基于MATLAB圖像處理探究氣泡酒的氣泡特征

鄭斯文,黃世鑫,周穎鈿,王凱,劉旭煒,趙雷,胡卓炎

(華南農業大學 食品學院,廣東 廣州,510642)

氣(起)泡酒根據CO2的來源分為發酵型和碳酸化型[1-2],其中碳酸化型氣泡酒由于其生產工藝較簡單、價格實惠,頗受消費者歡迎。氣泡特征是評價氣泡酒重要的品質參數之一,其與氣體系中的CO2含量、液體溫度、環境壓力、糖含量、酒精度、表面活性物質的含量等因素有關,其中CO2是影響氣泡特征的最主要因素之一[3-4]。通常擁有著更多的小氣泡的啤酒和起泡酒會深受消費者的喜愛。同時,小氣泡的數量越多也意味著酒體有更好的泡沫穩定性[5]。目前,含氣飲品中氣泡特征的評價方式以CO2容量、感官評定等為主[6-8],對氣泡酒中的氣泡特征缺乏客觀表征手段。因此,研究出一種能夠客觀評價含氣飲品中氣泡特征的手段尤為重要。

隨著計算機技術的發展,圖像處理技術已在食品行業中得到應用,如氣泡酒褐變度的測定[9]、菠菜葉綠素的定量分析[10]、紅提串的無損檢測[11]等。圖像處理評價氣泡特征的研究已受關注,如海水的氣泡特征的評價[12],混凝土表面氣泡特征檢測[13]等。LIMA等[14]通過聯合圖像處理技術和倒酒機器人實現了起泡酒泡沫特性的評價;VIEJO等[5]通過圖像處理技術識別了碳酸水的氣泡大小及其數量。然而,通過圖像處理評價碳酸化氣泡酒氣泡特征的研究還鮮見報道。因此,在前人的研究工作基礎上,本研究采用計算機MATLAB圖像處理技術分析碳酸化氣泡酒的氣泡特征參數,并探究CO2含量與氣泡特征之間的關系,以期為建立含氣酒精類飲品氣泡特性的客觀評價方法提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

95%乙醇(食品級);白砂糖,上海楓未實業有限公司;高壓CO2氣體,廣州盈新氣體有限公司;無塵紙,美國金佰利公司;聚苯乙烯(polystyrene,PS)培養皿(規格:150 mm)。氣泡酒模型樣品:酒精度15%vol、糖度8°Bx,按1.3.1節所述的方法配制。市售2款氣泡果酒樣品:SW-1(發酵型,酒精度6%vol)、SW-2(配制型,酒精度8%vol)。

1.2 實驗設備

LHS-HC-250恒溫箱,上海龍躍儀器設備有限公司;多功能氣泡水機(幻飲410),江門市愛蘇打實業有限公司;7001二氧化碳測定儀,肇慶科之杰有限公司。碳酸化裝置:CO2保壓罐,寧波市海曙翔盛金屬制品廠;連接裝配有減壓閥的高壓CO2氣瓶。圖像采集裝置如圖1所示,參考VIEJO等[5]、PéREZ-BERNAL等[9]方法,由課題組自行搭建,包括:燈箱(2 m LED燈帶,旋成圓盤放置于底部中間區域;柔光層,由PVC塑料板和柔光布組成);黑色紙箱組成(上方設有拍攝孔)。

圖1 拍攝裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shooting device

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

(1)氣泡酒模型:以純凈水、95%乙醇(食用級)、白砂糖配制,酒精度15%vol、糖度8 °Bx。

(2)充氣工藝:首先,將樣品于冰水浴中預冷1 h后,置于CO2保壓罐中,在100 kPa的CO2壓力下排氣10 s;而后,對氣泡酒模型按照300、400、500、600、700 kPa的壓力進行保壓碳酸化5 min,期間維持溫度在4 ℃以下[15]。碳酸化完成后,迅速罐裝密封,保存于25 ℃環境中備用。

1.3.2 圖像采集

采用1.2節中所述的拍攝裝置進行拍攝獲取氣泡酒樣品的氣泡圖像。培養皿預先放置于燈箱的置物臺(柔光層)上,用附有夾子的鐵架臺固定酒瓶的瓶頸(培養皿上方5 cm),托住酒瓶的底部將樣品勻速倒入培養皿中心區域(倒酒速度約6 mL/s,總倒酒量30 mL)。所有的樣品拍攝高度為20 cm。拍攝設備為索尼α-6000相機(裝配索尼SELP 1650型鏡頭),拍攝圖像通過USB 3.0接口傳輸并存儲于計算機中。利用Photoshop cs 6軟件將拍攝到的原始圖像截取出培養皿除邊界外的全部區域(d=13.8 cm)的分辨率為2 400×2 400像素的JPG格式圖像,以此作為氣泡識別的原圖。

