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应用分享 | 三维X射线显微镜(3D XRM/Micro CT)在食品科学研究中的应用

浏览次数:185发布日期:2024-04-17

Micro CT 或3D XRM是一种非破坏性的成像技术,能够提供物体内部结构的高分辨率三维图像。这种技术在油气地质医学领域已经非常成熟,但在食品科学的应用则是近年来才开始兴起。它的非侵入性特点使科学家能够不破坏食品样品的情况下,观察其内部结构和特性。这一技术对于理解食品的微观结构,尤其是在加工、储存、包装过程中发生的变化至关重要。

那么,Micro CT技术在食品科学中具体有哪些应用呢?

1)结构分析与质构评估:

食品的质地和口感往往与其微观结构密切相关。利用XRM,科学家们能够观察食品内部的气泡、纤维、孔隙等结构,并分析这些结构如何影响食品的整体品质。例如,在面包和糕点的研究中,这项技术可以帮助研究人员优化配方和烘焙条件,以达到理想的蓬松度和口感。当然,Micro CT能够揭示食品中营养成分的分布情况,帮助研究人员设计更加均衡和健康的食品结构,如分析坚果酱中脂肪和蛋白质的分布。

2)加工过程优化:

通过对不同加工条件下的食品进行Micro CT扫描,研究人员可以了解加工过程如何改变食品的微观结构,如孔隙等,并据此调整加工参数以改善产品质量。在冷冻和冻干食品的加工中,这项技术尤为重要,因为它能帮助科学家找到比较好的冷冻速度和干燥时间,以保持食品的营养和风味。

3)包装和保质期评估:

Micro CT技术可以帮助科学家评估不同包装材料对食品结构的保护效果,以及贮藏过程中可能发生的微观变化。这对于设计新型食品包装材料,以及预测和延长食品的保质期非常有用。

4)食品安全与掺假检测:

利用Micro CT 技术,可以在不破坏样品的情况下,检测食品中的异物或掺假情况,例如识别肉类产品中的骨骼碎片或检测谷物中的石子。

5)3D 食品打印:

在 3D 食品打印领域,Micro CT 可以用来分析打印食品的内部结构和质地,为打印参数的优化提供依据,确保打印食品的品质和稳定性。

6)变温等多场耦合原位实验:

MicroCT 技术发展至目前已经不再局限于针对样品结构信息的静态扫描,现如今,辅以如力学(拉伸/围压)原位实验台/ 高低温原位实验台/酸碱度环境模拟实验台等配件,也可以实现样品内部结构在多场耦合条件下的动态变化过程。

部分应用案例展示:

1、薯片内部孔隙及油脂的三维空间分布表征

2、  低温条件(-20℃)下,冰淇淋样品内部水合物/油脂及孔隙的三维空间分布情况表征

3、巧克力球内部多层结构三维表征及榛果颗粒粒径分布/孔隙孔径三维

近些年,随着科学技术的不断发展,食品科学的研究领域也在不断扩展和丰富,这其中,尤其创新食品的开发较为引人注目。 我们这里就以人造肉的相关研究为例,一起来讨论一下Micro CT或3D XRM技术在该研究领域的一些应用:

1) 纹理和结构分析:

人造肉产品的成功与否,在很大程度上取决于其能否在口感和外观上模仿真正的肉类产 品。Micro CT 可以提供人造肉内部微观结构的详细三维图像,包括纤维状组织的排列和密度,从而帮助研究者评估和优化其结构以更接近真肉。利用Micro CT 技术观察人造肉 的纤维化过程,即植物蛋白或动物细胞在特定条件下形成肌肉纤维状结构的过程。通过 分析不同生长阶段的人造肉样本,研究人员能够详细了解纤维化的动态变化,包括纤维 的形成速度、纤维的直径、以及纤维间的相互排列情况。

2) 成分分布评估:

Micro CT 能够精确地揭示人造肉中不同成分(如蛋白质、脂肪和水分)的分布情况。通过分析这些成分的分布均匀性,研究者可以调整配方或加工工艺,以改善产品的品质和感官属性。

3) 孔隙结构分析:

孔隙结构对于模拟肉类的多汁感和口感至关重要。Micro CT 可以用于量化人造肉的孔隙度、孔隙大小分布以及孔隙的连通性,为制造更加多汁和柔软的人造肉产品提供数据支持。

4) 支架材料的评估:

支架材料在人造肉合成过程中主要应用于提供细胞生长的三维结构基础。一个研究项目通过Micro CT 分析不同设计的支架材料,评估它们的孔隙结构、孔隙大小和分布,以及对细胞附着和生长的影响。这些信息帮助研究团队优化支架的微观结构,促进细胞更有效地生长和组织化,从而提高培养肉的生产效率和质量。

5) 产品质量控制:

Micro CT 技术可以用于人造肉产品的质量控制,如检测生产过程中可能出现的内部缺陷(裂纹、空洞等),确保每批产品的一致性和高质量。利用Micro CT 技术对成品进行非破坏性检测,生产商可以及时发现生产过程中的问题,避免劣质产品流入市场。这对于保证人造肉产品的一致性和消费者的接受度具有重要意义。

6) 新食品开发:

对于开发新型人造肉产品或其他创新食品,Micro CT 提供了一种探索不同原料和生产工艺对产品结构影响的工具,有助于研究和开发具有新颖质构和营养价值的食品。

我们可以看到,Micro CT技术正在成为食品科学研究中的一项重要工具,尤其是在人造肉等创新食品的开发上。它为我们提供了一个全新的视角,让我们能够深入到食品的内部世界,了解和改善那些决定食品品质的微观因素。

部分应用案例分享:

1、合成培养肉肌肉组织及支架模型三维模型表征

——《Tissue-like cultured fish fillets through a synthetic food pipeline》

2、肉类样品组织、脂肪、纤维等不同组分三维图像表征

——《Visualization, modeling and analysis of salmon muscle structure: Based on micro-CT 》

随着科学技术的不断进步和应用的深入,我们有理由相信,Micro CT技术将在未来的食品科学研究中扮演更加重要的角色。无论是改进传统食品,还是开发新产品,它都将是我们强有力的助手。 

德国布鲁克三维X射线显微镜系列产品介绍:


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