Ein Computer-Vision-System zur Beurteilung des Schmelzverhaltens von Speiseeis

Zusammenfassung

Hier stellen wir ein Protokoll vor, das auf einem Computer Vision System (CVS) basiert, um das Schmelzverhalten von mehrphasigen Lebensmittelsystemen zu bestimmen.

Zusammenfassung

Das Schmelzverhalten ist einer der wichtigsten Qualitätskennzahlen von Speiseeis. Sie wird in der Regel mit gravimetrischen Methoden ausgewertet und in Form von Startzeit und Schmelzgeschwindigkeit ausgedrückt. Aber auch der Aspekt des Eises während des Schmelzens ist wichtig, denn die Formbeständigkeit ist mit einer guten Struktur des Produkts verbunden. Das hier vorgeschlagene Protokoll veranschaulicht ein Computer-Vision-System (CVS), das zur Unterstützung der bereits bestehenden Gravitationsmethode verwendet werden kann, um zwei neue Schmelzindizes in Bezug auf Formerhaltung und Schmelzrate zu berechnen. Bilder von Eis während des Schmelzens werden alle 15 Minuten für insgesamt 90 Minuten aufgenommen. Anschließend werden digitale Bilder mit einem eigens entwickelten Bildverarbeitungsverfahren erstellt, um die Fläche, Höhe und Breite des Eises zu berechnen. Das Verhältnis zwischen Höhe und Breite zu jedem Schmelzzeitpunkt, bezogen auf das Verhältnis zum Zeitpunkt 0 (R_t/R₀), ist ein Index für die Formbeständigkeit von Eiscreme, während die Fläche zu den verschiedenen Schmelzzeiten, bezogen auf die Fläche zum Zeitpunkt 0 (A_t/A₀), auf die Schmelzgeschwindigkeit bezogen ist. Dieses Computer-Vision-System ermöglicht es, hochempfindliche und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen, und es kann nicht nur auf Eiscreme, sondern auch auf verschiedene Lebensmittelmatrizen wie Schlagsahne oder Eialbumin angewendet werden.

Einleitung

Eiscreme ist ein mehrphasiges System, bei dem flüssige, feste und gasförmige Phasen streng miteinander verbunden sind. Die kontinuierliche flüssige Phase umhüllt Luftblasen und Eiskristalle und enthält teilweise kristallisierte Fette, kolloidale Proteine, Salze, Zucker (eventuell kristallisiert) und Stabilisatoren. Die Zusammensetzung des Eises variiert je nach den lokalen Marktanforderungen und möglichen Vorschriften. Obwohl die Verarbeitungstechnologie die Eigenschaften des endgültigen Eises beeinflusst, spielt jeder Bestandteil eine wichtige Rolle bei der Definition der Produktqualität¹. Das Schmelzverhalten ist einer der wichtigsten Qualitätsindizes von Speiseeis, wenn man die Phänomene berücksichtigt, die sowohl beim Verzehr als auch im Mund auftreten. Durch das Eindringen von Hitze in das Eis schmelzen Eiskristalle, und Wasser diffundiert und vermischt sich mit der Serumphase, die durch die verbleibende Struktur abfließen kann². Ein schnell schmelzendes Produkt ist unerwünscht für ein angenehmes Essen, aber auch für die Gewährleistung einer höheren Hitzeschockbeständigkeit. Langsam schmelzende Produkte weisen jedoch auch auf einige Mängel in der Rezeptur^{hin 1}. Es ist bekannt, dass die Mikrostruktur von Speiseeis für die Schmelzeigenschaften verantwortlich ist³, aber es wurden bisher gegensätzliche Ergebnisse veröffentlicht, die zeigen, dass das Wissen über den Einfluss mikrostruktureller Faktoren auf das Schmelzen noch begrenzt ist⁴. Daher sind weitere Studien erforderlich, um den Schmelzmechanismus aufzuklären, der auch bei der Entwicklung neuer Formulierungen von entscheidender Bedeutung ist³.