1.3.3 圖像感興趣區域以及氣泡特征參數提取

參考文獻[12,16-17]的圖像處理程序,基于MATLAB R2021a (The Math Works, Natick, USA)軟件編寫。其中程序邏輯為:(1)對圖像進行灰度處理;(2)為了減少背景光源不均勻對后續圖像識別的影響,需對灰階圖像進行背景直方圖均一化處理;(3)基于雙峰法[17]對處理后的灰度圖像閾值分割;(4)對二值圖進行“填洞”以及形態學處理[12];(5)對粘連的氣泡進行距離變換加分水嶺分割[18]處理;(6)利用偽彩色處理對二值圖的氣泡特征進行RGB標記。

采用regionprops函數提取氣泡圖像的Number、Area、EquivDiameter、PixelList,共4個特征參數。由于分水嶺算法普遍存在過割的問題[16],為減少誤差,對識別出的氣泡進行篩選并將識別出的面積在50 pixel2以下的連通域剔除,不作后續分析。

1.4 實際氣泡參數測量

通過比較人工辨別和Image J軟件識別氣泡的數量來驗證圖像處理程序在氣泡定位上的準確性。經氣泡原圖打印到A4紙中手動計數,計數結果作實際氣泡數量。拍攝中的氣泡圖像實際邊長為13.8 cm,對應像素數為2 400像素。觀察氣泡的幾何形態一般為圓形,通過Image J軟件的“Analyze-Set Scale”功能,測量單個氣泡直徑并計算其面積,作實際測量直徑以及面積[19-20]。為了比較實際測量與識別參數之間的差異,建立了長度單位與像素數的相關性。換算公式如公式(1)所示:

(1)

式中:L,氣泡直徑的像素數;db,氣泡直徑對應的實際長度,cm。類似地,結合氣泡幾何特征[21]以及實際氣泡面積和其對應的像素數之間的相關性可以通過公式(2)得到:

(2)

式中:S,氣泡面積的像素數;Sb,氣泡對應的實際面積,cm2。

1.5 誤差率計算

為了評估所提出方法的氣泡量化能力,將用上述測得的氣泡直徑以及面積作為氣泡的實際直徑和面積,以驗證氣泡量化結果的準確性。氣泡的實際測量值和識別量化值之間的誤差率計算如公式(3)所示[13]:

(3)

式中:Vm,氣泡的實際測量值;Vq,氣泡的識別量化值。

1.6 CO2氣容量測定

CO2氣容量指CO2氣容量的容積倍數,即CO2溶解度,可反映含氣體系中CO2的含量。本文采用GB/T 10792—2008《碳酸飲料(汽水)》中規定的常規檢測法——減壓器法進行測定。

1.7 數據分析

采用Excel、Origin 2018統計軟件分析數據并作圖,采用IBM SPSS Statistics 26軟件進行鄧肯單因素方差分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 基于圖像處理技術識別氣泡酒氣泡特征參數的準確性

按1.3節所述的方法對氣泡酒樣品進行拍攝,隨機選取拍攝所得的一幅氣泡原圖(圖2-a),經圖像處理后得到RGB偽彩色圖像(圖2-b)。經過label2rgb函數處理后,氣泡圖像的感興趣區域(regions of interest,ROI)有著更好的辨識度。

a-原圖;b-RGB偽彩色圖像

2.1.1 氣泡定位準確性分析

選用拍攝的30張氣泡酒樣品氣泡圖像,對計算機圖像識別的氣泡數量與人工計數得到的實際氣泡數量進行分析,結果見表1。表明圖像識別的氣泡數量范圍與實測的氣泡數量范圍相近,其中最小誤差率為0.31%,最大誤差率為11.19%。

表1 氣泡酒樣品的氣泡數量實際測量與計算機識別數據對比Table 1 Comparison of actual measurement and computer identification analysis of bubbles of sparkling wine sample

