X射线断层扫描技术在食品检测中的应用

张潮，孙钦秀，孔保华

（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

X 射线断层扫描（X-ray computed microtomography，CT）技术是以X 射线束沿不同方向对样品进行多维度扫描，并结合计算机将所收集的数据重建后得到断层面影像的新型成像技术。同传统的成像技术相比，CT 技术具有穿透能力强、分辨率高、可重复检测且对样品不会产生破坏性等优点。随着CT 技术的迅猛发展，其已被广泛应用于医学[1-2]、材料科学[3-4]、化学工程[5]和生物学[6-7]等领域中。基于CT 技术的诸多优点，近几年来其在食品检测领域中也得到了应用[8-11]。本文主要介绍CT 技术的基本原理和装置，以及其在食品检测中的应用，以期为此技术在食品科学领域提供理论参考。

1 CT装置及其工作原理

X 射线是一种短波长高能量的电磁辐射光，因此能穿透许多不透明的物质。另外，高能光子还能够与电子相互作用并对路径中的原子产生电离效应[12]。这种相互作用而产生的光子通量差异可用于创建放射线图像。CT 技术是用X 射线束对样品一定厚度的层面进行多维度扫描。由于物体中不同成分对X 射线的吸收率不同，所以导致部分X 光子被物体吸收，而未被吸收的X 光子穿透物体后由高灵敏度的探测器吸收转变为可见光，之后经光电转换器转为电信号，再经模拟/数字转换器转化为数字信号，输送到电脑。数字信号经由电脑处理后会计算出样品所扫描部位的X射线衰减系数，并排列成数字矩阵。再经模拟/数字转换器把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即像素，并按矩阵排列，即构成CT 图像。

典型的CT 技术系统是由光源、样品台、旋转样品台（室）、检测器和计算机组成[13]。其中光源主要由用来发射X 光子形成X 射线的X 射线管组成。而X 射线管中最主要装置是阴极高电位真空管和阳极高电位真空管[14]。通过向X 射线管内施加高电压使阴极产生的电子朝向阳极加速运动，这些高速移动的电子撞击阳极，同时产生热和发散的X 射线。旋转样品台的主要作用是使样品以一定转速稳定旋转，从而确保X 射线均匀照射到样品。通过改变检测器到样品和光源的距离可以改变所需样品的空间分辨率，检测器距离样品近，则会增加视野，但是会降低分辨率。相反，将样本移向光源会增加分辨率但会减小视野范围，所得图像可能是样品的部分图像而非整个图像。CT 技术系统上常用的检测器是电子传感器，其可分为直接或间接探测器两类。直接探测器具有更好的清晰度，分辨率和信噪比[15]，因此更有可能检测到细微且低对比度特征的样品[16]。然而，半导体材料的厚度会限制它们对高能X 射线的敏感性，因此会影响检测的灵敏度。相反，间接检测器对低能X 射线非常敏感，故在低剂量环境中具有较高的灵敏度[17]。因此，这两个元件会以不同角度产生大量所需要的射线照片。计算机部分主要起到对数字信号的重建处理并最终将收集到的电信号转化为能视觉识别的灰度图像。

2 在食品检测中的应用

目前，CT 技术在食品中的应用研究主要集中在对食品微观结构分析，检测食品内部缺陷以及新产品配方评估等方面。随着扫描技术的发展成熟，CT 技术还可以用于研究动态变化过程中食品微观结构的变化，为优化食品工艺、配方等过程提供理论依据。本文将从肉制品、乳制品和焙烤食品及蔬菜制品阐述CT 技术在食品检测中的具体应用。

2.1 肉及肉制品

在肉制品加工、冷冻和冻藏过程中，肉制品中水分、糖类、蛋白质和脂肪等化合物的含量和分布状态都会影响其口感[18]。目前，虽然通过化学方法可以检测各成分的含量，但是无法通过化学分析获得肉制品中各成分的分布状态以及不同分布状态对产品品质的影响。而CT 技术的引入解决了这个难题。Frisullo 等[18]利用CT 技术研究了5 种不同类型的萨拉米香肠（米兰萨拉米香肠，匈牙利萨拉米香肠，卡萨莫迪娜萨拉米香肠，诺西内托萨拉米香肠和那不勒斯萨拉米香肠）的脂肪分布并且使用化学分析验证结果。结果发现，对所得CT 图像使用专门软件计算得出的脂肪体积百分比与化学分析所得的值相似，此外还可以获得所扫描层面的各组分结构厚度和比表面积等多项数据。之后Frisullo 等[19]又利用CT 技术研究Podolian 和Charolaise 肉样内脂肪分布状态也得到类似结果。因此，通过CT 技术可以定量分析肉制品中不同成分的几何分布，同时结合数学方法还可以获得各成分的结构信息，这有助于我们更加深入研究不同加工工艺对肉制品微观结构和感官特性的影响。此外，近些年该技术也被用来研究冷冻对肉制品结构的影响。Kobayashi等[20]使用CT 技术对不同冷冻方法的鱼肉所形成的冰晶形态进行了比较，从CT 图像能够清晰的观测出使用较低过冷度冷冻后的鱼肉所产生的冰晶是呈现各种细小形状，如环绕型，细长型和管状型而经过慢速冷冻的样品中的冰晶则是呈现大椭圆形型。梁红等[21]也通过CT 图片直观地证实了随着冷藏期间温度波动幅度的增加，冷冻牛肉内冰晶尺寸会增大而数量减少。因此，这些结果表明利用CT 对冷冻食品冰晶的测定，不仅比普通测定方法更加方便，而且还可以直观地呈现出冰晶形态分布状态等信息，这有助于我们进一步研究有关于改善冷冻肉制品品质的方法。

