图像分析技术在谷物食品研究中的新应用

田金河 王艳婕

（1广东省贸易职业技术学校，广州 510507）（2华南理工大学轻工与食品学院，广州 510640）

图像分析技术在谷物食品研究中的新应用

田金河1、2*王艳婕1

（1广东省贸易职业技术学校，广州 510507）（2华南理工大学轻工与食品学院，广州 510640）

介绍了近几年来图像分析技术在谷物食品结构研究中的应用新进展。其中利用磁共振成像技术对面包孔洞组织进行2D平面的非侵入性扫描研究，分辨率高，并且可以对面包生产过程中气孔动态变化进行追踪和统计；X光计算机微观断层扫描技术在计算机辅助下可以将物体不同角度X光扫描图像进行重建组合，将物体内部3D立体结构重现，并对任意平面进行非侵入性统计研究。

谷物食品；结构；磁共振成像；X光计算机微观断层扫描

谷物食品在人类膳食营养中占有非常重要的地位，虽然已经具有几千年的历史，但是一直以来人们并没有停止对他品质的改良研究。在研究食品生产和品质的过程中，图像分析是一种常用的方法，如各种各样的电镜扫描技术以及基于普通图片的图形数据处理技术等，这些方法使人们可以看到食品更加微观的结构，如电镜扫描，或可以进行更为量化的评价，如对普通图片像素的数据分析，但是这些方法仍然具有一些缺点，如电镜扫描技术无法进行数据量化，无法进行动态检查变化过程，检测的预处理措施，如切片、冷冻、涂膜等，会给测定的结果带来一定的损伤和赝象。

近几年，一些先进的图像分析技术开始应用于烘焙食品研究领域，这些方法在很大程度上克服了传统方法的缺点，本文将介绍两种基于不同原理的图像分析技术在谷物食品结构研究中的新应用。

1 磁共振成像技术

1.1 磁共振成像技术简介

磁共振成像技术（Magnetic Resonance Image，MRI）是一种现代仪器分析方法，也称为核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance，NMR），或者核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，NMRI）。NMR技术最初只应用于物理科学领域，随着超导技术、计算机技术和脉冲傅立叶变换波谱仪的迅速发展，核磁共振已成为当今鉴定有机化合物结构和研究化学动力学等的极为重要的方法，其功能及应用领域正在逐渐扩大。

由于核磁共振技术仅仅对物体原子核的能级进行改变，对物体本身物理化学状态不会产生影响，因此可以对食品进行非侵入性的检测以及跟踪动态的加工过程内部特征规律。特别是近几年较高分辨率核磁共振技术的使用，MRI开始作为一种无损性研究多孔性物体结构特征的方法在谷物食品领域得到应用。

1.2 核磁成像技术应用

Francois等人利用MRI方法在弱场强下对面包组织的孔洞变化规律进行了研究，得到比较理想的图像和数据，并可以成功的将面包醒发过程中不同时期气泡占面团体积的总比例以及气泡的平均直径计算出来。图1中所示为不同时间面包醒发状态。这一研究主要是利用面团中水的氢原子磁信号，可以将面团部分或气泡部分明确分开，通过计算机利用图像像素灰度阈值进行计算，将面包中气泡大小、数量、分布、相互关系以及动态变化规律进行统计。

图1 对面包醒发过程采用低场强进行的磁共振扫描图片

John也建立了一套利用MRI技术研究面包内孔洞特征和计算相关参数的方法，以此作为研究手段，对比了面包成型方法（fast deformation&slow deformation）、成型环境 （high and low temperature）对面包品质的影响。如图2所示：图A～图G分别为原始MRT切面图经过扩张过滤、高斯过滤以及利用灰度阈值校正、计算机分析后得到的图像。

图2 MRT图像处理过程

在收集到不同时间的面团结构参数后，作者研究了不同成型方法对面包结构变化产生的影响，如图3，A、B分布为经过快速和慢速卷起成型的面包中气孔变化规律图，横坐标为气泡的直径大小，纵坐标为发酵时间，立体坐标为总的气泡截面积，反映一定尺寸大小气泡在总气泡容积中所占的比重。很明显可以看出B样品中气泡孔径均匀，气泡尺寸多为较小尺寸，大孔径气泡较少，表明组织孔洞细腻；而A样品中则相反，气泡孔径不均匀，从小气泡到大气泡都有分布，表面组织孔洞大小不匀，粗糙。

图3 不同成型方法面包中孔洞变化特征

2 X光计算机微观断层扫描技术

2.1 X光计算机微观断层扫描技术简介

X光计算机微观断层扫描技术是在X光扫描方法上发展起来的。传统X光扫描方法很早就在医学领域里得到了广泛的应用，但是由于早期的X光扫描得到的图片是整个物体在同一个方向上不同层面叠加起来的映像，所以无法精确观察内部结构，应用范围受到很大限制。

