酚类化合物、蛋白质、脂质等相互作用。在这个阶段利用无损检测对可可豆品质进行评价尤为关键。
图1 可可品质与安全的新兴无损检测技术：最新进展、挑战、未来趋势
表1 快速无损检测方法在可可质量安全评估中的应用
最常用的是基于计算机视觉成像、高光谱成像和光谱学的方法。高光谱成像适合于分析宽光谱的光，而基于光谱的技术更适合于单光谱采集。基于计算机视觉成像的方法，通过算法和人工视觉实现对图片的采集、分析和理解，提供数字和符号信息。这些技术也有局限性，例如利用计算机视觉系统很难检测到可可豆表面一些视觉上差异性小的缺陷，这一漏洞可以用高光谱成像技术弥补。
02 高光谱成像技术
高光谱成像(HSI)仪是一种用于食品领域品质评估和控制的新型无损检测仪器，能够确定样品的基本化学成分。这项技术背后的基本思路是分析广泛的光谱，不是只给每个像素分配红、绿、蓝等原色。HSI可以在不同的电磁测量下工作，如可见光(VIS)、近红外(NIR)、中红外(MIR)和拉曼光谱。
在可可行业中，分类是指根据品种、产地、发酵水平等因素对样品进行区分。识别混合样品至关重要，因为它们在制造过程中需要不同的处理，具有不同的商业价值。近红外高光谱成像(NIR-HSI)是目前应用最广泛的可可质量安全无损评价技术，它利用780- 2500nm的光谱，可快速收集数据以实现测量、识别或区分几种豆类。
图2 高光谱成像系统示意图
花青素含量随着可可豆发酵而降低，这一变化极大地影响了可可豆的高光谱特征，因此HSI可以有效区分可可豆的发酵水平，并准确地显示可可豆中的多酚含量及抗氧化活性。HSI还可以非接触方式预测可可豆的脂肪含量，便于在食品工业中筛选出更一致的原料。另一种基于计算机成像的技术是后向散射成像法，通过检测可可豆荚的硬度和颜色，确定可可的成熟度水平(未成熟、成熟和过熟)。
图3 利用模型预测未烘烤的全可可豆(去壳)中的总脂肪含量
03 基于光谱的技术
基于光谱的技术利用辐射能量来评估材料或样品的特征和特性，可以在不需要样品预处理的情况下精确、快速和直接地进行评估。该技术下的傅里叶变换近红外(FT-NIR)光谱，是一种获得固体、液体和气体的吸收、发射和光电导率的红外光谱的技术，可以在不到一分钟的时间内快速估计商品质量。FT-NIR光谱与适当的多元算法相结合，可以作为一种可靠的工具，评估可可豆的发酵指数、pH值和总多酚含量从而对可可豆进行量化和分类。可可豆中的脂肪是巧克力形成的主要成分，因此可可豆的总脂肪含量是巧克力生产商最重视的品质之一。在对高品质可可产品需求迅速增长的当下，FT-NIR光谱可用于测定可可豆中的总脂肪含量，对如今的可可市场来说是一个福音。
另一个更适合复杂混合物定量分析的基于光谱学的技术是近红外光谱(NIRS)，在800 - 2500 nm的波长范围内工作，已广泛应用于农业、食品工程和其他领域。近红外光谱的使用可以帮助创建一种相当简单和自动化的方法，将可可豆分为不同的类型，并预测发酵和干燥可可豆的化学成分以及磨碎的可可样品的颜色特征，估计可可豆的水分含量、pH值、脂肪含量、蛋白质含量等。根据发酵时间的不同，可可豆中的氨态氮（NH3）浓度不同，因此，近红外光谱对可可样品中氨态氮浓度的测定可以很容易的确定可可样品的发酵阶段。
04 基于计算机视觉的成像技术
基于计算机视觉的成像技术使用算法和人工视觉对图像进行采集、分析和处理。该方法不依赖于人类的视觉，而是使用相机和计算机来检测、跟踪和测量目标，以便进行后续的图像处理，已被用于快速无损检测水果蔬菜谷物、豆子等农产品的品质。计算机视觉成像技术可以估算可可豆的发酵指数、从形态学角度评估可可豆的质量、对不同品种的可可豆进行分类，并确定其混合物的百分比等。
无损检测技术评估可可豆品质的优缺点
与传统方法不同，无损技术在分析速度、安装便捷性和食品质量连续监测方面占优势，提供了准确和客观的结果。不过，无损检测技术成本相对较高，并且需要训练有素的人员操作，在工业和商业环境中使用受到限制。
表2 不同的无损检测技术的优缺点
无损检测技术的现状与发展
无损检测技术是检测发展的新趋势，特别是在食品工程领域。在农业和食品工程领域，它可以用来减轻生产和采后操作所需的密集和繁琐的工作。目前的工作已经证明了无损检测技术在可可品质和安全评价方面的可靠性，但在工业和商业中如何大规模应用是一向挑战。为了克服这些限制并在更大范围内使用，可以考虑将硬件系统一般化，以提供用户使用性友好且低成本的无损检测设备。
公众号：食物生产加工与营养
Food Production, Processing and Nutrition
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