包覆材料对红外热成像测量生鲜食品温度效果的影响

程 丽

(重庆青年职业技术学院经济管理学院，重庆 400712)

生鲜食品在加工、储藏、运输、分销及到消费者手中整个食品冷链中，存在很多导致食品腐败的因素，如温度、湿度、游离水、冷凝水等。这些因素中最重要的是温度的控制[1-2]。生鲜食品在存储、搬运和运输过程中的温度变化，将会显著增加食品受食源性微生物感染的可能性。因此，在食品冷链中，其各个环节始终都应处于低温环境下，以保证食品质量安全，减少损耗，防止污染[3]。

在食品冷链中，为进一步提高生鲜食品的保温效果，会选择合适的材料对食品进行包覆[4]。包覆材料的热传递有3种类型，即热传导、热对流和热辐射[5]。Thijs等[6]对冷链中生鲜食品包覆材料的热性能进行了回顾。Macnish等[7]研究了不同包覆材料对草莓托盘保温效果的影响，并指出其主要传热机制是热辐射和热对流，而覆盖材料对这两种热传递机制起到隔热作用，并且减小了食品受环境湿度的影响。而包覆材料的传热机制将会影响红外热成像照相机捕获食品的实际温度，将红外热成像技术应用于生鲜食品温度检测时，需要考虑包覆材料的性质及其表面发射率。研究拟将两种生鲜食品置于托盘并用3种不同材料(Tyvek,金属化PET，金属化发泡PET)进行包覆形成食品托盘，使用红外热成像照相机检测食品托盘的温度，并与探针式测温器所测温度进行比较，研究红外热成像照相机在不同食品和不同包覆材料所测温度的差异性，进而衡量红外热成像技术在评估食品托盘温度分布的有效性。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冷藏室：由0.1 m的聚氨酯夹芯板制成，尺寸2.0 m×1.5 m×1.5 m，用于模拟生鲜食品产品配送过程中的实际情况，其制冷压缩机功率5 kW·h，采用R-134a为制冷剂，内部风速2.5 m/s，室温传感器位于距地面1.5 m处墙壁上；

扩展式温湿度数据自动采集器(探针式测温仪)：HOBO U12-013型，美国ONSET公司；

红外热成像照相机：Flir-E6型，沈阳子尊科技有限公司；

Tyvek材料：尺寸为1 200 mm×1 000 mm×1 700 mm，杜邦中国集团有限公司；

金属化PET、金属化发泡PET(内外两层金属化PET材料，中间层为发泡PET)：尺寸为1 200 mm×1 000 mm×1 700 mm，杜邦中国集团有限公司；

托盘：HYM型，1 200 mm×1 000 mm，杜邦中国集团有限公司；

塑料格栅箱：500 mm×380 mm×280 mm，每层9个盒子，共3层，杜邦中国集团有限公司；

新鲜甜菜及黄瓜：各400 kg，采摘后24 h内开始试验，市售。

1.2 试验方法

1.2.1 红外热成像照相机参数设置 发射率是指物体表面辐射出的能量与相同温度的黑体辐射能量的比率，取值范围为0(完美白体)～1(完美黑体)。如果材料发射率为1(100% 辐射从物体表面发射)，红外热成像照相机设定捕获发射率为1，则照相机测得的温度被视为材料实际温度；但是如果材料的发射率低于1，则照相机能够捕获发射辐射、透射辐射和反射辐射，最终所测温度为3种辐射能量总和[8-9]。因此，需要降低材料的反射辐射，从而提高测量精度，并降低相机中设定的捕捉发射率，使其等同于材料发射率。研究中所测量的覆盖物表面温度是发射辐射、透射辐射和反射辐射的综合结果。

为降低被测材料的反射辐射，提高测量精度，将铝箔(发射率为0.04～0.09)覆盖于金属化PET材料和金属化发泡PET材料的表面，白纸(发射率为0.7～0.9)覆盖于Tyvek材料表面，同时，按红外热成像照相机厂家的建议，将相机捕获发射率设置为0.040～0.090，但由于发射率低，无法读取温度。随后，分别将发射率设置为0.95，0.80，0.60，如图1(a)所示。相机输出值与实际温度相似。在图1(b)中的探针式测温仪显示表面温度分别是27.11，26.44，26.70 ℃。因此从红外图像的中点提取的温度点(25.4，26.8，27.4 ℃)接近真实温度。由于Tyvek材料具有较高的发射率，因此读取的温度值较准确。

