何聰穎，鄧 力*，王 磊，彭 靜

（貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

擠壓肉干是以畜禽肉為原料，采用雙螺桿擠壓技術(shù)加工而成的具有肌纖維狀口感、耐貯藏、品質(zhì)均勻且具有傳統(tǒng)肉干風(fēng)味特征的優(yōu)選休閑肉干制品[1]，擠壓技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)肉干干燥工藝程度不易控制、干燥時間長而導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)不一、咀嚼困難等技術(shù)問題[2]。擠壓肉干工藝既可以實現(xiàn)連續(xù)化、自動化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，又能適應(yīng)現(xiàn)代消費(fèi)者對低水分肉制品快捷方便、口感良好、種類多樣的需求[3-5]。

擠壓肉干主要定位于開發(fā)高品質(zhì)即食性休閑肉制品，產(chǎn)品的適口感和豐富的肌纖維結(jié)構(gòu)是影響消費(fèi)者能否接受新型肉干制品的主要因素[6]。原料肉在螺桿外力作用下形成具有整體取向結(jié)構(gòu)的肉干，取向后的肉干呈現(xiàn)各向異性，在取向方向和垂直于取向方向上性能差別顯著。纖維取向度是公認(rèn)的一種評價擠壓肉干肌纖維結(jié)構(gòu)取向一致性的關(guān)鍵性指標(biāo)[7]。目前，文獻(xiàn)報道和實際應(yīng)用中常用評價擠壓制品纖維取向度的方法有電子顯微鏡觀察法、橫向與縱向剪切力比等[7]，而這些評價方法普遍存在測試前破壞樣品、準(zhǔn)確度不高、誤差大、易受主觀影響以及過程繁瑣等弊端。

激光傳輸方法是近年來國內(nèi)外發(fā)展較快的一種測定高水分?jǐn)D壓植物蛋白產(chǎn)品纖維取向度的方法，具有無損、快速、分析客觀等優(yōu)點[8-10]，如Ranasinghesagara等[11]利用光子在各向異性結(jié)構(gòu)中的遷移率不同的原理，測量光斑在平行和垂直方向的長度，取其比值來表示各向異性的程度；陳鋒亮等[7]利用激光光學(xué)方法評價高水分?jǐn)D壓組織化蛋白纖維取向度；但目前相應(yīng)激光方法還未建立在測量擠壓動物蛋白產(chǎn)品的纖維取向度上。

激光傳播評價方法來源于光學(xué)和生物組織科學(xué)的相互交叉滲透形成的一個新興領(lǐng)域[12]。激光具有高強(qiáng)度、高單色性和方向性的特點，并且所有的波是同步的，由于激光的單色性，激光束有攜帶大量信息的能力[13]。生物組織具有強(qiáng)散射弱吸收的特性，當(dāng)光以一定角度入射到組織表面時，會在生物組織內(nèi)經(jīng)歷一系列的隨機(jī)反射、折射、散射和吸收，由于強(qiáng)散射作用，可以在光源入射點同一表面的不同距離處采集到與生物組織相互作用后的出射光，該出射光包含了與生物組織相關(guān)的豐富內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息[12,14-15]。研究表明，當(dāng)光入射到各向異性介質(zhì)內(nèi)部時，光將趨向于沿著纖維方向傳播，介質(zhì)表面反射出的光呈橢圓狀，橢圓的長軸與短軸比值的平方B值即可表征肉干內(nèi)部各向異性結(jié)構(gòu)的纖維取向程度[16-20]。

本研究在文獻(xiàn)[7]和理論分析的基礎(chǔ)上，使用激光在各向異性介質(zhì)中的傳播來評定擠壓肉干纖維取向度，并進(jìn)行光學(xué)參數(shù)優(yōu)化，目的在于建立一種能應(yīng)用于區(qū)分?jǐn)D壓肉干制品纖維取向度的光學(xué)測量方法，為擠壓肉干制品的研究和品質(zhì)評價提供一種方法基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

