應用分享 | 三維X射線顯微鏡（3D XRM/Micro CT）在食品科學研究中的應用

Micro CT 或(huo)3D XRM是(shi)一種非(fei)破壞性的(de)(de)成像技(ji)術(shu)，能(neng)夠(gou)(gou)提(ti)供物體內(nei)部(bu)結構(gou)的(de)(de)高分辨率三維(wei)圖像。這種技(ji)術(shu)在(zai)油氣地(di)質(zhi)醫學(xue)領域已經非(fei)常成熟，但在(zai)食(shi)品(pin)科學(xue)的(de)(de)應用則是(shi)近年來才開始(shi)興(xing)起。它的(de)(de)非(fei)侵入性特點使(shi)科學(xue)家能(neng)夠(gou)(gou)不破壞食(shi)品(pin)樣品(pin)的(de)(de)情況下，觀察其內(nei)部(bu)結構(gou)和(he)特性。這一技(ji)術(shu)對于理解食(shi)品(pin)的(de)(de)微觀結構(gou)，尤其是(shi)在(zai)加工、儲存、包(bao)裝過(guo)程(cheng)中發生的(de)(de)變(bian)化至關重(zhong)要。

那(nei)么，Micro CT技術在(zai)食品科(ke)學中具(ju)體有(you)哪(na)些(xie)應用呢？

1）結構分析與質構評估：

食品(pin)的(de)質(zhi)(zhi)地和(he)(he)口感往往與其微觀結構(gou)密(mi)切相關。利用XRM，科(ke)學家們能(neng)夠觀察食品(pin)內部的(de)氣(qi)泡、纖維、孔隙等結構(gou)，并分析(xi)這些(xie)結構(gou)如(ru)(ru)(ru)何影響食品(pin)的(de)整體品(pin)質(zhi)(zhi)。例如(ru)(ru)(ru)，在面(mian)包(bao)和(he)(he)糕點的(de)研究中，這項技(ji)術(shu)可以(yi)幫助研究人(ren)員優(you)化配方(fang)和(he)(he)烘焙條件，以(yi)達到理想的(de)蓬松(song)度(du)和(he)(he)口感。當然，Micro CT能(neng)夠揭示食品(pin)中營養成(cheng)分的(de)分布情況，幫助研究人(ren)員設計更加均(jun)衡和(he)(he)健康的(de)食品(pin)結構(gou)，如(ru)(ru)(ru)分析(xi)堅果醬中脂肪和(he)(he)蛋白質(zhi)(zhi)的(de)分布。

2）加工過程優化：

通過對不同加(jia)工(gong)(gong)條件下的食(shi)品進行Micro CT掃描，研(yan)究人員可以(yi)了解加(jia)工(gong)(gong)過程(cheng)如何改(gai)(gai)變食(shi)品的微觀結構，如孔隙等，并據此(ci)調整加(jia)工(gong)(gong)參數以(yi)改(gai)(gai)善產品質量(liang)。在冷(leng)凍(dong)和(he)凍(dong)干食(shi)品的加(jia)工(gong)(gong)中，這項技術尤為重要，因(yin)為它能幫(bang)助(zhu)科學家找(zhao)到(dao)比較好的冷(leng)凍(dong)速度和(he)干燥時(shi)間，以(yi)保持(chi)食(shi)品的營養和(he)風味。

3）包裝(zhuang)和保質期評(ping)估(gu)：

Micro CT技術可以(yi)幫(bang)助科(ke)學(xue)家評估不同包(bao)(bao)裝材料對食品(pin)結(jie)構的(de)保護效果(guo)，以(yi)及貯藏過程中可能發生的(de)微觀變化。這對于設計新型食品(pin)包(bao)(bao)裝材料，以(yi)及預測和(he)延長食品(pin)的(de)保質(zhi)期非常有用。

4）食品安全與摻假檢測：

利用Micro CT 技術，可以(yi)在不(bu)破(po)壞樣品(pin)的情況(kuang)下，檢測食(shi)品(pin)中(zhong)的異(yi)物(wu)或摻假(jia)情況(kuang)，例(li)如(ru)識(shi)別肉類產品(pin)中(zhong)的骨骼碎片(pian)或檢測谷物(wu)中(zhong)的石子。

