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

Micro CT 或3D XRM是一種非破壞性的成像技術(shù)，能夠提供物體內部結構的高分辨率三維圖像。這種技術(shù)在油氣地質(zhì)醫學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟，但在食品科學(xué)的應用則是近年來(lái)才開(kāi)始興起。它的非侵入性特點(diǎn)使科學(xué)家能夠不破壞食品樣品的情況下，觀(guān)察其內部結構和特性。這一技術(shù)對于理解食品的微觀(guān)結構，尤其是在加工、儲存、包裝過(guò)程中發(fā)生的變化至關(guān)重要。

那么，Micro CT技術(shù)在食品科學(xué)中具體有哪些應用呢？

1）結構分析與質(zhì)構評估：

食品的質(zhì)地和口感往往與其微觀(guān)結構密切相關(guān)。利用XRM，科學(xué)家們能夠觀(guān)察食品內部的氣泡、纖維、孔隙等結構，并分析這些結構如何影響食品的整體品質(zhì)。例如，在面包和糕點(diǎn)的研究中，這項技術(shù)可以幫助研究人員優(yōu)化配方和烘焙條件，以達到理想的蓬松度和口感。當然，Micro CT能夠揭示食品中營(yíng)養成分的分布情況，幫助研究人員設計更加均衡和健康的食品結構，如分析堅果醬中脂肪和蛋白質(zhì)的分布。

2）加工過(guò)程優(yōu)化：

通過(guò)對不同加工條件下的食品進(jìn)行Micro CT掃描，研究人員可以了解加工過(guò)程如何改變食品的微觀(guān)結構，如孔隙等，并據此調整加工參數以改善產(chǎn)品質(zhì)量。在冷凍和凍干食品的加工中，這項技術(shù)尤為重要，因為它能幫助科學(xué)家找到比較好的冷凍速度和干燥時(shí)間，以保持食品的營(yíng)養和風(fēng)味。

3）包裝和保質(zhì)期評估：

Micro CT技術(shù)可以幫助科學(xué)家評估不同包裝材料對食品結構的保護效果，以及貯藏過(guò)程中可能發(fā)生的微觀(guān)變化。這對于設計新型食品包裝材料，以及預測和延長(cháng)食品的保質(zhì)期非常有用。

4）食品安全與摻假檢測：

利用Micro CT 技術(shù)，可以在不破壞樣品的情況下，檢測食品中的異物或摻假情況，例如識別肉類(lèi)產(chǎn)品中的骨骼碎片或檢測谷物中的石子。

5）3D 食品打?。?/strong>

在 3D 食品打印領(lǐng)域，Micro CT 可以用來(lái)分析打印食品的內部結構和質(zhì)地，為打印參數的優(yōu)化提供依據，確保打印食品的品質(zhì)和穩定性。

6）變溫等多場(chǎng)耦合原位實(shí)驗：

MicroCT 技術(shù)發(fā)展至目前已經(jīng)不再局限于針對樣品結構信息的靜態(tài)掃描，現如今，輔以如力學(xué)（拉伸/圍壓）原位實(shí)驗臺/ 高低溫原位實(shí)驗臺/酸堿度環(huán)境模擬實(shí)驗臺等配件，也可以實(shí)現樣品內部結構在多場(chǎng)耦合條件下的動(dòng)態(tài)變化過(guò)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(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，食品科學(xué)的研究領(lǐng)域也在不斷擴展和豐富，這其中，尤其創(chuàng )新食品的開(kāi)發(fā)較為引人注目。 我們這里就以人造肉的相關(guān)研究為例，一起來(lái)討論一下Micro CT或3D XRM技術(shù)在該研究領(lǐng)域的一些應用：

1) 紋理和結構分析：

人造肉產(chǎn)品的成功與否，在很大程度上取決于其能否在口感和外觀(guān)上模仿真正的肉類(lèi)產(chǎn) 品。Micro CT 可以提供人造肉內部微觀(guān)結構的詳細三維圖像，包括纖維狀組織的排列和密度，從而幫助研究者評估和優(yōu)化其結構以更接近真肉。利用Micro CT 技術(shù)觀(guān)察人造肉 的纖維化過(guò)程，即植物蛋白或動(dòng)物細胞在特定條件下形成肌肉纖維狀結構的過(guò)程。通過(guò) 分析不同生長(cháng)階段的人造肉樣本，研究人員能夠詳細了解纖維化的動(dòng)態(tài)變化，包括纖維 的形成速度、纖維的直徑、以及纖維間的相互排列情況。

2) 成分分布評估：

Micro CT 能夠精確地揭示人造肉中不同成分（如蛋白質(zhì)、脂肪和水分）的分布情況。通過(guò)分析這些成分的分布均勻性，研究者可以調整配方或加工工藝，以改善產(chǎn)品的品質(zhì)和感官屬性。

3) 孔隙結構分析：

孔隙結構對于模擬肉類(lèi)的多汁感和口感至關(guān)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連通性，為制造更加多汁和柔軟的人造肉產(chǎn)品提供數據支持。

4) 支架材料的評估：

支架材料在人造肉合成過(guò)程中主要應用于提供細胞生長(cháng)的三維結構基礎。一個(gè)研究項目通過(guò)Micro CT 分析不同設計的支架材料，評估它們的孔隙結構、孔隙大小和分布，以及對細胞附著(zhù)和生長(cháng)的影響。這些信息幫助研究團隊優(yōu)化支架的微觀(guān)結構，促進(jìn)細胞更有效地生長(cháng)和組織化，從而提高培養肉的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

5) 產(chǎn)品質(zhì)量控制：

Micro CT 技術(shù)可以用于人造肉產(chǎn)品的質(zhì)量控制，如檢測生產(chǎn)過(guò)程中可能出現的內部缺陷（裂紋、空洞等），確保每批產(chǎn)品的一致性和高質(zhì)量。利用Micro CT 技術(shù)對成品進(jìn)行非破壞性檢測，生產(chǎn)商可以及時(shí)發(fā)現生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題，避免劣質(zhì)產(chǎn)品流入市場(chǎng)。這對于保證人造肉產(chǎn)品的一致性和消費者的接受度具有重要意義。

6) 新食品開(kāi)發(fā)：

對于開(kāi)發(fā)新型人造肉產(chǎn)品或其他創(chuàng )新食品，Micro CT 提供了一種探索不同原料和生產(chǎn)工藝對產(chǎn)品結構影響的工具，有助于研究和開(kāi)發(fā)具有新穎質(zhì)構和營(yíng)養價(jià)值的食品。

我們可以看到，Micro CT技術(shù)正在成為食品科學(xué)研究中的一項重要工具，尤其是在人造肉等創(chuàng )新食品的開(kāi)發(fā)上。它為我們提供了一個(gè)全新的視角，讓我們能夠深入到食品的內部世界，了解和改善那些決定食品品質(zhì)的微觀(guān)因素。

部分應用案例分享：

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(lèi)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 》

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和應用的深入，我們有理由相信，Micro CT技術(shù)將在未來(lái)的食品科學(xué)研究中扮演更加重要的角色。無(wú)論是改進(jìn)傳統食品，還是開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，它都將是我們強有力的助手。 

德國布魯克三維X射線(xiàn)顯微鏡系列產(chǎn)品介紹：