擠壓肉干纖維取向度激光傳播測(cè)量方法構(gòu)建

何聰穎，鄧 力*，王 磊，彭 靜

（貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

擠壓肉干是以畜禽肉為原料，采用雙螺桿擠壓技術(shù)加工而成的具有肌纖維狀口感、耐貯藏、品質(zhì)均勻且具有傳統(tǒng)肉干風(fēng)味特征的優(yōu)選休閑肉干制品[1]，擠壓技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)肉干干燥工藝程度不易控制、干燥時(shí)間長(zhǎng)而導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)不一、咀嚼困難等技術(shù)問題[2]。擠壓肉干工藝既可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，又能適應(yīng)現(xiàn)代消費(fèi)者對(duì)低水分肉制品快捷方便、口感良好、種類多樣的需求[3-5]。

擠壓肉干主要定位于開發(fā)高品質(zhì)即食性休閑肉制品，產(chǎn)品的適口感和豐富的肌纖維結(jié)構(gòu)是影響消費(fèi)者能否接受新型肉干制品的主要因素[6]。原料肉在螺桿外力作用下形成具有整體取向結(jié)構(gòu)的肉干，取向后的肉干呈現(xiàn)各向異性，在取向方向和垂直于取向方向上性能差別顯著。纖維取向度是公認(rèn)的一種評(píng)價(jià)擠壓肉干肌纖維結(jié)構(gòu)取向一致性的關(guān)鍵性指標(biāo)[7]。目前，文獻(xiàn)報(bào)道和實(shí)際應(yīng)用中常用評(píng)價(jià)擠壓制品纖維取向度的方法有電子顯微鏡觀察法、橫向與縱向剪切力比等[7]，而這些評(píng)價(jià)方法普遍存在測(cè)試前破壞樣品、準(zhǔn)確度不高、誤差大、易受主觀影響以及過程繁瑣等弊端。

激光傳輸方法是近年來國內(nèi)外發(fā)展較快的一種測(cè)定高水分?jǐn)D壓植物蛋白產(chǎn)品纖維取向度的方法，具有無損、快速、分析客觀等優(yōu)點(diǎn)[8-10]，如Ranasinghesagara等[11]利用光子在各向異性結(jié)構(gòu)中的遷移率不同的原理，測(cè)量光斑在平行和垂直方向的長(zhǎng)度，取其比值來表示各向異性的程度；陳鋒亮等[7]利用激光光學(xué)方法評(píng)價(jià)高水分?jǐn)D壓組織化蛋白纖維取向度；但目前相應(yīng)激光方法還未建立在測(cè)量擠壓動(dòng)物蛋白產(chǎn)品的纖維取向度上。

激光傳播評(píng)價(jià)方法來源于光學(xué)和生物組織科學(xué)的相互交叉滲透形成的一個(gè)新興領(lǐng)域[12]。激光具有高強(qiáng)度、高單色性和方向性的特點(diǎn)，并且所有的波是同步的，由于激光的單色性，激光束有攜帶大量信息的能力[13]。生物組織具有強(qiáng)散射弱吸收的特性，當(dāng)光以一定角度入射到組織表面時(shí)，會(huì)在生物組織內(nèi)經(jīng)歷一系列的隨機(jī)反射、折射、散射和吸收，由于強(qiáng)散射作用，可以在光源入射點(diǎn)同一表面的不同距離處采集到與生物組織相互作用后的出射光，該出射光包含了與生物組織相關(guān)的豐富內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息[12,14-15]。研究表明，當(dāng)光入射到各向異性介質(zhì)內(nèi)部時(shí)，光將趨向于沿著纖維方向傳播，介質(zhì)表面反射出的光呈橢圓狀，橢圓的長(zhǎng)軸與短軸比值的平方B值即可表征肉干內(nèi)部各向異性結(jié)構(gòu)的纖維取向程度[16-20]。

本研究在文獻(xiàn)[7]和理論分析的基礎(chǔ)上，使用激光在各向異性介質(zhì)中的傳播來評(píng)定擠壓肉干纖維取向度，并進(jìn)行光學(xué)參數(shù)優(yōu)化，目的在于建立一種能應(yīng)用于區(qū)分?jǐn)D壓肉干制品纖維取向度的光學(xué)測(cè)量方法，為擠壓肉干制品的研究和品質(zhì)評(píng)價(jià)提供一種方法基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

