X射線斷層掃描技術(shù)在食品檢測(cè)中的應(yīng)用

張潮，孫欽秀，孔保華

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

X 射線斷層掃描（X-ray computed microtomography，CT）技術(shù)是以X 射線束沿不同方向?qū)悠愤M(jìn)行多維度掃描，并結(jié)合計(jì)算機(jī)將所收集的數(shù)據(jù)重建后得到斷層面影像的新型成像技術(shù)。同傳統(tǒng)的成像技術(shù)相比，CT 技術(shù)具有穿透能力強(qiáng)、分辨率高、可重復(fù)檢測(cè)且對(duì)樣品不會(huì)產(chǎn)生破壞性等優(yōu)點(diǎn)。隨著CT 技術(shù)的迅猛發(fā)展，其已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)[1-2]、材料科學(xué)[3-4]、化學(xué)工程[5]和生物學(xué)[6-7]等領(lǐng)域中?；贑T 技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，近幾年來其在食品檢測(cè)領(lǐng)域中也得到了應(yīng)用[8-11]。本文主要介紹CT 技術(shù)的基本原理和裝置，以及其在食品檢測(cè)中的應(yīng)用，以期為此技術(shù)在食品科學(xué)領(lǐng)域提供理論參考。

1 CT裝置及其工作原理

X 射線是一種短波長高能量的電磁輻射光，因此能穿透許多不透明的物質(zhì)。另外，高能光子還能夠與電子相互作用并對(duì)路徑中的原子產(chǎn)生電離效應(yīng)[12]。這種相互作用而產(chǎn)生的光子通量差異可用于創(chuàng)建放射線圖像。CT 技術(shù)是用X 射線束對(duì)樣品一定厚度的層面進(jìn)行多維度掃描。由于物體中不同成分對(duì)X 射線的吸收率不同，所以導(dǎo)致部分X 光子被物體吸收，而未被吸收的X 光子穿透物體后由高靈敏度的探測(cè)器吸收轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽猓蠼?jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為電信號(hào)，再經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，輸送到電腦。數(shù)字信號(hào)經(jīng)由電腦處理后會(huì)計(jì)算出樣品所掃描部位的X射線衰減系數(shù)，并排列成數(shù)字矩陣。再經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器把數(shù)字矩陣中的每個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)為由黑到白不等灰度的小方塊，即像素，并按矩陣排列，即構(gòu)成CT 圖像。

典型的CT 技術(shù)系統(tǒng)是由光源、樣品臺(tái)、旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)（室）、檢測(cè)器和計(jì)算機(jī)組成[13]。其中光源主要由用來發(fā)射X 光子形成X 射線的X 射線管組成。而X 射線管中最主要裝置是陰極高電位真空管和陽極高電位真空管[14]。通過向X 射線管內(nèi)施加高電壓使陰極產(chǎn)生的電子朝向陽極加速運(yùn)動(dòng)，這些高速移動(dòng)的電子撞擊陽極，同時(shí)產(chǎn)生熱和發(fā)散的X 射線。旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)的主要作用是使樣品以一定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，從而確保X 射線均勻照射到樣品。通過改變檢測(cè)器到樣品和光源的距離可以改變所需樣品的空間分辨率，檢測(cè)器距離樣品近，則會(huì)增加視野，但是會(huì)降低分辨率。相反，將樣本移向光源會(huì)增加分辨率但會(huì)減小視野范圍，所得圖像可能是樣品的部分圖像而非整個(gè)圖像。CT 技術(shù)系統(tǒng)上常用的檢測(cè)器是電子傳感器，其可分為直接或間接探測(cè)器兩類。直接探測(cè)器具有更好的清晰度，分辨率和信噪比[15]，因此更有可能檢測(cè)到細(xì)微且低對(duì)比度特征的樣品[16]。然而，半導(dǎo)體材料的厚度會(huì)限制它們對(duì)高能X 射線的敏感性，因此會(huì)影響檢測(cè)的靈敏度。相反，間接檢測(cè)器對(duì)低能X 射線非常敏感，故在低劑量環(huán)境中具有較高的靈敏度[17]。因此，這兩個(gè)元件會(huì)以不同角度產(chǎn)生大量所需要的射線照片。計(jì)算機(jī)部分主要起到對(duì)數(shù)字信號(hào)的重建處理并最終將收集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為能視覺識(shí)別的灰度圖像。