随着电子计算机技术的发展，产生了X光计算机微观断层扫描技术（X-ray Computer Micro Tomography，CMT），这一技术在医学领域应用较广。CMT扫描的基本原理是：利用X光在穿透物质时，由于物质密度的不同会使X光产生一定的衰减，这种衰减可以反映在特别的X光感光数码图像（传统X光照片）。在对同一个物体的不同角度进行扫描后，将得到的这些数码图像收集到计算机中，利用一定的运算法则，可以将物体内部3D立体结构重建（reconstructed）。整个过程大致为两个阶段，如图4所示：①物体作360°（或180°） 旋转扫描并拍摄一张数码射线照片；②把所有修正好的图片合并，通过锥型线束反投影法（Cone Beam Back Projection）就可以重建一个精确的3D数据云。这一数据云即为模拟的内部结构图，利用特定的计算机软件可以将数据云一层一层地切开，观察物体内部的详细细节。

图4 X光断层扫描成像（CMT）基本原理图

就食品品质的研究而言，相比传统方法，CMT具有许多优点：①这种方法无需对样品进行特别任何处理，环境在常温常压下即可进行，非常方便；②这种方法的分辨率要比其他微观扫描高的多；③可以穿透到样品内部获取详细的3D数据，并且不会对样品造成形态上的损伤，而传统的方法大多数是对产品进行切片后再扫描，不可避免会有物理上的影响，比如电镜扫描方法。近几年，许多人利用他对多孔性谷物食品（cellular cereal food），如面包、马芬、膨化休闲食品等开展了研究，取得了显著成果。

2.2 CMT技术在谷物食品结构研究中的应用

P.Babin等人采用快速CMT方法对面团发酵过程进行的了动态的扫描跟踪研究。他采用了628×628×256空间立体像素（像素分辨率为15μm） 对直径×高为9 mm×4 mm的面团，在180 min内，每隔5 min或10 min进行一次扫描。由于这种方法对面包整体三维扫描一次只需要30 ms，因此可以对面团发酵过程中，内部网络气孔组织的变化进行精确的跟踪，所得到的三维立体数据在计算机处理后可以同时再现3D动态发酵过程，也可以抽取出2D平面图像，利用扫描过程中不同像素灰度值来区分其是面团部分还是气孔部分，进而计算出不同阶段面团内部气泡分布规律、气泡壁厚度变化以及气泡外形变化规律。同时P.Babin还对其中一种面团醒发后入炉烘烤的过程进行了跟踪扫描，对面团入炉后内部气泡组织变化规律也进行了研究。

图5是面团在170 min内气孔变化的2D平面变化图，黑色代表气泡，白色代表面团网络。由图可以清晰地看出气泡变化的过程：第一阶段（60 min之前），气泡之间没有相互接触，因而自由膨胀；第二阶段（90 min之前），气泡相互开始挤压，气泡体积和形状开始发生变化；第三阶段，不同气泡之间的膜破裂，出现气泡合并现象。

图5 面团在170 min发酵时间内气孔变化平面图

图6是计算机重建面团的3D立体结构，这是计算机将面团内部结构变化过程重建后形成的一段视频（video）中抽取出来的一个画面。画面清晰地再现了面团醒发过程中内部气泡变化过程中的一个瞬间。

图6 CMT扫描数据模拟面团发酵第三阶段时内部空间3D结构

图7是面包入炉后的3D立体结构变化过程图示。由图可以看出面包入炉后急涨和体积定型的过程。其中炉温达到49℃和65℃时的面包顶部由于超出扫描范围而没有显示出来。

图7 面团醒发后，入炉烘烤过程中内部3D结构变化过程（升温速度5℃/min）

Pasquale M.Falcone利用XMT方法对白面包的立体组织结构进行了断层扫描并重组了2D切面图和3D空间体，其中图8和图9为同一面包在不同位置切片后的重现结构体。利用这些图中像素灰度值可以精确计算出面包内部组织中气孔的数量，占面包体积的比例，孔径分布等参数，除此之外还设计出来一套20多个参数所组成的面包品质倾向评判方法，从而可以将顾客对面包的选择倾向通过数据量化。

图8 样品1组织结构断层扫描图

图9 样品2组织结构断层扫描图

3 讨论与展望

以上所介绍的两种不同的图像处理方法在谷物食品研究中的应用，从共性的特点来讲，这两种方法都是非侵入性（non-invasive）的研究方法，可以对内部结构进行无损研究，但对比他们的原理，又各有优缺点。

MRT方法可以对样品进行断层扫描，但是不能进行3D立体扫描，无法再现详细内部结构，所得到的统计数据都是以截面上气孔面积作为整个面包的代表；另外MRT方法对设备要求也较高，需要较为庞大的检查系统。但是由于他是一种对原子激发的检测方法，所以这种方法对食品加工过程没有其他的辐射性影响，比CMT方法更为安全。

CMT方法，具有更明显的优势，包括较高分辨率，能够收集到样品内部组织的详细数据，结构重现，对样品无损等等。不过CMT是一种X光辐射，对生物体有一定的影响，虽然前面研究中也提到并未发现X光辐射对酵母会产生明显的影响，但是在使用过程中必须要考虑这一点；另外利用X光辐射扫描，为了进行避免辐射影响，这种方法所用的设备非常庞大，必须到专门的机构进行，使得这种方法的使用方便性受到影响。

以上两种方法各有优缺点，但是随着各种电子技术的不断发展，各种方法的应用范围也会越来越广，使用效果也会不断得到改进，相信在未来会对谷物食品的结构化研究发展提供更强劲的动力。

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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，华南理工大学轻工与食品学院博士，讲师。

2010-02-12