豬后腿精瘦肉、牛后腿精瘦肉、馬鈴薯淀粉、調(diào)味料貴陽市花溪區(qū)星力超市；大豆分離蛋白（粗蛋白干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥90%） 山東禹王實業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DS32-II實驗型雙螺桿擠壓機(jī)（兩螺桿中心距26 mm，螺桿直徑32 mm，模頭圓形開孔直徑5 mm，螺桿長徑比18.75，機(jī)筒為3 段式加熱（I區(qū)為輸送混合區(qū)，II區(qū)為壓縮剪切區(qū)，III區(qū)為加熱熔融區(qū)）） 濟(jì)南賽信機(jī)械有限公司；MB35型鹵素水分測定儀 奧豪斯國際貿(mào)易有限公司；LS-2拉絲機(jī) 南京明瑞機(jī)械設(shè)備有限公司；DHG9146A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏試驗設(shè)備有限公司；SZ66型體視顯微鏡 重慶特光學(xué)儀器有限責(zé)任公司；He-Ne激光筆、PC1146數(shù)碼相機(jī)、中性濾光片 日立高新技術(shù)國際貿(mào)易有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理

將豬后腿、牛后腿鮮肉分別預(yù)煮、切片、炒制、烘干、拉絲、調(diào)配（按原料肉質(zhì)量10%及8%的比例添加大豆分離蛋白及馬鈴薯淀粉），并調(diào)制原料含水率為42%待用[1]。

1.3.2 擠壓肉干樣品制備

擠壓機(jī)啟動預(yù)熱至穩(wěn)定狀態(tài)后，將預(yù)處理好的原料放入螺旋式喂料槽中，設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速130 r/min，喂料速率25 r/min。

樣品1：以豬后腿肉為原料，設(shè)定I、II、III區(qū)機(jī)筒溫度分別為75、115、130 ℃，當(dāng)擠壓機(jī)實際參數(shù)達(dá)到設(shè)定參數(shù)并穩(wěn)定運(yùn)行后出料，模頭端取擠壓豬肉干樣品1。

樣品2：以豬后腿肉為原料，設(shè)定I、II、III區(qū)機(jī)筒溫度分別為75、135、150 ℃，當(dāng)擠壓機(jī)實際參數(shù)達(dá)到設(shè)定參數(shù)并穩(wěn)定運(yùn)行后出料，模頭端取擠壓豬肉干樣品2。

樣品3：以牛后腿肉為原料，設(shè)定I、II、III區(qū)機(jī)筒溫度分別為75、135、150 ℃，當(dāng)擠壓機(jī)實際參數(shù)達(dá)到設(shè)定參數(shù)并穩(wěn)定運(yùn)行后出料，模頭端取擠壓豬肉干樣品3。

將樣品1、2、3分別放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥，冷卻后，切成大小為2 cm×5 cm的樣品待用，并按照樣品1、2、3的擠壓參數(shù)條件制備多組平行實驗所需樣品。

1.3.3 激光傳播方法測量擠壓肉干纖維取向度

參考文獻(xiàn)[6,16-17]中的方法，采用激光光學(xué)方法來評價擠壓肉干結(jié)構(gòu)中纖維取向程度，同時優(yōu)化光學(xué)參數(shù)。

設(shè)備裝置圖如圖1所示，在外界自然光下，采用λ＝650 nm，P＝5 mW的He-Ne激光作為入射光源，光源入射方向和樣品成一定的夾角θ，在光路中放置一個中性過濾片，調(diào)節(jié)入射激光的強(qiáng)度，設(shè)定數(shù)碼相機(jī)不同曝光時間，焦距100 mm，光圈F/5.6，在擠出物的正上方對樣品的漫射光斑采集成像；其中x軸代表樣品擠出方向，即樣品取向方向，y軸代表垂直取向方向，通過采集卡將圖像輸入計算機(jī)[7]。

圖1 激光設(shè)備裝置圖Fig.1 Schematic of the laser device

圖像采集后，以激光入射點為原點，采用最小二乘法對等強(qiáng)度像素點從最外圍進(jìn)行最佳橢圓擬合，定義擬合橢圓最外圍像素點為0，步長間隔為5，擬合像素點強(qiáng)度從0到45，得到一系列不同的LL、LS，其中每一組LL和LS分別是等強(qiáng)度像素點對應(yīng)橢圓的長軸和短軸，對于有纖維狀的結(jié)構(gòu)樣品，光偏向沿著纖維取向的方向遷移，對于不同纖維結(jié)構(gòu)取向的樣品，橢圓長軸和短軸會出現(xiàn)不同大小的變化，繼而可根據(jù)下式得到擠出樣品纖維結(jié)構(gòu)取向程度的評價指標(biāo)B值[7,16]。

