Artykuł metodologiczny

Komputerowy system wizyjny do oceny topnienia lodów

2.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/66114

⸱

4 października 2024

 , 
1Department of Food, Environmental and Nutritional Sciences (DeFENS), Università degli Studi di Milano

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół oparty na komputerowym systemie wizyjnym (CVS) do określenia zachowania podczas topnienia wielofazowych systemów żywnościowych.

Streszczenie

Wprowadzenie

Lody to wielofazowy system, w którym fazy ciekłe, stałe i gazowe są ściśle połączone. Ciągła faza ciekła otacza pęcherzyki powietrza i kryształki lodu i zawiera częściowo skrystalizowane tłuszcze, białka koloidalne, sole, cukry (ostatecznie skrystalizowane) i stabilizatory. Skład lodów różni się w zależności od wymagań lokalnego rynku i ewentualnych przepisów. Chociaż technologia przetwarzania wpływa na charakterystykę końcowych lodów, każdy składnik odgrywa ważną rolę w definiowaniu jakości produktu1. Topnienie jest jednym z najważniejszych wskaźników jakościowych lodów, biorąc pod uwagę zjawiska zachodzące zarówno podczas spożycia, jak i w jamie ustnej. Wraz z przenikaniem ciepła do lodów, kryształki lodu topią się, a woda dyfunduje i miesza się z fazą surowicy, która może przepłynąć przez pozostałą strukturę2. Produkt szybkotopliwy jest niepożądany ze względu na wygodę jedzenia, ale także ze względu na gwarancję wyższej odporności na szok termiczny. Jednak produkty wolno topliwe wskazują również na pewne wady formulacji1. Wiadomo, że mikrostruktura lodów jest odpowiedzialna za właściwości topnienia3, ale do tej pory opublikowano kontrastujące wyniki, z których wynika, że wiedza na temat wpływu czynników mikrostrukturalnych na topnienie jest nadal ograniczona4. W związku z tym konieczne są dalsze badania, aby wyjaśnić mechanizm topnienia, co jest kluczowe również przy projektowaniu nowych formulacji3.

Zachowanie topnienia jest zwykle oceniane metodami grawimetrycznymi i wyrażane w kategoriach czasu rozpoczęcia i szybkości topnienia5. Daną porcję lodów umieszcza się na drucianej siatce w komorze o kontrolowanej temperaturze, a wagę stopionego produktu rejestruje się. Na podstawie krzywej waga-czas można wyróżnić trzy fazy: fazę opóźnienia, podczas której następuje przenikanie ciepła, fazę szybkiego topnienia z fazą rozcieńczonego serum przepływającą przez strukturę lodów z maksymalną szybkością oraz fazę stacjonarną, w której większość produktu wyciekała2.

Za pomocą metody grawimetrycznej można rozpoznać produkty wolno i szybko topiące; jednak aspekt lodów podczas topnienia jest również ważny, ponieważ zachowanie kształtu jest związane z dobrym składem i strukturą produktu6. W ten sposób procedura oparta na komputerowym systemie wizyjnym (CVS) może wspierać już istniejącą metodologię grawitacyjną, umożliwiając badanie wyglądu produktu podczas topienia. CVS-y mogą pobierać liczne atrybuty żywności3 (np. rozmiar, waga, kształt, tekstura i kolor) z dokładnymi szczegółami, których ludzkie oko nie może zaobserwować. Takie systemy są zwykle wykonane z aparatów cyfrowych i oprogramowania do przetwarzania obrazu7. Rzeczywiście, protokół oparty na CVS obejmuje dwa główne etapy: 1) akwizycję obrazu i 2) przetwarzanie obrazu. Można zastosować różne poziomy przetwarzania obrazu7, od najprostszych do bardziej złożonych, takich jak metody głębokiego uczenia do rozwoju sztucznej inteligencji8,9. W ostatnim czasie dużą uwagę poświęcono CVS w sektorze spożywczym i opracowano dużą liczbę aplikacji do kontroli bezpieczeństwa żywności, monitorowania przetwarzania żywności, wykrywania ciał obcych i innych dziedzin. Są szybkie, wydajne i nieniszczące, a tym samym stanowią ważne narzędzia do dostarczania konsumentom bezpiecznej żywności wysokiej jakości10.