图1 金属化PET的红外成像图及测温图Figure 1 Infrared image and temperature measurement of metallized PET

1.2.2 红外热成像照相机测量食品托盘的温度 如图2所示，将20 kg黄瓜和15 kg甜菜分别放在18个盒子中，将18个盒子分3层置于托盘上。探针式测温仪放置于每层中央位置的盒子中，两个探针则放置于对角线的两个盒子中。一个托盘共9个探针并设定为每5 min记录一次所测温度。由于探针的位置涵盖了托盘3层中心及对角线位置，因此可获取托盘内最高、最低和平均温度。图2(c)中顶部方框表示用红外热成像照相机拍摄的3张照片：分别为左上角，中间及右下角，将其中心点的温度作为测量温度。因此，位于托盘最上层的传感器所测温度可与红外热成像照相机所捕获的温度进行对比。

图2 堆垛构造图Figure 2 The schematic diagram of pallet

将样品在冷藏室中冷却到4 ℃，由探针式测温仪和红外热成像照相机记录温度后，将温度设定为23 ℃，再次记录相应温度数据。黄瓜托盘和甜菜托盘在不同时间内进行3次测温试验。数据分析采用Matlab嵌入ad hoc软件。热成像照相机中记录最高和最低温度及相机屏幕中选定点的温度，然后将照相机测温数据与探针式测温仪的所测数据进行比较分析。

2 结果与分析

2.1 甜菜托盘中红外热成像照相机测温效果分析

如表1所示，低温(4.0 ℃)环境下，覆盖Tyvek托盘的探针式测温仪所测温度分布(4.5～7.0 ℃)在红外热成像照相机所测温度范围(1.9～8.1 ℃)内，覆盖金属化PET和金属化发泡PET的托盘也存在同样的情况。但相比于覆盖金属化PET(1.7～9.8 ℃)和带金属化发泡PET(1.4～12.9 ℃)的托盘，覆盖Tyvek托盘红外热成像照相机所测温度值更接近探针式测温仪所测温度。室温(23.0 ℃)环境中，红外热成像照相机的测量温度大多高于探针式测温仪传感器测量的，但在覆盖Tyvek材料的托盘中测得的最低温度低于探针式测温仪。所有室温环境测试中，托盘左上角用探针式测温仪所测温度最高，而在低温环境中结果恰好相反。

表1 红外热成像照相机和探针式测温仪测量的甜菜托盘温度值及标准偏差Table 1 Maximum and minimum temperatures and standard deviation of chard measured with thermal camera and temperature sensor ℃

表2列出了红外热成像照相机检测甜菜托盘的温度值与探针式测温仪所测值的标准误差。由表2可知，最大标准误差(16.0 ℃)对应于覆盖金属化发泡PET托盘的测试中，最小标准误差(12.2 ℃)对应于覆盖金属化PET托盘的测试中。而覆盖Tyvek托盘的平均标准误差(1.9 ℃)最低。

表2 甜菜托盘红外温度和探针式测温仪的标准误差

2.2 黄瓜托盘中红外热成像照相机测温效果分析

如表3所示，环境低温(4 ℃)状态下，分别使用Tyvek和金属化PET材料包覆时，探针式测温仪测得的温度始终高于红外热成像照相机在选定点测得的温度。对于覆盖金属化发泡PET的，探针式测温仪与红外热成像照相机的测量温度更加接近。但在室温(23 ℃)环境中，探针式测温仪所测温度均低于红外热成像照相机。在甜菜的测试中也观察到了相似的结果。结合表1和表3 的数据可知，室温环境下，甜菜和黄瓜的红外热成像照相机的大部分测量值都高于探针式测温仪的测量值；低温环境下，红外热成像照相机的测量值低于探针式测温仪的。但金属化发泡PET材料包覆这两种食品托盘时未显示出这种一致性，只有61%照相机测量值高于传感器测量值。

