Un sistema di visione artificiale per la valutazione del comportamento di fusione del gelato

Riepilogo

Qui, presentiamo un protocollo basato su un sistema di visione artificiale (CVS) per determinare il comportamento di fusione dei sistemi alimentari multifase.

Abstract

Il comportamento di fusione è uno degli indici di qualità più importanti del gelato. Di solito viene valutato con metodi gravimetrici ed espresso in termini di tempo di inizio e velocità di fusione. Tuttavia, anche l'aspetto del gelato durante la fusione è importante perché il mantenimento della forma è legato a una buona struttura del prodotto. Il protocollo qui proposto illustra un sistema di visione artificiale (CVS) che può essere utilizzato a supporto della metodologia gravitazionale già esistente per calcolare due nuovi indici di fusione relativi alla ritenzione di forma e alla velocità di fusione. Le foto del gelato durante lo scioglimento vengono scattate ogni 15 minuti per un totale di 90 minuti. Successivamente, le immagini digitali vengono elaborate utilizzando un metodo di elaborazione delle immagini appositamente sviluppato per calcolare l'area, l'altezza e la larghezza del gelato. Il rapporto tra altezza e larghezza ad ogni tempo di fusione, riferito al rapporto al tempo 0 (R_t/R₀), è un indice del mantenimento della forma del gelato, mentre l'area ai diversi tempi di fusione riferita all'area al tempo 0 (A_t/A₀) è correlata alla velocità di fusione. Questo sistema di visione artificiale consente di ottenere risultati altamente sensibili e affidabili, e può essere applicato non solo al gelato ma anche a diverse matrici alimentari, come la panna di latte montato o l'albume d'uovo.

Introduzione

Il gelato è un sistema multifase in cui le fasi liquida, solida e gassosa sono strettamente collegate. La fase liquida continua avvolge bolle d'aria e cristalli di ghiaccio e contiene grassi parzialmente cristallizzati, proteine colloidali, sali, zuccheri (eventualmente cristallizzati) e stabilizzanti. La composizione del gelato varia a seconda delle richieste del mercato locale e delle eventuali normative. Sebbene la tecnologia di lavorazione influisca sulle caratteristiche del gelato finale, ogni componente svolge un ruolo importante nella definizione della qualità del prodotto¹. Il comportamento di fusione è uno degli indici di qualità più importanti del gelato, considerando i fenomeni che si verificano sia durante il consumo che in bocca. Con la penetrazione del calore nel gelato, i cristalli di ghiaccio si sciolgono e l'acqua si diffonde e si mescola con la fase di siero, che può defluire attraverso la struttura rimanente². Un prodotto a fusione rapida è indesiderabile per un'alimentazione confortevole, ma anche per garantire una maggiore resistenza agli shock termici. Tuttavia, i prodotti a fusione lenta indicano anche alcuni difetti nella formulazione¹. È noto che la microstruttura del gelato è responsabile delle proprietà di fusione³, ma finora sono stati pubblicati risultati contrastanti, che dimostrano che la conoscenza dell'influenza dei fattori microstrutturali sulla fusione è ancora limitata⁴. Pertanto, sono necessari ulteriori studi per chiarire il meccanismo di fusione, che è cruciale anche nella progettazione di nuove formulazioni³.

Il comportamento di fusione è solitamente valutato con metodi gravimetrici ed espresso in termini di tempo di inizio e velocità di fusione⁵. Una determinata porzione di gelato viene posta su una rete metallica in una cella a temperatura controllata e viene registrato il peso del prodotto fuso. Dalla curva peso-tempo si possono evidenziare tre fasi: la fase di ritardo durante la quale avviene la penetrazione del calore, la fase di fusione rapida con la fase di siero diluito che scorre attraverso la struttura del gelato alla massima velocità e la fase stazionaria, in cui la maggior parte del prodotto è gocciolata².