豬后腿精瘦肉、牛后腿精瘦肉、馬鈴薯淀粉、調(diào)味料貴陽市花溪區(qū)星力超市；大豆分離蛋白（粗蛋白干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥90%） 山東禹王實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DS32-II實(shí)驗(yàn)型雙螺桿擠壓機(jī)（兩螺桿中心距26 mm，螺桿直徑32 mm，模頭圓形開孔直徑5 mm，螺桿長(zhǎng)徑比18.75，機(jī)筒為3 段式加熱（I區(qū)為輸送混合區(qū)，II區(qū)為壓縮剪切區(qū)，III區(qū)為加熱熔融區(qū)）） 濟(jì)南賽信機(jī)械有限公司；MB35型鹵素水分測(cè)定儀 奧豪斯國際貿(mào)易有限公司；LS-2拉絲機(jī) 南京明瑞機(jī)械設(shè)備有限公司；DHG9146A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司；SZ66型體視顯微鏡 重慶特光學(xué)儀器有限責(zé)任公司；He-Ne激光筆、PC1146數(shù)碼相機(jī)、中性濾光片 日立高新技術(shù)國際貿(mào)易有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理

將豬后腿、牛后腿鮮肉分別預(yù)煮、切片、炒制、烘干、拉絲、調(diào)配（按原料肉質(zhì)量10%及8%的比例添加大豆分離蛋白及馬鈴薯淀粉），并調(diào)制原料含水率為42%待用[1]。

1.3.2 擠壓肉干樣品制備

擠壓機(jī)啟動(dòng)預(yù)熱至穩(wěn)定狀態(tài)后，將預(yù)處理好的原料放入螺旋式喂料槽中，設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速130 r/min，喂料速率25 r/min。

樣品1：以豬后腿肉為原料，設(shè)定I、II、III區(qū)機(jī)筒溫度分別為75、115、130 ℃，當(dāng)擠壓機(jī)實(shí)際參數(shù)達(dá)到設(shè)定參數(shù)并穩(wěn)定運(yùn)行后出料，模頭端取擠壓豬肉干樣品1。

樣品2：以豬后腿肉為原料，設(shè)定I、II、III區(qū)機(jī)筒溫度分別為75、135、150 ℃，當(dāng)擠壓機(jī)實(shí)際參數(shù)達(dá)到設(shè)定參數(shù)并穩(wěn)定運(yùn)行后出料，模頭端取擠壓豬肉干樣品2。

樣品3：以牛后腿肉為原料，設(shè)定I、II、III區(qū)機(jī)筒溫度分別為75、135、150 ℃，當(dāng)擠壓機(jī)實(shí)際參數(shù)達(dá)到設(shè)定參數(shù)并穩(wěn)定運(yùn)行后出料，模頭端取擠壓豬肉干樣品3。

將樣品1、2、3分別放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥，冷卻后，切成大小為2 cm×5 cm的樣品待用，并按照樣品1、2、3的擠壓參數(shù)條件制備多組平行實(shí)驗(yàn)所需樣品。

1.3.3 激光傳播方法測(cè)量擠壓肉干纖維取向度

參考文獻(xiàn)[6,16-17]中的方法，采用激光光學(xué)方法來評(píng)價(jià)擠壓肉干結(jié)構(gòu)中纖維取向程度，同時(shí)優(yōu)化光學(xué)參數(shù)。

設(shè)備裝置圖如圖1所示，在外界自然光下，采用λ＝650 nm，P＝5 mW的He-Ne激光作為入射光源，光源入射方向和樣品成一定的夾角θ，在光路中放置一個(gè)中性過濾片，調(diào)節(jié)入射激光的強(qiáng)度，設(shè)定數(shù)碼相機(jī)不同曝光時(shí)間，焦距100 mm，光圈F/5.6，在擠出物的正上方對(duì)樣品的漫射光斑采集成像；其中x軸代表樣品擠出方向，即樣品取向方向，y軸代表垂直取向方向，通過采集卡將圖像輸入計(jì)算機(jī)[7]。

圖1 激光設(shè)備裝置圖Fig.1 Schematic of the laser device

圖像采集后，以激光入射點(diǎn)為原點(diǎn)，采用最小二乘法對(duì)等強(qiáng)度像素點(diǎn)從最外圍進(jìn)行最佳橢圓擬合，定義擬合橢圓最外圍像素點(diǎn)為0，步長(zhǎng)間隔為5，擬合像素點(diǎn)強(qiáng)度從0到45，得到一系列不同的LL、LS，其中每一組LL和LS分別是等強(qiáng)度像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)橢圓的長(zhǎng)軸和短軸，對(duì)于有纖維狀的結(jié)構(gòu)樣品，光偏向沿著纖維取向的方向遷移，對(duì)于不同纖維結(jié)構(gòu)取向的樣品，橢圓長(zhǎng)軸和短軸會(huì)出現(xiàn)不同大小的變化，繼而可根據(jù)下式得到擠出樣品纖維結(jié)構(gòu)取向程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)B值[7,16]。

