JP2014062807A

JP2014062807A - 分析装置

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Publication number: JP2014062807A
Application number: JP2012208068A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Takahashi; 達也高橋; Tomoya Kusakabe; 朋哉日下部
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: US20150253254A1; CN104603598A; CN104603598B; JP6213759B2; US9726614B2; WO2014045509A1

Abstract

【課題】装置が大型化することなく、短時間で容易に分析対象物に含まれる成分または分析対象物のカロリを分析することが可能な分析装置を提供する。
【解決手段】分析装置１１は、食品Ｆに光を照射する発光部１６と、当該光のうち食品Ｆに反射する第１反射光Ｈを分光する分光部１７と、分光部１７によって分光された第１反射光Ｈを検出する光検出部１８と、含まれる成分が既知の食品サンプルに発光部１６から光を照射した場合に食品サンプルに反射して分光部１７によって分光された第２反射光の光検出部１８による検出データをパラメータとして算出した回帰式を記憶する記憶部２４と、光検出部１８による第１反射光Ｈの検出データと、記憶部２４に記憶された回帰式とに基づいて食品Ｆに含まれる成分を推定する制御部２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば食品に含まれる成分または食品のカロリを分析する分析装置に関する。

一般に、分析対象物の光学的特性に基づいた非破壊検査においては、近赤外領域等の波長の光を用いる検査方法が知られている。特に食品については、近赤外光を用いてカロリを測定する方法が知られている（例えば、特許文献１）。

こうしたカロリの測定方法では、多種類の食品の被検体の化学分析による既知のカロリと、当該各被検体の吸光度との重回帰分析によって上記多種類の食品の被検体のカロリを求める。そして、この求めた上記多種類の食品の被検体のカロリに帰属する近赤外線の波長でもって決定する波長から測定対象の食品のカロリを推定している。

特開２００５−２９２１２８号公報

ところで、上述のようなカロリの測定方法では、前分光方式により、波長に対して吸光度をプロットした近赤外吸収スペクトルを測定しているため、測定に時間がかかってしまうという問題がある。加えて、最初に食品のカロリや各栄養成分に帰属する近赤外線の複数の単波長に分光するべくライトチョッパなどの分光器が必要となるので、装置が大型化してしまうという問題がある。

本発明は、このような課題に着目してなされたものである。その目的とするところは、装置が大型化することなく、短時間で容易に分析対象物に含まれる成分または分析対象物のカロリを分析することが可能な分析装置を提供することにある。

上記課題を解決する分析装置は、分析対象物に含まれる成分または前記分析対象物のカロリを分析可能な分析装置であって、前記分析対象物に光を照射する発光部と、前記光のうち前記分析対象物に反射する第１反射光または前記光のうち前記分析対象物を透過する第１透過光を分光する分光部と、前記分光部によって分光された前記第１反射光または前記第１透過光を検出する光検出部と、含まれる成分またはカロリが既知の分析サンプルに前記発光部から前記光を照射した場合に前記分析サンプルに反射して前記分光部によって分光された第２反射光または前記分析サンプルを透過して前記分光部によって分光された第２透過光の前記光検出部による検出データをパラメータとして算出した回帰式を記憶する記憶部と、前記光検出部による前記第１反射光または前記第１透過光の検出データと、前記記憶部に記憶された前記回帰式とに基づいて前記分析対象物に含まれる成分または前記分析対象物のカロリを推定する分析部とを備えたことを特徴とする。

上記構成において、前記分析対象物の温度を測定可能な温度測定部をさらに備え、前記温度測定部で測定した前記分析対象物の温度に基づいて、前記分析対象物に含まれる成分または前記分析対象物のカロリを補正することが好ましい。

上記構成において、前記分析対象物の重量を測定可能な重量測定部をさらに備え、前記記憶部に記憶された前記回帰式は、前記分光部によって分光された前記第２反射光または前記第２透過光の前記光検出部による検出データと、前記重量測定部で測定した前記分析サンプルの重量とをパラメータとして算出されたものであり、前記分析部は、前記光検出部による前記第１反射光または前記第１透過光の検出データと、前記重量測定部で測定した前記分析対象物の重量と、前記回帰式とに基づいて前記分析対象物に含まれる成分の重量を推定することが好ましい。