Con il metodo gravimetrico è possibile riconoscere i prodotti a fusione lenta e veloce; Tuttavia, anche l'aspetto del gelato durante la fusione è importante, perché il mantenimento della forma è legato a una buona composizione e struttura del prodotto⁶. Pertanto, una procedura basata su un sistema di visione artificiale (CVS) può supportare la metodologia gravitazionale già esistente consentendo lo studio dell'aspetto del prodotto durante la fusione. I CVS possono acquisire numerosi attributi alimentari³ (ad esempio, dimensioni, peso, forma, consistenza e colore) con dettagli accurati che non possono essere osservati dall'occhio umano. Tali sistemi sono solitamente costituiti da fotocamere digitali e software di elaborazione delle immagini⁷. Infatti, un protocollo basato su CVS include due passaggi principali: 1) acquisizione delle immagini e 2) elaborazione delle immagini. Possono essere applicati vari livelli di elaborazione delle immagini⁷, dai più semplici ai più complessi, come i metodi di deep learning per lo sviluppo dell'Intelligenza Artificiale ^8,9. Grande attenzione è stata recentemente dedicata ai CVS nel settore alimentare e un elevato numero di applicazioni è stato sviluppato per l'ispezione della sicurezza alimentare, il monitoraggio della lavorazione degli alimenti, il rilevamento di corpi estranei e altri campi. Sono veloci, efficienti e non distruttivi, rappresentando quindi validi strumenti per fornire ai consumatori alimenti sicuri e di alta qualità¹⁰.

Nel campo del gelato, è stato suggerito un metodo di analisi delle immagini per studiare la ricristallizzazione del ghiaccio mediante microscopia ottica¹¹. Più recentemente, le immagini di tomografia computerizzata a raggi X sono state elaborate per analizzare la microstruttura 3D di sostanze a porosità molle, incluso il gelato³. Tuttavia, l'elaborazione di semplici immagini digitali di dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) può presentare diversi vantaggi in termini di facilità di acquisizione e resa dell'aspetto del gelato così come percepito dai consumatori. Alcuni Autori mostrano immagini di gelato durante la fusione¹², ma, per quanto ne sappiamo, l'estrazione di indici numerici dalle immagini è stata riportata per la prima volta da Moriano e Alamprese¹³.

Pertanto, il protocollo qui proposto, basato sul lavoro di Moriano e Alamprese¹³, illustra un semplice CVS che può essere applicato a supporto della metodologia gravitazionale già esistente per lo studio del comportamento di fusione del gelato. Un diagramma a blocchi del metodo proposto è illustrato nella Figura 1. L'uso di un tale sistema consente il calcolo di due indici di fusione relativi al mantenimento della forma e alla velocità di fusione. In particolare, l'articolo descrive per la prima volta la configurazione sperimentale dettagliata e la procedura per l'acquisizione di immagini digitali durante la fusione del gelato e le fasi di elaborazione delle immagini. Inoltre, i risultati ottenuti dai gelati prodotti con diversi dolcificanti (ad esempio, saccarosio, sucromalt ed eritritolo) mostrano il potenziale del metodo.

Figura 1: Schema a blocchi delle metodologie proposte. Riassunto delle tappe generali per il sistema di visione artificiale proposto e del metodo gravimetrico per lo studio del comportamento di fusione del gelato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Protocollo