橢圓擬合演算法流程如圖2所示，即對采集的激光圖像如圖3做高斯濾波[21-22]處理，消除部分高頻噪音，繼而用形態(tài)學(xué)的方法[23-24]對圖像做邊緣增強(qiáng)處理，以利于更好地擬合橢圓[25]；將處里完的圖像使用最小二乘法技術(shù)[26]去尋找參數(shù)集合，從而最小化數(shù)據(jù)點與橢圓之間的距離度量，擬合圖像最外圍的橢圓，基于上述方法使用Matlab軟件編制程序[27-30]，計算出不同位置擬合橢圓像素點對應(yīng)的B值。以B值的穩(wěn)定性和大小作為優(yōu)化參數(shù)的評價依據(jù)。

圖2 擬合橢圓演算法流程圖Fig.2 Flowchart of elliptical fi tting algorithm

圖3 樣品激光圖像采集Fig.3 Laser transmission ref l ection images of samples

1.3.4 試驗因素水平設(shè)計

以樣品1、2、3為研究對象，考察激光設(shè)備中相機(jī)曝光時間、激光光源入射角度對纖維取向度的B值計算結(jié)果的影響，并優(yōu)化光學(xué)圖像獲取參數(shù)，得到優(yōu)化結(jié)果后，固定光學(xué)參數(shù)考察樣品擠出方向和擠壓機(jī)III區(qū)機(jī)筒溫度對B值穩(wěn)定性和大小的影響。各因素水平表見表1。

表1 試驗因素及設(shè)計水平Table1 Levels of independent variables used for their optimization

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因變量多因素方差分析，P＜0.01表示差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 圖像獲取參數(shù)對肉干纖維取向度的影響

2.1.1 相機(jī)曝光時間

選取樣品2、3為研究對象，設(shè)定相機(jī)曝光時間范圍為1/250～1/1 600 s，激光入射角為45°，采集3 組平行實驗圖像，得到樣品2、3對應(yīng)纖維取向度值B值的變化如圖4、5所示，并對曝光時間、橢圓移動步長對應(yīng)的B值做單因變量多因素方差分析，如表2、3所示，可知曝光時間和橢圓移動步長整體對B值都有極顯著性影響。根據(jù)圖的趨勢和方差分析可知，在同一橢圓步長條件下，相機(jī)的曝光時間不同，采集得到肉干圖像對應(yīng)的B值有所差異，圖4中曝光時間在1/400 s與其他曝光時間差別顯著，且B值最大，隨著橢圓移動步長變化最大，圖5中曝光時間在1/250～1/1 000 s之間差別不明顯，1/1 600 s時明顯降低，B值明顯偏小。因曝光時間過長，圖像噪聲大、對比度高，曝光時間過短圖像噪聲小、對比度低[31]，且對于樣品2、3都是曝光時間為1/400 s情況下B值較優(yōu)，說明曝光時間對獲取牛肉和豬肉的纖維取向度計算結(jié)果影響趨勢一致，為保證采集圖像質(zhì)量穩(wěn)定并綜合考慮B值大小，選取曝光時間為1/400 s。

圖1 樣品2對應(yīng)不同曝光時間圖像擬合橢圓B值Fig.1 Effect of exposure time on B value for sample 2

表2 樣品2在圖4中對應(yīng)單因變量多因素方差分析Table2 Analysis of variance for the effect of exposure time on B value for sample2 in Fig. 4

圖5 樣品3對應(yīng)不同曝光時間圖像擬合橢圓B值Fig.5 Effect of exposure time on B value for sample 3

表3 樣品3在圖5中對應(yīng)單因變量多因素方差分析Table3 Analysis of variance for the effect of exposure time on B value for sample3 in Fig. 5

