食品无损检测技术的专利视角分析
作者: 耿宾
摘 要:在食品安全和质量监管日益受到重视的今天,无损检测技术成为确保食品品质的重要手段。本文从专利视角对食品无损检测技术进行了深入分析,探讨了其在确保食品安全和提升食品品质中的重要性。通过专利检索和分析,识别了专利整体申请趋势、关键技术以及主要的申请人。对典型的食品无损检测技术进行了介绍,并基于专利分析结果,给出了相关技术研究走向和未来发展的建议。
关键词:食品;无损检测;专利
Patent Perspective Analysis of Non-Destructive Testing Technology for Food
GENG Bin
(Patent Examination Cooperation (Tianjin) Center of the Patent Office, CNIPA, Tianjin 300304, China)
Abstract: With increasing attention to food safety and quality supervision, non-destructive testing technology has become an important means to ensure food quality. This paper conducts an in-depth analysis of non-destructive food testing technology from a patent perspective, discussing its importance in ensuring food safety and improving quality. Through patent retrieval and analysis, the overall patent application trend, key technologies, and main applicants are identified. Typical food non-destructive testing technologies are introduced, and based on the results of the patent analysis, suggestions for the development of technology in this field and future research directions are proposed.
Keywords: food; non-destructive testing; patents
食品的质量与安全是全球消费者和监管机构关心的热点。随着科技的发展,食品无损检测技术作为确保食品安全和提升食品品质的重要手段,正逐渐成为研究和工业应用的热点[1]。尽管现有文献对食品无损检测技术的原理和应用进行了广泛探讨,但从专利角度对这一领域的技术发展进行全面分析的研究相对较少。专利不仅在法律上体现了技术的革新,也是技术发展和市场竞争的重要指标[2]。根据对专利数据的解析,可以挖掘出技术演变的走向、热点领域以及潜在的市场需求。
本文分析食品无损检测技术专利申请量的整体趋势,探讨技术发展的动态,探究专利申请的国家和地区分布,以识别技术发展的地理特征和潜在的市场机会。此外,本文重点介绍了计算机视觉、超声波检测、光谱探测等无损检测技术,并评估了这些技术在食品工业中的应用前景。
1 食品无损检测技术专利趋势概述
使用incoPat数据库(https://www.incopat.com/)在全球范围内按照以下检索式进行检索:(食品OR食物OR瓜果OR蔬菜OR水果)AND((无损OR无伤OR无破坏OR非破坏)(S)(检测OR分析OR评估OR识别OR检验OR诊断))。
1.1 专利总量与时间分布
图1为在incoPat数据库中导出的近20年(2004—2024年)专利的整体申请数据,截止时间为2024年5月31日。从图1可以看到,近20年来食品无损检测技术的专利申请数量呈现出显著的波动趋势。在初期阶段(2005—2010年),专利申请量较为稳定,这段时间可能是该技术发展的初步探索期,研究人员正在逐步积累经验;2010年以后,专利申请量出现了显著增长,特别是在2021年达到了高峰,这表明食品无损检测技术在这一时期受到了广泛关注,该技术正在快速创新发展;2023年后,专利申请量有所下降,主要在于专利公开周期一般为18个月,导致部分专利还未完全公开,并不能完全反映专利申请量的实际波动情况。
1.2 专利申请的国家和地区分布情况
图2为统计的各国专利申请量的分布情况,可以看到中国在食品无损检测技术领域的专利申请量遥遥领先,达到了1 233件,远超其他国家和组织,反映出中国在这一技术领域的研发投入和市场潜力都非常巨大。德、日、美等国家在该技术领域中的专利申请量也相对较高,这些科技发达的国家拥有强大的研发能力和创新体系,企业和研究机构可能在国际市场上拥有较大的影响力。欧洲专利局(European Patent Office,EPO)和世界知识产权组织也出现在其中,反映了食品无损检测技术的全球性和国际合作的重要性。
1.3 主要申请人类型
将近20年食品无损检测技术专利申请主体的类型分为企业、高校或科研机构及其他,统计结果如图3所示。从图3可以看到,高校或科研机构一直是食品无损检测技术的主要专利申请人,尤其是在2017年之后,其专利申请数量显著增加。这表明高校和科研机构在该领域的研究活动非常活跃,并且具有较强的创新能力。企业的专利申请数量有所波动,虽然企业在早期的专利申请数量较少,但在近年来有所增加,可能是因为随着食品工业的发展和技术的进步,企业越来越重视食品无损检测技术的研究与应用,从而加大了对该领域的投入。其他类别的申请人数量相对较少,但同样为技术创新的多样性和活跃度做出了贡献。
