孙辉  Shuping Yan  F.MacRitchie

0 引言

小麦粉加水和发酵剂后，经过搅拌，混入空气，吸收能量，面筋扩展形成网络结构；发酵后面团膨胀，具有的海绵状内部纹理结构，是发酵面食所特有的结构。内部纹理结构是评价发酵类面制食品品质优劣的关键性指标之一。我国国家标准《小麦粉面包烘焙品质试验》（GB/T 16411—2008）中，内部纹理结构评分占总分的35%，而美国的粮食品质年度报告中，面包芯的纹理和质地也是其小麦品质评价的重要指标。除了焙烤类的面包以外，蒸煮类面食——馒头也具有相似的内部纹理结构，只是其评价标准与面包类不同：面包芯要求“气孔细密均匀，并呈长形，孔壁薄”，而馒头则要求“细腻均匀”。

目前，对面包或馒头内部纹理结构的评价主要依靠感官评定，因其评价结果取决于试验人员的经验，具有较强的主观性，因此对品评员的要求较高。一般来说，没有经过培训的试验人员很难得出相对准确的评价结果。

随着计算机技术的进步，图像处理技术也在最近10年取得了突飞猛进的发展。由于图像处理技术具有速度快、精度高、信息量大、重现性好等优势，美国、英国和加拿大等国家都十分重视其在粮食品质检测中的应用研究，其中小麦麸星含量的在线检测系统Branscan已经在制粉企业得到了推广应用。由英国Calibre Control International公司研发的C-Cell图像分析仪是一种对面包和其他发酵产品进行质量控制的系统，通过对切片产品表面的图像进行处理和分析，得到关于样品的形态大小、气孔结构和特性等大量质量信息。作者通过其在面包和馒头两种有代表性的发酵产品品质分析中的应用，研究将发酵面食品品质感官评价仪器化的可能性，为建立新的食品品质评价标准奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

面包切片来自于用13份小麦粉样品制作的面包；馒头切片来自于利用美国小麦Karl、Jagger的小麦粉和中国小麦淄麦12小麦粉制作的馒头，以及这3种小麦粉经氯仿脱脂后所得脱脂小麦粉制作的馒头。

C-Cell图像分析仪：英国Calibre Control International Ltd.；面包切片机：USDA硬红冬麦和杜伦麦品质实验室自制；馒头切片机：旋转盘式无锯齿切片机，美国Graef公司。

1.2 方法

面包制作方法：按照AACC 10—10B的方法进行。

馒头制作方法：参照GB/T 20571—2006小麦储存品质判定规则的方法进行并做修改，其主要改动为将原方法中的手工揉圆成型改为利用面包成型机形成圆柱形馒头。

切片：面包样品在12h后用切片机切成约25mm厚的面包片；馒头样品则在室温冷却2～3h后切片，厚度约为13mm。分别取中间的两个面包/馒头片进行试验。

C-Cell测试按照仪器说明书进行。将样品放置在样品盒中，注意每次都要放置在相同的位置。启动程序获取图像，利用程序中的图像分析软件对其进行分析。

2 结果与讨论

2.1 C-Cell分析参数

利用C-Cell对面包/馒头片样品进行图像分析所获得的数据可以分为两类：切片信息（Slice information）和气孔信息(Cell information)。前者包括切片的尺寸（Dimensions）、亮度（Britghtness）和形状（Shape），后者包括气孔的大小（Cell size）、气孔延长度（Cell enlongation）和方向（Orientation）。

切片的尺寸指标包括切片面积（Slice area）、最大高度（Maximum height）、平均高度（Average height）、宽度（Breadth）、宽/高（Height/Breadth）及周长（Wrapper length）。面积可以在一定程度上表征样品的体积，宽/高则对于馒头品质具有一定的意义。

切片亮度参数包括亮度（Brightness）和气孔对比度（Cell contrast）。亮度是指在切片内像素的平均灰度值（0～255）。瓤部暗淡的样品亮度值低，气孔大或深的样品则由于会产生较大的阴影，亮度值亦低。气孔对比度是气孔的平均亮度和气孔壁的平均亮度的比值，对比度高表明气孔浅、孔壁薄、产品光泽度好。

切片形状参数是根据切片边缘的形状进行分析的，包括切片边缘的凹陷、断裂的位置和形状以及切片四角的弧度。这些参数对面包类产品生产过程中的品质控制具有一定的意义。

气孔大小是表征内部纹理结构的最重要的特征参数，包括气孔面积和体积。一个气孔的面积是指其总像素的数量，而体积则是面积和深度的综合评价，并不是气孔物理体积的真实数值。切片质量、在样品盒中放置不平，或是切片表面的压痕，都会影响测试结果。通过对气孔的分析，可以得到切片的气孔数量、面积、体积，孔洞的数量、体积和面积，气孔直径、孔壁的厚度、粗糙气孔的体积等。