W dziedzinie lodów zaproponowano metodę analizy obrazu do badania rekrystalizacji lodu za pomocą mikroskopii optycznej11. Niedawno obrazy rentgenowskiej tomografii komputerowej zostały przetworzone w celu analizy mikrostruktury 3D ciał miękkoporowatych, w tym lodów3. Jednak opracowanie prostych cyfrowych obrazów z czujnikiem CCD (Charge Coupled Device) może przynieść kilka korzyści pod względem łatwości pozyskiwania i renderowania aspektu lodów postrzeganego przez konsumentów. Niektórzy autorzy pokazują obrazy lodów podczas topnienia12, ale zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, ekstrakcja wskaźników numerycznych z obrazów została po raz pierwszy zgłoszona przez Moriano i Alamprese13.

Dlatego proponowany tutaj protokół, oparty na pracy Moriano i Alamprese13, ilustruje prosty CVS, który może być zastosowany do wsparcia już istniejącej metodologii grawitacyjnej do badania zachowania topnienia lodów. Schemat blokowy proponowanej metody jest zilustrowany na Rysunek 1. Zastosowanie takiego systemu pozwala na obliczenie dwóch wskaźników topnienia związanych z zachowaniem kształtu i szybkością topnienia. W szczególności w artykule po raz pierwszy opisano szczegółową konfigurację eksperymentalną i procedurę pozyskiwania obrazów cyfrowych podczas topnienia lodów oraz etapy przetwarzania obrazu. Poza tym wyniki uzyskane z lodów wyprodukowanych z różnymi substancjami słodzącymi (tj. sacharozą, sacharozą, sachuramaltem i erytrytolem) wskazują na potencjał tej metody.

figure-introduction-1
Rysunek 1: Schemat blokowy proponowanych metodologii. Podsumowanie ogólnych kroków dla proponowanego Komputerowego Systemu Wizyjnego i metody grawimetrycznej do badania zachowania topnienia lodów. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Protokół

1. Konfiguracja doświadczalna i procedury prób topienia

  1. Przygotowanie próbki lodów
    1. Wybierz przezroczyste kubki o stałej objętości i kształcie, z pokrywkami. Wytnij dwa długie paski papieru do pieczenia o szerokości około 2 cm i za pomocą taśmy papierowej przymocuj je do wewnętrznych ścianek kubka, aby utworzyły krzyż na dole. Zacznij napełniać kubek próbką lodów za pomocą szpatułki.
      UWAGA: Przed rozpoczęciem upewnij się, że lody mają temperaturę w zakresie od -7 °C do -12 °C, aby można je było rozprowadzić wewnątrz kubka. Zwróć uwagę, aby nie tworzyć pustych przestrzeni podczas napełniania kubka, regularnie sprawdzając przezroczystość kubka.
    2. Gdy kubek jest pełny, delikatnie odciągnij szpatułką nadmiar lodów, tworząc gładką i płaską powierzchnię. Zamknąć kubek pokrywką i przechowywać próbkę w temperaturze -30 °C przez co najmniej 24 godziny.
    3. Przed analizą kondycjonować próbkę w temperaturze -16 °C przez 24 godziny.
  2. Konfiguracja próby topienia i akwizycji obrazu
    1. Ustaw szafkę termostatyczną na 20 ± 1 °C. Włóż wagę cyfrową do szafki i podłącz ją do komputera z oprogramowaniem do rejestracji masy w funkcji czasu.
    2. Umieść cylinder z podziałką na wadze cyfrowej i zresetuj wagę. Nad cylindrem umieść wiszący lejek, aby pomóc zebrać stopione lody. Konfiguracja próby topnienia jest pokazana w Rysunek 2.
      UWAGA: Lejek powinien być zawieszony nad cylindrem, aby uniknąć przekroczenia pełnej skali wagi cyfrowej. Aby uniknąć niestabilności lejka podczas pozycjonowania próbki na początku analizy, należy go przymocować do półki szafki nad cylindrem.
    3. Ustaw aparat ze statywem przed drzwiami szafy na określonej wysokości i odległości, aby uzyskać najlepsze wiarygodne kadrowanie próbki.
      UWAGA: Upewnij się, że aparat jest dobrze wyrównany z próbką lodów, aby uniknąć błędów paralaksy podczas przetwarzania obrazu.
  3. Próba topnienia
    1. Przygotuj metalowy ekran z siatki drucianej wyposażony w odniesienie do rozmiaru. Wyjmij kubek do lodów z zamrażarki, zdejmij pokrywkę i zacznij delikatnie wkładać szpatułkę między lody a ścianki kubka, aby odłączyć próbkę od pojemnika.
      UWAGA: Kubek do lodów należy wyjąć z zamrażarki tylko wtedy, gdy poprzednie kroki (do kroku 1.2.3) zostaną zakończone, aby uniknąć stopienia przed rejestracją danych.
    2. Odrywając próbkę lodów od ścianek kubka, papier do pieczenia przyklej się do powierzchni lodów.
    3. Gdy cała próbka lodów zostanie odłączona od ścianek kubka, delikatnie pociągnij końce papieru do pieczenia, aby wyjąć lody i połóż je na metalowym sitku z siatki drucianej wraz z paskami papieru do pieczenia. Następnie ostrożnie usuń paski papieru do pieczenia z powierzchni lodów.
      UWAGA: Zwróć uwagę, aby nie zmieniać kształtu lodów podczas wykonywania kroków 1.3.1-1.3.3.
    4. Umieść metalową siatkę drucianą z próbką lodów na lejku w szafce. Za pomocą aparatu cyfrowego na statywie zrób pierwsze zdjęcie (t0) próbki lodów przy otwartych drzwiach szafki, zwracając uwagę, aby sfotografować również odniesienie do rozmiaru. Zamknij drzwi szafy i rozpocznij rejestrację danych grawimetrycznych co minutę za pomocą oprogramowania podłączonego do wagi.
      UWAGA: Nie używaj lampy błyskowej, aby uniknąć cieni na obrazie, i używaj bardzo kontrastowego tła, aby poprawić segmentację lodów. Sprawdź ostrość uzyskanego obrazu; Jeśli obraz jest nieostry, natychmiast zrób nowy.
    5. Zapisuj dane grawimetryczne przez 90 minut (jedna rejestracja na minutę) i rób zdjęcie próbki lodów (patrz krok 1.3.4) co 15 minut (w sumie 7 zdjęć).

