圖像分析技術(shù)在谷物食品研究中的新應(yīng)用

田金河 王艷婕

（1廣東省貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣州 510507）（2華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣州 510640）

圖像分析技術(shù)在谷物食品研究中的新應(yīng)用

田金河1、2*王艷婕1

（1廣東省貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣州 510507）（2華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣州 510640）

介紹了近幾年來(lái)圖像分析技術(shù)在谷物食品結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用新進(jìn)展。其中利用磁共振成像技術(shù)對(duì)面包孔洞組織進(jìn)行2D平面的非侵入性掃描研究，分辨率高，并且可以對(duì)面包生產(chǎn)過(guò)程中氣孔動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行追蹤和統(tǒng)計(jì)；X光計(jì)算機(jī)微觀斷層掃描技術(shù)在計(jì)算機(jī)輔助下可以將物體不同角度X光掃描圖像進(jìn)行重建組合，將物體內(nèi)部3D立體結(jié)構(gòu)重現(xiàn)，并對(duì)任意平面進(jìn)行非侵入性統(tǒng)計(jì)研究。

谷物食品；結(jié)構(gòu)；磁共振成像；X光計(jì)算機(jī)微觀斷層掃描

谷物食品在人類膳食營(yíng)養(yǎng)中占有非常重要的地位，雖然已經(jīng)具有幾千年的歷史，但是一直以來(lái)人們并沒(méi)有停止對(duì)他品質(zhì)的改良研究。在研究食品生產(chǎn)和品質(zhì)的過(guò)程中，圖像分析是一種常用的方法，如各種各樣的電鏡掃描技術(shù)以及基于普通圖片的圖形數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，這些方法使人們可以看到食品更加微觀的結(jié)構(gòu)，如電鏡掃描，或可以進(jìn)行更為量化的評(píng)價(jià)，如對(duì)普通圖片像素的數(shù)據(jù)分析，但是這些方法仍然具有一些缺點(diǎn)，如電鏡掃描技術(shù)無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)量化，無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查變化過(guò)程，檢測(cè)的預(yù)處理措施，如切片、冷凍、涂膜等，會(huì)給測(cè)定的結(jié)果帶來(lái)一定的損傷和贗象。

近幾年，一些先進(jìn)的圖像分析技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于烘焙食品研究領(lǐng)域，這些方法在很大程度上克服了傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，本文將介紹兩種基于不同原理的圖像分析技術(shù)在谷物食品結(jié)構(gòu)研究中的新應(yīng)用。

1 磁共振成像技術(shù)

1.1 磁共振成像技術(shù)簡(jiǎn)介

磁共振成像技術(shù)（Magnetic Resonance Image，MRI）是一種現(xiàn)代儀器分析方法，也稱為核磁共振波譜法（Nuclear Magnetic Resonance，NMR），或者核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，NMRI）。NMR技術(shù)最初只應(yīng)用于物理科學(xué)領(lǐng)域，隨著超導(dǎo)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和脈沖傅立葉變換波譜儀的迅速發(fā)展，核磁共振已成為當(dāng)今鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)和研究化學(xué)動(dòng)力學(xué)等的極為重要的方法，其功能及應(yīng)用領(lǐng)域正在逐漸擴(kuò)大。

由于核磁共振技術(shù)僅僅對(duì)物體原子核的能級(jí)進(jìn)行改變，對(duì)物體本身物理化學(xué)狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生影響，因此可以對(duì)食品進(jìn)行非侵入性的檢測(cè)以及跟蹤動(dòng)態(tài)的加工過(guò)程內(nèi)部特征規(guī)律。特別是近幾年較高分辨率核磁共振技術(shù)的使用，MRI開(kāi)始作為一種無(wú)損性研究多孔性物體結(jié)構(gòu)特征的方法在谷物食品領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1.2 核磁成像技術(shù)應(yīng)用