2 在食品檢測(cè)中的應(yīng)用

目前，CT 技術(shù)在食品中的應(yīng)用研究主要集中在對(duì)食品微觀結(jié)構(gòu)分析，檢測(cè)食品內(nèi)部缺陷以及新產(chǎn)品配方評(píng)估等方面。隨著掃描技術(shù)的發(fā)展成熟，CT 技術(shù)還可以用于研究動(dòng)態(tài)變化過程中食品微觀結(jié)構(gòu)的變化，為優(yōu)化食品工藝、配方等過程提供理論依據(jù)。本文將從肉制品、乳制品和焙烤食品及蔬菜制品闡述CT 技術(shù)在食品檢測(cè)中的具體應(yīng)用。

2.1 肉及肉制品

在肉制品加工、冷凍和凍藏過程中，肉制品中水分、糖類、蛋白質(zhì)和脂肪等化合物的含量和分布狀態(tài)都會(huì)影響其口感[18]。目前，雖然通過化學(xué)方法可以檢測(cè)各成分的含量，但是無法通過化學(xué)分析獲得肉制品中各成分的分布狀態(tài)以及不同分布狀態(tài)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響。而CT 技術(shù)的引入解決了這個(gè)難題。Frisullo 等[18]利用CT 技術(shù)研究了5 種不同類型的薩拉米香腸（米蘭薩拉米香腸，匈牙利薩拉米香腸，卡薩莫迪娜薩拉米香腸，諾西內(nèi)托薩拉米香腸和那不勒斯薩拉米香腸）的脂肪分布并且使用化學(xué)分析驗(yàn)證結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)所得CT 圖像使用專門軟件計(jì)算得出的脂肪體積百分比與化學(xué)分析所得的值相似，此外還可以獲得所掃描層面的各組分結(jié)構(gòu)厚度和比表面積等多項(xiàng)數(shù)據(jù)。之后Frisullo 等[19]又利用CT 技術(shù)研究Podolian 和Charolaise 肉樣內(nèi)脂肪分布狀態(tài)也得到類似結(jié)果。因此，通過CT 技術(shù)可以定量分析肉制品中不同成分的幾何分布，同時(shí)結(jié)合數(shù)學(xué)方法還可以獲得各成分的結(jié)構(gòu)信息，這有助于我們更加深入研究不同加工工藝對(duì)肉制品微觀結(jié)構(gòu)和感官特性的影響。此外，近些年該技術(shù)也被用來研究冷凍對(duì)肉制品結(jié)構(gòu)的影響。Kobayashi等[20]使用CT 技術(shù)對(duì)不同冷凍方法的魚肉所形成的冰晶形態(tài)進(jìn)行了比較，從CT 圖像能夠清晰的觀測(cè)出使用較低過冷度冷凍后的魚肉所產(chǎn)生的冰晶是呈現(xiàn)各種細(xì)小形狀，如環(huán)繞型，細(xì)長型和管狀型而經(jīng)過慢速冷凍的樣品中的冰晶則是呈現(xiàn)大橢圓形型。梁紅等[21]也通過CT 圖片直觀地證實(shí)了隨著冷藏期間溫度波動(dòng)幅度的增加，冷凍牛肉內(nèi)冰晶尺寸會(huì)增大而數(shù)量減少。因此，這些結(jié)果表明利用CT 對(duì)冷凍食品冰晶的測(cè)定，不僅比普通測(cè)定方法更加方便，而且還可以直觀地呈現(xiàn)出冰晶形態(tài)分布狀態(tài)等信息，這有助于我們進(jìn)一步研究有關(guān)于改善冷凍肉制品品質(zhì)的方法。

