计算机辅助X光断层扫描对半甜韧性饼干的质构无损量化检测

王艳婕，田金河，宋琳琳，张朝辉，张明霞,*

（1.河南科技学院生命科技学院，河南 新乡 453003；2.河南省现代生物育种协同创新中心，河南 新乡 453003；3.新乡学院生命科学技术学院，河南 新乡 453003）

半甜韧性饼干（简称饼干），如各种早餐饼干、手指饼干等[1]，是一种深受消费者喜爱的方便食品，这类饼干的配方及工艺特征在于较高的含糖量以及在面团搅拌及成型过程中会形成弹性的面筋网络[2]，这使得饼干在生产过程中必须加入一定的添加剂来减弱面筋以避免饼干坯的变形。此类饼干吸引人之处除了香甜可口的味道以外，蓬松酥脆的口感也是其区别于其他食品的重要特征[3]，而这一特殊口感主要来源于饼干独特的多孔性组织特征[4-5]。因此对饼干组织结构的研究，是产品质量控制以及新产品研发的重要内容。但饼干的易碎特性导致无法对其像面包或蛋糕一样进行切片并对内部组织进行观察和定量计算[6-8]，因而对其质构特征的研究方法仅限于表象或总体研究，如通过电子显微镜扫描[9-10]、总体的感官研究（质构仪）[11-13]或者表观物理指标研究[14]，能够精确量化饼干内部组织结构的方法尚鲜见报道，因而对不同原辅料及生产工艺所产生的饼干内部组织的变化无法进行系统的对照研究。

X光断层扫描全称为计算机辅助X光断层扫描（X-ray computed tomography，CT），这一投射技术最早于1971年被开发出来，一直以来主要是在医学上的应用不断推动其进步发展[15]。由于利用CT技术对物质结构进行研究具有非侵入、结果无赝像以及样品无需特殊处理等优点，目前国际上已有许多研究者将CT技术应用于食品质构的研究上。如Babin[16]、Turbin-Orger[17]等利用CT技术建立了面团发酵过程中气泡形成与扩张过程的动态模型；Guessasma等[18]利用CT图像研究了面包在应力形变过程中气孔尺寸及分布的变化特征；Lim等[19]则利用这一技术对巧克力蛋糕、充气巧克力棒及糖果等多孔食品的气孔尺寸和分布特征进行了研究；对于饼干类产品，Pareyt等[20]利用CT技术研究了曲奇饼干中糖油含量对饼干质构特征的影响，但目前将CT用于韧性饼干质构的研究尚鲜见报道。

本研究利用工业微焦距CT仪对由添加不同剂量的蛋白酶或焦亚硫酸钠（以下简称焦亚）的面团所制备的饼干进行了质构分析，将其结果与饼干常规物理特性进行相关性分析，期望对饼干内部组织结构的衡量与评价的方法有所突破。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

面粉（白玉兰高级糕点粉） 广州市南方面粉股份有限公司；油脂（金燕起酥油） 嘉里油脂化学工业（天津）有限公司；桂花牌白砂糖 南宁桂华糖业有限公司；奶粉（雀巢甜奶粉） 黑龙江双城雀巢有限公司；BK5020蛋白酶 德国穆勒酶制剂有限公司；碳酸氢钠、碳酸氢铵、焦亚、氯化钠等（均为分析纯）天津启轮化学科技有限公司。

1.2 仪器与设备

HL200双螺旋搅拌桨搅拌机 美国Hobart设备有限公司；SIM503压面机 瑞士SeewRondo公司；PCCOLO-2BASIC醒发箱及烤炉 德国富照设备有限公司；0～150 mm游标卡尺 上海三环量具有限公司；JA41002B电子天平 上海仪电科学仪器股份有限公司；CT系统、MG226X射线管（焦点尺寸为0.1 mm）、Y.XRD 0820 AN18平板感应器、VG Studio MAX2.0 CT重构软件 德国依科思朗设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 面团制作与饼干烘烤

面团基本配方为：面粉1 000 g、水250 g、白砂糖200 g、白酥油170 g、盐8 g、碳酸氢钠5 g、奶粉25 g、碳酸氢铵20 g。在基本配方基础上，加入不同质量的蛋白酶或焦亚以起到减弱面团中面筋的作用（减筋），其中加入蛋白酶的质量为0.4～2.0 g，梯度为0.2 g；加入焦亚的质量为0.1～0.9 g，梯度为0.1 g。连同基本配方共形成19 个面团配方。以基本配方制得的饼干为对照组，以加入蛋白酶或焦亚的配方制得的饼干样品称为蛋白酶饼干或焦亚饼干，具体以3 个大写字母和2 个数字组合对其进行编号，PRO和SMS分别代表面团中加入了蛋白酶或焦亚，两个数字代表添加量。