2 主要食品无损检测技术
食品无损检测是要在不破坏食品本身结构和性质的情况下,利用各种方法对食品进行质量评估和分析的一系列技术,包括但不限于光谱技术[3],如近红外光谱(Near Infrared,NIR)、中红外光谱(Intermediate Infrared,MIR)等;成像技术,包括X射线成像、磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)[4]、计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)等;声学技术,如超声波技术[5];计算机视觉技术等。以下结合几种典型的食品无损检测技术的应用场景,列举具体专利介绍其技术特点。
2.1 光学特性分析法
光学特性分析法利用物质对光的散射、折射、反射、吸收等不同反应来进行检测。其中,近红外光谱仪(Near Infrared Spectrum Instrument,NIRS)通过测量样品在近红外区域(780~2 500 nm)的光谱响应来分析食品成分,具有非接触、无须样品预处理、可快速同时测定多个成分的能力,适用于在线检测和过程控制。然而,它的精度可能受样品基质效应影响,且对于特定化合物的定量分析可能不如化学分析精确。
专利CN202010823837.1[6]涉及一种基于硅基多光谱芯片的水果糖度无损检测装置及方法,通过一个内置光源和多光谱相机的检测装置,配合水果支架,采集水果在光源照射下的散射多光谱图像。利用图像采集模块和糖度多光谱数据库,通过比对和计算,快速准确地测定水果糖度。
2.2 声学特性分析法
声学特性分析法利用超声波的传播特性来检测食品内部结构和品质。超声波可以穿透样品,用于检测内部缺陷、密度、质地等。这种方法适用于液体和固体食品,尤其是对于检测肉类、奶制品和水果中的异物和结构变化特别有效。但是,超声波检测可能受到样品形状和表面条件的影响,而且设备成本相对较高。
专利CN201210192852.6[7]涉及一种便携式液体食品质量超声波检测仪与方法,该仪器由超声波传感器装置、控制单元、温度补偿单元和人机接口组成。利用超声波传感器发射并接收超声波,通过信号处理模块处理得到的回波信号,精确测量超声波在液体中的传播时间,从而获得液体食品的特性参数。通过与云端数据库比对,可无损鉴别液体食品的真伪和质量。
2.3 磁学特性分析法
磁学特性分析法是一种利用磁场特性对食品进行检测的技术,主要为磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)技术,能够提供食品内部结构的高分辨率三维图像,特别适用于研究食品的水分分布和组织结构,但其成本较高,操作复杂,且检测速度相对较慢。
专利CN202311476003.8[8]涉及一种带核水果品质检测方法及系统,利用低场磁共振成像技术结合Swin UNet深度学习网络,对带核水果进行无损品质检测。通过采集水果的低场磁共振图像,训练网络获取分割权重,实现果肉与果核的精确分割。再利用VTK工具将二维分割结果重构为三维图像,并计算果肉占比,为评估水果品质提供科学依据。
2.4 计算机视觉技术
计算机视觉技术利用摄像头和图像处理软件来分析食品的颜色、形状、大小和表面缺陷。这种方法适用于分级、分类和检测外观瑕疵,如水果和蔬菜的分选。计算机视觉技术具有快速、自动的检测特点,但性能可能在复杂背景或低光照条件下受限。
专利CN202310114753.4[9]涉及一种机器视觉的球状水果在线分级装置和方法,该系统由传送装置、导向杆、光电传感器、图像采集装置、人机接口单元、上位机和分级装置组成。利用3D工业相机和机器视觉技术,结合深度学习算法,对水果进行图像采集、特征提取和质量判断。SCARA机器人根据上位机的判断结果,自动将水果分选至相应收集箱,实现高精度、高速度、非接触式的智能分级。
3 未来发展趋势预测
食品无损检测预计将朝着高灵敏度、快速检测和高适应性的方向发展,机器学习、人工智能与大数据等尖端科技的交叉融合,将实现更智能的数据分析和更精确的质量评估。同时,便携式和手持式设备的发展将使得无损检测技术更加普及,便于现场即时检测,满足实时监控和应急响应的需求。此外,专利保护和知识产权管理将成为食品无损检测技术竞争的核心,企业与科研机构将更加注重技术创新和市场布局,通过专利布局强化技术壁垒,促进整个领域向着规范化和系统化方向稳步前进。
4 结语
食品无损检测技术作为确保食品安全和提升食品品质的关键手段,在近年来得到了快速发展。通过专利视角的深入分析,本文揭示了食品无损检测技术在专利申请量、技术发展动态、申请人类型以及技术应用等方面的整体趋势和特点。期望本文为食品无损检测技术的发展提供新的视角,为相关企业和研究机构的技术战略规划和市场布局提供参考,并促进更多学者和业内人士对这一领域加强关注。
参考文献
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[8]武汉轻工大学.一种带核水果品质检测方法及系统:202311476003.8[P].2024-02-23.
[9]嘉兴学院.一种基于机器视觉的球状水果在线分级装置和方法:202310114753.4[P].2024-01-12.