橢圓擬合演算法流程如圖2所示，即對(duì)采集的激光圖像如圖3做高斯濾波[21-22]處理，消除部分高頻噪音，繼而用形態(tài)學(xué)的方法[23-24]對(duì)圖像做邊緣增強(qiáng)處理，以利于更好地?cái)M合橢圓[25]；將處里完的圖像使用最小二乘法技術(shù)[26]去尋找參數(shù)集合，從而最小化數(shù)據(jù)點(diǎn)與橢圓之間的距離度量，擬合圖像最外圍的橢圓，基于上述方法使用Matlab軟件編制程序[27-30]，計(jì)算出不同位置擬合橢圓像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的B值。以B值的穩(wěn)定性和大小作為優(yōu)化參數(shù)的評(píng)價(jià)依據(jù)。

圖2 擬合橢圓演算法流程圖Fig.2 Flowchart of elliptical fi tting algorithm

圖3 樣品激光圖像采集Fig.3 Laser transmission ref l ection images of samples

1.3.4 試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)

以樣品1、2、3為研究對(duì)象，考察激光設(shè)備中相機(jī)曝光時(shí)間、激光光源入射角度對(duì)纖維取向度的B值計(jì)算結(jié)果的影響，并優(yōu)化光學(xué)圖像獲取參數(shù)，得到優(yōu)化結(jié)果后，固定光學(xué)參數(shù)考察樣品擠出方向和擠壓機(jī)III區(qū)機(jī)筒溫度對(duì)B值穩(wěn)定性和大小的影響。各因素水平表見表1。

表1 試驗(yàn)因素及設(shè)計(jì)水平Table1 Levels of independent variables used for their optimization

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因變量多因素方差分析，P＜0.01表示差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 圖像獲取參數(shù)對(duì)肉干纖維取向度的影響

2.1.1 相機(jī)曝光時(shí)間

選取樣品2、3為研究對(duì)象，設(shè)定相機(jī)曝光時(shí)間范圍為1/250～1/1 600 s，激光入射角為45°，采集3 組平行實(shí)驗(yàn)圖像，得到樣品2、3對(duì)應(yīng)纖維取向度值B值的變化如圖4、5所示，并對(duì)曝光時(shí)間、橢圓移動(dòng)步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的B值做單因變量多因素方差分析，如表2、3所示，可知曝光時(shí)間和橢圓移動(dòng)步長(zhǎng)整體對(duì)B值都有極顯著性影響。根據(jù)圖的趨勢(shì)和方差分析可知，在同一橢圓步長(zhǎng)條件下，相機(jī)的曝光時(shí)間不同，采集得到肉干圖像對(duì)應(yīng)的B值有所差異，圖4中曝光時(shí)間在1/400 s與其他曝光時(shí)間差別顯著，且B值最大，隨著橢圓移動(dòng)步長(zhǎng)變化最大，圖5中曝光時(shí)間在1/250～1/1 000 s之間差別不明顯，1/1 600 s時(shí)明顯降低，B值明顯偏小。因曝光時(shí)間過長(zhǎng)，圖像噪聲大、對(duì)比度高，曝光時(shí)間過短圖像噪聲小、對(duì)比度低[31]，且對(duì)于樣品2、3都是曝光時(shí)間為1/400 s情況下B值較優(yōu)，說明曝光時(shí)間對(duì)獲取牛肉和豬肉的纖維取向度計(jì)算結(jié)果影響趨勢(shì)一致，為保證采集圖像質(zhì)量穩(wěn)定并綜合考慮B值大小，選取曝光時(shí)間為1/400 s。

圖1 樣品2對(duì)應(yīng)不同曝光時(shí)間圖像擬合橢圓B值Fig.1 Effect of exposure time on B value for sample 2

表2 樣品2在圖4中對(duì)應(yīng)單因變量多因素方差分析Table2 Analysis of variance for the effect of exposure time on B value for sample2 in Fig. 4

圖5 樣品3對(duì)應(yīng)不同曝光時(shí)間圖像擬合橢圓B值Fig.5 Effect of exposure time on B value for sample 3

表3 樣品3在圖5中對(duì)應(yīng)單因變量多因素方差分析Table3 Analysis of variance for the effect of exposure time on B value for sample3 in Fig. 5