figure-protocol-1
Rysunek 2: Konfiguracja testu topnienia. Rysunek pokazuje, jak skonfigurować próbę topnienia w szafie termostatycznej: Umieść szklany cylinder z podziałką na wadze cyfrowej, aby zebrać i zważyć stopione lody. Próbkę lodów umieszcza się na metalowym siatku drucianym na lejku zawieszonym nad cylindrem. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Przetwarzanie obrazu do obliczania wskaźników topnienia

  1. Przetwarzanie obrazu
    1. Pobierz obrazy cyfrowe z karty pamięci aparatu i zapisz je jako pliki .tiff lub .jpg bez kompresji.
    2. Użyj poleceń File > Open w oprogramowaniu do analizy obrazów, aby otworzyć obrazy lodów. Rozpocznij przetwarzanie pierwszego obrazu (t0), w razie potrzeby korygując obrót (polecenia: Edytuj > Obróć).
    3. Użyj odniesienia rozmiaru uzyskanego na każdym zdjęciu (patrz kroki 1.3.1. i 1.3.4.), aby skalibrować przestrzennie obraz (polecenia: Zmierz > Kalibracja > Przestrzenny > obrazu), konwertując piksele w milimetrach (Rysunek uzupełniający 1).
    4. Zaznacz prostokątny obszar zainteresowania (AOI), w tym próbkę lodów i omijając krawędź ekranu z metalowej siatki drucianej (polecenia: Edytuj > Nowy obszar zainteresowania > Prostokątny). Przytnij AOI i przekształć go w skalę szarości (głębia kolorów, 8) za pomocą poleceń Edytuj > Ukryty na > Skala szarości 8 (rysunek uzupełniający 2).
    5. Zastosuj filtr Najlepsze dopasowanie, który automatycznie dostosowuje jasność i kontrast (polecenia: Ulepsz > Wyrównaj > Najlepiej dopasuj).
    6. Przejdź do okna Measure > Count/Size (Liczba/rozmiar) oprogramowania i otwórz okno Measure (Miara), aby wybrać następujące parametry: Powierzchnia, Wysokość pudełka i Szerokość pudełka. Następnie kliknij przycisk OK, aby zamknąć to okno (Rysunek uzupełniający 3).
    7. Wybierz pomiar ręczny (oznacz opcję Ręczny w oknie Liczba/Rozmiar) i kliknij Wybierz zakresy, aby ustawić wartości histogramu, aby dokładnie podzielić jasny kształt lodów. Zamknij okno Segmentacja (Rysunek uzupełniający 4).
    8. Kliknij Count (Liczba) w oknie Count/Size (Liczba/Rozmiar) w oprogramowaniu, aby zmierzyć trzy parametry wybrane w kroku 2.1.6. Jeśli zliczane są jasne obiekty inne niż próbka lodów, należy użyć progu obszaru, aby przefiltrować obiekty (polecenia: Zmierz > Wybierz pomiary > Obszar; dostosuj zakres początkowy i końcowy). Wyświetl wyniki pomiaru, klikając Wyświetl > Dane pomiarowe (Rysunek uzupełniający 5). Użyj funkcji Plik > dane do schowka, aby skopiować wyniki pomiarów i wkleić je do arkusza kalkulacyjnego oprogramowania do zarządzania danymi.
    9. Powtórz kroki od 2.1.2 do 2.1.8 dla każdego obrazu zebranego podczas topnienia lodów.
  2. Ocena wskaźników topnienia
    UWAGA: Od teraz parametry rozmiaru mierzone na podstawie zdjęć lodów będą wskazywane w następujący sposób: A, obszar; H, wysokość pudełka; W, szerokość pudełka (rysunek uzupełniający 6).
