基于MATLAB圖像處理探究氣泡酒的氣泡特征

鄭斯文,黃世鑫,周穎鈿,王凱,劉旭煒,趙雷,胡卓炎

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院,廣東 廣州,510642)

氣(起)泡酒根據(jù)CO2的來(lái)源分為發(fā)酵型和碳酸化型[1-2],其中碳酸化型氣泡酒由于其生產(chǎn)工藝較簡(jiǎn)單、價(jià)格實(shí)惠,頗受消費(fèi)者歡迎。氣泡特征是評(píng)價(jià)氣泡酒重要的品質(zhì)參數(shù)之一,其與氣體系中的CO2含量、液體溫度、環(huán)境壓力、糖含量、酒精度、表面活性物質(zhì)的含量等因素有關(guān),其中CO2是影響氣泡特征的最主要因素之一[3-4]。通常擁有著更多的小氣泡的啤酒和起泡酒會(huì)深受消費(fèi)者的喜愛。同時(shí),小氣泡的數(shù)量越多也意味著酒體有更好的泡沫穩(wěn)定性[5]。目前,含氣飲品中氣泡特征的評(píng)價(jià)方式以CO2容量、感官評(píng)定等為主[6-8],對(duì)氣泡酒中的氣泡特征缺乏客觀表征手段。因此,研究出一種能夠客觀評(píng)價(jià)含氣飲品中氣泡特征的手段尤為重要。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,圖像處理技術(shù)已在食品行業(yè)中得到應(yīng)用,如氣泡酒褐變度的測(cè)定[9]、菠菜葉綠素的定量分析[10]、紅提串的無(wú)損檢測(cè)[11]等。圖像處理評(píng)價(jià)氣泡特征的研究已受關(guān)注,如海水的氣泡特征的評(píng)價(jià)[12],混凝土表面氣泡特征檢測(cè)[13]等。LIMA等[14]通過(guò)聯(lián)合圖像處理技術(shù)和倒酒機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了起泡酒泡沫特性的評(píng)價(jià);VIEJO等[5]通過(guò)圖像處理技術(shù)識(shí)別了碳酸水的氣泡大小及其數(shù)量。然而,通過(guò)圖像處理評(píng)價(jià)碳酸化氣泡酒氣泡特征的研究還鮮見報(bào)道。因此,在前人的研究工作基礎(chǔ)上,本研究采用計(jì)算機(jī)MATLAB圖像處理技術(shù)分析碳酸化氣泡酒的氣泡特征參數(shù),并探究CO2含量與氣泡特征之間的關(guān)系,以期為建立含氣酒精類飲品氣泡特性的客觀評(píng)價(jià)方法提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

95%乙醇(食品級(jí));白砂糖,上海楓未實(shí)業(yè)有限公司;高壓CO2氣體,廣州盈新氣體有限公司;無(wú)塵紙,美國(guó)金佰利公司;聚苯乙烯(polystyrene,PS)培養(yǎng)皿(規(guī)格:150 mm)。氣泡酒模型樣品:酒精度15%vol、糖度8°Bx,按1.3.1節(jié)所述的方法配制。市售2款氣泡果酒樣品:SW-1(發(fā)酵型,酒精度6%vol)、SW-2(配制型,酒精度8%vol)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

LHS-HC-250恒溫箱,上海龍躍儀器設(shè)備有限公司;多功能氣泡水機(jī)(幻飲410),江門市愛蘇打?qū)崢I(yè)有限公司;7001二氧化碳測(cè)定儀,肇慶科之杰有限公司。碳酸化裝置:CO2保壓罐,寧波市海曙翔盛金屬制品廠;連接裝配有減壓閥的高壓CO2氣瓶。圖像采集裝置如圖1所示,參考VIEJO等[5]、PéREZ-BERNAL等[9]方法,由課題組自行搭建,包括:燈箱(2 m LED燈帶,旋成圓盤放置于底部中間區(qū)域;柔光層,由PVC塑料板和柔光布組成);黑色紙箱組成(上方設(shè)有拍攝孔)。

圖1 拍攝裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shooting device

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

(1)氣泡酒模型:以純凈水、95%乙醇(食用級(jí))、白砂糖配制,酒精度15%vol、糖度8 °Bx。

(2)充氣工藝:首先,將樣品于冰水浴中預(yù)冷1 h后,置于CO2保壓罐中,在100 kPa的CO2壓力下排氣10 s;而后,對(duì)氣泡酒模型按照300、400、500、600、700 kPa的壓力進(jìn)行保壓碳酸化5 min,期間維持溫度在4 ℃以下[15]。碳酸化完成后,迅速罐裝密封,保存于25 ℃環(huán)境中備用。