2.2 乳及乳制品

CT 技术除了在肉制品中得到了广泛的应用，还可以应用于乳制品中。由于乳是一种相对复杂的胶体体系，因此体系的稳定性会对食品加工产生重要影响。如在奶油干酪中，其主要成分脂肪以小球簇的形式散布在乳蛋白中，或和蛋白质聚集在一起形成紧凑的脂肪酪蛋白[22]。因此充分了解奶油干酪微观结构（特别是脂肪分子的空间分布和相互作用）以改进其理化特性、功能特性、甚至营养特性，也可以为开发具有所需质地和感官特性奶油干酪提供理论依据。Laverse 等[23]利用CT 技术研究了5 种不同商业奶油干酪产品的结构。结果显示样品中存在大而不均匀脂肪簇时不仅会使干酪口感降低还会使干酪品质变差。目前，一般的检测手段只能检测脂肪含量而不能提供脂肪簇的分布状态的信息，而脂肪的分布状态又直接影响了干酪的感官特性。因此，通过CT 技术分析奶油干酪的微观结构有助于我们探索最佳干酪配方和控制干酪在加工和储存过程中营养成分的变化。影响干酪制品品质的因素除了与脂肪簇分布状态有关，还与干酪中孔洞的大小、数量、结构和分布有关。一般而言，狭缝、裂缝和不规则孔洞的存在都会导致奶酪品质恶化。传统上，奶酪质量检测是通过敲击奶酪表面聆听声音，或者直接观察切成两半的奶酪。但这些传统方法检测速度较慢且会对样品产生破坏。而通过CT 技术研究奶酪中孔洞的形成和分布不仅可以满足快速检测的要求，而且检测结果精确度高。Guggisberg 等[24]通过CT技术探究半硬质干酪中的孔洞形成和分布。结果显示，CT技术不仅可以展现奶酪中孔洞形成的复杂过程和其分布情况，还发现奶酪孔隙的形成会受到发酵乳酸菌CO2扩散影响。因此，工作人员可以利用CT 技术直接快速检测干酪的品质并且对干酪进行分类销售，从而避免了材料和人员的浪费，最大程度的节约了成本。

冰淇淋作为一种半固体食品，其结构容易受到温度的波动而发生变化。因此在生产、运输及贮藏过程中冰淇淋结构的不可逆改变就会造成口感、味道和外观的变化。故利用CT 技术研究冰淇淋微结构的热稳定性，以揭示其结构动态的变化规律。Guo 等[25]对冰淇淋进行加热和冷却循环获得了CT 摄影图像，并且通过定量分析，详细研究了由于温度变化导致冰淇淋结构变化。结果发现在加热阶段冰晶尺寸减小并且部分气室开始聚集。而当温度降低时，冰晶会生长成大而不规则的形态。表明导致冰淇淋微观结构恶化的主要原因是冰晶的生长和气室的聚集。Laverse 等[26]还通过此技术研究了不同酸奶中脂肪微结构，根据样品中不同成分对X 射线吸收情况不同获得样本高分辨率的三维图像，并且对三维微结构进行图像分析，测量各种相的尺寸、形状和分布范围，以确定脂肪液滴尺寸和分布状态。结果发现脂肪球颗粒越小，分布越均匀的样品的稳定性和口感越好。故可以通过CT 技术快速检测酸奶中脂肪颗粒大小和分布情况，评估酸奶在生产、加工、包装、贮藏和流通中脂质稳定性，为工业生产酸奶提供理论支持。

2.3 焙烤食品

面包的口感主要取决于发酵后产生气泡的体积大小，当发酵不当时产生的气泡太大或者太小都会影响面包的感官品质。Cafarelli 等[27]使用CT 技术对不同发酵程度的面包中气泡体积大小进行研究。结果发现酵母和水含量会显著影响面包孔洞的形状和数量，结合统计结果证实面团本身会具有一定数量圆柱形的小气泡，这些小气泡在烘焙过程中体积和形状都会发生变化。同时也证实孔隙体积增加与酵母或水含量是无关的。因此，CT 技术结合综合统计方法不仅可以获得面包微观结构分布可视图，而且还能够获得微观结构信息。Babin 等[28]通过CT 技术探索气泡对面包口感影响中结合数学方法后发现在临界时间之前气泡变大主要是由于气泡自身体积的变大，而在临界时间之后气泡变化主要是由于气泡之间聚集而变大。Falcone等[29]利用CT 技术研究面包孔洞结构时得出类似的结果。这些事例表明CT 技术是一种有效的非破坏性技术，可以用于研究动态变化过程中食品微观结构的变化，为面包食品工艺、配方等过程提供理论依据。