面团制作：先分别溶解蛋白酶或焦亚、碳酸氢铵以及奶粉，再将其余原材料加入搅拌桶，之后加入溶解的原料以及剩余水，搅拌使各原料混合形成面团，在摩擦作用下，面团会升温至（45.0±0.5）℃，之后于醒发箱（45 ℃）内松弛10 min（加入焦亚的面团）或者60 min（加入蛋白酶的面团）；松弛结束后，将面团经压面机以12、9、6、4 mm的辊间隙逐步压延成面片，之后将面片在长度方向上三等分并折叠，转置90°角后，重复上述压延过程，共压延3 次，3 次压延后将面片进一步以3.0、2.0、1.5 mm的辊间隙逐步压延至1.5 mm厚，室温松弛5 min后，利用手工印模器在面片上压印切片成型。

饼干烘烤：将制作好的面团置于220 ℃烤炉中烘烤12～14 min（不同饼干厚度不同，以饼干表面颜色金黄为准），出炉后冷却至26 ℃，最后装入样品袋并放入干燥器内备用。

1.3.2 CT测试

对饼干的CT测试参考Lim等[19]的方法，略有调整。测试时，从每组饼干样品随机取3 个分别进行扫描测试。扫描时将饼干直接垂直固定于泡沫样品台上表面中心位置，饼干正面垂直面对X光源，饼干中心字体“MARIE”保持垂直于水平面。由于泡沫样品台密度非常小，由此带来的噪声可以轻易消除。扫描开始后，样品以样品（台）中心线为轴，以0.25°为递增量，从0°旋转至360°，每个递增量停顿时，由X射线管发射X光对样品在平板感应器进行投影，共获得1 440 张投影。扫描过程中采用两种不同的X光射线管工作电压：140 kV和200 kV。工作时，需在X射线管管口加盖3 片0.5 mm厚的铜片以减少光柱硬化。

1.3.3 CT结果处理

1.3.3.1 饼干的三维结构观察

图1 饼干CT扫描结果处理示意图Fig.1 Schematic illustration of CT results

对CT所得1 440 张投影利用重构软件进行组合，并根据Feldkamp算法[21]重构成为样品的三维结构数据，即以1 024 张厚度为1 像素的二维图像（每张图像分辨率1 024×1 024）堆叠形式保存。从三维结构数据中提取可以将整个饼干样品完全包含的100×700×700区域（图1A），并利用Otsu[22]的方法计算确定整个饼干用于区分气泡与固体物质的灰度阈值。利用CT重构软件的分割功能，可以对饼干内部任意3 个维度上剖面结构进行观察（图1B），利用这一功能对有代表性的蛋白酶饼干和焦亚饼干样品的三维立体重构图进行对比分析。

1.3.3.2 饼干轴向垂直截面气泡的二维形态观察

为避免边界以及打孔产生影响，从饼干样品的中心部位提取一个150×150×25体素的长方体ROI（图1B）用于计算饼干的孔隙率（气泡占饼干总体积的比例）和气泡轴向垂直截面平均面积。利用灰度阈值对组成ROI的轴向垂直截面图像堆叠（含150 张图像）中的每张原始图像进行二分位处理（图1C），从而可对饼干轴向垂直截面的气泡二维形态进行观察。为观察不同饼干气泡结构特征，从不同样品的ROI轴向图像堆叠中随机提取二分位图像进行对比。

1.3.3.3 饼干常规物理常数及CT参数的测定

由于面团的收缩导致饼干呈现椭圆形，需要对饼干的厚度、长轴直径与短轴直径分别通过游标卡尺测定；饼干的变形率通过长轴直径与短轴直径的比值计算得到。饼干的表观密度测定参考谢婧等[23]测定饼干比容的方法。测定时，从每一批次饼干中随机取10 个饼干进行测量和计算，计算结果以平均值计。

在ROI的轴向垂直截面图像的二分位处理的基础上，利用ImageJ Freeware软件的颗粒分析功能计算每个堆叠图像中的气泡轴向垂直截面（厚度为1 个体素）的面积（Axy）[20]。根据公式（1）、（2）计算孔隙率和气泡轴向垂直截面平均面积。

式中：Sa表示气泡轴向垂直截面平均面积/mm2；Kx表示图像堆叠中任何一张图像中的独立气泡截面数量/个；Sxy表示一个堆叠图像上的一个气泡轴向垂直截面（厚度为一个体素）的面积/mm2；x表示该气泡截面所处的图像在堆叠中的序号，其值为1～150；y代表该气泡截面在所处的图像上的序号，其值为1～Kx；P表示饼干的孔隙率/%；562 500表示ROI中总体素数量；0.009 4表示一个像素的面积/mm2。