上記構成において、前記分析対象物を載置する光透過性のプレートをさらに備え、前記発光部、前記分光部、及び前記光検出部は、前記プレートの下側に配置され、前記発光部は、前記プレート上に載置された前記分析対象物に対して前記プレート越しに前記光を照射し、前記分光部は、前記光のうち前記分析対象物から前記プレート越しに反射する第１反射光を分光し、前記光検出部は、前記分光部によって分光された前記第１反射光を検出することが好ましい。

上記構成において、前記分析対象物は、食品であり、前記成分は、蛋白質、脂質、糖質のうち少なくとも１つであることが好ましい。

本発明によれば、装置が大型化することなく、短時間で容易に分析対象物に含まれる成分または分析対象物のカロリを分析することができる。

一実施形態の分析装置の概略構成を示す模式図。同分析装置における小皿の斜視図。同分析装置において反射光を分析するときの状態を示す模式図。変更例において、小皿に載置された食品に上側から光を照射して、その反射光を分光するときの状態を示す模式図。変更例において、小皿に載置された食品に上側から光を照射して、その透過光を分光するときの状態を示す模式図。

以下、分析装置の一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、分析装置１１は、分析対象物の一例としての食品Ｆに含まれる三大栄養素（成分）である蛋白質、脂質、及び糖質を分析可能（推定可能）であって、貫通孔１２ａを有する平板状の台座部１２を備えている。台座部１２上には、中央部に貫通孔１３ａを有する重量測定部の一例としての円板状の重量センサ１３が配置されている。

台座部１２の貫通孔１２ａと、重量センサ１３の貫通孔１３ａとは、大きさが同じで位置が上下で一致している。重量センサ１３上には、分析対象物の一例としての食品Ｆが載置されるプレートの一例としての円形の小皿１４が配置されている。そして、重量センサ１３は、小皿１４上に載置された食品Ｆの重量を測定する。

図１及び図２に示すように、小皿１４の中心部は、若干円形状に窪んでいる。小皿１４は、中心部が光透過性の光透過部１４ａとされ、光透過部１４ａ以外の部分が光を透過させない非光透過部１４ｂとされている。本実施形態では、光透過部１４ａが石英ガラスで構成され、非光透過部１４ｂがメラミン樹脂で構成されている。

そして、小皿１４の光透過部１４ａは、各貫通孔１２ａ，１３ａと大きさが同じで位置が上下で一致している。なお、小皿１４の上方には、小皿１４上に載置された食品Ｆの温度を非接触で測定する温度測定部の一例としての温度センサ１５が配置されている。

図１に示すように、台座部１２の下側には、各貫通孔１２ａ，１３ａ及び光透過部１４ａを通して小皿１４上の食品Ｆに光（本実施形態では近赤外光）を照射する発光部１６が配置されている。すなわち、発光部１６は、小皿１４上に載置された食品Ｆに対して光透過部１４ａ越しに光を照射する。

さらに、台座部１２の下側であって発光部１６と隣り合う位置には、発光部１６から食品Ｆに照射された光のうち食品Ｆから光透過部１４ａ越しに反射する第１反射光Ｈを分光する分光部１７が配置されている。この第１反射光Ｈには、様々な波長の光が含まれている。

図３に示すように、分光部１７は、特定の波長の光の透過を許容してこれ以外の波長の光の透過を規制する複数の光学フィルタ１７ａを備えている。各光学フィルタ１７ａは、規則的に配列されている。そして、各光学フィルタ１７ａは、透過を許容する光の波長が互いに異なっている。したがって、第１反射光Ｈは、分光部１７の各光学フィルタ１７ａによって特定の波長毎の光に分光される。分光された光は、単波長、或いは所定の幅をもった波長域の情報を含んでいる。

