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

Micro CT 或3D XRM是一種非破壞性的成像技術，能夠提供物體內部結構的高分辨率三維圖像。這種技術在油氣地質醫學領域已經非常成熟，但在食品科學的應用則是近年來才開始興起。它的非侵入性特點使科學家能夠不破壞食品樣品的情況下，觀察其內部結構和特性。這一技術對于理解食品的微觀結構，尤其是在加工、儲存、包裝過程中發生的變化至關重要。

那么，Micro CT技術在食品科學中具體有哪些應用呢？

1）結構分析與質構評估：

食品的質地和口感往往與其微觀結構密切相關。利用XRM，科學家們能夠觀察食品內部的氣泡、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。例如，在面包和糕點的研究中，這項技術可以幫助研究人員優化配方和烘焙條件，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的分布。

2）加工過程優化：

通過對不同加工條件下的食品進行Micro CT掃描，研究人員可以了解加工過程如何改變食品的微觀結構，如孔隙等，并據此調整加工參數以改善產品質量。在冷凍和凍干食品的加工中，這項技術尤為重要，因為它能幫助科學家找到比較好的冷凍速度和干燥時間，以保持食品的營養和風味。

3）包裝和保質期評估：

Micro CT技術可以幫助科學家評估不同包裝材料對食品結構的保護效果，以及貯藏過程中可能發生的微觀變化。這對于設計新型食品包裝材料，以及預測和延長食品的保質期非常有用。

4）食品安全與摻假檢測：

利用Micro CT 技術，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，例如識別肉類產品中的骨骼碎片或檢測谷物中的石子。

5）3D 食品打印：

在 3D 食品打印領域，Micro CT 可以用來分析打印食品的內部結構和質地，為打印參數的優化提供依據，確保打印食品的品質和穩定性。

6）變溫等多場耦合原位實驗：

MicroCT 技術發展至目前已經不再局限于針對樣品結構信息的靜態掃描，現如今，輔以如力學（拉伸/圍壓）原位實驗臺/ 高低溫原位實驗臺/酸堿度環境模擬實驗臺等配件，也可以實現樣品內部結構在多場耦合條件下的動態變化過程。

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，隨著科學技術的不斷發展，食品科學的研究領域也在不斷擴展和豐富，這其中，尤其創新食品的開發較為引人注目。 我們這里就以人造肉的相關研究為例，一起來討論一下Micro CT或3D XRM技術在該研究領域的一些應用：

1) 紋理和結構分析：

人造肉產品的成功與否，在很大程度上取決于其能否在口感和外觀上模仿真正的肉類產 品。Micro CT 可以提供人造肉內部微觀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化其結構以更接近真肉。利用Micro CT 技術觀察人造肉 的纖維化過程，即植物蛋白或動物細胞在特定條件下形成肌肉纖維狀結構的過程。通過 分析不同生長階段的人造肉樣本，研究人員能夠詳細了解纖維化的動態變化，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、脂肪和水分）的分布情況。通過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，以改善產品的品質和感官屬性。

3) 孔隙結構分析：

孔隙結構對于模擬肉類的多汁感和口感至關重要。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程中主要應用于提供細胞生長的三維結構基礎。一個研究項目通過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，以及對細胞附著和生長的影響。這些信息幫助研究團隊優化支架的微觀結構，促進細胞更有效地生長和組織化，從而提高培養肉的生產效率和質量。

5) 產品質量控制：

Micro CT 技術可以用于人造肉產品的質量控制，如檢測生產過程中可能出現的內部缺陷（裂紋、空洞等），確保每批產品的一致性和高質量。利用Micro CT 技術對成品進行非破壞性檢測，生產商可以及時發現生產過程中的問題，避免劣質產品流入市場。這對于保證人造肉產品的一致性和消費者的接受度具有重要意義。

6) 新食品開發：

對于開發新型人造肉產品或其他創新食品，Micro CT 提供了一種探索不同原料和生產工藝對產品結構影響的工具，有助于研究和開發具有新穎質構和營養價值的食品。

我們可以看到，Micro CT技術正在成為食品科學研究中的一項重要工具，尤其是在人造肉等創新食品的開發上。它為我們提供了一個全新的視角，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的微觀因素。

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 》

隨著科學技術的不斷進步和應用的深入，我們有理由相信，Micro CT技術將在未來的食品科學研究中扮演更加重要的角色。無論是改進傳統食品，還是開發新產品，它都將是我們強有力的助手。 

德國布魯克三維X射線顯微鏡系列產品介紹：