2.2 乳及乳制品

CT 技術(shù)除了在肉制品中得到了廣泛的應(yīng)用，還可以應(yīng)用于乳制品中。由于乳是一種相對(duì)復(fù)雜的膠體體系，因此體系的穩(wěn)定性會(huì)對(duì)食品加工產(chǎn)生重要影響。如在奶油干酪中，其主要成分脂肪以小球簇的形式散布在乳蛋白中，或和蛋白質(zhì)聚集在一起形成緊湊的脂肪酪蛋白[22]。因此充分了解奶油干酪微觀結(jié)構(gòu)（特別是脂肪分子的空間分布和相互作用）以改進(jìn)其理化特性、功能特性、甚至營養(yǎng)特性，也可以為開發(fā)具有所需質(zhì)地和感官特性奶油干酪提供理論依據(jù)。Laverse 等[23]利用CT 技術(shù)研究了5 種不同商業(yè)奶油干酪產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示樣品中存在大而不均勻脂肪簇時(shí)不僅會(huì)使干酪口感降低還會(huì)使干酪品質(zhì)變差。目前，一般的檢測(cè)手段只能檢測(cè)脂肪含量而不能提供脂肪簇的分布狀態(tài)的信息，而脂肪的分布狀態(tài)又直接影響了干酪的感官特性。因此，通過CT 技術(shù)分析奶油干酪的微觀結(jié)構(gòu)有助于我們探索最佳干酪配方和控制干酪在加工和儲(chǔ)存過程中營養(yǎng)成分的變化。影響干酪制品品質(zhì)的因素除了與脂肪簇分布狀態(tài)有關(guān)，還與干酪中孔洞的大小、數(shù)量、結(jié)構(gòu)和分布有關(guān)。一般而言，狹縫、裂縫和不規(guī)則孔洞的存在都會(huì)導(dǎo)致奶酪品質(zhì)惡化。傳統(tǒng)上，奶酪質(zhì)量檢測(cè)是通過敲擊奶酪表面聆聽聲音，或者直接觀察切成兩半的奶酪。但這些傳統(tǒng)方法檢測(cè)速度較慢且會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生破壞。而通過CT 技術(shù)研究奶酪中孔洞的形成和分布不僅可以滿足快速檢測(cè)的要求，而且檢測(cè)結(jié)果精確度高。Guggisberg 等[24]通過CT技術(shù)探究半硬質(zhì)干酪中的孔洞形成和分布。結(jié)果顯示，CT技術(shù)不僅可以展現(xiàn)奶酪中孔洞形成的復(fù)雜過程和其分布情況，還發(fā)現(xiàn)奶酪孔隙的形成會(huì)受到發(fā)酵乳酸菌CO2擴(kuò)散影響。因此，工作人員可以利用CT 技術(shù)直接快速檢測(cè)干酪的品質(zhì)并且對(duì)干酪進(jìn)行分類銷售，從而避免了材料和人員的浪費(fèi)，最大程度的節(jié)約了成本。

冰淇淋作為一種半固體食品，其結(jié)構(gòu)容易受到溫度的波動(dòng)而發(fā)生變化。因此在生產(chǎn)、運(yùn)輸及貯藏過程中冰淇淋結(jié)構(gòu)的不可逆改變就會(huì)造成口感、味道和外觀的變化。故利用CT 技術(shù)研究冰淇淋微結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，以揭示其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的變化規(guī)律。Guo 等[25]對(duì)冰淇淋進(jìn)行加熱和冷卻循環(huán)獲得了CT 攝影圖像，并且通過定量分析，詳細(xì)研究了由于溫度變化導(dǎo)致冰淇淋結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在加熱階段冰晶尺寸減小并且部分氣室開始聚集。而當(dāng)溫度降低時(shí)，冰晶會(huì)生長成大而不規(guī)則的形態(tài)。表明導(dǎo)致冰淇淋微觀結(jié)構(gòu)惡化的主要原因是冰晶的生長和氣室的聚集。Laverse 等[26]還通過此技術(shù)研究了不同酸奶中脂肪微結(jié)構(gòu)，根據(jù)樣品中不同成分對(duì)X 射線吸收情況不同獲得樣本高分辨率的三維圖像，并且對(duì)三維微結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像分析，測(cè)量各種相的尺寸、形狀和分布范圍，以確定脂肪液滴尺寸和分布狀態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)脂肪球顆粒越小，分布越均勻的樣品的穩(wěn)定性和口感越好。故可以通過CT 技術(shù)快速檢測(cè)酸奶中脂肪顆粒大小和分布情況，評(píng)估酸奶在生產(chǎn)、加工、包裝、貯藏和流通中脂質(zhì)穩(wěn)定性，為工業(yè)生產(chǎn)酸奶提供理論支持。