1. Impostazione sperimentale e procedure per le prove di fusione

1. Preparazione del campione di gelato
   1. Scegli tazze trasparenti di volume e forma fissa, con coperchio. Tagliate due lunghe strisce di carta da forno larghe circa 2 cm e, con l'aiuto del nastro adesivo, fissatele alle pareti interne della tazza in modo da formare una croce sul fondo. Iniziate a riempire la coppetta con il campione di gelato utilizzando una spatola.
      NOTA: Prima di iniziare, assicurarsi che il gelato abbia una temperatura compresa tra -7 °C e -12 °C in modo che possa essere spalmato all'interno della coppa. Prestare attenzione a non creare spazi vuoti durante il riempimento della tazza controllando regolarmente la trasparenza della tazza.
   2. Quando la coppetta è piena, tirate via delicatamente l'eccesso di gelato con la spatola, creando una superficie liscia e piana. Chiudere la tazza con il coperchio e conservare il campione a -30 °C per almeno 24 ore.
   3. Prima dell'analisi, condizionare il campione a -16 °C per 24 ore.
2. Impostazione della prova di fusione e acquisizione delle immagini
   1. Impostare un armadio termostatico a 20 ± 1 °C. Inserire una bilancia digitale nell'armadio e collegarla ad un computer con software per la registrazione del peso in funzione del tempo.
   2. Posizionare un cilindro graduato sulla bilancia digitale e azzerare il peso. Sopra il cilindro, posizionare un imbuto sospeso per aiutare a raccogliere il gelato sciolto. L'impostazione della prova di fusione è mostrata nella Figura 2.
      NOTA: L'imbuto deve essere sospeso sopra il cilindro per evitare di superare il fondo scala della bilancia digitale. Per evitare l'instabilità dell'imbuto durante il posizionamento del campione all'inizio dell'analisi, deve essere fissato al ripiano dell'armadio sopra il cilindro.
   3. Posizionare una fotocamera con un treppiede davanti all'anta dell'armadio a un'altezza e una distanza definite per avere la migliore inquadratura affidabile del campione.
      NOTA: Assicurarsi che la fotocamera sia ben allineata con il campione di gelato per evitare errori di parallasse durante l'elaborazione dell'immagine.
3. Prova di fusione
   1. Preparare uno schermo in rete metallica dotato di un riferimento dimensionale. Prendi la coppa gelato dal congelatore, rimuovi il coperchio e inizia delicatamente a mettere una spatola tra il gelato e le pareti della coppa per staccare il campione dal contenitore.
      NOTA: La coppa gelato deve essere rimossa dal congelatore solo dopo aver completato i passaggi precedenti (fino al passaggio 1.2.3) per evitare scioglimenti prima della registrazione dei dati.
   2. Mentre si stacca il campione di gelato dalle pareti della coppa, tenere la carta da forno attaccata sulla superficie del gelato.
   3. Quando l'intero campione di gelato è stato staccato dalle pareti della coppa, tirare delicatamente le estremità della carta da forno per estrarre il gelato e adagiarlo sullo schermo in rete metallica insieme alle strisce di carta da forno. Quindi, rimuovere con cura le strisce di carta da forno dalla superficie del gelato.
      NOTA: Prestare attenzione a non alterare la forma del gelato durante l'esecuzione dei passaggi 1.3.1-1.3.3.
   4. Posizionare lo schermo in rete metallica con il campione di gelato sull'imbuto nell'armadio. Utilizzando la fotocamera digitale sul treppiede, scattare la prima foto (t0) del campione di gelato con l'anta dell'armadio aperta, facendo attenzione a scattare anche il riferimento dimensionale. Chiudere la porta dell'armadio e iniziare a registrare i dati gravimetrici ogni minuto con il software collegato alla bilancia.
      NOTA: Non utilizzare il flash per evitare ombre nell'immagine e utilizzare uno sfondo molto contrastante per migliorare la segmentazione del gelato. Controllare la messa a fuoco dell'immagine acquisita; Se l'immagine è sfocata, scattarne immediatamente una nuova.
   5. Registrare i dati gravimetrici per 90 minuti (una registrazione al minuto) e scattare una foto del campione di gelato (vedi passaggio 1.3.4) ogni 15 minuti (per un totale di 7 immagini).