Das Schmelzverhalten wird in der Regel mit gravimetrischen Methoden bewertet und in Form von Startzeit und Schmelzgeschwindigkeit ausgedrückt⁵. Eine bestimmte Portion Eiscreme wird auf ein Drahtgeflecht in einem Schrank mit kontrollierter Temperatur gelegt, und das Gewicht des geschmolzenen Produkts wird registriert. Aus der Gewichts-Zeit-Kurve lassen sich drei Phasen unterscheiden: die Verzögerungsphase, in der die Wärme durchdringt, die schnell schmelzende Phase, in der die verdünnte Serumphase mit der maximalen Geschwindigkeit durch die Eiscremestruktur fließt, und die stationäre Phase, in der der größte Teil des Produkts herausgetropft ist².

Mit der gravimetrischen Methode können langsam und schnell schmelzende Produkte erkannt werden; Aber auch der Aspekt des Eises während des Schmelzens ist wichtig, denn die Formbeständigkeit ist mit einer guten Zusammensetzung und Struktur des Produkts verbunden⁶. So kann ein Verfahren, das auf einem Computer-Vision-System (CVS) basiert, die bereits bestehende Gravitationsmethodik unterstützen, indem es die Untersuchung des Aussehens des Produkts während des Schmelzens ermöglicht. CVS können zahlreiche Lebensmittelattribute³ (z. B. Größe, Gewicht, Form, Textur und Farbe) mit genauen Details erfassen, die vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden können. Solche Systeme bestehen in der Regel aus Digitalkameras und Bildverarbeitungssoftware⁷. In der Tat umfasst ein auf CVS basierendes Protokoll zwei Hauptschritte: 1) Bildaufnahme und 2) Bildverarbeitung. Es können verschiedene Ebenen der Bildverarbeitung angewendet werden⁷, von den einfachsten bis zu den komplexeren, wie z. B. Deep-Learning-Methoden für die Entwicklung von Künstlicher Intelligenz ^8,9. In letzter Zeit wurde CVS im Lebensmittelsektor große Aufmerksamkeit geschenkt, und es wurde eine große Anzahl von Anwendungen für die Inspektion der Lebensmittelsicherheit, die Überwachung der Lebensmittelverarbeitung, die Erkennung von Fremdkörpern und andere Bereiche entwickelt. Sie sind schnell, effizient und zerstörungsfrei und stellen somit gültige Instrumente dar, um den Verbrauchern sichere Lebensmittel von hoher Qualität anzubieten¹⁰.

Im Bereich der Eiscreme wurde eine Bildanalysemethode vorgeschlagen, um die Rekristallisation von Eis mittels optischer Mikroskopie^{zu untersuchen 11}. In jüngerer Zeit wurden Röntgen-Computertomographie-Bilder verarbeitet, um die 3D-Mikrostruktur von weichporösen Substanzen, einschließlich Eiscreme, zu analysieren³. Die Ausarbeitung einfacher digitaler CCD-Bilder (Charge Coupled Device) kann jedoch mehrere Vorteile in Bezug auf die einfache Erfassung und Wiedergabe des Eiscreme-Aspekts, wie er von den Verbrauchern wahrgenommen wird, bieten. Einige Autoren zeigen Bilder von Eiscreme während des Schmelzens¹², aber nach unserem besten Wissen wurde die Extraktion numerischer Indizes aus den Bildern zum ersten Mal von Moriano und Alamprese^{berichtet 13}.

Daher veranschaulicht das hier vorgeschlagene Protokoll, das auf der Arbeit von Moriano und Alamprese¹³ basiert, ein einfaches CVS, das zur Unterstützung der bereits bestehenden Gravitationsmethodik zur Untersuchung des Schmelzverhaltens von Eiscreme angewendet werden kann. Ein Blockdiagramm der vorgeschlagenen Methode ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Verwendung eines solchen Systems ermöglicht die Berechnung von zwei Schmelzindizes, die sich auf die Formbeständigkeit und die Schmelzgeschwindigkeit beziehen. Insbesondere beschreibt der Beitrag zum ersten Mal den detaillierten Versuchsaufbau und das Vorgehen für die digitale Bildaufnahme während der Eisschmelze und die Bildverarbeitungsschritte. Außerdem wird berichtet, dass die Ergebnisse von Eiscreme, die mit verschiedenen Süßungsmitteln (z. B. Saccharose, Sacromalt und Erythrit) hergestellt wurde, das Potenzial der Methode zeigen.