2.3 焙烤食品

面包的口感主要取決于發(fā)酵后產(chǎn)生氣泡的體積大小，當(dāng)發(fā)酵不當(dāng)時(shí)產(chǎn)生的氣泡太大或者太小都會(huì)影響面包的感官品質(zhì)。Cafarelli 等[27]使用CT 技術(shù)對(duì)不同發(fā)酵程度的面包中氣泡體積大小進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)酵母和水含量會(huì)顯著影響面包孔洞的形狀和數(shù)量，結(jié)合統(tǒng)計(jì)結(jié)果證實(shí)面團(tuán)本身會(huì)具有一定數(shù)量圓柱形的小氣泡，這些小氣泡在烘焙過程中體積和形狀都會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)也證實(shí)孔隙體積增加與酵母或水含量是無關(guān)的。因此，CT 技術(shù)結(jié)合綜合統(tǒng)計(jì)方法不僅可以獲得面包微觀結(jié)構(gòu)分布可視圖，而且還能夠獲得微觀結(jié)構(gòu)信息。Babin 等[28]通過CT 技術(shù)探索氣泡對(duì)面包口感影響中結(jié)合數(shù)學(xué)方法后發(fā)現(xiàn)在臨界時(shí)間之前氣泡變大主要是由于氣泡自身體積的變大，而在臨界時(shí)間之后氣泡變化主要是由于氣泡之間聚集而變大。Falcone等[29]利用CT 技術(shù)研究面包孔洞結(jié)構(gòu)時(shí)得出類似的結(jié)果。這些事例表明CT 技術(shù)是一種有效的非破壞性技術(shù)，可以用于研究動(dòng)態(tài)變化過程中食品微觀結(jié)構(gòu)的變化，為面包食品工藝、配方等過程提供理論依據(jù)。

2.4 果蔬食品

隨著圖像分辨率逐步提高，CT 技術(shù)在食品中的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)展到蔬菜、水果等新鮮食品的領(lǐng)域中。當(dāng)前，通過CT 技術(shù)研究蔬菜的微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)其品質(zhì)的影響越來越受到食品研究者的重視。Dalen 等[30]利用CT 技術(shù)研究了在不同溫度（-28、-80、-150、-196 ℃）下冷凍干燥對(duì)胡蘿卜片的影響，結(jié)果顯示溫度在-150 ℃時(shí)冷凍可以更好的保留胡蘿卜細(xì)胞完整性和干燥胡蘿卜片的形狀，即在較低的冷凍溫度下，形成的冰晶空隙小，因而胡蘿卜微觀結(jié)構(gòu)得到較好的保存。Dalen等[30]也通過CT 技術(shù)成像進(jìn)一步研究了西藍(lán)花、柿子椒和蘑菇仔冷凍后干燥的微觀結(jié)構(gòu)。其研究結(jié)果都證明了CT 技術(shù)能夠呈現(xiàn)蔬菜內(nèi)部多孔微觀結(jié)構(gòu)和凍干蔬菜片的外部形態(tài)，為冷凍干燥蔬菜食品加工提供技術(shù)支持。Zhao 等[31]通過CT 技術(shù)研究了反復(fù)凍融對(duì)馬鈴薯的影響。結(jié)果表明冰晶的大小受溫度波動(dòng)的幅度和持續(xù)時(shí)間影響，溫度波動(dòng)程度大，持續(xù)時(shí)間長生成的冰晶大，對(duì)馬鈴薯組織造成破壞大。此外，Alam 等[32]還采用CT 技術(shù)，獲得了不同煎炸時(shí)間馬鈴薯中的孔隙，油和空氣分布的變化的信息，為后來研究其他油炸食品提供了理論依據(jù)。這些應(yīng)用實(shí)例表明，CT 技術(shù)可以準(zhǔn)確的繪制出食品中冰晶孔隙和分布圖像，這種可視化分布能夠有效的幫助我們分析食品中營養(yǎng)成分被破壞的程度，有助于避免蔬菜在貯藏過程中的質(zhì)量惡變，以最大限度地提高食品質(zhì)量和價(jià)值。