2.1.2 激光光源入射角

選取樣品2、3為研究對(duì)象，激光入射角分別為30°、45°、60°、75°，設(shè)定相機(jī)曝光時(shí)間為1/400 s，采集3 組平行實(shí)驗(yàn)圖像，得到對(duì)應(yīng)的纖維取向度B值變化曲線，如圖6、7所示，并對(duì)曝光時(shí)間、橢圓移動(dòng)步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的B值做單因變量多因素方差分析。由表4、5可知，激光入射角度和橢圓移動(dòng)步長(zhǎng)整體對(duì)B值都有極顯著性影響。根據(jù)圖6、7的趨勢(shì)和方差分析可知，隨著擬合橢圓等強(qiáng)度像素點(diǎn)由最外圍到中心原點(diǎn)步長(zhǎng)的移動(dòng)，不同光源入射角度下B值均出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，且變化速率不同，在同一橢圓移動(dòng)步長(zhǎng)下，激光光源入射角不同，肉干圖像B值具有明顯差異，45°時(shí)對(duì)應(yīng)的B值最大，且與其他角度差異顯著，隨著等強(qiáng)度像素點(diǎn)的移動(dòng)，B值變化明顯，即在此條件下采集到的圖像最能呈現(xiàn)肉干的纖維取向度，且對(duì)于樣品2、3，均為入射角度45°情況下B值最優(yōu)，說明曝光時(shí)間對(duì)獲取牛肉和豬肉的纖維取向度的計(jì)算結(jié)果影響一致，同時(shí)考慮入射角操作簡(jiǎn)便性和取值的穩(wěn)定性，選取45°為激光入射角度。

圖6 不同光源入射角對(duì)應(yīng)樣品2圖像擬合橢圓B值變化曲線Fig.6 Effect of light incident angle on B value for sample 2

表1 樣品2在圖6中對(duì)應(yīng)單因變量多因素方差分析Table1 Analysis of variance for the effect of light incident angle on B value for sample2 in Fig. 6

圖7 不同光源入射角對(duì)應(yīng)樣品3圖像擬合橢圓B值變化曲線Fig.7 Effect of light incident angle on B value for sample 3

表5 樣品3在圖7中對(duì)應(yīng)單因變量多因素方差分析Table5 Analysis of variance for the effect of light incident angle on B value for sample3 in Fig. 7

2.2 樣品對(duì)纖維取向度的影響

2.2.1 樣品取樣方向

選樣品3作為研究對(duì)象，設(shè)定相機(jī)曝光時(shí)間為1/400 s，激光入射角度45°，在樣品取向方向和垂直于取向方向上分別采集3 組平行實(shí)驗(yàn)圖像，得到相對(duì)應(yīng)圖像的纖維取向度的B值變化如圖8所示。隨著擬合橢圓等強(qiáng)度像素點(diǎn)由最外圍到中心原點(diǎn)步長(zhǎng)的移動(dòng)，樣品取向方向和垂直于取向方向的采集圖像B值整體都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且每一個(gè)橢圓移動(dòng)的步長(zhǎng)下對(duì)應(yīng)兩個(gè)方向B值差異極顯著（P＜0.01），取向方向具有更大的B值。

圖8 樣品3取樣方向?qū)?yīng)圖像擬合橢圓B值變化曲線Fig.8 Effect of orientation direction on B value

分別用Matlab和Image J軟件對(duì)樣品3取向方向和垂直取向方向獲取的激光漫射圖像進(jìn)行處理，如圖9所示。

圖9 不同取向方向等強(qiáng)度像素點(diǎn)的橢圓擬合（a）、假彩（b）圖像Fig.9 Elliptic fi t （a）, false color （b） image of different intensity pixels in different orientation directions

由圖8得到B值與圖9等強(qiáng)度像素點(diǎn)的擬合橢圓圖像、假彩圖像對(duì)比進(jìn)一步驗(yàn)證樣品3取向方向和垂直取向方向肉干結(jié)構(gòu)存在差異，原料在外力作用下沿模頭擠出方向形成整體有序排列的取向結(jié)構(gòu)。而光學(xué)評(píng)價(jià)方法完全可以區(qū)分?jǐn)D壓肉干的取向結(jié)構(gòu)方向。

