Tutaj prezentujemy protokół oparty na komputerowym systemie wizyjnym (CVS) do określenia zachowania podczas topnienia wielofazowych systemów żywnościowych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Tutaj prezentujemy protokół oparty na komputerowym systemie wizyjnym (CVS) do określenia zachowania podczas topnienia wielofazowych systemów żywnościowych.
Lody są systemem wielofazowym, w którym fazy ciekła, stała i gazowa są ściśle powiązane. Ciągła faza ciekła otacza pęcherzyki powietrza oraz kryształki lodu i zawiera częściowo skrystalizowane tłuszcze, białka koloidalne, sole, cukry (ewentualnie skrystalizowane) oraz stabilizatory. Skład lodów różni się w zależności od wymagań lokalnego rynku i ewentualnych regulacji. Choć technologia przetwarzania wpływa na charakterystykę gotowego produktu, każdy składnik odgrywa istotną rolę w określaniu jakości lodów1. Zachowanie podczas topnienia jest jednym z najważniejszych wskaźników jakości lodów, biorąc pod uwagę zjawiska zachodzące zarówno podczas konsumpcji, jak i w jamie ustnej. Wraz z penetracją ciepła w głąb lodów kryształki lodu topnieją, a woda dyfunduje i miesza się z fazą surowiczą, która może wyciekać przez pozostałą strukturę2. Produkt szybko topniejący jest niepożądany zarówno ze względu na komfort spożycia, jak i gwarancję wyższej odporności na szok termiczny. Jednak produkty topniejące powoli również mogą wskazywać na pewne wady w recepturze1. Wiadomo, że za właściwości topnienia odpowiada mikrostruktura lodów3, lecz do tej pory publikowano sprzeczne wyniki, co pokazuje, że wiedza na temat wpływu czynników mikrostrukturalnych na topnienie jest wciąż ograniczona4. W związku z tym niezbędne są dalsze badania w celu wyjaśnienia mechanizmu topnienia, co jest kluczowe również przy projektowaniu nowych receptur3.
Właściwości topnienia są zazwyczaj oceniane metodami grawimetrycznymi i wyrażane w postaci czasu rozpoczęcia oraz szybkości topnienia5. Określoną porcję lodów umieszcza się na drucianej siatce w komorze z kontrolowaną temperaturą, a następnie rejestruje się wagę stopionego produktu. Na podstawie krzywej zależność wagi od czasu można wyróżnić trzy fazy: fazę opóźnienia, podczas której następuje przenikanie ciepła; fazę szybkiego topnienia, w której rozcieńczona frakcja surowicy przepływa przez strukturę lodów z maksymalną prędkością, oraz fazę stacjonarną, w której większość produktu spłynęła2.
Metodą grawimetryczną można rozpoznać produkty wolno i szybko topniejące; jednak istotny jest również wygląd lodów podczas topnienia, ponieważ zachowanie kształtu wiąże się z dobrym składem i strukturą produktu6. Zatem procedura oparta na systemie wizji komputerowej (CVS) może wspierać istniejącą już metodologię grawimetryczną, umożliwiając badanie wyglądu produktu podczas topnienia. Systemy CVS mogą pozyskiwać liczne atrybuty żywności3 (np. rozmiar, wagę, kształt, teksturę i kolor) z dokładnością, której nie jest w stanie dostrzec ludzkie oko. Takie systemy składają się zazwyczaj z kamer cyfrowych i oprogramowania do przetwarzania obrazu7. W rzeczywistości protokół oparty na CVS obejmuje dwa główne kroki: 1) akwizycję obrazu i 2) przetwarzanie obrazu. Można zastosować różne poziomy przetwarzania obrazu7, od najprostszych po bardziej złożone, takie jak metody głębokiego uczenia w rozwoju sztucznej inteligencji8,9. W ostatnim czasie poświęcono wiele uwagi systemom CVS w sektorze spożywczym i opracowano dużą liczbę zastosowań w zakresie kontroli bezpieczeństwa żywności, monitorowania przetwarzania żywności, wykrywania ciał obcych oraz w innych dziedzinach. Są one szybkie, wydajne i nieniszczące, stanowiąc tym samym wartościowe narzędzia do dostarczania konsumentom bezpiecznej żywności wysokiej jakości10.
W dziedzinie badań nad lodami zaproponowano metodę analizy obrazu do badania rekrystalizacji lodu za pomocą mikroskopii optycznej11. W ostatnim czasie obrazy z tomografii komputerowej rentgenowskiej były przetwarzane w celu analizy trójwymiarowej mikrostruktury materiałów miękkich i porowatych, w tym lodów3. Jednak opracowanie prostych cyfrowych obrazów z urządzeń CCD (Charge Coupled Device) może oferować szereg zalet pod kątem łatwości pozyskiwania danych oraz oddania wyglądu lodów w taki sposób, w jaki są one postrzegane przez konsumentów. Niektórzy autorzy prezentują obrazy lodów podczas topnienia12, lecz według naszej najlepszej wiedzy, wyodrębnianie wskaźników liczbowych z obrazów zostało po raz pierwszy opisane przez Moriano i Alamprese13.
W związku z powyższym, proponowany tutaj protokół, oparty na pracy Moriano i Alamprese13, przedstawia prosty system CVS, który może zostać zastosowany w celu wsparcia istniejącej już metodologii grawitacyjnej do badania zachowania lodów podczas topnienia. Schemat blokowy proponowanej metody przedstawiono na Rysunku 1. Zastosowanie takiego systemu umożliwia obliczenie dwóch wskaźników topnienia związanych z utrzymaniem kształtu oraz szybkością topnienia. W szczególności w pracy po raz pierwszy szczegółowo opisano konfigurację eksperymentalną i procedurę cyfrowej akwizycji obrazów podczas topnienia lodów oraz etapy przetwarzania obrazów. Ponadto przedstawiono wyniki uzyskane dla lodów produkowanych z różnymi słodzikami (tj. sacharozą, sukromaltem i erytrytolem), aby wykazać potencjał tej metody.