1.3.3.4 饼干气泡分布的测定

为研究不同饼干样品中气泡大小分布特征，利用ImageJ Freeware软件对每个样品ROI中的所有气泡轴向垂直截面面积（Sxy）进行统计分析，计算不同大小的气泡截面在所有气泡截面中所占比例。另外根据Kelkar等[24]的方法，计算各饼干样品的CT密度。

1.4 统计分析方法

利用SAS 8.1软件对实验数据进行统计分析。采用Duncan多线程检测法对样品参数进行方差分析（P＜0.05）；采用Pearson相关系数评价不同指标间的相关性。

2 结果与分析

2.1 饼干质构的三维观察分析

观察不同样品发现，当饼干变形率为1.05时，不易察觉其轻微的变形，外观基本表现为圆形。当进一步增加蛋白酶或焦亚的量时，由于面团面筋网络被破坏，饼干表面光滑度变差，组织疏松度变差；因此，选择变形率为1.05的PRO14和SMS06样品（表1）分别作为蛋白酶饼干和焦亚饼干的代表，通过其ROI三维重构图观察其组织构造。由图2可知，三维重构图可以清晰地将饼干内部的三维立体结构呈现出来。半甜韧性饼干的气泡数量少、近似球形或椭球形，不同气泡间具有高度的连通度，这一特征与Chevallier等[25]所研究的酥性饼干结构特征比较接近，但与其他常见的多孔类食品结构差别显著，如面包面团[16,26]、蛋糕[27]、巧克力马芬、巧克力棒及草莓奶油慕斯类食品[19]中的气泡多为独立的圆球形气泡，连通度较低。另外，对比两种饼干发现，整体上，蛋白酶饼干的组织更为疏松，而焦亚饼干的组织明显更为致密。从气泡外形特征来看，蛋白酶饼干的组织结构更为疏松，存在较大的孔洞，气泡更为接近球形；而焦亚饼干的组织结构更为致密，气泡多为扁平型。这一区别可能是由于两种不同的添加剂具有不同的减筋原理所致。

图2 样品PRO14（A）和SMS06（B）中ROI的三维重构图Fig.2 ROI reconstruction of samples PRO14 (A) and SMS06 (B)

2.2 饼干质构的轴向垂直截面二维形态观察分析

由于饼干内部组织孔洞高度通连，因此按照常规气孔研究方式计算其气泡三维直径以及气泡壁厚[18]等指标没有实际意义，本研究参照Lim等[19]的方法对饼干气泡在轴向垂直截面上的二维特征进行研究。图3是从11 个代表性样品的ROI图像堆叠中抽取的有代表性的轴向垂直截面二分位图。通过观察各样品轴向垂直截面结构发现，饼干的气泡截面多为长条形，少有圆形，且均为不规则形状，这与饼干三维重构图反映出的结构特征相同，即饼干内气泡为不规则的扁平形。在Saleem[9]、Mamat[10]等的研究中，扫描电子显微镜照片显示出半甜韧性饼干微观气孔局部结构均为扁平状，这与本研究中的气泡二维图所显示的特征一致。随着蛋白酶或焦亚的添加量增加，饼干层次感变差，气泡的相对尺寸逐渐减小，可能是蛋白酶或焦亚导致面筋网络被破坏，其延展性减弱，因而气体保持能力减弱。虽然蛋白酶和焦亚的减筋作用都使得饼干气泡尺寸减小，但是前者剂量的增加使饼干内部出现更大的气泡，饼干层次感变差；而后者剂量的增加则使饼干内部出现更多细碎的气泡，但仍多为扁平状，使饼干截面仍有较明显的层次感，这方面的差异与三维重构图所表现出的特征相一致。蛋白酶饼干和焦亚饼干气泡大小具有差别的原因可能在于，随着蛋白酶添加量的增加，面筋蛋白分子被降解，分子长度减小，但不影响分子间二硫键的交联形成，面团中仍然可以形成连续的面筋蛋白分子网络，并保持了一定的延展性，因而能形成相对较大的气泡；而焦亚的作用在于切断面筋蛋白分子间的二硫键，因而面团中连续的面筋蛋白分子网络无法形成[28]，面团延展性较差，无法形成较大气泡。根据Dobraszczyk[29]的分子纠缠理论，连续的面筋蛋白分子网络中分子纠缠力较强，因而面团宏观的延展性较好。关于蛋白酶和焦亚对面团延展性的不同影响结果，在田金河等[30]的饼干面团流变学研究中也有报道。