Francois等人利用MRI方法在弱場(chǎng)強(qiáng)下對(duì)面包組織的孔洞變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得到比較理想的圖像和數(shù)據(jù)，并可以成功的將面包醒發(fā)過(guò)程中不同時(shí)期氣泡占面團(tuán)體積的總比例以及氣泡的平均直徑計(jì)算出來(lái)。圖1中所示為不同時(shí)間面包醒發(fā)狀態(tài)。這一研究主要是利用面團(tuán)中水的氫原子磁信號(hào)，可以將面團(tuán)部分或氣泡部分明確分開(kāi)，通過(guò)計(jì)算機(jī)利用圖像像素灰度閾值進(jìn)行計(jì)算，將面包中氣泡大小、數(shù)量、分布、相互關(guān)系以及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖1 對(duì)面包醒發(fā)過(guò)程采用低場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行的磁共振掃描圖片

John也建立了一套利用MRI技術(shù)研究面包內(nèi)孔洞特征和計(jì)算相關(guān)參數(shù)的方法，以此作為研究手段，對(duì)比了面包成型方法（fast deformation&slow deformation）、成型環(huán)境 （high and low temperature）對(duì)面包品質(zhì)的影響。如圖2所示：圖A～圖G分別為原始MRT切面圖經(jīng)過(guò)擴(kuò)張過(guò)濾、高斯過(guò)濾以及利用灰度閾值校正、計(jì)算機(jī)分析后得到的圖像。

圖2 MRT圖像處理過(guò)程

在收集到不同時(shí)間的面團(tuán)結(jié)構(gòu)參數(shù)后，作者研究了不同成型方法對(duì)面包結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的影響，如圖3，A、B分布為經(jīng)過(guò)快速和慢速卷起成型的面包中氣孔變化規(guī)律圖，橫坐標(biāo)為氣泡的直徑大小，縱坐標(biāo)為發(fā)酵時(shí)間，立體坐標(biāo)為總的氣泡截面積，反映一定尺寸大小氣泡在總氣泡容積中所占的比重。很明顯可以看出B樣品中氣泡孔徑均勻，氣泡尺寸多為較小尺寸，大孔徑氣泡較少，表明組織孔洞細(xì)膩；而A樣品中則相反，氣泡孔徑不均勻，從小氣泡到大氣泡都有分布，表面組織孔洞大小不勻，粗糙。

圖3 不同成型方法面包中孔洞變化特征

2 X光計(jì)算機(jī)微觀斷層掃描技術(shù)

2.1 X光計(jì)算機(jī)微觀斷層掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

X光計(jì)算機(jī)微觀斷層掃描技術(shù)是在X光掃描方法上發(fā)展起來(lái)的。傳統(tǒng)X光掃描方法很早就在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用，但是由于早期的X光掃描得到的圖片是整個(gè)物體在同一個(gè)方向上不同層面疊加起來(lái)的映像，所以無(wú)法精確觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍受到很大限制。

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了X光計(jì)算機(jī)微觀斷層掃描技術(shù)（X-ray Computer Micro Tomography，CMT），這一技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較廣。CMT掃描的基本原理是：利用X光在穿透物質(zhì)時(shí)，由于物質(zhì)密度的不同會(huì)使X光產(chǎn)生一定的衰減，這種衰減可以反映在特別的X光感光數(shù)碼圖像（傳統(tǒng)X光照片）。在對(duì)同一個(gè)物體的不同角度進(jìn)行掃描后，將得到的這些數(shù)碼圖像收集到計(jì)算機(jī)中，利用一定的運(yùn)算法則，可以將物體內(nèi)部3D立體結(jié)構(gòu)重建（reconstructed）。整個(gè)過(guò)程大致為兩個(gè)階段，如圖4所示：①物體作360°（或180°） 旋轉(zhuǎn)掃描并拍攝一張數(shù)碼射線照片；②把所有修正好的圖片合并，通過(guò)錐型線束反投影法（Cone Beam Back Projection）就可以重建一個(gè)精確的3D數(shù)據(jù)云。這一數(shù)據(jù)云即為模擬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，利用特定的計(jì)算機(jī)軟件可以將數(shù)據(jù)云一層一層地切開(kāi)，觀察物體內(nèi)部的詳細(xì)細(xì)節(jié)。