Rycina 1: Schemat blokowy proponowanych metodologii. Podsumowanie ogólnych etapów dla proponowanego systemu wizji komputerowej oraz metody grawimetrycznej do badania zachowania lodów podczas topnienia. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Układ doświadczalny i procedury dla prób topnienia

Rycina 2: Układ do testu topnienia. Na rysunku przedstawiono sposób przygotowania próby topnienia w szafie termostatycznej: na wadze cyfrowej ustawiono miarkowany cylinder szklany w celu zbierania i ważenia roztopionych lodów. Próbkę lodów umieszczono na metalowym sitcie z drucianej siatki w lejku zawieszonym nad cylindrem. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
2. Przetwarzanie obrazów w celu obliczenia indeksów topnienia
(1)
(2)
(3)Rycina uzupełniająca 1: Przestrzenna kalibracja obrazu. (A) Przejdź do okna Measure > Calibration > Spatial w oprogramowaniu do analizy obrazu. Wybierz New, a następnie zaznacz Image, aby otworzyć okno Scaling. Wskaż długość referencyjną w jednostce, na którą mają zostać przeliczone piksele (np. milimetry). (B>) Ostrożnie nałóż zielony pasek na fragment referencyjny odpowiadający wskazanej długości i kliknij OK. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający 2: Wycinanie AOI i konwersja na skalę szarości. (A) Konwersja obszaru zainteresowania (AOI) na skalę szarości oraz (B) obraz wynikowy. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rycina uzupełniająca 3: Wybór parametrów do pomiaru. W oknie Select Measurement można wybrać parametry do pomiaru; w przypadku oceny topnienia lodów należy wybrać pole (area), szerokość ramki (box width) oraz wysokość ramki (box height). Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Rycina uzupełniająca 4: Segmentacja próbki lodów.W oknie „Segmentation” możliwe jest wybranie zakresów histogramu tak, aby objął on dokładnie obszar kształtu lodów. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający 5: Filtrowanie obiektów i funkcja Count.Czerwone linie zaznaczają rozpoznane jasne obiekty. Po zastosowaniu funkcji count i otwarciu okna „View, Measurement data” zostaną wyświetlone wyniki dla wybranych parametrów (A). Aby odfiltrować tylko kształt loda, w oknie „Select Measurement” można wybrać zakres minimalnej i maksymalnej powierzchni, dzięki czemu policzone zostaną parametry tylko jednego obiektu (B). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rycina uzupełniająca 6: Indeks zachowania kształtu (R). Przedstawiono wysokość pudełka (Ht, czerwona przerywana linia) oraz szerokość pudełka (Wt, czarna ciągła linia) wykorzystywane do obliczenia indeksu zachowania kształtu (R). Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Rysunek 3: Krzywe retencji kształtu i pola. Przykład krzywych retencji kształtu (A) i pola (B) dla lodów, na których naniesiono średnie wartości Rt/R0 oraz At/A0 w funkcji czasu; słupki błędów odpowiadają wartościom odchylenia standardowego uzyskanych w powtórzeniach analizy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
3. Opracowanie danych grawimetrycznych
(4)
(5)
Rysunek 4: Krzywa grawimetryczna. Przykład krzywej topnienia lodów uzyskanej metodą grawimetryczną. Oryginalna krzywa jest przedstawiona na czerwono; wybrany szereg danych w części liniowej zaznaczono na zielono; wyliczona linia regresji jest przedstawiona czarnymi kropkami. Przedstawiono również równanie oraz współczynnik determinacji (R2) linii regresji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
UWAGA: Aby uzyskać wiarygodne wyniki do analizy statystycznej, należy powtórzyć całą procedurę próby topnienia i przetwarzania obrazów co najmniej trzy razy dla każdej próbki.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Jako przykład proponowanych wyników CVS przedstawiono analizy roztopu dla trzech różnych formulacji lodów, porównane z danymi uzyskanymi metodą wagową. W szczególności zbadano zachowanie podczas topnienia lodów wykonanych z wykorzystaniem różnych słodzików (czyli sacharozy, sukromaltu i erytrytolu).
Tabela 1 oraz Rycina 5A przedstawiają wyniki indeksu zachowania kształtu (Rt/R0) dla trzech próbek lodów podczas topnienia. Do 4...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Zaproponowany system CVS pozwala na obliczenie indeksów utrzymania kształtu i powierzchni próbek lodów podczas topnienia, a ponadto umożliwia wizualizację procesu topnienia. Może on być łączony z tradycyjną metodą grawimetryczną stosowaną do oceny zachowania lodów podczas topnienia5, aby uzyskać wyniki dotyczące aspektu wizualnego produktów. Jest to bardzo istotne, ponieważ konsumenci oceniają ich jakość również na podstawie wyglądu zewnętrznego, a zdolność do zachowania kształtu podczas topnienia...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Gabinet | Cavallo s.r.l. | FTX700 | Miejsce próby topnienia |
| Aparat cyfrowy | Sony Group Corp | DSC-S650 | |
| Waga cyfrowa | Gibertini Elettronica | EU-C 4002 LCD | |
| ImagePro Plus 7.0 | Media Cybernetics, Inc | N/A | Oprogramowanie do analizy obrazu |
| Microsoft Excel | Microsoft | N/A | Opracowanie danych i grafika |
| Scalecom | Gibertini Elettronica | N/A | Statyw do akwizycji oprogramowania do wagi cyfrowej |
| Manfratto | #055 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.