    1. Korzystając z danych H i W obliczonych w poprzednim kroku 2.1 w różnych momentach t podczas topienia (0 min, 15 min, 30 min, 45 min, 75 min i 90 min), oblicz wskaźnik zachowania kształtu (Rt) zgodnie z równaniem 1:
      figure-protocol-2 (1)
    2. Zgodnie z równaniem 2 i równaniem 3, odnieś dane R i A obliczone za każdym razem do odpowiedniego indeksu w czasie 0 (R0 i A0) i wykreśl otrzymane wyniki w funkcji czasu, jak pokazano w Rysunek 3A, B. Trend At w funkcji czasu jest związany z szybkością topnienia lodów.
      figure-protocol-3 (2)
      figure-protocol-4 (3)

>Rysunek uzupełniający 1: Kalibracja przestrzenna obrazu. (A) Przejdź do okna Pomiar > Kalibracja > Przestrzenny oprogramowania do analizy obrazu. Wybierz pozycję Nowy, a następnie oznacz pozycję Obraz, aby otworzyć okno Skalowanie. Wskazana jest długość referencyjna w jednostce do konwersji pikseli (np. milimetrów). (B) Ostrożnie nałóż zielony pasek na część referencyjną odpowiadającą wskazanej długości i kliknij OK. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Rysunek uzupełniający 2: Przycinanie AOI i przekształcanie go w skalę szarości. (A) Konwersja obszaru zainteresowania (AOI) na skalę szarości i (B) wynikowy obraz. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Rysunek uzupełniający 3: Wybór parametrów do pomiaru. W oknie Wybierz pomiar można wybrać parametry, które mają być mierzone; Do oceny topnienia lodów należy wybrać obszar, szerokość pudełka i wysokość pudełka. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Rysunek uzupełniający 4: Segmentacja próbki lodów. W oknie "Segmentacja" można wybrać zakresy histogramu, które mają być brane pod uwagę, aby pokrywały dokładnie obszar kształtu lodów. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Rysunek uzupełniający 5: Filtrowanie obiektów i funkcja Count. Czerwone linie podświetlają rozpoznane jasne obiekty. Stosując funkcję zliczania i otwierając okno "Widok, Dane pomiarowe", zostaną wyświetlone wyniki wybranych parametrów (A). Aby filtrować tylko kształt lodów, można wybrać minimalny i maksymalny zakres obszaru w oknie "Wybierz pomiar", zliczając w ten sposób tylko parametry jednego obiektu (B). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Rysunek uzupełniający 6: Wskaźnik zachowania kształtu (R). Pokazana jest wysokość ramki (wys.t, czerwona linia przerywana) i szerokość ramki (szer.t, linia ciągła) używane do obliczania wskaźnika zachowania kształtu (R). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

figure-protocol-5
Rysunek 3: Krzywe zachowania kształtu i obszaru. Przykład krzywych zatrzymywania powierzchni lodów (A) i (B), w których wykreśla się średnie wartości Rt/R0 i At/A0 w czasie; Słupki błędów odpowiadają wartościom odchylenia standardowego uzyskanym w wyniku powtórzeń analizy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Opracowanie danych grawimetrycznych