表3 红外热成像照相机和探针式测温仪测量的黄瓜托盘温度值及标准偏差Table 3 Maximum and minimum temperatures and standard deviation of cucumber measured with thermal camera and temperature sensor ℃

表4列出了红外热成像照相机检测黄瓜托盘的温度值与探针式测温仪所测值的标准误差。由表4可知，覆盖金属化发泡PET的托盘最大标准误差为21.8 ℃，最小标准误差为0.3 ℃，而金属化PET 覆盖的托盘最下标准误差只有0.1 ℃。覆盖金属化PET和金属化发泡PET黄瓜托盘的最大误差值相差4.3 ℃。平均误差最小的是覆盖Tyvek托盘，仅为3.9 ℃。结合表2和表4的温度测量值可知，红外热成像照相机和探针式测温仪平均标准误差范围为1.9～6.0 ℃。

表4 黄瓜托盘红外温度和探针式测温仪的标准误差

2.3 3种覆盖材料红外热成像照相机所测温度对比分析

图3为3组覆盖材料的红外热成像照相机所测温度的对比结果。如前所述，取托盘左上角、右下角、中间位置的测温平均值，这些温度值分为两个区域，分别对应于4～6 ℃的低温区域和20～23 ℃的高温区域。

由图3可知，低温区域中的所测温度值分布比高温区域的离散性更大，这是由于低温状态下包覆材料的隔热效应导致的。覆盖材料发射率的不同会影响红外热成像照相机所测温度值的离散度[10]，3种包覆材料中，由于Tyvek材料的发射率最高，导致其所测温度值离散度最低，在低温下的离散度不超过2.5 ℃，高温下仅在1 ℃左右。低温环境下，金属化发泡PET分别包覆黄瓜和甜菜托盘时，其不同区域所测温度值具备类似离散性分布，离散度超过4 ℃。但在高温环境中，其离散度在1.5 ℃以内。低温环境下，金属化PET的离散度也超过4 ℃，但与金属化发泡PET不同的是，包覆黄瓜和甜菜时所测的区域温度值分布不同。高温区域，金属化PET的离散度达到了2 ℃。从包覆托盘产品方面分析，金属化发泡PET包覆的黄瓜托盘中，环境温度为4～8 ℃时，其所测温度值离散度达到了4 ℃，托盘产品为甜菜时，其离散度也超过3.5 ℃。

图3 金属化PET、金属化发泡PET和Tyvek的红外热成像照相机温度对比

包覆材料的隔热效果是通过300 min内食品托盘温度增量测试来进行评估。甜菜测试组中，温度增量分别为：Tyvek 8 ℃，金属化PET 7 ℃和金属化发泡PET 5 ℃；黄瓜测试组中，温度增量分别为：Tyvek 5 ℃，金属化PET 5 ℃和金属化发泡PET 3 ℃。综合文中的相关数据，由于在覆盖材料发射率的影响，其红外热成像照相机所测温度值存在较大差异。而导致测量温度差异的另一个原因是包覆材料不同的保温效果引起的，由于金属化发泡PET材料由3层组成，中间的发泡PET可达到一定的气体隔热效果，因此其保温效果最好，而单层Tyvek材料的保温效果最差。保温效果越好，在低温状态下，红外热成像照相机在不同位置的所测的温度值相差就越大。

3 结论

应用红外热成像技术评估带覆盖材料食品托盘的表面温度分布，结果表明，红外热成像照相机捕获的数据与探针式测温器之间的温差达1.9～6.0 ℃，这与覆盖材料、覆盖材料的发射率及覆盖材料的传热影响有关。包覆材料提供了一定的食品保温效果，其中金属化发泡PET材料的保温效果最好，5 h内甜菜和黄瓜温度分别只升高5 ℃和3 ℃。Tyvek材料提供了最弱的温度保护，5 h内甜菜和黄瓜温度分别升高了8 ℃和5 ℃。后续将关注包覆材料发射率与红外热成像照相机读数之间的相互作用。