Abbildung 1: Blockdiagramm der vorgeschlagenen Methoden. Zusammenfassung der allgemeinen Schritte für das vorgeschlagene Computer-Vision-System und die gravimetrische Methode zur Untersuchung des Schmelzverhaltens von Eiscreme. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Protokoll

1. Versuchsaufbau und Verfahren für Schmelzversuche

1. Vorbereitung von Eisproben
   1. Wählen Sie transparente Becher mit festem Volumen und fester Form und Deckel. Schneide zwei lange Streifen Backpapier von ca. 2 cm Breite ab und befestige sie mit Hilfe von Papierklebeband an den Innenwänden der Förmchen, sodass sie am Boden ein Kreuz bilden. Beginnen Sie, den Becher mit einem Spatel mit der Eisprobe zu füllen.
      HINWEIS: Bevor Sie beginnen, stellen Sie sicher, dass das Eis eine Temperatur im Bereich von -7 °C bis -12 °C hat, damit es im Becher verteilt werden kann. Achten Sie darauf, dass bei der Becherbefüllung keine Leerräume entstehen, indem Sie regelmäßig durch die Bechertransparenz kontrollieren.
   2. Wenn der Becher voll ist, ziehen Sie den Überschuss an Eis vorsichtig mit dem Spatel ab, so dass eine glatte und ebene Oberfläche entsteht. Verschließen Sie den Becher mit dem Deckel und lagern Sie die Probe mindestens 24 h lang bei -30 °C.
   3. Vor der Analyse wird die Probe 24 Stunden lang bei -16 °C konditioniert.
2. Aufbau des Schmelzversuchs und der Bildaufnahme
   1. Stellen Sie einen Thermostatschrank auf 20 ± 1 °C ein. Setzen Sie eine digitale Waage in den Schrank ein und schließen Sie sie an einen Computer mit einer Software zur Erfassung des Gewichts in Abhängigkeit von der Zeit an.
   2. Stellen Sie einen Messzylinder auf die Digitalwaage und setzen Sie das Gewicht zurück. Platziere einen hängenden Trichter über dem Zylinder, um das geschmolzene Eis aufzufangen. Der Aufbau des Schmelzversuchs ist in Abbildung 2 dargestellt.
      HINWEIS: Der Trichter sollte über dem Zylinder aufgehängt werden, um eine Überschreitung des Skalenvollwerts der Digitalwaage zu vermeiden. Um eine Instabilität des Trichters während der Probenpositionierung zu Beginn der Analyse zu vermeiden, sollte er über dem Zylinder an der Schrankablage befestigt werden.
   3. Platzieren Sie eine Kamera mit einem Stativ in einer definierten Höhe und Entfernung vor der Schranktür, um die beste zuverlässige Bildausschnitt der Probe zu erhalten.
      HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Kamera gut auf die Eisprobe ausgerichtet ist, um Parallaxenfehler bei der Verarbeitung des Bildes zu vermeiden.
3. Schmelzversuch
   1. Bereiten Sie ein Metallgitter vor, das mit einer Größenreferenz versehen ist. Nehmen Sie den Eisbecher aus dem Gefrierschrank, nehmen Sie den Deckel ab und beginnen Sie vorsichtig, einen Spatel zwischen das Eis und die Becherwände zu stecken, um die Probe vom Behälter zu lösen.
      HINWEIS: Der Eisbecher darf erst dann aus dem Gefrierschrank genommen werden, wenn die vorherigen Schritte (bis Schritt 1.2.3) abgeschlossen sind, um ein Einschmelzen vor der Datenregistrierung zu vermeiden.
   2. Während du die Eisprobe von den Becherwänden löst, lass das Backpapier auf der Oberfläche des Eises kleben.
   3. Wenn sich die ganze Eisprobe von den Becherwänden gelöst hat, ziehen Sie vorsichtig an den Enden des Backpapiers, um das Eis herauszunehmen, und legen Sie es zusammen mit den Backpapierstreifen auf das Metallgittersieb. Dann die Backpapierstreifen vorsichtig von der Eisoberfläche entfernen.
      HINWEIS: Achten Sie darauf, die Eisform nicht zu verändern, wenn Sie die Schritte 1.3.1-1.3.3 ausführen.
   4. Platzieren Sie das Metallgittersieb mit der Eisprobe auf dem Trichter im Schrank. Nehmen Sie mit der Digitalkamera auf dem Stativ das erste Bild (t0) der Eisprobe bei geöffneter Schranktür auf und achten Sie darauf, auch die Größenreferenz aufzunehmen. Schließen Sie die Schranktür und beginnen Sie mit der minütlichen Aufzeichnung der gravimetrischen Daten mit der an die Waage angeschlossenen Software.
      HINWEIS: Verwenden Sie keinen Blitz, um Schatten im Bild zu vermeiden, und verwenden Sie einen sehr kontrastreichen Hintergrund, um die Segmentierung von Eiscreme zu verbessern. Überprüfen Sie den Fokus des aufgenommenen Bildes. Wenn das Bild unscharf ist, nehmen Sie sofort ein neues Bild auf.
   5. Zeichnen Sie die gravimetrischen Daten 90 Minuten lang auf (eine Registrierung pro Minute) und machen Sie alle 15 Minuten ein Foto der Eisprobe (siehe Schritt 1.3.4) (für insgesamt 7 Bilder).