2.2.2 擠壓機(jī)Ⅲ區(qū)機(jī)筒溫度

選取2 cm×4 cm樣品1和2 cm×4 cm的樣品2作為研究對(duì)象，設(shè)定相機(jī)曝光時(shí)間為1/400 s、激光入射角度45°，按照樣品擠出方向采集3 組平行實(shí)驗(yàn)圖像，得到對(duì)應(yīng)圖像的纖維取向度的B值變化如圖10所示。隨著擬合橢圓等強(qiáng)度像素點(diǎn)由最外圍到中心原點(diǎn)步長(zhǎng)的移動(dòng)，樣品1、2的圖像B值整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且每一個(gè)橢圓移動(dòng)的步長(zhǎng)下對(duì)應(yīng)兩種擠壓樣品得到的圖像B值差異極顯著（P＜0.01），III區(qū)機(jī)筒溫度150 ℃下擠壓的樣品2的B值明顯高于130 ℃下擠壓的樣品1。

圖10 III區(qū)機(jī)筒溫度對(duì)應(yīng)圖像擬合橢圓B值變化曲線Fig.10 III zone barrel temperature corresponding to the image fi tting ellipse B value of the curve

分別用Matlab和Image J軟件對(duì)樣品1和樣品2獲取的激光漫射圖像進(jìn)行處理，如圖11所示。

圖11 不同III區(qū)機(jī)筒下等強(qiáng)度像素點(diǎn)的橢圓擬合（a）、假彩（b）圖像Fig.11 Ellipse fi tting （a） and false color （b） image of lower intensity pixels at different zone III barrel temperatures

由圖10得到B值與圖11等強(qiáng)度像素點(diǎn)的擬合橢圓圖像、假彩圖像對(duì)比進(jìn)一步驗(yàn)證樣品1、2肉干纖維結(jié)構(gòu)存在差異，由此說明樣品種類相同，擠壓參數(shù)不同，纖維化結(jié)構(gòu)具明顯差異，而光學(xué)評(píng)價(jià)方法完全可以區(qū)分由于擠壓參數(shù)不同而導(dǎo)致纖維化結(jié)構(gòu)不同的擠壓產(chǎn)品。

2.3 建立激光傳輸測(cè)量方法驗(yàn)證

分別對(duì)樣品1、2、3取向方向上進(jìn)行激光圖像采集，得到纖維取向度差別較大的擠壓肉干產(chǎn)品，由圖12樣品的體視顯微鏡圖像和假彩圖像可知，樣品3得到的擠壓肉干的纖維取向度最好，樣品2的次之，樣品1的最差。在前面圖像獲取參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，這3 種樣品B值之間差異極顯著（P＜0.01），如圖13所示，以樣品3得到的B值最大，樣品2次之，樣品1最差，這與前面的體視顯微鏡結(jié)果完全一致。由此說明，優(yōu)化的激光傳輸測(cè)量方法完全可以區(qū)分纖維化結(jié)構(gòu)不同的擠壓肉干產(chǎn)品。

圖13 不同類型擠壓樣品對(duì)應(yīng)圖像擬合B值變化曲線Fig.13 Fitting curves of B value for different types of extruded samples

由表6可知，4 種肉干纖維取向度對(duì)應(yīng)的初始B值差異極顯著（P＜0.01），表明該方法不僅可以運(yùn)用在擠壓肉制品上，還可以區(qū)分天然肉干和市售肉脯的纖維結(jié)構(gòu)，而該方法是否具有更大的普遍運(yùn)用性，比如評(píng)價(jià)化學(xué)合成纖維的取向程度等，也將是新的研究發(fā)展方向。

表6 市售肉干產(chǎn)品的初步評(píng)價(jià)Table6 Evaluation of commercially available meat products

3 結(jié) 論

通過激光圖像采集和自編的Matlab程序?qū)D像的后處理，對(duì)擠壓肉干纖維取向度的光學(xué)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化、并驗(yàn)證方法可行。得到的圖像獲取參數(shù)為：相機(jī)曝光時(shí)間為1/400 s，激光光源入射角為45°。在此優(yōu)化光學(xué)參數(shù)的條件下，得到樣品取向方向和垂直取向方向纖維取向程度差異極顯著（P＜0.01），擠壓牛肉干纖維取向程度明顯優(yōu)于擠壓豬肉干，同時(shí)此光學(xué)方法也可以區(qū)分因擠壓機(jī)參數(shù)不同導(dǎo)致肉干的纖維取向度不同，所優(yōu)化的光學(xué)方法完全可以區(qū)分纖維取向度不同的擠壓肉干制品。

本研究中的光學(xué)評(píng)價(jià)方法在應(yīng)用中無損、準(zhǔn)確，但測(cè)定樣品反映地是樣品局部的纖維取向程度，不能全面反映樣品整體的取向結(jié)構(gòu)，因此建立一種動(dòng)態(tài)、連續(xù)的激光掃描方法將是下一步的發(fā)展方向。另外，對(duì)于激光傳輸方法的普遍性，也需進(jìn)一步的探究。