2.1.2 激光光源入射角

選取樣品2、3為研究對象，激光入射角分別為30°、45°、60°、75°，設(shè)定相機(jī)曝光時間為1/400 s，采集3 組平行實驗圖像，得到對應(yīng)的纖維取向度B值變化曲線，如圖6、7所示，并對曝光時間、橢圓移動步長對應(yīng)的B值做單因變量多因素方差分析。由表4、5可知，激光入射角度和橢圓移動步長整體對B值都有極顯著性影響。根據(jù)圖6、7的趨勢和方差分析可知，隨著擬合橢圓等強(qiáng)度像素點由最外圍到中心原點步長的移動，不同光源入射角度下B值均出現(xiàn)上升的趨勢，且變化速率不同，在同一橢圓移動步長下，激光光源入射角不同，肉干圖像B值具有明顯差異，45°時對應(yīng)的B值最大，且與其他角度差異顯著，隨著等強(qiáng)度像素點的移動，B值變化明顯，即在此條件下采集到的圖像最能呈現(xiàn)肉干的纖維取向度，且對于樣品2、3，均為入射角度45°情況下B值最優(yōu)，說明曝光時間對獲取牛肉和豬肉的纖維取向度的計算結(jié)果影響一致，同時考慮入射角操作簡便性和取值的穩(wěn)定性，選取45°為激光入射角度。

圖6 不同光源入射角對應(yīng)樣品2圖像擬合橢圓B值變化曲線Fig.6 Effect of light incident angle on B value for sample 2

表1 樣品2在圖6中對應(yīng)單因變量多因素方差分析Table1 Analysis of variance for the effect of light incident angle on B value for sample2 in Fig. 6

圖7 不同光源入射角對應(yīng)樣品3圖像擬合橢圓B值變化曲線Fig.7 Effect of light incident angle on B value for sample 3

表5 樣品3在圖7中對應(yīng)單因變量多因素方差分析Table5 Analysis of variance for the effect of light incident angle on B value for sample3 in Fig. 7

2.2 樣品對纖維取向度的影響

2.2.1 樣品取樣方向

選樣品3作為研究對象，設(shè)定相機(jī)曝光時間為1/400 s，激光入射角度45°，在樣品取向方向和垂直于取向方向上分別采集3 組平行實驗圖像，得到相對應(yīng)圖像的纖維取向度的B值變化如圖8所示。隨著擬合橢圓等強(qiáng)度像素點由最外圍到中心原點步長的移動，樣品取向方向和垂直于取向方向的采集圖像B值整體都呈現(xiàn)上升趨勢，且每一個橢圓移動的步長下對應(yīng)兩個方向B值差異極顯著（P＜0.01），取向方向具有更大的B值。

圖8 樣品3取樣方向?qū)?yīng)圖像擬合橢圓B值變化曲線Fig.8 Effect of orientation direction on B value

分別用Matlab和Image J軟件對樣品3取向方向和垂直取向方向獲取的激光漫射圖像進(jìn)行處理，如圖9所示。

圖9 不同取向方向等強(qiáng)度像素點的橢圓擬合（a）、假彩（b）圖像Fig.9 Elliptic fi t （a）, false color （b） image of different intensity pixels in different orientation directions

由圖8得到B值與圖9等強(qiáng)度像素點的擬合橢圓圖像、假彩圖像對比進(jìn)一步驗證樣品3取向方向和垂直取向方向肉干結(jié)構(gòu)存在差異，原料在外力作用下沿模頭擠出方向形成整體有序排列的取向結(jié)構(gòu)。而光學(xué)評價方法完全可以區(qū)分?jǐn)D壓肉干的取向結(jié)構(gòu)方向。

2.2.2 擠壓機(jī)Ⅲ區(qū)機(jī)筒溫度

選取2 cm×4 cm樣品1和2 cm×4 cm的樣品2作為研究對象，設(shè)定相機(jī)曝光時間為1/400 s、激光入射角度45°，按照樣品擠出方向采集3 組平行實驗圖像，得到對應(yīng)圖像的纖維取向度的B值變化如圖10所示。隨著擬合橢圓等強(qiáng)度像素點由最外圍到中心原點步長的移動，樣品1、2的圖像B值整體呈現(xiàn)上升趨勢，且每一個橢圓移動的步長下對應(yīng)兩種擠壓樣品得到的圖像B值差異極顯著（P＜0.01），III區(qū)機(jī)筒溫度150 ℃下擠壓的樣品2的B值明顯高于130 ℃下擠壓的樣品1。