2.4 果蔬食品

随着图像分辨率逐步提高，CT 技术在食品中的应用范围逐步扩展到蔬菜、水果等新鲜食品的领域中。当前，通过CT 技术研究蔬菜的微观结构变化对其品质的影响越来越受到食品研究者的重视。Dalen 等[30]利用CT 技术研究了在不同温度（-28、-80、-150、-196 ℃）下冷冻干燥对胡萝卜片的影响，结果显示温度在-150 ℃时冷冻可以更好的保留胡萝卜细胞完整性和干燥胡萝卜片的形状，即在较低的冷冻温度下，形成的冰晶空隙小，因而胡萝卜微观结构得到较好的保存。Dalen等[30]也通过CT 技术成像进一步研究了西蓝花、柿子椒和蘑菇仔冷冻后干燥的微观结构。其研究结果都证明了CT 技术能够呈现蔬菜内部多孔微观结构和冻干蔬菜片的外部形态，为冷冻干燥蔬菜食品加工提供技术支持。Zhao 等[31]通过CT 技术研究了反复冻融对马铃薯的影响。结果表明冰晶的大小受温度波动的幅度和持续时间影响，温度波动程度大，持续时间长生成的冰晶大，对马铃薯组织造成破坏大。此外，Alam 等[32]还采用CT 技术，获得了不同煎炸时间马铃薯中的孔隙，油和空气分布的变化的信息，为后来研究其他油炸食品提供了理论依据。这些应用实例表明，CT 技术可以准确的绘制出食品中冰晶孔隙和分布图像，这种可视化分布能够有效的帮助我们分析食品中营养成分被破坏的程度，有助于避免蔬菜在贮藏过程中的质量恶变，以最大限度地提高食品质量和价值。

水果在生长贮藏时很容易受到害虫的入侵而造成其质量的恶化，从而给生产者带来巨大的经济损失。因此，需要一种非破坏性技术将水果区分为不同的质量等级。Arendse 等[33]利用CT 技术来无损表征和量化石榴的内部结构，其结果显示该技术可以清楚地对石榴果实内部成分进行无损成像分析，进而快速区分出内部品质存在缺陷的石榴水果。众所周知，水果的质地会随着储存期时间延长而变得柔软，进而导致其质量和营养价值的降低。传统上，检测苹果的坚硬性一般使用穿刺检测等方法，但这些检测方法会对苹果产生破坏作用。而CT 技术可以克服此缺点实现快速无损检测。Ting 等[34]使用CT 方法检测4 种（布瑞本苹果、金冠苹果、富士苹果和爵士苹果）存放一周后苹果的微观结构。结果显示爵士苹果具有较小的细胞间隙，表明存放一周后爵士苹果口感仍然坚实松脆。此外，重建图中还显示布瑞本苹果和金冠苹果的大多数细胞间隙形状都是细长的；富士苹果的细胞间隙显示出多孔结构；而来自爵士苹果的图像包含最少数量的细胞间隙。因此，通过CT 技术不仅可以观察到不同种类的苹果具有不同的微观结构，也可以绘制出在存放期间苹果细胞间隙变化图像。这样可视化分布能够有效的帮助快速区分苹果的种类，以方便分类销售。Tanaka 等[35]还利用此技术检测贮存过程中黄瓜三维结构的变化，结果也表明CT 技术可用于评估与水果质量相关的物理性质，以避免因长期存放而导致其质地变得柔软甚至坏掉，最大程度的降低了损耗。

3 CT技术存在问题及展望

同传统的成像技术相比，CT 技术具有穿透能力强、分辨率高、可重复检测且对样品不会产生破坏性等优点。但是CT 技术在具体的试验中还存在着许多问题：一方面是CT 研究相对耗时。使用CT 技术扫描样品时所用时间较短（每个样品通常为几分钟到一个小时），但是在后期数据计算处理时研究人员需要花费时间学习使用专业软件和必要的数学知识。另外，CT 在扫描液体样品时，由于样品中各成分位置不断发生变化会影响采集图像的清晰度和准确性，为此也需要耗费大量时间重复试验。另一方面是CT 设备成本较高，且在后期也需要较高的维护费用。因此在一定程度上限制了CT 技术在食品领域的应用和普及。这也导致我们使用CT 设备时由于缺少实践经验，所以在X 射线管设置，探测器设置，操作配置和处理工作流程都需要不断摸索。

尽管CT 技术在食品领域存在较多问题，但从长远来看，CT 技术的优势远远超过了劣势。随着硬件和软件的不断改进以及CT 设备的普及，CT 技术的无损特性很可能使其成为食品原材料采购，食品加工，产品开发和质量控制过程中不可或缺的一部分。此外，通过CT 技术监控食品在动态变化过程中其微观结构的变化，还可以为食品在加工和储存期间结构变化提供直观依据。同时，也可将CT 技术与其他技术相结合使其在食品研究中的应用前景更加广阔。