5）3D 食品打印：

在 3D 食品(pin)打(da)印(yin)(yin)領域，Micro CT 可以用來分析打(da)印(yin)(yin)食品(pin)的內部結構和質(zhi)地，為打(da)印(yin)(yin)參數的優(you)化提供依據(ju)，確保打(da)印(yin)(yin)食品(pin)的品(pin)質(zhi)和穩定性(xing)。

6）變溫等多場耦合原位實驗：

MicroCT 技術(shu)發展至目前已經不再局限(xian)于針對樣(yang)品結構(gou)信息的(de)靜(jing)態掃描(miao)，現(xian)如今，輔以(yi)如力(li)學（拉伸/圍(wei)壓）原(yuan)位實(shi)(shi)驗臺(tai)/ 高低溫(wen)原(yuan)位實(shi)(shi)驗臺(tai)/酸堿度(du)環境(jing)模擬實(shi)(shi)驗臺(tai)等(deng)配件，也(ye)可以(yi)實(shi)(shi)現(xian)樣(yang)品內部結構(gou)在多場耦合條件下的(de)動態變化(hua)過程。

部分應用案例展示：

1、薯片內部孔隙及油脂的三維空間分布表征

2、  低溫條件（-20℃）下，冰淇淋樣品內部水合物/油脂及孔隙的三維空間分布情況表征

3、巧克力球內部多層結構三維表征及榛果顆粒粒徑分布/孔隙孔徑三維

近些年，隨著科學(xue)技(ji)術(shu)的不(bu)斷發(fa)展，食(shi)品科學(xue)的研(yan)究領(ling)域(yu)也(ye)在(zai)(zai)不(bu)斷擴展和豐富，這(zhe)其中，尤其創新食(shi)品的開發(fa)較(jiao)為(wei)引人注(zhu)目。 我們這(zhe)里就以人造肉的相關研(yan)究為(wei)例(li)，一(yi)起來討論一(yi)下(xia)Micro CT或(huo)3D XRM技(ji)術(shu)在(zai)(zai)該研(yan)究領(ling)域(yu)的一(yi)些應用：

1) 紋理和結(jie)構分(fen)析：

人(ren)造肉(rou)(rou)(rou)(rou)產品(pin)的(de)成(cheng)功(gong)與否，在很大程度上(shang)取決于(yu)其(qi)能否在口感和(he)外(wai)觀上(shang)模(mo)仿真正的(de)肉(rou)(rou)(rou)(rou)類產 品(pin)。Micro CT 可(ke)以(yi)提供人(ren)造肉(rou)(rou)(rou)(rou)內部微觀結構的(de)詳細(xi)三維(wei)(wei)(wei)圖像(xiang)，包括纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)狀組織的(de)排(pai)列和(he)密(mi)度，從而幫(bang)助研究者評估和(he)優化(hua)其(qi)結構以(yi)更接近真肉(rou)(rou)(rou)(rou)。利用Micro CT 技術觀察人(ren)造肉(rou)(rou)(rou)(rou) 的(de)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)化(hua)過程，即植(zhi)物蛋白或動物細(xi)胞在特定條件下形成(cheng)肌肉(rou)(rou)(rou)(rou)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)狀結構的(de)過程。通過 分析不(bu)同生長階段的(de)人(ren)造肉(rou)(rou)(rou)(rou)樣本，研究人(ren)員能夠(gou)詳細(xi)了(le)解纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)化(hua)的(de)動態變化(hua)，包括纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei) 的(de)形成(cheng)速度、纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)的(de)直(zhi)徑、以(yi)及纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)間的(de)相互排(pai)列情(qing)況(kuang)。

2) 成分分布(bu)評估：

Micro CT 能夠精(jing)確地(di)揭(jie)示人造肉中不同成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)(fen)（如蛋白質、脂(zhi)肪和水分(fen)(fen)(fen)）的(de)分(fen)(fen)(fen)布情況(kuang)。通過分(fen)(fen)(fen)析(xi)這些成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)(fen)的(de)分(fen)(fen)(fen)布均勻(yun)性，研究者可(ke)以(yi)調(diao)整(zheng)配方或加工工藝，以(yi)改善(shan)產品(pin)的(de)品(pin)質和感官屬性。