1.3.2 圖像采集

采用1.2節(jié)中所述的拍攝裝置進(jìn)行拍攝獲取氣泡酒樣品的氣泡圖像。培養(yǎng)皿預(yù)先放置于燈箱的置物臺(tái)(柔光層)上,用附有夾子的鐵架臺(tái)固定酒瓶的瓶頸(培養(yǎng)皿上方5 cm),托住酒瓶的底部將樣品勻速倒入培養(yǎng)皿中心區(qū)域(倒酒速度約6 mL/s,總倒酒量30 mL)。所有的樣品拍攝高度為20 cm。拍攝設(shè)備為索尼α-6000相機(jī)(裝配索尼SELP 1650型鏡頭),拍攝圖像通過(guò)USB 3.0接口傳輸并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。利用Photoshop cs 6軟件將拍攝到的原始圖像截取出培養(yǎng)皿除邊界外的全部區(qū)域(d=13.8 cm)的分辨率為2 400×2 400像素的JPG格式圖像,以此作為氣泡識(shí)別的原圖。

1.3.3 圖像感興趣區(qū)域以及氣泡特征參數(shù)提取

參考文獻(xiàn)[12,16-17]的圖像處理程序,基于MATLAB R2021a (The Math Works, Natick, USA)軟件編寫。其中程序邏輯為:(1)對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理;(2)為了減少背景光源不均勻?qū)罄m(xù)圖像識(shí)別的影響,需對(duì)灰階圖像進(jìn)行背景直方圖均一化處理;(3)基于雙峰法[17]對(duì)處理后的灰度圖像閾值分割;(4)對(duì)二值圖進(jìn)行“填洞”以及形態(tài)學(xué)處理[12];(5)對(duì)粘連的氣泡進(jìn)行距離變換加分水嶺分割[18]處理;(6)利用偽彩色處理對(duì)二值圖的氣泡特征進(jìn)行RGB標(biāo)記。

采用regionprops函數(shù)提取氣泡圖像的Number、Area、EquivDiameter、PixelList,共4個(gè)特征參數(shù)。由于分水嶺算法普遍存在過(guò)割的問(wèn)題[16],為減少誤差,對(duì)識(shí)別出的氣泡進(jìn)行篩選并將識(shí)別出的面積在50 pixel2以下的連通域剔除,不作后續(xù)分析。

1.4 實(shí)際氣泡參數(shù)測(cè)量

通過(guò)比較人工辨別和Image J軟件識(shí)別氣泡的數(shù)量來(lái)驗(yàn)證圖像處理程序在氣泡定位上的準(zhǔn)確性。經(jīng)氣泡原圖打印到A4紙中手動(dòng)計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)結(jié)果作實(shí)際氣泡數(shù)量。拍攝中的氣泡圖像實(shí)際邊長(zhǎng)為13.8 cm,對(duì)應(yīng)像素?cái)?shù)為2 400像素。觀察氣泡的幾何形態(tài)一般為圓形,通過(guò)Image J軟件的“Analyze-Set Scale”功能,測(cè)量單個(gè)氣泡直徑并計(jì)算其面積,作實(shí)際測(cè)量直徑以及面積[19-20]。為了比較實(shí)際測(cè)量與識(shí)別參數(shù)之間的差異,建立了長(zhǎng)度單位與像素?cái)?shù)的相關(guān)性。換算公式如公式(1)所示:

(1)

式中:L,氣泡直徑的像素?cái)?shù);db,氣泡直徑對(duì)應(yīng)的實(shí)際長(zhǎng)度,cm。類似地,結(jié)合氣泡幾何特征[21]以及實(shí)際氣泡面積和其對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)之間的相關(guān)性可以通過(guò)公式(2)得到:

(2)

式中:S,氣泡面積的像素?cái)?shù);Sb,氣泡對(duì)應(yīng)的實(shí)際面積,cm2。

1.5 誤差率計(jì)算

為了評(píng)估所提出方法的氣泡量化能力,將用上述測(cè)得的氣泡直徑以及面積作為氣泡的實(shí)際直徑和面積,以驗(yàn)證氣泡量化結(jié)果的準(zhǔn)確性。氣泡的實(shí)際測(cè)量值和識(shí)別量化值之間的誤差率計(jì)算如公式(3)所示[13]:

(3)

式中:Vm,氣泡的實(shí)際測(cè)量值;Vq,氣泡的識(shí)別量化值。

1.6 CO2氣容量測(cè)定

CO2氣容量指CO2氣容量的容積倍數(shù),即CO2溶解度,可反映含氣體系中CO2的含量。本文采用GB/T 10792—2008《碳酸飲料(汽水)》中規(guī)定的常規(guī)檢測(cè)法——減壓器法進(jìn)行測(cè)定。

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用Excel、Origin 2018統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù)并作圖,采用IBM SPSS Statistics 26軟件進(jìn)行鄧肯單因素方差分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于圖像處理技術(shù)識(shí)別氣泡酒氣泡特征參數(shù)的準(zhǔn)確性

按1.3節(jié)所述的方法對(duì)氣泡酒樣品進(jìn)行拍攝,隨機(jī)選取拍攝所得的一幅氣泡原圖(圖2-a),經(jīng)圖像處理后得到RGB偽彩色圖像(圖2-b)。經(jīng)過(guò)label2rgb函數(shù)處理后,氣泡圖像的感興趣區(qū)域(regions of interest,ROI)有著更好的辨識(shí)度。

a-原圖;b-RGB偽彩色圖像

2.1.1 氣泡定位準(zhǔn)確性分析

選用拍攝的30張氣泡酒樣品氣泡圖像,對(duì)計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別的氣泡數(shù)量與人工計(jì)數(shù)得到的實(shí)際氣泡數(shù)量進(jìn)行分析,結(jié)果見表1。表明圖像識(shí)別的氣泡數(shù)量范圍與實(shí)測(cè)的氣泡數(shù)量范圍相近,其中最小誤差率為0.31%,最大誤差率為11.19%。

表1 氣泡酒樣品的氣泡數(shù)量實(shí)際測(cè)量與計(jì)算機(jī)識(shí)別數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of actual measurement and computer identification analysis of bubbles of sparkling wine sample

實(shí)測(cè)與識(shí)別氣泡酒樣品氣泡數(shù)量誤差率分析如表2所示,30張圖像中誤差率在0%～5%的有23張圖樣,占比達(dá)到76.67%;氣泡數(shù)量的平均誤差率為3.62%,標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.66%,圖像在氣泡數(shù)量識(shí)別中基本維持在較低的誤差率區(qū)間。可見采用的氣泡評(píng)價(jià)程序有著較強(qiáng)的氣泡定位能力,可以較好地反映出原始圖像的氣泡數(shù)量。

表2 實(shí)測(cè)與識(shí)別氣泡酒樣品氣泡數(shù)量誤差率分析Table 2 Error rate analysis of measured and identified bubbles of sparkling wine sample

2.1.2 識(shí)別氣泡幾何特征的準(zhǔn)確性分析

在2.1.1節(jié)中的30張圖像中隨機(jī)選擇3張,并在每張圖像中隨機(jī)選擇24個(gè)氣泡,共72個(gè)氣泡,通過(guò)regionprops函數(shù)提取的Pixellist參數(shù)定位出每個(gè)被選擇氣泡的位置,并提取其氣泡面積以及等效直徑,獲得氣泡直徑和面積的誤差率分布,見圖3。結(jié)果顯示,72個(gè)氣泡的直徑和面積的計(jì)算誤差率分布均在低誤差率區(qū)間占優(yōu)勢(shì)。有52個(gè)氣泡的直徑誤差率和31個(gè)氣泡的面積誤差率<5%;只有8個(gè)氣泡的面積誤差率>15%。其中,氣泡直徑的錯(cuò)誤率主要分布在0%～10%區(qū)間,占比為96%;面積的誤差率則主要分布在0%～15%,共占比90%,表明結(jié)合雙峰法和分水嶺分割的方法具有良好的氣泡識(shí)別和量化性能。

a-單個(gè)氣泡直徑的誤差率分布;b-單個(gè)氣泡面積的誤差率分布;c-單個(gè)氣泡直徑與面積誤差率分布區(qū)間

2.2 不同拍攝時(shí)間下氣泡酒氣泡的穩(wěn)定性分析

將市售氣泡果酒樣品SW-1和SW-2分別在倒入培養(yǎng)皿的30～300 s間每隔30 s作為一個(gè)拍攝時(shí)間點(diǎn),共10個(gè);利用圖像處理技術(shù)對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的氣泡圖像提取氣泡特征參數(shù)并分析,結(jié)果見表3。