气孔延长度是指气孔与样品最长的轴线相平行的长度与其垂直方向宽度的比值，一般可以用来表征气孔的形状。

C-Cell测试得到的分析指标很多，但是具体哪些指标具有实际的意义，还应该结合试验材料和试验内容进行分析，才能得到有意义的结果。

2.2 面包样品C-Cell参数相关性分析

图1为C-Cell所摄取的两个有代表性的分别由强筋和弱筋小麦粉制作的面包样品的原始图片。表1为13个面包样品的C-Cell分析结果中各特征参数之间的简单相关性。可以看出，面包切片尺寸参数之间，包括切片面积、周长和宽、高度等，存在极显著的相关性，这些参数与其他参数之间的相关关系也基本一致，说明可以用其中的某一参数，如切片面积表征切片的尺寸参数特征。切片尺寸和亮度参数间（包括切片亮度和气孔对比度）相关性不显著，说明二者具有相互独立的特征。气孔的数量和面积与切片尺寸参数显著或极显著正相关，说明大的切片其气孔数量较多，面积也较大；气孔的数量和体积以及孔洞的数量对亮度参数没有影响，而孔洞（Hole）的面积和体积虽然不影响切片的亮度，却与气孔对比度呈极显著负相关，说明孔洞的存在会影响样品的光泽度。此外，孔洞的体积和面积有极显著的正相关，相关系数达到0.994，可以用其中的一个参数来表征样品的孔洞特征。孔壁厚度是表征瓤部细腻程度的关键指标之一，一般来说，孔壁越薄，质地越细腻。由表1可以看出，孔壁厚度与切片尺寸参数无关，与切片亮度值相关性也不显著，但是与气孔对比度呈极显著负相关，气孔直径和体积与孔壁厚度均极显著正相关，同样也与气孔对比度显著负相关，气孔直径、面积和体积之间相关性极显著，说明气孔越大，孔壁越厚，样品的光泽度就越差。粗糙气孔体积是衡量包括孔洞在内的相对粗糙的气孔在整个切片中所占的体积。表1数据显示其与气孔对比度呈极显著负相关，而与气孔面积、直径和体积以及孔洞的面积、体积，孔壁厚度极显著正相关，因此可以作为样品细腻度的一个特征参数。气孔延长度与切片尺寸参数以及气孔和孔洞的数量密切相关，而与其他因素无关。切片尺寸大，气孔和孔洞多，则气孔的平均延长度也较大。

由此可见，利用C-Cell图像分析技术所获得的特征参数完全满足量化评价面包芯气孔大小、形状以及孔壁厚薄的要求。此外，由于试验样品外形均比较完整、规则，因此，没有分析关于切片形状的参数。

2.3 馒头样品C-Cell参数分析

图2为分别以3个小麦粉及其脱脂小麦粉为原料制作的馒头样品的C-Cell原始影像，用以分析脱脂对小麦粉馒头加工品质的影响。由图2可以看出，样品Karl的脱脂样品与其对照样品的内部纹理结构具有肉眼即可分辨的差异，而另外两个样品的差异则不是很明显。表2为这些馒头样品的C-Cell数据分析结果。

表2结果表明，脱脂使切片的气孔数量降低，但是降低幅度不同，Jagger未达到显著差异，而另外两个样品则极显著降低。由于馒头切片面积不同，因此，利用气孔密度表示单位面积上的气孔数量，则3个样品均显示出相同的规律，即脱脂后气孔密度极显著降低，表明其气孔变大。这也与气孔直径和体积的变化趋势相同。脱脂对于馒头切片亮度的影响因原料而异，包括降低（Karl）、增加（Jagger）和影响不显著（淄麦12）。正如前文所述，该指标同时受到瓤部的表面亮度和气孔大小及深度的影响。尽管从原理上看，氯仿脱脂过程中同时会脱去小麦粉中的一些色素，从而使小麦粉亮度和白度增大。但是由于脱脂对于不同馒头样品气孔大小影响不同，因此造成其切片亮度值的变化差异。可见，脱脂对切片亮度值的影响是其对馒头瓤部的表面亮度、气孔大小和深度影响的综合作用结果。气孔对比度的影响则表现出一致性的规律，即气孔对比度极显著降低，表明小麦粉脱脂后的馒头瓤部光泽度降低。

同时，脱脂处理使馒头的气孔壁增厚，其差异达到了极显著水平；同样，粗糙气孔体积显著增加，表明小麦粉中的脂类对于保持馒头内部纹理结构的细腻性具有非常重要的作用。此外，由平均气孔延长度的变化可以看出，脱脂后小麦粉馒头的气孔变得偏长。

由此可以看出，C-Cell图像分析技术除了可以对馒头瓤部的光泽度进行评价以外，还能够以气孔为研究对象，给出气孔结构和数量的数据性结果。因此，根据C-Cell对馒头切片亮度和气孔大小的数据分析结果，可以定量分析小麦粉馒头内部气孔是否细腻均匀，并用于分析各种处理或添加剂对馒头品质的影响，也可用于分析不同小麦原料的馒头加工品质，得到相对客观和准确的结论。

3 结论

C-Cell是一种可以用来分析具有海绵状纹理结构的产品品质的仪器。利用其对面包芯纹理结构进行分析时所得到的某些参数之间具有一定的相关性，表征切片大小的参数与气孔数量和面积以及气孔平均延长性显著正相关，即体积大的面包一般会具有较多的气孔数量、较大的气孔面积以及较长的气孔延长性；切片亮度与气孔对比度显著相关，而后者与表征瓤部纹理细腻程度的参数显著负相关，说明其可以作为面包芯气孔细腻度的评价指标；此外，气孔壁厚度、孔洞的存在以及气孔直径均等参数与面包芯的粗糙度显著正相关，说明这几个指标同样可以评价面包芯纹理结构的细腻程度。同样，利用C-Cell可以得到相对准确而客观的馒头内部纹理结构的优劣评价，气孔对比度、孔壁厚度、气孔直径、粗糙气孔体积等参数均可以对馒头瓤部纹理的细腻度进行量化的准确评价，这对于小麦粉馒头加工品质的质量评价具有重要的意义。