  1. Pod koniec próby topienia (90 min) zapisz arkusz kalkulacyjny z wagą stopionej próbki (gramy) na każdą minutę analizy uzyskaną przez oprogramowanie podłączone do wagi cyfrowej.
  2. Otwórz arkusz kalkulacyjny wagi w oprogramowaniu do zarządzania danymi, aby utworzyć wykres masy stopionej (gramów) w funkcji czasu (minut), uzyskując w ten sposób krzywą topnienia próbki lodów.
  3. Wybierz dane w liniowej części krzywej topnienia i oblicz linię regresji metodą najmniejszych kwadratów, rejestrując równanie 4 i współczynnik regresji (R2).
    figure-protocol-6 (4)
  4. Wartość nachylenia linii regresji (m) to szybkość topnienia lodów (gramy/minutę). Obliczyć czas rozpoczęcia topnienia (ts; minuta) jako punkt przecięcia z osią x (gdy y = 0) w następujący sposób:
    figure-protocol-7 (5)

figure-protocol-8
Rysunek 4: Krzywa grawimetryczna. Przykład krzywej topnienia lodów otrzymanej metodą grawimetryczną. Oryginalna krzywa jest pokazana na czerwono; Wybrane serie danych w części liniowej są pokazane na zielono; Obliczona linia regresji jest pokazana w czarnych kropkach. Pokazane jest również równanie i współczynnik determinacji (R2) linii regresji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

UWAGA: Aby uzyskać wiarygodne wyniki do analizy statystycznej, powtórz całą procedurę próby topnienia i przetwarzania obrazu co najmniej trzy razy dla każdej próbki.

Wyniki

Jako przykład proponowanych wyników CVS, pokazane są wyniki analiz topnienia dla trzech różnych receptur lodów, porównane z danymi uzyskanymi metodą grawimetryczną. W szczególności badano topnienie lodów wykonanych z różnymi substancjami słodzącymi (tj. sacharozą, sucromaltem i erytrytolem).

Tabela 1 i Rysunek 5A pokazuje wyniki wskaźnika zachowania kształtu (Rt/R0) dla trzech próbek lodów podczas topnienia. Podobne zachowanie kształtu zaobserwowano dla wszystkich próbek do 45 minut; następnie próbka wykonana z sacharozy traciła swój kształt szybciej niż inne produkty, co skutkowało znacznie niższym Rt / R0 zgodnie z jednokierunkową analizą wariancji (ANOVA), a następnie testem najmniejszej znaczącej różnicy (LSD) (p < 0,05). Tylko próbka zawierająca erytrytol zachowała swój kształt do końca badania, dając mierzalne wartości R, t/R0.

pkt. pkt. pkt. pkt. pkt. Rozdział pkt. pkt. pkt. Rozdział pkt. pkt. pkt. Rozdział pkt. pkt.
SACHAROZASUCROMALTERYTRYTOL
Czas (min)At/A0s.d.At/A0s.d.At/A0s.d.
0godz. 1.00-godz. 1.00-godz. 1.00-
150,91a0,010,93a0,020,92a0,04
Rozdział 300,76a0,040,82a0,020,84a0,04
Rozdział 450,56a0,040,66ab0,020,74mld0,03
600,32a0,010,46mld0,020,62stopnia Celsjusza0,01
750,13a0,010,24mld0,020,52stopnia Celsjusza0,02
90b.d.-b.d.-0,400,01
b.d., niewykrywalne

Tabela 1: Średnie i wartości odchylenia standardowego wskaźników zachowania kształtu dla trzech próbek lodów wyprodukowanych z różnymi substancjami słodzącymi. Różne małe litery w tym samym wierszu oznaczają znacznie różne wartości średnie (p < 0,05).