表3 不同拍攝時(shí)間下含氣果酒樣品SW-1和SW-2的氣泡特征參數(shù)Table 3 Bubble characteristic parameters of SW-1 &SW-2 samples at different shooting times

從表3中可知,TA、TN、ABA三個(gè)參數(shù)在倒入培養(yǎng)皿前期均有著不同程度的波動(dòng),而隨著時(shí)間的推移趨于平緩,表明這3個(gè)氣泡特征參數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)氣泡上升動(dòng)力學(xué)以及亨利定律,氣泡的生長(zhǎng)主要分為氣泡的成核(nucleation)、上升(rise)、破裂(bursts)3個(gè)過(guò)程[22],且CO2分壓與體系中溶解的CO2含量呈正比。在氣泡倒入培養(yǎng)皿前期,由于體系中CO2分子有著相對(duì)較高的過(guò)飽和率(supersaturating ratio,S)[23],氣泡生長(zhǎng)、上升劇烈,氣泡處于極不穩(wěn)定的狀態(tài),此時(shí)識(shí)別出的氣泡參數(shù)并不適用于氣泡參數(shù)穩(wěn)定評(píng)價(jià)中。一般,溶解的CO2釋放有2種形式:液面自由擴(kuò)散以及形成的氣泡[22,24],而后者氣泡會(huì)隨著CO2的不斷進(jìn)入而增大,大部分會(huì)由于浮力的作用上升,最終消散于液面,但由于毛細(xì)作用力的存在,使得一部分氣泡得以克服浮力作用停留在培養(yǎng)皿表面[25]。隨著時(shí)間的推移溶液中過(guò)飽和的CO2逸出,體系逐漸趨于平衡,停留在培養(yǎng)皿表面的氣泡得以穩(wěn)定。而最大氣泡的面積在拍攝期間并無(wú)顯著差異(P>0.05),說(shuō)明在拍攝期間的最大氣泡面積具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。比較2種樣品的各氣泡特征參數(shù)發(fā)現(xiàn),樣品SW-2均早于SW-1穩(wěn)定,可能的原因是氣泡的形成受制于體系中的CO2含量、酒精度、表面活性物質(zhì)等物質(zhì)以及容器中成核位點(diǎn)的毛細(xì)作用力[3, 22]。

綜上所述,2款市售氣泡果酒的4個(gè)氣泡特征參數(shù)在270 s之后均無(wú)顯著差異(P>0.05),可知在270 s之后均趨于穩(wěn)定。因此,為了保證在后續(xù)評(píng)價(jià)中氣泡在培養(yǎng)皿中特征參數(shù)的可靠性,選用270～300 s時(shí)間段作為氣泡評(píng)價(jià)的拍攝時(shí)間。

2.3 不同碳酸化壓力下氣泡酒氣泡特征的變化

不同的碳酸化壓力下氣泡酒樣品的CO2氣容量變化情況如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn),在300～700 kPa的壓力之間隨著壓力的增大,CO2的氣容量從1.83倍逐步增加到了2.71倍,除了500 kPa和600 kPa處理的樣品外,其他不同壓力處理后樣品的CO2氣容量均存在顯著性差異(P<0.05),可見碳酸化壓力的升高可顯著提高樣品的CO2氣容量,說(shuō)明體系中溶解的CO2含量也隨之增大,符合亨利定律。

圖4 氣泡酒樣品CO2氣容量變化圖Fig.4 Variation of CO2 capacity in carbonated wine model注:柱形圖上方帶不同字母表示處理間存在顯著差異(P<0.05)。

為了探究不同CO2含量下的氣泡酒的氣泡特征規(guī)律,分別對(duì)各碳酸化壓力下的氣泡酒樣品進(jìn)行拍攝并進(jìn)行圖像處理,如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著氣壓的增大,氣泡數(shù)量以及大小都有顯著變化。500 kPa以下的氣泡數(shù)量隨著壓力的增大而增加,且基本以小氣泡為主;而500 kPa之后氣泡數(shù)量則沒(méi)有明顯差異,但氣泡體積相對(duì)較大,容易逃逸。

a-300 kPa;b-400 kPa;c-500 kPa;d-600 kPa;e-700 kPa

進(jìn)一步分析不同碳酸化壓力下氣泡特征的變化規(guī)律,提取了各氣泡特征的具體參數(shù),結(jié)果見表4。

表4 不同碳酸化壓力下的氣泡酒樣品氣泡特征參數(shù)Table 4 Bubble characteristic parameters of carbonated wine samples under different carbonation pressure