図１及び図３に示すように、分光部１７の下側には、分光部１７で分光された後の第１反射光Ｈを検出する光検出部１８が配置されている。光検出部１８は、分光部１７の各光学フィルタ１７ａをそれぞれ透過した第１反射光Ｈを受光する複数の受光素子１８ａを備えている。各受光素子１８ａは、各光学フィルタ１７ａとそれぞれ対応するように規則的に配列されている。

すなわち、各受光素子１８ａは、対応する光学フィルタ１７ａを透過した第１反射光Ｈをそれぞれ受光する。この場合、各受光素子１８ａには、対応する光学フィルタ１７ａをそれぞれ透過する波長の情報を含む光に対して感度の良好なものをそれぞれ用いることが好ましい。そして、光検出部１８は、各受光素子１８ａで受光した光を電気信号に変換し、それらの受光量に応じた電圧値で表される検出データとしてそれぞれ後述する制御部２０に送信する。

図１に示すように、分析装置１１は、分析装置１１の稼動状態を統括的に制御する分析部の一例としての制御部２０と、ユーザが各種の操作を行う操作部２１と、食品Ｆの成分の分析結果などを表示する表示部２２とを備えている。制御部２０は、重量センサ１３、温度センサ１５、発光部１６、光検出部１８、操作部２１、及び表示部２２とそれぞれ電気的に接続されている。

また、制御部２０は、各種の演算などを行う演算部２３と、各種の制御プログラム、光検出部１８によって検出される各検出データ、及び後述する回帰式などを記憶する記憶部２４とを備えている。そして、制御部２０は、操作部２１から送信される信号に基づいて発光部１６を発光させ、光検出部１８から送信される各検出データ、重量センサ１３及び温度センサ１５から送信される信号、及び回帰式に基づいて食品Ｆに含まれる成分を分析（推定）する。その後、制御部２０は、この食品Ｆに含まれる成分の分析結果（推定結果）を表示部２２に表示させる。

次に、食品Ｆに含まれる成分（蛋白質、脂質、及び糖質）を分析（推定）するために用いる上記回帰式の算出方法について説明する。
図１及び図３に示すように、上記回帰式を算出する場合には、含まれる成分（蛋白質、脂質、及び糖質）の重量が既知の食品サンプル（分析サンプル）を小皿１４上に載置し、発光部１６から食品サンプルに対して光（本実施形態では近赤外光）を照射する。すると、食品サンプルに反射した第２反射光は、分光部１７の各光学フィルタ１７ａによって特定の波長毎の光に分光される。

各光学フィルタ１７ａを透過したそれぞれの第２反射光は、光検出部１８の各受光素子１８ａにそれぞれ受光されて電気信号に変換され、それらの受光量に応じた電圧値で表される検出データとして制御部２０の記憶部２４に記憶される。

ここで、分光部１７の光学フィルタ１７ａ及び光検出部１８の受光素子１８ａがｎ個ずつあったとすると、蛋白質の重量Ｓ_１を求める式は、下記の式１で表される。
Ｓ_１＝Ｔ・Ｇ・（Ａ_１Ｖ_１＋Ａ_２Ｖ_２＋Ａ_３Ｖ_３＋・・・＋Ａ_ｎＶ_ｎ）・・・・（式１）
同様に、脂質の重量Ｓ_２を求める式は、下記の式２で表される。

Ｓ_２＝Ｔ・Ｇ・（Ｂ_１Ｖ_１＋Ｂ_２Ｖ_２＋Ｂ_３Ｖ_３＋・・・＋Ｂ_ｎＶ_ｎ）・・・・（式２）
同様に、糖質の重量Ｓ_３を求める式は、下記の式３で表される。

Ｓ_３＝Ｔ・Ｇ・（Ｃ_１Ｖ_１＋Ｃ_２Ｖ_２＋Ｃ_３Ｖ_３＋・・・＋Ｃ_ｎＶ_ｎ）・・・・（式３）
上記式１〜式３において、Ｔは食品サンプルの温度、Ｇは食品サンプルの重量、Ａ_１〜Ａ_ｎは蛋白質係数、Ｂ_１〜Ｂ_ｎは脂質係数、Ｃ_１〜Ｃ_ｎは糖質係数、Ｖ_１〜Ｖ_ｎは電圧値（検出データ）を示す。電圧値（検出データ）は、単波長、或いは所定の幅をもった波長域の情報を含んでおり、これらと光学フィルタ１７ａの設計仕様から、測定波長範囲における波長毎の近赤外吸収スペクトルを算出することもできる。しかし、これにはスペクトルへの再構築のための演算が必要となるため、ここでは近赤外吸収スペクトルを算出することなく、直接電圧値（検出データ）を用いる。