figure-results-1
Rysunek 5: Krzywe zachowania kształtu i obszaru dla trzech próbek lodów wyprodukowanych z różnymi substancjami słodzącymi. (A) Kształt i (B) krzywe zachowania powierzchni. Różowa linia reprezentuje próbkę sacharozy, traktowaną jako odniesienie; Żółta linia reprezentuje próbkę sucromaltu, a niebieska linia reprezentuje próbkę erytrytolu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Próbka z erytrytolem również wykazała niższy wskaźnik topnienia, o czym świadczą wskaźniki topnienia At/A0 (Tabela 2 i Rysunek 5B). Po 45 minutach próbka erytrytolu wykazywała istotnie (p < 0,05) najwyższą retencję powierzchniową, a następnie lody zawierające odpowiednio sachakromalt i sacharozę.

pkt. pkt. pkt. pkt. pkt. pkt. pkt. Rozdział pkt. pkt. Rozdział pkt. pkt. pkt. Rozdział pkt.
SACHAROZASUCROMALTERYTRYTOL
Czas (min)Rt/R0s.d.Rt/R0s.d.Rt/R0s.d.
0godz. 1.00-godz. 1.00-godz. 1.00-
150,98a0,040,97a0,010,93a0,02
Rozdział 300,94a0,050,94a0,020,89a0,02
Rozdział 450,80a0,030,89a0,020,84a0,02
600,64a0,040,78mld0,010,76mld0,03
750,54a0,030,65a0,010,60a0,07
90b.d.-b.d.-0,450,06
b.d., niewykrywalne

Tabela 2: Średnie i wartości odchylenia standardowego wskaźników retencji powierzchni dla trzech próbek lodów wyprodukowanych z różnymi substancjami słodzącymi. Różne małe litery w tym samym wierszu oznaczają znacznie różne wartości średnie (p < 0,05).

Wyniki zostały również potwierdzone przez analizę grawimetryczną, której dane są podane w Tabeli 3 pod względem czasu rozpoczęcia topnienia (tS) i szybkości topnienia (gramy/minutę). Jednak w tym przypadku nie stwierdzono istotnych różnic przy zastosowaniu ANOVA (p > 0,05).

pkt. pkt.
SACHAROZASUCROMALTERYTRYTOL
znaczyćs.d.znaczyćs.d.znaczyćs.d.
ts (min)15,3a1.416,4a1.417,2a2.6
Szybkość topnienia (g/min)2,67a0,262,29a0,091,96a0,41

Tabela 3: Średnie i wartości odchylenia standardowego wskaźników topnienia obliczone metodami grawimetrycznymi dla trzech próbek lodów wyprodukowanych z różnymi substancjami słodzącymi. ts, czas rozpoczęcia topnienia. Różne małe litery w tym samym wierszu oznaczają znacznie różne wartości średnie (p < 0,05).

Rysunek 6 pokazuje niektóre przetworzone (krok 2.1) zdjęcia uzyskane podczas prób topnienia (krok 1.3) trzech próbek lodów; można zauważyć dobre zachowanie kształtu wszystkich próbek i najniższą szybkość topnienia lodów wykonanych z erytrytolu, które nie zostały całkowicie stopione po 90 minutach.

figure-results-2
Rysunek 6: Stopienie trzech próbek lodów. Zdjęcia robione co 15 minut podczas topnienia trzech próbek lodów wyprodukowanych z różnymi substancjami słodzącymi. Przetworzono obrazy trzech próbek lodów podczas topienia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

Proponowany CVS umożliwia obliczanie wskaźników retencji kształtu i powierzchni próbek lodów podczas topienia, a także wizualizację procesu topienia. Można go połączyć z tradycyjną metodą grawimetryczną stosowaną do oceny topnienia lodów5, w celu uzyskania wyników związanych z aspektem lodów. Jest to bardzo ważne, ponieważ konsumenci oceniają ich jakość również na podstawie wyglądu wizualnego produktu, a zdolność do zachowania kształtu podczas topienia jest związana ze składem i strukturą lodów 1,3. Zastosowanie tego systemu w przemyśle spożywczym może usprawnić kontrolę jakości, a także badania i rozwój nowych formulacji.