水果在生長貯藏時(shí)很容易受到害蟲的入侵而造成其質(zhì)量的惡化，從而給生產(chǎn)者帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要一種非破壞性技術(shù)將水果區(qū)分為不同的質(zhì)量等級(jí)。Arendse 等[33]利用CT 技術(shù)來無損表征和量化石榴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其結(jié)果顯示該技術(shù)可以清楚地對(duì)石榴果實(shí)內(nèi)部成分進(jìn)行無損成像分析，進(jìn)而快速區(qū)分出內(nèi)部品質(zhì)存在缺陷的石榴水果。眾所周知，水果的質(zhì)地會(huì)隨著儲(chǔ)存期時(shí)間延長而變得柔軟，進(jìn)而導(dǎo)致其質(zhì)量和營養(yǎng)價(jià)值的降低。傳統(tǒng)上，檢測(cè)蘋果的堅(jiān)硬性一般使用穿刺檢測(cè)等方法，但這些檢測(cè)方法會(huì)對(duì)蘋果產(chǎn)生破壞作用。而CT 技術(shù)可以克服此缺點(diǎn)實(shí)現(xiàn)快速無損檢測(cè)。Ting 等[34]使用CT 方法檢測(cè)4 種（布瑞本蘋果、金冠蘋果、富士蘋果和爵士蘋果）存放一周后蘋果的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示爵士蘋果具有較小的細(xì)胞間隙，表明存放一周后爵士蘋果口感仍然堅(jiān)實(shí)松脆。此外，重建圖中還顯示布瑞本蘋果和金冠蘋果的大多數(shù)細(xì)胞間隙形狀都是細(xì)長的；富士蘋果的細(xì)胞間隙顯示出多孔結(jié)構(gòu)；而來自爵士蘋果的圖像包含最少數(shù)量的細(xì)胞間隙。因此，通過CT 技術(shù)不僅可以觀察到不同種類的蘋果具有不同的微觀結(jié)構(gòu)，也可以繪制出在存放期間蘋果細(xì)胞間隙變化圖像。這樣可視化分布能夠有效的幫助快速區(qū)分蘋果的種類，以方便分類銷售。Tanaka 等[35]還利用此技術(shù)檢測(cè)貯存過程中黃瓜三維結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果也表明CT 技術(shù)可用于評(píng)估與水果質(zhì)量相關(guān)的物理性質(zhì)，以避免因長期存放而導(dǎo)致其質(zhì)地變得柔軟甚至壞掉，最大程度的降低了損耗。

3 CT技術(shù)存在問題及展望

同傳統(tǒng)的成像技術(shù)相比，CT 技術(shù)具有穿透能力強(qiáng)、分辨率高、可重復(fù)檢測(cè)且對(duì)樣品不會(huì)產(chǎn)生破壞性等優(yōu)點(diǎn)。但是CT 技術(shù)在具體的試驗(yàn)中還存在著許多問題：一方面是CT 研究相對(duì)耗時(shí)。使用CT 技術(shù)掃描樣品時(shí)所用時(shí)間較短（每個(gè)樣品通常為幾分鐘到一個(gè)小時(shí)），但是在后期數(shù)據(jù)計(jì)算處理時(shí)研究人員需要花費(fèi)時(shí)間學(xué)習(xí)使用專業(yè)軟件和必要的數(shù)學(xué)知識(shí)。另外，CT 在掃描液體樣品時(shí)，由于樣品中各成分位置不斷發(fā)生變化會(huì)影響采集圖像的清晰度和準(zhǔn)確性，為此也需要耗費(fèi)大量時(shí)間重復(fù)試驗(yàn)。另一方面是CT 設(shè)備成本較高，且在后期也需要較高的維護(hù)費(fèi)用。因此在一定程度上限制了CT 技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用和普及。這也導(dǎo)致我們使用CT 設(shè)備時(shí)由于缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，所以在X 射線管設(shè)置，探測(cè)器設(shè)置，操作配置和處理工作流程都需要不斷摸索。

盡管CT 技術(shù)在食品領(lǐng)域存在較多問題，但從長遠(yuǎn)來看，CT 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了劣勢(shì)。隨著硬件和軟件的不斷改進(jìn)以及CT 設(shè)備的普及，CT 技術(shù)的無損特性很可能使其成為食品原材料采購，食品加工，產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量控制過程中不可或缺的一部分。此外，通過CT 技術(shù)監(jiān)控食品在動(dòng)態(tài)變化過程中其微觀結(jié)構(gòu)的變化，還可以為食品在加工和儲(chǔ)存期間結(jié)構(gòu)變化提供直觀依據(jù)。同時(shí)，也可將CT 技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合使其在食品研究中的應(yīng)用前景更加廣闊。