圖4 X光斷層掃描成像（CMT）基本原理圖

就食品品質(zhì)的研究而言，相比傳統(tǒng)方法，CMT具有許多優(yōu)點(diǎn)：①這種方法無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行特別任何處理，環(huán)境在常溫常壓下即可進(jìn)行，非常方便；②這種方法的分辨率要比其他微觀掃描高的多；③可以穿透到樣品內(nèi)部獲取詳細(xì)的3D數(shù)據(jù)，并且不會(huì)對(duì)樣品造成形態(tài)上的損傷，而傳統(tǒng)的方法大多數(shù)是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行切片后再掃描，不可避免會(huì)有物理上的影響，比如電鏡掃描方法。近幾年，許多人利用他對(duì)多孔性谷物食品（cellular cereal food），如面包、馬芬、膨化休閑食品等開(kāi)展了研究，取得了顯著成果。

2.2 CMT技術(shù)在谷物食品結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用

P.Babin等人采用快速CMT方法對(duì)面團(tuán)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行的了動(dòng)態(tài)的掃描跟蹤研究。他采用了628×628×256空間立體像素（像素分辨率為15μm） 對(duì)直徑×高為9 mm×4 mm的面團(tuán)，在180 min內(nèi)，每隔5 min或10 min進(jìn)行一次掃描。由于這種方法對(duì)面包整體三維掃描一次只需要30 ms，因此可以對(duì)面團(tuán)發(fā)酵過(guò)程中，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)氣孔組織的變化進(jìn)行精確的跟蹤，所得到的三維立體數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)處理后可以同時(shí)再現(xiàn)3D動(dòng)態(tài)發(fā)酵過(guò)程，也可以抽取出2D平面圖像，利用掃描過(guò)程中不同像素灰度值來(lái)區(qū)分其是面團(tuán)部分還是氣孔部分，進(jìn)而計(jì)算出不同階段面團(tuán)內(nèi)部氣泡分布規(guī)律、氣泡壁厚度變化以及氣泡外形變化規(guī)律。同時(shí)P.Babin還對(duì)其中一種面團(tuán)醒發(fā)后入爐烘烤的過(guò)程進(jìn)行了跟蹤掃描，對(duì)面團(tuán)入爐后內(nèi)部氣泡組織變化規(guī)律也進(jìn)行了研究。

圖5是面團(tuán)在170 min內(nèi)氣孔變化的2D平面變化圖，黑色代表氣泡，白色代表面團(tuán)網(wǎng)絡(luò)。由圖可以清晰地看出氣泡變化的過(guò)程：第一階段（60 min之前），氣泡之間沒(méi)有相互接觸，因而自由膨脹；第二階段（90 min之前），氣泡相互開(kāi)始擠壓，氣泡體積和形狀開(kāi)始發(fā)生變化；第三階段，不同氣泡之間的膜破裂，出現(xiàn)氣泡合并現(xiàn)象。

圖5 面團(tuán)在170 min發(fā)酵時(shí)間內(nèi)氣孔變化平面圖

圖6是計(jì)算機(jī)重建面團(tuán)的3D立體結(jié)構(gòu)，這是計(jì)算機(jī)將面團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化過(guò)程重建后形成的一段視頻（video）中抽取出來(lái)的一個(gè)畫(huà)面。畫(huà)面清晰地再現(xiàn)了面團(tuán)醒發(fā)過(guò)程中內(nèi)部氣泡變化過(guò)程中的一個(gè)瞬間。

圖6 CMT掃描數(shù)據(jù)模擬面團(tuán)發(fā)酵第三階段時(shí)內(nèi)部空間3D結(jié)構(gòu)

圖7是面包入爐后的3D立體結(jié)構(gòu)變化過(guò)程圖示。由圖可以看出面包入爐后急漲和體積定型的過(guò)程。其中爐溫達(dá)到49℃和65℃時(shí)的面包頂部由于超出掃描范圍而沒(méi)有顯示出來(lái)。