Figura 2: Configurazione del test di fusione. La figura mostra come impostare la prova di fusione nell'armadio termostatico: Mettere un cilindro di vetro graduato su una bilancia digitale per raccogliere e pesare il gelato fuso. Il campione di gelato viene adagiato su una rete metallica su un imbuto sospeso sopra il cilindro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Elaborazione delle immagini per il calcolo degli indici di fusione

1. Elaborazione di immagini
   1. Scaricare le immagini digitali dalla scheda di memoria della fotocamera e salvarle come file .tiff o .jpg senza compressione.
   2. Utilizzare i comandi File > Apri del software di analisi delle immagini per aprire le immagini del gelato. Avviare l'elaborazione della prima immagine (t0), correggendo la rotazione se necessario (comandi: Modifica > Ruota).
   3. Utilizzare il riferimento dimensionale acquisito in ogni immagine (vedere i passaggi 1.3.1. e 1.3.4.) per calibrare spazialmente l'immagine (comandi: Misura > Calibrazione > Immagine > spaziale), convertendo i pixel in millimetri (Figura supplementare 1).
   4. Selezionare l'area rettangolare di interesse (AOI), includendo il campione di gelato ed evitando il bordo dello schermo in rete metallica (comandi: Modifica > Nuova AOI > Rettangolare). Ritaglia l'AOI e convertila in una scala di grigi (profondità di colore, 8) utilizzando i comandi Modifica > Converti in > scala di grigi 8 (Figura 2 supplementare).
   5. Applica il filtro Adatta che regola automaticamente la luminosità e il contrasto (comandi: Migliora > Equalizza > Adatta meglio).
   6. Vai alla finestra Misura > Conteggio/Dimensione del software e apri la finestra Misura per selezionare i seguenti parametri: Area, Altezza scatola e Larghezza scatola. Quindi fare clic su OK per chiudere questa finestra (Figura supplementare 3).
   7. Selezionare la misura manuale (flaggare Manuale nella finestra Conteggio/Dimensione ) e cliccare su Seleziona Intervalli per impostare i valori dell'istogramma per segmentare esattamente la forma luminosa del gelato. Chiudere la finestra Segmentazione (Figura 4 supplementare).
   8. Fare clic su Conteggio nella finestra Conteggio/Dimensione del software per misurare i tre parametri selezionati al punto 2.1.6. Se vengono contati oggetti luminosi diversi dal campione di gelato, utilizzare una soglia di area per filtrare gli oggetti (comandi: Misura > Seleziona misurazioni > Area; regolare gli intervalli di inizio e fine). Per visualizzare i risultati della misurazione, fare clic su Visualizza > dati di misurazione (Figura 5 supplementare). Utilizza File > dati negli appunti per copiare i risultati della misurazione e incollarli in un foglio di calcolo del software di gestione dei dati.
   9. Ripetere i passaggi da 2.1.2 a 2.1.8 per ogni immagine raccolta durante la fusione del gelato.
2. Valutazione degli indici di fusione
   NOTA: D'ora in poi, i parametri dimensionali misurati dalle immagini del gelato saranno indicati come segue: A, area; H, altezza scatola; W, larghezza scatola (Figura 6 supplementare).
   1. Utilizzando i dati H e W calcolati nel passaggio precedente 2.1 nei diversi momenti t durante la fusione (0 min, 15 min, 30 min, 45 min, 75 min e 90 min), calcolare l'indice di ritenzione della forma (R_t) secondo l'equazione 1:
      (1)
   2. Secondo l'equazione 2 e l'equazione 3, fare riferimento ai dati R e A calcolati in ogni momento all'indice corrispondente al tempo 0 (R₀ e A₀) e tracciare i risultati ottenuti in funzione del tempo come mostrato nella Figura 3A, B. L'andamento di A_t in funzione del tempo è correlato alla velocità di fusione del gelato.
      (2)
      (3)