圖10 III區(qū)機(jī)筒溫度對應(yīng)圖像擬合橢圓B值變化曲線Fig.10 III zone barrel temperature corresponding to the image fi tting ellipse B value of the curve

分別用Matlab和Image J軟件對樣品1和樣品2獲取的激光漫射圖像進(jìn)行處理，如圖11所示。

圖11 不同III區(qū)機(jī)筒下等強(qiáng)度像素點的橢圓擬合（a）、假彩（b）圖像Fig.11 Ellipse fi tting （a） and false color （b） image of lower intensity pixels at different zone III barrel temperatures

由圖10得到B值與圖11等強(qiáng)度像素點的擬合橢圓圖像、假彩圖像對比進(jìn)一步驗證樣品1、2肉干纖維結(jié)構(gòu)存在差異，由此說明樣品種類相同，擠壓參數(shù)不同，纖維化結(jié)構(gòu)具明顯差異，而光學(xué)評價方法完全可以區(qū)分由于擠壓參數(shù)不同而導(dǎo)致纖維化結(jié)構(gòu)不同的擠壓產(chǎn)品。

2.3 建立激光傳輸測量方法驗證

分別對樣品1、2、3取向方向上進(jìn)行激光圖像采集，得到纖維取向度差別較大的擠壓肉干產(chǎn)品，由圖12樣品的體視顯微鏡圖像和假彩圖像可知，樣品3得到的擠壓肉干的纖維取向度最好，樣品2的次之，樣品1的最差。在前面圖像獲取參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，這3 種樣品B值之間差異極顯著（P＜0.01），如圖13所示，以樣品3得到的B值最大，樣品2次之，樣品1最差，這與前面的體視顯微鏡結(jié)果完全一致。由此說明，優(yōu)化的激光傳輸測量方法完全可以區(qū)分纖維化結(jié)構(gòu)不同的擠壓肉干產(chǎn)品。

圖13 不同類型擠壓樣品對應(yīng)圖像擬合B值變化曲線Fig.13 Fitting curves of B value for different types of extruded samples

由表6可知，4 種肉干纖維取向度對應(yīng)的初始B值差異極顯著（P＜0.01），表明該方法不僅可以運(yùn)用在擠壓肉制品上，還可以區(qū)分天然肉干和市售肉脯的纖維結(jié)構(gòu)，而該方法是否具有更大的普遍運(yùn)用性，比如評價化學(xué)合成纖維的取向程度等，也將是新的研究發(fā)展方向。

表6 市售肉干產(chǎn)品的初步評價Table6 Evaluation of commercially available meat products

3 結(jié) 論

通過激光圖像采集和自編的Matlab程序?qū)D像的后處理，對擠壓肉干纖維取向度的光學(xué)評價方法進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化、并驗證方法可行。得到的圖像獲取參數(shù)為：相機(jī)曝光時間為1/400 s，激光光源入射角為45°。在此優(yōu)化光學(xué)參數(shù)的條件下，得到樣品取向方向和垂直取向方向纖維取向程度差異極顯著（P＜0.01），擠壓牛肉干纖維取向程度明顯優(yōu)于擠壓豬肉干，同時此光學(xué)方法也可以區(qū)分因擠壓機(jī)參數(shù)不同導(dǎo)致肉干的纖維取向度不同，所優(yōu)化的光學(xué)方法完全可以區(qū)分纖維取向度不同的擠壓肉干制品。

本研究中的光學(xué)評價方法在應(yīng)用中無損、準(zhǔn)確，但測定樣品反映地是樣品局部的纖維取向程度，不能全面反映樣品整體的取向結(jié)構(gòu)，因此建立一種動態(tài)、連續(xù)的激光掃描方法將是下一步的發(fā)展方向。另外，對于激光傳輸方法的普遍性，也需進(jìn)一步的探究。