Abbildung 2: Aufbau des Schmelzversuchs. Die Abbildung zeigt, wie der Schmelzversuch im Thermostatschrank eingerichtet wird: Stellen Sie einen Messglaszylinder auf eine Digitalwaage, um das geschmolzene Eis zu sammeln und zu wiegen. Die Eisprobe wird auf ein Metallgittersieb auf einen Trichter gelegt, der über dem Zylinder hängt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Bildverarbeitung zur Berechnung der Schmelzindizes

1. Bildverarbeitung
   1. Laden Sie die digitalen Bilder von der Speicherkarte der Kamera herunter und speichern Sie sie als .tiff oder .jpg Dateien ohne Komprimierung.
   2. Verwenden Sie die Befehle Datei > Öffnen der Bildanalysesoftware, um die Eisbilder zu öffnen. Beginnen Sie mit der Verarbeitung des ersten Bildes (t0) und korrigieren Sie bei Bedarf die Drehung (Befehle: Bearbeiten > Drehen).
   3. Verwenden Sie die in jedem Bild erfasste Größenreferenz (siehe Schritte 1.3.1 und 1.3.4.), um das Bild räumlich zu kalibrieren (Befehle: Messen > Kalibrierung > Räumliches > Bild) und konvertieren Sie Pixel in Millimeter (Ergänzende Abbildung 1).
   4. Wählen Sie den rechteckigen Interessenbereich (AOI) aus, einschließlich der Eisprobe und vermeiden Sie den Rand des Metalldrahtgitters (Befehle: Bearbeiten > Neuer AOI > Rechteckig). Schneiden Sie den AOI zu und wandeln Sie ihn in eine Graustufe (Farbtiefe, 8) um, indem Sie die Befehle Edit > Covert to > Grey Scale 8 verwenden (Ergänzende Abbildung 2).
   5. Wenden Sie den Filter "Optimale Anpassung " an, der Helligkeit und Kontrast automatisch anpasst (Befehle: Verbessern > Angleichen > Optimale Anpassung).
   6. Gehen Sie zum Fenster Messen > Anzahl/Größe der Software und öffnen Sie das Fenster Messen , um die folgenden Parameter auszuwählen: Fläche, Quaderhöhe und Quaderbreite. Klicken Sie dann auf OK , um dieses Fenster zu schließen (Ergänzende Abbildung 3).
   7. Wählen Sie die manuelle Messung aus (Flag Manuell im Fenster Anzahl/Größe ) und klicken Sie auf Bereiche auswählen , um die Histogrammwerte so einzustellen, dass die helle Form des Eises genau segmentiert wird. Schließen Sie das Fenster Segmentierung (Ergänzende Abbildung 4).
   8. Klicken Sie auf Count im Fenster Count/Size der Software, um die drei in Schritt 2.1.6 ausgewählten Parameter zu messen. Wenn andere helle Objekte als die Eisprobe gezählt werden, verwenden Sie einen Bereichsschwellenwert, um die Objekte zu filtern (Befehle: Messen > Messungen > Bereich auswählen; Start- und Endbereich anpassen). Zeigen Sie die Messergebnisse an, indem Sie auf > Messdaten anzeigen klicken (Ergänzende Abbildung 5). Verwenden Sie Datei > Daten in Zwischenablage , um die Messergebnisse zu kopieren und in eine Tabelle der Datenverwaltungssoftware einzufügen.
   9. Wiederholen Sie die Schritte von 2.1.2 bis 2.1.8 für jedes Bild, das während der Eisschmelze aufgenommen wurde.
2. Auswertung von Schmelzindizes
   HINWEIS: Von nun an werden die Größenparameter, die aus den Eiscreme-Bildern gemessen werden, wie folgt angezeigt: A, Fläche; H, Höhe des Kastens; W, Kastenbreite (Ergänzende Abbildung 6).