そして、食品サンプルの測定では、パラメータであるＴ、Ｇ、Ｓ_１〜Ｓ_３、及びＶ_１〜Ｖ_ｎは既知であるため、既知の統計的手法により、蛋白質係数Ａ_１〜Ａ_ｎ、脂質係数Ｂ_１〜Ｂ_ｎ、及び糖質係数Ｃ_１〜Ｃ_ｎは求められる。この場合、既知の統計的手法としては、重回帰分析法、主成分回帰分析法、ＰＬＳ回帰分析法などのケモメトリックス手法が挙げられる。

したがって、上記式１に対して上述のように求めた蛋白質係数Ａ_１〜Ａ_ｎを代入したものが、食品Ｆに含まれる蛋白質の重量Ｓ_１を求めるための第１回帰式とされる。また、上記式２に対して上述のように求めた脂質係数Ｂ_１〜Ｂ_ｎを代入したものが、食品Ｆに含まれる脂質の重量Ｓ_２を求めるための第２回帰式とされる。さらに上記式３に対して上述のように求めた糖質係数Ｃ_１〜Ｃ_ｎを代入したものが、食品Ｆに含まれる糖質の重量Ｓ_３を求めるための第３回帰式とされる。そして、第１〜第３回帰式は、制御部２０の記憶部２４に記憶されている。

次に、食品Ｆに含まれる成分（蛋白質、脂質、及び糖質）の重量を分析（推定）する場合の分析装置１１の作用について説明する。
さて、食品Ｆの成分（蛋白質、脂質、及び糖質）の重量を分析する場合には、まず、食品Ｆを小皿１４上に載置し、ユーザが操作部２１を操作する。これにより、発光部１６から食品Ｆに対して光（本実施形態では近赤外光）が照射される。すると、この照射された光のうち食品Ｆに反射した第１反射光は、分光部１７の各光学フィルタ１７ａによって特定の波長毎の光に分光される。

各光学フィルタ１７ａを透過したそれぞれの第１反射光は、光検出部１８の各受光素子１８ａにそれぞれ受光されて電気信号に変換され、それらの受光量に応じた電圧値で表される検出データとして制御部２０の記憶部２４に記憶される。すると、制御部２０は、第１〜第３回帰式に、それぞれ検出データ（電圧値；Ｖ_１〜Ｖ_ｎ）、食品Ｆの温度（Ｔ）、及び食品Ｆの重量（Ｇ）を代入して演算部２３で演算することで、蛋白質の重量Ｓ_１、脂質の重量Ｓ_２、及び糖質の重量Ｓ_３をそれぞれ算出する。

これにより、食品Ｆの成分（蛋白質、脂質、及び糖質）の重量の分析（推定）がなされる。その後、制御部２０は、この食品Ｆの成分（蛋白質、脂質、及び糖質）の重量の分析（推定）結果を表示部２２に表示する。

以上詳述した実施形態によれば次のような効果が発揮される。
（１）分析装置１１は、ライトチョッパなどの分光器が不要な後分光方式であり、且つ近赤外吸収スペクトルを測定することなく食品Ｆに含まれる成分（蛋白質、脂質、及び糖質）の重量を分析（推定）することができる。したがって、装置が大型化することなく、短時間で容易に食品Ｆに含まれる成分（蛋白質、脂質、及び糖質）の重量の分析を行うことができる。

（２）食品Ｆに含まれる成分を分析するための第１〜第３回帰式には、温度センサ１５によって測定された食品Ｆの温度のパラメータであるＴが含まれている。したがって、温度センサ１５によって測定された食品Ｆの温度に基づいて食品Ｆに含まれる成分が補正されるので、食品Ｆに含まれる成分の分析精度を高めることができる。