Przykład wyników uzyskanych dla stopienia trzech próbek lodów, różniących się pod względem użytych substancji słodzących, wykazał, że proponowany CVS jest wrażliwy na różne składy (tabela 1 i tabela 2), nawet bardziej niż metoda grawimetryczna, która nie była w stanie uwidocznić istotnych różnic między próbkami (tabela 3). Wrażliwość wskaźnika zachowania kształtu na formulację lodów została również wykazana w naszych poprzednich pracach 13,14,15,16. Ze względu na wysoką czułość proponowanej metody może ona nawet zastąpić procedurę grawimetryczną.

Oprócz przygotowania próbki lodów, najbardziej krytyczne etapy opracowywanego CVS są związane z dobrym przechwytywaniem obrazu i segmentacją7. Odniesienie danych Rt i At do wartości początkowych obliczonych w czasie 0 zapobiega ewentualnym wprowadzającym w błąd wynikom wynikającym z różnych eksperymentów przeprowadzonych wśród powtórzeń. Jednak błędy paralaksy podczas akwizycji obrazu mogą skutkować przeszacowaniem powierzchni próbki podczas topienia, zwłaszcza jeśli obrazy zebrane w jednej próbie nie są spójne z powodu zmiany położenia kamery z jednej akwizycji na drugą. W związku z tym należy zwrócić dużą uwagę na ustawienie procedury akwizycji obrazu, upewnienie się, że metalowy ekran z siatki drucianej z próbką na górze jest idealnie wyrównany z obiektywem kamery oraz staranne zdefiniowanie i zabezpieczenie pozycji kamery przed szafą termostatyczną. Podobnie, zła segmentacja obrazu może prowadzić do przeszacowania lub niedoszacowania powierzchni lodów, ale także H i W, co skutkuje bezsensownymi wskaźnikami zachowania kształtu. W tym przypadku większym źródłem błędu są ewentualne kolce na krawędzi porcji lodów umieszczonej na drucianej siatce lub pęcherzyki pojawiające się na powierzchni lodów podczas topienia (rysunek 7), które należy usunąć z jasnego kształtu przed pomiarem powierzchni pudełka oraz pudełka W i H. Można to rozwiązać, korzystając z funkcji Split Object w oprogramowaniu do analizy obrazu. Tło o wysokim kontraście jest również przydatne dla lepszej segmentacji obrazu7. Kolor tła należy dobrać na podstawie koloru próbki lodów, a dla lepszego kontrastu pożądane jest wysokie nasycenie kolorów.

figure-discussion-1
Rysunek 7: Możliwe źródła błędów w segmentacji kształtu lodów. Czerwone strzałki wskazują możliwe kolce i bąbelki na kształcie lodów, które mogą prowadzić do błędnego obliczenia powierzchni, wysokości i szerokości. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Jeśli obrazy są dobrze zebrane i przetworzone, CVS jest jeszcze bardziej czuły i precyzyjny niż metodologia grawimetryczna. Rzeczywiście, w pokazanych przykładach współczynniki zmienności dla analiz grawimetrycznych wahały się od 4% do 20%, co sprawia, że wszystkie średnie dane nie różnią się znacząco (ANOVA, p > 0,05). Wręcz przeciwnie, dla wskaźników CVS wartości współczynnika zmienności wahały się od 0,1% do 13%, co ujawniło istotne różnice między trzema próbkami lodów podczas topnienia (tab. 1 i tabela 2). Zmniejszenie szybkości topnienia spowodowane przez erytrytol jest prawdopodobnie związane z tworzeniem się amorficznych kryształków cukru podczas zamrażania lodów oraz niższą rozpuszczalnością tego słodzika w porównaniu z sacharozą i sacharoltem, co odpowiada za większą ilość zamrożonej wody w produkcie końcowym13. Inne udane zastosowania CVS zaproponowane tutaj można znaleźć w naszych poprzednich badaniach 13,14,15,16.

Gdy zostanie osiągnięta dobra standaryzacja procedury przetwarzania obrazu, można ustawić automatyczne przetwarzanie obrazu za pomocą funkcji Macro-Recording w oprogramowaniu do analizy obrazu, co znacznie przyspiesza proces opracowywania. Oczywiście zawsze potrzebna jest dokładna korekta danych przez operatora, aby uniknąć artefaktów i błędnych danych. Ponadto można opracować krzywe zachowania kształtu i powierzchni w celu obliczenia parametrów kinetyki i zastąpienia metody grawimetrycznej.