   1. Unter Verwendung der im vorherigen Schritt 2.1 berechneten H- und W-Daten zu den verschiedenen Zeitpunkten t während des Schmelzens (0 min, 15 min, 30 min, 45 min, 75 min und 90 min) wird der Formerhaltungsindex (R_t) gemäß Gleichung 1 berechnet:
      (1)
   2. Beziehen Sie sich gemäß Gleichung 2 und Gleichung 3 auf die jeweils berechneten R- und A-Daten auf den entsprechenden Index zum Zeitpunkt 0 (R₀ und A₀) und stellen Sie die erhaltenen Ergebnisse als Funktion der Zeit dar, wie in Abbildung 3A, B gezeigt. Der Trend von A_t als Funktion der Zeit hängt mit der Schmelzrate von Eiscreme zusammen.
      (2)
      (3)

Ergänzende Abbildung 1: Kalibrierung des Bildes. (A) Gehen Sie zum Fenster Messen > Kalibrieren > Räumlich der Bildanalysesoftware. Wählen Sie Neu und markieren Sie dann Bild , um das Fenster Skalierung zu öffnen. Die Referenzlänge in der Einheit zur Umrechnung von Pixeln (z.B. Millimeter) wird angegeben. (B) Überlappen Sie den grünen Balken vorsichtig mit dem Referenzabschnitt, der der angegebenen Länge entspricht, und klicken Sie auf OK. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 2: AOI zuschneiden und in Graustufen umwandeln. (A) Umwandlung des Area of Interest (AOI) in die Graustufen und (B) das resultierende Bild. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 3: Auswahl der zu messenden Parameter. Im Fenster Messung auswählen können die zu messenden Parameter ausgewählt werden. Für die Auswertung der Eisschmelze müssen Fläche, Kartonbreite und Kartonhöhe ausgewählt werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 4: Segmentierung der Eisprobe. Im Fenster "Segmentierung" ist es möglich, die zu berücksichtigenden Histogrammbereiche auszuwählen, um genau den Bereich der Eisform abzudecken. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 5: Filtern von Objekten und die Count-Funktion. Die roten Linien markieren die erkannten hellen Objekte. Wenn Sie die Zählfunktion anwenden und das Fenster "Ansicht, Messdaten" öffnen, werden die Ergebnisse der ausgewählten Parameter angezeigt (A). Um nur die Eisform zu filtern, ist es möglich, im Fenster "Messung auswählen" einen minimalen und einen maximalen Bereichsbereich auszuwählen, wodurch nur die Parameter eines Objekts (B) gezählt werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 6: Formbeständigkeitsindex (R). Die Höhe des Kastens (H_t, rote gestrichelte Linie) und die Breite des Kastens (W_t, schwarze durchgezogene Linie), die für die Berechnung des Formbeständigkeitsindex (R) verwendet werden, werden angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Abbildung 3: Form- und Flächenerhaltungskurven. Beispiel für eine Eiscreme-Form (A) und (B) Flächenerhaltungskurven, in denen die Durchschnittswerte von R_t/R₀ und A_t/A₀ über die Zeit aufgetragen werden; Die Fehlerbalken entsprechen den Standardabweichungswerten, die von den Analysereplikaten erhalten werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