Figura 1 supplementare: Calibrazione spaziale dell'immagine. (A) Andare alla finestra Misura > Calibrazione > Spaziale del software di analisi delle immagini. Seleziona Nuovo, quindi seleziona Immagine per aprire la finestra Ridimensionamento . Viene indicata la lunghezza di riferimento nell'unità di misura per convertire i pixel (ad esempio, millimetri). (B) Sovrapporre con cautela la barra verde con la parte di riferimento corrispondente alla lunghezza indicata e fare clic su OK. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura 2 supplementare: Ritaglio dell'AOI e conversione in scala di grigi. (A) Conversione dell'Area di Interesse (AOI) in scala di grigi e (B) l'immagine risultante. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 3: Selezione dei parametri da misurare. Nella finestra Seleziona misura è possibile selezionare i parametri da misurare; Per la valutazione della fusione del gelato, è necessario selezionare l'area, la larghezza e l'altezza della scatola. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 4: Segmentazione del campione di gelato. Nella finestra "Segmentazione" è possibile selezionare gli intervalli di istogramma da considerare per coprire esattamente l'area della forma del gelato. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 5: Filtraggio degli oggetti e funzione Count. Le linee rosse evidenziano gli oggetti luminosi riconosciuti. Applicando la funzione di conteggio e aprendo la finestra "Visualizza, Dati di misurazione", verranno visualizzati i risultati dei parametri selezionati (A). Per filtrare solo la forma del gelato, è possibile selezionare un intervallo di area minimo e massimo nella finestra "Seleziona misura", contando così solo i parametri di un oggetto (B). Clicca qui per scaricare questo file.

Figura 6 supplementare: Indice di ritenzione della forma (R). Vengono visualizzate l'altezza della casella (H_t, linea tratteggiata rossa) e la larghezza della casella (W_t, linea continua nera) utilizzate per il calcolo dell'indice di ritenzione della forma (R). Clicca qui per scaricare questo file.

Figura 3: Curve di forma e di ritenzione dell'area. Esempio di una forma di gelato (A) e di curve di ritenzione dell'area (B), in cui i valori medi di R_t/R₀ e A_t/A₀ sono tracciati nel tempo; Le barre di errore corrispondono ai valori di deviazione standard ottenuti dalle repliche di analisi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Elaborazione di dati gravimetrici

1. Al termine della prova di fusione (90 min), salvare il foglio di calcolo con il peso del campione fuso (grammi) per ogni minuto di analisi ottenuto dal software collegato alla bilancia digitale.
2. Apri il foglio di calcolo del peso in un software di gestione dati per creare un grafico del peso fuso (grammi) in funzione del tempo (minuti), ottenendo così la curva di fusione del campione di gelato.
3. Selezionare i dati nella parte lineare della curva di fusione e calcolare la retta di regressione dei minimi quadrati, registrando l'equazione 4 e il coefficiente di regressione (R²).
   (4)
4. Il valore della pendenza della linea di regressione (m) è la velocità di fusione del gelato (grammi/minuto). Calcola l'ora di inizio della fusione (t_s; minuto) come intercetta x (quando y = 0) come segue:
   (5)

Figura 4: Curva gravimetrica. Esempio di curva di fusione del gelato ottenuta con il metodo gravimetrico. La curva originale è mostrata in rosso; le serie di dati selezionate nella porzione lineare sono mostrate in verde; La linea di regressione calcolata viene visualizzata in punti neri. Vengono mostrati anche l'equazione e il coefficiente di determinazione (R²) della retta di regressione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

NOTA: Per avere risultati affidabili da analizzare statisticamente, replicare l'intera procedura di prova di fusione e l'elaborazione delle immagini almeno tre volte per ogni campione.

Risultati

Come esempio dei risultati CVS proposti, vengono mostrati i risultati delle analisi di fusione per tre diverse formulazioni di gelato, confrontati con i dati ottenuti dal metodo gravimetrico. In particolare, è stato studiato il comportamento di fusione dei gelati realizzati con diversi dolcificanti (ad esempio, saccarosio, sucromalt ed eritritolo).

La Tabella 1 e la Figura 5A mostrano i risultati dell'indice di r...

Discussione

Il CVS proposto consente il calcolo della forma e degli indici di ritenzione dell'area dei campioni di gelato durante la fusione, oltre a visualizzare il processo di fusione. Può essere accoppiato al metodo gravimetrico tradizionale applicato per valutare il comportamento di fusione del gelato⁵, per ottenere risultati legati all'aspetto del gelato. Questo è molto importante perché i consumatori ne valutano la qualità anche in base all'aspetto visivo del prodot...

Materiali

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