Protokół może być również stosowany do innych produktów spożywczych, dla których ważna jest szybkość topnienia i wskaźnik zachowania kształtu, takich jak musy i pianki (np. bite mleko, śmietana i białko jaja). Najważniejszą kwestią jest samodzielność produktów, natomiast temperatura podczas prób topienia może być dostosowana do konkretnego produktu.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
GabinetCavallo s.r.l.FTX700Miejsce próby topnienia
Aparat cyfrowySony Group CorpDSC-S650
Waga cyfrowaGibertini ElettronicaEU-C 4002 LCD
ImagePro Plus 7.0Media Cybernetics, IncN/AOprogramowanie do analizy obrazu
Microsoft ExcelMicrosoftN/AOpracowanie danych i grafika
ScalecomGibertini ElettronicaN/AStatyw do akwizycji oprogramowania do wagi cyfrowej
Manfratto#055

Bibliografia

  1. Marshall, R. T., Arbuckle, W. S. Ice Cream. , Chapman and Hall. New York. (1996).
  2. Goff, H. D., Hartel, R. W. Ice Cream. , Springer. Boston. (2013).
  3. Metilli, L., et al. Investigating the microstructure of soft, microporous matter with synchrotron X-ray tomography. Materials Characterization. 180, 111408(2021).
  4. Liu, X., Sala, G., Scholten, E. Structural and functional differences between ice crystal-dominated and fat network-dominated ice cream. Food Hydrocolloids. 138, 108466(2023).
  5. Alamprese, C., Foschino, R., Rossi, M., Pompei, C., Savani, L. Survival of Lactobacillus johnsonii La1 and influence of its addition in retail-manufactured ice cream produced with different sugar and fat concentrations. International Dairy Journal. 12 (2-3), 201-208 (2002).
  6. Alamprese, C., Foschino, R. Technology and Stability of Probiotic and Prebiotic Ice Cream. Probiotic and Prebiotic Foods: Technology, Stability and Benefits to Human Health. , Nova Science Publishers, Inc. Hauppauge, NY. Chapter 11 (2011).
  7. Golnabi, H., Asadpour, A. Design and application of industrial machine vision systems. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 23 (6), 630-637 (2007).
  8. Patel, C., et al. DBGC: Dimension-based generic convolution block for object recognition. Sensors. 22 (5), 1780(2022).
  9. Bhatt, D., et al. CNN variants for computer vision: History, architecture, application, challenges and future scope. Electronics. 10 (20), 2470(2021).
  10. Zhu, L., Spachos, P., Pensini, E., Plataniotis, K. N. Deep learning and machine vision for food processing: A survey. Current Research in Food Science. 4, 233-249 (2021).
  11. Donhowe, D. P., Hartel, R. W. Recrystallization of ice in ice cream during controlled accelerated storage. International Dairy Journal. 6 (11-12), 1191-1208 (1996).
  12. Velásquez-Cock, J., et al. Influence of cellulose nanofibrils on the structural elements of ice cream. Food Hydrocolloids. 87, 204-213 (2019).
  13. Moriano, M. E., Alamprese, C. Honey, trehalose and erythritol as sucrose-alternative sweeteners for artisanal ice cream. A pilot study. LWT-Food Science & Technology. 75, 329-334 (2017).
  14. Loffredi, E., Moriano, M. E., Masseroni, L., Alamprese, C. Effects of different emulsifier substitutes on artisanal ice cream quality. LWT-Food Science & Technology. 137, 110499(2021).
  15. Loffredi, E., Alamprese, C. Optimisation of a blend of emulsifier substitutes for clean-label artisanal ice cream. LWT-Food Science & Technology. 173, 114338(2023).
  16. Moriano, M. E., Alamprese, C. Organogels as novel ingredients for low saturated fat ice creams. LWT-Food Science & Technology. 86, 371-376 (2017).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Zachowanie kszta tuszybko topnieniaanaliza grawimetrycznaprzetwarzanie obrazuobrazowanie cyfrowepomiar powierzchnipor wnanie s odzik w

Powiązane artykuły