图3 代表样品ROI的气泡垂直轴向截面图Fig.3 Axial cross-sectional images of bubbles from representative samples

2.3 饼干常规物理参数及CT参数结果

表1 饼干常规物理参数及CT参数结果Table1 Physical properties and X-ray CT parameters of biscuits

由表1可知，随着蛋白酶或焦亚剂量的增加，饼干变形率和厚度均逐渐减小，表观密度逐渐增加，反映了烘烤过程中面团保持气体的能力降低；并且当蛋白酶剂量增加至1.2 g或焦亚剂量增加至0.6 g时，饼干变形率较低（≤1.05），这表明饼干面团筋力减弱、弹性变小，面团收缩现象得到有效控制。观察饼干的CT参数结果，可以发现饼干CT密度与表观密度变化趋势一致，孔隙率、气泡截面平均面积的变化则与饼干厚度变化趋势一致。其中CT密度逐渐增大及孔隙率逐渐减小反映出饼干面团保持空气能力逐渐减小。

表2 变形率不大于1.05的蛋白酶及焦亚饼干物理参数、CT参数的平均值Table2 Comparison of physical properties and CT parameters between biscuits with reduced gluten strength by protease and SMS at the same eccentricity (≤1.05)

当饼干变形率小于1.05时，饼干面团收缩形变可以忽略，表明蛋白酶和焦亚对面团产生了效果相当的减筋作用。表2中是蛋白酶饼干（PRO12～PRO20）和焦亚饼干（SMS06～SMS09）的物理参数及CT参数的对比结果。结果表明，焦亚饼干厚度显著小于蛋白酶饼干，表观密度显著大于蛋白酶饼干（P＜0.05），这表明在同等减筋效果条件下，蛋白酶和焦亚由于其对面筋网络不同的作用方式给饼干的物理特性带来不同影响。观察CT参数，这一差别同样可以反映出：蛋白酶面团饼干具有更小的CT密度以及更大的孔隙率值和气泡截面平均面积值。

表3 饼干物理特性与CT参数结果相关性分析Table3 Correlation coefficients between biscuit physical properties and CT parameters

相关性分析表明（表3），3 项CT参数结果与蛋白酶或焦亚添加量均表现出显著相关性（R＞0.9，P＜0.05），同时与饼干物理测试所得到的参数（厚度及表观密度）之间也有显著相关性（R＞0.9，P＜0.05）。

以上结果表明，饼干CT参数不仅能够很好地反映蛋白酶或焦亚剂添加量不同所导致饼干质构方面产生的差异，也可以反映出减筋原理不同所导致饼干质构方面产生的差异。

2.4 饼干气泡分布规律

为进一步研究蛋白酶饼干与焦亚饼干质构特征差异性，从变形率较小（≤1.06）的饼干样品中，选取等距剂量梯度的蛋白酶饼干（PRO12、PRO16、PRO20）和焦亚饼干（SMS05、SMS07、SMS09）样品作为代表，分析样品ROI中轴向垂直截面上不同截面积（即ROI内所有Sxy的面积）气泡的分布特征。由图4可知，对于变形率较小的饼干样品，蛋白酶饼干ROI中，截面积小于0.188 mm2的气泡数量占总计数量的不足50%，而焦亚饼干中的气泡数量均超过了70%；蛋白酶饼干ROI中，气泡截面积超过0.564 mm2的气泡数量超过15%，而焦亚饼干中不足2.5%。以上数据充分显示出，在水平相当的减筋作用下，焦亚面团饼干中的二维气泡以较细碎的形式存在，而蛋白酶面团饼干中的则以更大孔洞形式存在。通过CT测试所获取的饼干二维气泡截面积分布特征结果精准地量化了前述由于不同减筋原理导致的饼干三维及二维结构的差异，显示了CT测试饼干质构方法的独特优势。

图4 理想变形条件下饼干轴向气泡截面积分布图Fig.4 Distribution of axial cross-sectional bubble area from the ROI of biscuits with ideal eccentricity

3 结 论

利用CT法对半甜韧性饼干质构进行测试，能够很好地对饼干质构的变化加以量化，所得数据与饼干的常规物理参数具有高度的相关性，表明其结果能够客观地反映饼干质构特征。同时，通过CT以无损和重构的方式对饼干结构进行研究，有利于更直观地观察饼干内部各处局部构造特征，大大地提高了饼干组织结构信息的获取量。因此，CT测试有效地解决了饼干这类松脆易碎食品的质构测定与观察问题，对饼干的品质研究以及控制具有独特的应用价值。

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