觀察不同壓力下的氣泡數(shù)量可以發(fā)現(xiàn),在500 kPa壓力下氣泡數(shù)量TN有最大值,為1 105.33個(gè)?？赡艿脑蚴窃?00～500 kPa階段氣泡的數(shù)量取決于CO2的含量以及容器表面氣體腔的數(shù)量[26];含氣體系的氣泡一般為Ⅳ型氣泡成核(即非均勻成核——室溫下過(guò)飽和率S<1 000[3]),氣泡的形成需要突破氣泡成核點(diǎn)的臨界半徑,隨著壓力的增大,氣泡成型所需預(yù)存的氣腔臨界半徑則越小,形成的氣泡數(shù)量則更多;而達(dá)到500 kPa后,由于氣泡成核位點(diǎn)的限制,隨著氣泡生長(zhǎng)增大,相鄰的氣泡合并成較大的氣泡,或者脫離成核位點(diǎn)毛細(xì)作用力的束縛上升,容易逃逸,而導(dǎo)致氣泡數(shù)量減少[27-28]。

比較面積相關(guān)參數(shù)(氣泡總面積TA、單個(gè)氣泡面積均值A(chǔ)BA、單個(gè)氣泡最大面積MBA)與碳酸化壓力關(guān)系發(fā)現(xiàn)均呈正相關(guān)。根據(jù)亨利定律可知在一定條件下碳酸化壓力與CO2含量成正比。隨著碳酸化壓力的增大,體系中溶解的CO2(氣容量)增多[22],位于成核點(diǎn)的氣泡的氣液界面兩側(cè)的CO2壓力差變大,CO2分子進(jìn)入到氣泡的數(shù)量變多,氣泡的面積相關(guān)參數(shù)隨之增大。在對(duì)氣泡大小進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)差分析后發(fā)現(xiàn),同樣的與CO2含量呈正相關(guān),表明隨著碳酸化壓力的增大,氣泡大小的離散程度越高。

結(jié)果表明,基于碳酸化壓力與CO2氣容量的關(guān)系,由于氣泡面積相關(guān)參數(shù)隨著碳酸化壓力的增大而增大,在含氣體系中的CO2含量與其對(duì)應(yīng)的氣泡特征參數(shù)同樣呈正相關(guān)性;而氣泡數(shù)量由于受到容器表面成核位點(diǎn)的限制,隨著碳酸化壓力的增加呈先增大后減少的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

基于圖像處理技術(shù)建立評(píng)價(jià)碳酸化氣泡酒的氣泡特征方法,驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性并分析了不同拍攝時(shí)間下的氣泡穩(wěn)定性,同時(shí)基于該氣泡評(píng)價(jià)方法探究了碳酸化氣泡酒氣泡特征與CO2含量之間的關(guān)系。結(jié)果顯示該方法識(shí)別的數(shù)量和面積的平均誤差率分別為3.62%和7.32%,有著較高準(zhǔn)確性;同時(shí)確定了在270～300 s為最佳拍攝時(shí)間;在利用構(gòu)建的不同的碳酸化程度氣泡酒模型探究氣泡特征結(jié)果表明,識(shí)別氣泡總面積TA、單個(gè)氣泡面積均值A(chǔ)BA、單個(gè)氣泡最大面積MBA以及對(duì)應(yīng)的氣泡面積標(biāo)準(zhǔn)差均與壓力呈正相關(guān),而氣泡數(shù)量TN由于容器成核位點(diǎn)的限制在500 kPa下有最大值。研究結(jié)果可為后續(xù)氣泡酒的碳酸化工藝參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)。基于碳酸化氣泡酒本身的CO2含量選擇適當(dāng)接觸面積的容器,可以增加氣泡的數(shù)量同時(shí)也可提高其泡沫特性,改善起泡酒品嘗體驗(yàn);同時(shí)為進(jìn)一步探究氣泡特征與氣泡酒成分之間關(guān)系奠定基礎(chǔ)。