3) 孔隙結構分析：

孔(kong)隙(xi)(xi)結構(gou)對(dui)于模擬肉類的多(duo)汁(zhi)感和(he)口感至(zhi)關重要(yao)。Micro CT 可以(yi)用于量化人(ren)(ren)造肉的孔(kong)隙(xi)(xi)度、孔(kong)隙(xi)(xi)大小(xiao)分布以(yi)及孔(kong)隙(xi)(xi)的連通性，為制造更加多(duo)汁(zhi)和(he)柔軟的人(ren)(ren)造肉產品提供數(shu)據(ju)支持。

4) 支架材料的評估：

支(zhi)架(jia)(jia)材料在人造肉合成過程中主要應用于(yu)提供細(xi)胞生長(chang)的(de)(de)(de)三維結構(gou)基礎。一個研(yan)究項目通過Micro CT 分析(xi)不同設計的(de)(de)(de)支(zhi)架(jia)(jia)材料，評估它們的(de)(de)(de)孔(kong)隙(xi)結構(gou)、孔(kong)隙(xi)大小(xiao)和(he)(he)分布，以及(ji)對細(xi)胞附著和(he)(he)生長(chang)的(de)(de)(de)影響。這些(xie)信息幫助研(yan)究團隊(dui)優(you)化(hua)支(zhi)架(jia)(jia)的(de)(de)(de)微觀結構(gou)，促(cu)進細(xi)胞更(geng)有效地生長(chang)和(he)(he)組(zu)織化(hua)，從而(er)提高(gao)培養(yang)肉的(de)(de)(de)生產(chan)效率和(he)(he)質量。

5) 產品質量控制：

Micro CT 技(ji)(ji)術(shu)可以(yi)用于人(ren)造肉(rou)(rou)產品(pin)的(de)質量(liang)控制，如檢測(ce)生產過(guo)程中可能出現的(de)內部缺陷（裂紋、空洞等），確保(bao)每批(pi)產品(pin)的(de)一(yi)致(zhi)性和(he)高質量(liang)。利用Micro CT 技(ji)(ji)術(shu)對成(cheng)品(pin)進(jin)行非破壞性檢測(ce)，生產商可以(yi)及時(shi)發(fa)現生產過(guo)程中的(de)問(wen)題，避免劣(lie)質產品(pin)流入市(shi)場。這對于保(bao)證人(ren)造肉(rou)(rou)產品(pin)的(de)一(yi)致(zhi)性和(he)消費者的(de)接(jie)受度具有重要意義。

6) 新食品開發：

對于開發新型人造(zao)肉產(chan)(chan)品或其他(ta)創新食(shi)(shi)品，Micro CT 提供了一種探(tan)索不同(tong)原料和生產(chan)(chan)工藝對產(chan)(chan)品結(jie)構(gou)影響的(de)(de)工具，有助(zhu)于研究和開發具有新穎質(zhi)構(gou)和營(ying)養價值的(de)(de)食(shi)(shi)品。

我(wo)們(men)可(ke)以看到(dao)，Micro CT技術正(zheng)在成為(wei)食(shi)品科(ke)學研(yan)究(jiu)中的一項重要工具，尤其是在人造肉等創新食(shi)品的開發(fa)上。它為(wei)我(wo)們(men)提(ti)供了一個(ge)全新的視角，讓(rang)我(wo)們(men)能夠深入到(dao)食(shi)品的內部世界，了解和改善那些決定食(shi)品品質的微(wei)觀因素。

部分應用案例分享(xiang)：

1、合成培養肉肌肉組織及支架模型三維模型表征

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

2、肉類樣品組織、脂肪、纖維等不同組分三維圖像表征

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

隨(sui)著科學(xue)技術的(de)(de)不斷進步和應用(yong)的(de)(de)深入，我(wo)們有理由(you)相(xiang)信，Micro CT技術將(jiang)在未來的(de)(de)食品科學(xue)研(yan)究中(zhong)扮演(yan)更(geng)加(jia)重要(yao)的(de)(de)角色。無論(lun)是改(gai)進傳(chuan)統食品，還是開發新產(chan)品，它都將(jiang)是我(wo)們強有力的(de)(de)助手(shou)。 

德國布魯克三維X射線顯微鏡系列產品介紹：