（３）食品Ｆに含まれる成分を分析するための第１〜第３回帰式には、重量センサ１３によって測定された食品Ｆの重量のパラメータであるＧが含まれている。したがって、重量センサ１３によって測定された食品Ｆの重量に基づいて食品Ｆに含まれる成分の重量を精度よく分析（推定）することができる。

（４）分析装置１１は、光透過部１４ａを有する小皿１４上に食品Ｆを載置して小皿１４の下側から光を照射して食品Ｆの成分分析を行っている。このため、食品Ｆを加熱して水蒸気などが発生した場合でも、発光部１６や光検出部１８が水蒸気で曇りにくくなるので、水蒸気などの発生によって食品Ｆの成分分析精度が低下することを抑制することができる。加えて、小皿１４上に食品Ｆを載置して食品Ｆの成分分析が行われるので、食品Ｆがカレーなどの液状のものであっても容易に成分分析を行うことができる。

（変更例）
なお、上記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・図４に示すように、分析装置１１は、発光部１６、分光部１７、及び光検出部１８を小皿１４上に載置された食品Ｆよりも上方に配置するようにしてもよい。この場合、小皿１４全体を遮光性の材料で構成してもよい。

・図５に示すように、分析装置１１は、発光部１６を小皿１４上に載置された食品Ｆよりも上方に配置する一方、分光部１７及び光検出部１８を小皿１４の下側に配置するようにしてもよい。この場合、発光部１６から食品Ｆに照射された光のうち食品Ｆ及び小皿１４の光透過部１４ａを透過した第１透過光が分光部１７で分光されて光検出部１８で検出される。さらにこの場合、上記第１〜第３回帰式を算出するときにも、上記第２反射光の代わりに、含まれる成分の重量が既知の食品サンプルに対して発光部１６から照射した光のうち食品サンプル及び小皿１４の光透過部１４ａを透過した第２透過光が用いられる。

・上記第１〜第３回帰式においてＴを省略してもよい。すなわち、食品Ｆに含まれる成分（蛋白質、脂質、及び糖質）を推定する際に、当該成分を必ずしも食品Ｆの温度で補正する必要はない。

・上記第１〜第３回帰式においてＧを省略してもよい。すなわち、食品Ｆに含まれる成分（蛋白質、脂質、及び糖質）を推定する際に、必ずしも当該成分の重量を推定する必要はない。

・上記第１〜第３回帰式においてＴ及びＧの両方を省略してもよい。すなわち、食品Ｆに含まれる成分（蛋白質、脂質、及び糖質）を推定する際に、当該成分を食品Ｆの温度で補正せず、且つ当該成分の重量を推定しないようにしてもよい。換言すれば、食品Ｆに含まれる成分（蛋白質、脂質、及び糖質）を推定するだけであってもよい。

・分析装置１１は、食品Ｆのカロリを分析（推定）する装置として用いてもよい。この場合、上記実施形態における食品Ｆの成分（蛋白質、脂質、糖質）を分析（推定）する場合と同様に、カロリが既知の食品を分析サンプルとして、食品Ｆのカロリを推定するための回帰式を算出して、記憶部２４に記憶させておく。そして、食品ＦのカロリＫを求める式は、下記の式４で表される。

Ｋ＝Ｔ・Ｇ・（Ｄ_１Ｖ_１＋Ｄ_２Ｖ_２＋Ｄ_３Ｖ_３＋・・・＋Ｄ_ｎＶ_ｎ）・・・・（式４）
この場合、Ｄ_１〜Ｄ_ｎは、上記実施形態の蛋白質係数Ａ_１〜Ａ_ｎなどと同様の方法で求められるカロリ係数である。したがって、上記（式４）に対して上述のように求めたカロリ係数Ｄ_１〜Ｄ_ｎを代入したものが、食品ＦのカロリＫを求めるための第４回帰式とされる。そして、この第４回帰式に、カロリＫを測定する食品Ｆの検出データ（電圧値；Ｖ_１〜Ｖ_ｎ）、食品Ｆの温度（Ｔ）、及び食品Ｆの重量（Ｇ）を代入して演算部２３で演算することで、食品ＦのカロリＫが算出される。これにより、食品Ｆのカロリの分析（推定）がなされる。したがって、装置が大型化することなく、短時間で容易に食品Ｆのカロリを推定することができる。或いは食品Ｆに含まれる成分（蛋白質、脂質、及び糖質）を推定した後、それぞれの成分に対してカロリの係数を乗じたものを足し合わせることで食品ＦのカロリＫを算出してもよい。