圖7 面團(tuán)醒發(fā)后，入爐烘烤過(guò)程中內(nèi)部3D結(jié)構(gòu)變化過(guò)程（升溫速度5℃/min）

Pasquale M.Falcone利用XMT方法對(duì)白面包的立體組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了斷層掃描并重組了2D切面圖和3D空間體，其中圖8和圖9為同一面包在不同位置切片后的重現(xiàn)結(jié)構(gòu)體。利用這些圖中像素灰度值可以精確計(jì)算出面包內(nèi)部組織中氣孔的數(shù)量，占面包體積的比例，孔徑分布等參數(shù)，除此之外還設(shè)計(jì)出來(lái)一套20多個(gè)參數(shù)所組成的面包品質(zhì)傾向評(píng)判方法，從而可以將顧客對(duì)面包的選擇傾向通過(guò)數(shù)據(jù)量化。

圖8 樣品1組織結(jié)構(gòu)斷層掃描圖

圖9 樣品2組織結(jié)構(gòu)斷層掃描圖

3 討論與展望

以上所介紹的兩種不同的圖像處理方法在谷物食品研究中的應(yīng)用，從共性的特點(diǎn)來(lái)講，這兩種方法都是非侵入性（non-invasive）的研究方法，可以對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損研究，但對(duì)比他們的原理，又各有優(yōu)缺點(diǎn)。

MRT方法可以對(duì)樣品進(jìn)行斷層掃描，但是不能進(jìn)行3D立體掃描，無(wú)法再現(xiàn)詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都是以截面上氣孔面積作為整個(gè)面包的代表；另外MRT方法對(duì)設(shè)備要求也較高，需要較為龐大的檢查系統(tǒng)。但是由于他是一種對(duì)原子激發(fā)的檢測(cè)方法，所以這種方法對(duì)食品加工過(guò)程沒(méi)有其他的輻射性影響，比CMT方法更為安全。

CMT方法，具有更明顯的優(yōu)勢(shì)，包括較高分辨率，能夠收集到樣品內(nèi)部組織的詳細(xì)數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)重現(xiàn)，對(duì)樣品無(wú)損等等。不過(guò)CMT是一種X光輻射，對(duì)生物體有一定的影響，雖然前面研究中也提到并未發(fā)現(xiàn)X光輻射對(duì)酵母會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，但是在使用過(guò)程中必須要考慮這一點(diǎn)；另外利用X光輻射掃描，為了進(jìn)行避免輻射影響，這種方法所用的設(shè)備非常龐大，必須到專門(mén)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行，使得這種方法的使用方便性受到影響。

以上兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是隨著各種電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各種方法的應(yīng)用范圍也會(huì)越來(lái)越廣，使用效果也會(huì)不斷得到改進(jìn)，相信在未來(lái)會(huì)對(duì)谷物食品的結(jié)構(gòu)化研究發(fā)展提供更強(qiáng)勁的動(dòng)力。

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The new application of image analysis in structured cereal food

TIAN Jin-he1、2*WANG Yan-jie1
1（Guangdong Trade Voactional School，Guangdong Sino-America Baking School，Guangzhou 510507，China）2（College of Light Industry and Food Science，South China University of Technology，Guangzhou 510507，China）

The latest applications of the Image Analysis in structured cereal food were reviewed.Magnetic Resonance Image is an invasive and high resolution image technology which can help to study the bulk and gas cell development of the dough during processing and calculate the relative statistical parameter.The X-ray computer micro tomography（CMT）technology can reconstructed the 3D details of the inner microstructure of the cellular product in a high resolution by calculating the different angle radiograph of the product so that the statistical parameter of the bulk and bubble can be drawn out by computer，which greatly improved the research method in the structured cereal food.

cereal food； structure； magnetic resonance image；X-raycomputer microtomography

*田金河，男，1977年出生，華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院博士，講師。

2010-02-12