3. Ausarbeitung gravimetrischer Daten

1. Am Ende des Schmelzversuchs (90 Minuten) speichern Sie die Tabelle mit dem Gewicht der geschmolzenen Probe (Gramm) pro Minute der Analyse, die von der an die digitale Waage angeschlossenen Software durchgeführt wird.
2. Öffnen Sie die Gewichtstabelle in einer Datenverwaltungssoftware, um ein Diagramm des geschmolzenen Gewichts (Gramm) in Abhängigkeit von der Zeit (Minuten) zu erstellen und so die Schmelzkurve der Eisprobe zu erhalten.
3. Wählen Sie Daten im linearen Teil der Schmelzkurve aus und berechnen Sie die Regressionslinie der kleinsten Quadrate, indem Sie Gleichung 4 und den Regressionskoeffizienten (R²) registrieren.
   (4)
4. Der Steigungswert der Regressionsgeraden (m) ist die Schmelzrate von Eiscreme (Gramm/Minute). Berechnen Sie die Anfangszeit des Schmelzens (t_s; Minute) als x-Achsenabschnitt (wenn y = 0) wie folgt:
   (5)

Abbildung 4: Gravimetrische Kurve. Beispiel für eine Eisschmelzkurve, die mit der gravimetrischen Methode erhalten wurde. Die ursprüngliche Kurve ist rot dargestellt; Die ausgewählten Datenreihen im linearen Teil werden grün dargestellt. Die berechnete Regressionslinie wird in schwarzen Punkten dargestellt. Die Gleichung und der Bestimmtheitskoeffizient (R²) der Regressionsgeraden sind ebenfalls dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

HINWEIS: Um zuverlässige Ergebnisse für die statistische Analyse zu erhalten, wiederholen Sie das gesamte Verfahren des Schmelzversuchs und der Bildverarbeitung mindestens dreimal für jede Probe.

Ergebnisse

Als Beispiel für die vorgeschlagenen CVS-Outputs werden Ergebnisse von Meltdown-Analysen für drei verschiedene Eiscreme-Formulierungen gezeigt, verglichen mit Daten aus der gravimetrischen Methode. Insbesondere wurde das Schmelzverhalten von Speiseeis untersucht, das mit unterschiedlichen Süßungsmitteln (z.B. Saccharose, Sacromalt und Erythrit) hergestellt wurde.

Tabelle 1 und Abbildung 5A zeigen die Ergebniss...

Diskussion

Das vorgeschlagene CVS ermöglicht die Berechnung der Form- und Flächenretentionsindizes von Eiscremeproben während des Schmelzens sowie die Visualisierung des Schmelzprozesses. Es kann mit der traditionellen gravimetrischen Methode gekoppelt werden, die zur Beurteilung des Schmelzverhaltens von Eiscreme⁵ angewendet wird, um Ergebnisse zu erhalten, die sich auf das Aussehen des Eises beziehen. Dies ist sehr wichtig, da die Verbraucher seine Qualität auch auf de...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Cabinet	Cavallo s.r.l.	FTX700	Location for the melting test
Digital camera	Sony Group Corp	DSC-S650
Digital scale	Gibertini Elettronica	EU-C 4002 LCD
ImagePro Plus 7.0	Media Cybernetics, Inc	N/A	Image analysis elaboration software
Microsoft Excel	Microsoft	N/A	Data and graphical elaboration
Scalecom	Gibertini Elettronica	N/A	Digital scale software acquisition
Tripod	Manfratto	#055