・食品Ｆが内側と外側とで成分が著しく異なるもの（例えば、天ぷらやロールキャベツなど）である場合には、食品Ｆをミンチ状にしてその成分分析を行うようにしてもよい。このようにすれば、内側と外側とで成分が著しく異なる食品Ｆであっても、精度よく成分分析を行うことができる。

・光検出部１８による検出データと、分析対象物に含まれる成分とが精度よく相関する波長領域の光であれば、発光部１６から分析対象物に近赤外光以外の光を照射するようにしてもよい。

・分析装置１１は、土壌や薬品などを分析対象物としてこれらの成分を分析するようにしてもよい。

１１…分析装置、１３…重量測定部の一例としての重量センサ、１４…プレートの一例としての小皿、１５…温度測定部の一例としての温度センサ、１６…発光部、１７…分光部、１８…光検出部、２０…分析部の一例としての制御部、２４…記憶部、Ｆ…分析対象物の一例としての食品、Ｇ…食品の重量、Ｋ…カロリ、Ｈ…第１反射光、Ｓ_１…蛋白質の重量、Ｓ_２…脂質の重量、Ｓ_３…糖質の重量。

Claims

分析対象物に含まれる成分または前記分析対象物のカロリを分析可能な分析装置であって、
前記分析対象物に光を照射する発光部と、
前記光のうち前記分析対象物に反射する第１反射光または前記光のうち前記分析対象物を透過する第１透過光を分光する分光部と、
前記分光部によって分光された前記第１反射光または前記第１透過光を検出する光検出部と、
含まれる成分またはカロリが既知の分析サンプルに前記発光部から前記光を照射した場合に前記分析サンプルに反射して前記分光部によって分光された第２反射光または前記分析サンプルを透過して前記分光部によって分光された第２透過光の前記光検出部による検出データをパラメータとして算出した回帰式を記憶する記憶部と、
前記光検出部による前記第１反射光または前記第１透過光の検出データと、前記記憶部に記憶された前記回帰式とに基づいて前記分析対象物に含まれる成分または前記分析対象物のカロリを推定する分析部と
を備えたことを特徴とする分析装置。
前記分析対象物の温度を測定可能な温度測定部をさらに備え、
前記温度測定部で測定した前記分析対象物の温度に基づいて、前記分析対象物に含まれる成分または前記分析対象物のカロリを補正することを特徴とする請求項１に記載の分析装置。
前記分析対象物の重量を測定可能な重量測定部をさらに備え、
前記記憶部に記憶された前記回帰式は、前記分光部によって分光された前記第２反射光または前記第２透過光の前記光検出部による検出データと、前記重量測定部で測定した前記分析サンプルの重量とをパラメータとして算出されたものであり、
前記分析部は、前記光検出部による前記第１反射光または前記第１透過光の検出データと、前記重量測定部で測定した前記分析対象物の重量と、前記回帰式とに基づいて前記分析対象物に含まれる成分の重量を推定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分析装置。
前記分析対象物を載置する光透過性のプレートをさらに備え、
前記発光部、前記分光部、及び前記光検出部は、前記プレートの下側に配置され、
前記発光部は、前記プレート上に載置された前記分析対象物に対して前記プレート越しに前記光を照射し、
前記分光部は、前記光のうち前記分析対象物から前記プレート越しに反射する第１反射光を分光し、
前記光検出部は、前記分光部によって分光された前記第１反射光を検出することを特徴とする請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の分析装置。
前記分析対象物は、食品であり、
前記成分は、蛋白質、脂質、糖質のうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の分析装置。