實測與識別氣泡酒樣品氣泡數量誤差率分析如表2所示,30張圖像中誤差率在0%～5%的有23張圖樣,占比達到76.67%;氣泡數量的平均誤差率為3.62%,標準偏差為2.66%,圖像在氣泡數量識別中基本維持在較低的誤差率區間。可見采用的氣泡評價程序有著較強的氣泡定位能力,可以較好地反映出原始圖像的氣泡數量。

表2 實測與識別氣泡酒樣品氣泡數量誤差率分析Table 2 Error rate analysis of measured and identified bubbles of sparkling wine sample

2.1.2 識別氣泡幾何特征的準確性分析

在2.1.1節中的30張圖像中隨機選擇3張,并在每張圖像中隨機選擇24個氣泡,共72個氣泡,通過regionprops函數提取的Pixellist參數定位出每個被選擇氣泡的位置,并提取其氣泡面積以及等效直徑,獲得氣泡直徑和面積的誤差率分布,見圖3。結果顯示,72個氣泡的直徑和面積的計算誤差率分布均在低誤差率區間占優勢。有52個氣泡的直徑誤差率和31個氣泡的面積誤差率<5%;只有8個氣泡的面積誤差率>15%。其中,氣泡直徑的錯誤率主要分布在0%～10%區間,占比為96%;面積的誤差率則主要分布在0%～15%,共占比90%,表明結合雙峰法和分水嶺分割的方法具有良好的氣泡識別和量化性能。

a-單個氣泡直徑的誤差率分布;b-單個氣泡面積的誤差率分布;c-單個氣泡直徑與面積誤差率分布區間

2.2 不同拍攝時間下氣泡酒氣泡的穩定性分析

將市售氣泡果酒樣品SW-1和SW-2分別在倒入培養皿的30～300 s間每隔30 s作為一個拍攝時間點,共10個;利用圖像處理技術對不同時間點的氣泡圖像提取氣泡特征參數并分析,結果見表3。

表3 不同拍攝時間下含氣果酒樣品SW-1和SW-2的氣泡特征參數Table 3 Bubble characteristic parameters of SW-1 &SW-2 samples at different shooting times

從表3中可知,TA、TN、ABA三個參數在倒入培養皿前期均有著不同程度的波動,而隨著時間的推移趨于平緩,表明這3個氣泡特征參數逐漸趨于穩定。根據氣泡上升動力學以及亨利定律,氣泡的生長主要分為氣泡的成核(nucleation)、上升(rise)、破裂(bursts)3個過程[22],且CO2分壓與體系中溶解的CO2含量呈正比。在氣泡倒入培養皿前期,由于體系中CO2分子有著相對較高的過飽和率(supersaturating ratio,S)[23],氣泡生長、上升劇烈,氣泡處于極不穩定的狀態,此時識別出的氣泡參數并不適用于氣泡參數穩定評價中。一般,溶解的CO2釋放有2種形式:液面自由擴散以及形成的氣泡[22,24],而后者氣泡會隨著CO2的不斷進入而增大,大部分會由于浮力的作用上升,最終消散于液面,但由于毛細作用力的存在,使得一部分氣泡得以克服浮力作用停留在培養皿表面[25]。隨著時間的推移溶液中過飽和的CO2逸出,體系逐漸趨于平衡,停留在培養皿表面的氣泡得以穩定。而最大氣泡的面積在拍攝期間并無顯著差異(P>0.05),說明在拍攝期間的最大氣泡面積具有較強的穩定性。比較2種樣品的各氣泡特征參數發現,樣品SW-2均早于SW-1穩定,可能的原因是氣泡的形成受制于體系中的CO2含量、酒精度、表面活性物質等物質以及容器中成核位點的毛細作用力[3, 22]。

綜上所述,2款市售氣泡果酒的4個氣泡特征參數在270 s之后均無顯著差異(P>0.05),可知在270 s之后均趨于穩定。因此,為了保證在后續評價中氣泡在培養皿中特征參數的可靠性,選用270～300 s時間段作為氣泡評價的拍攝時間。

2.3 不同碳酸化壓力下氣泡酒氣泡特征的變化

不同的碳酸化壓力下氣泡酒樣品的CO2氣容量變化情況如圖4所示。可以發現,在300～700 kPa的壓力之間隨著壓力的增大,CO2的氣容量從1.83倍逐步增加到了2.71倍,除了500 kPa和600 kPa處理的樣品外,其他不同壓力處理后樣品的CO2氣容量均存在顯著性差異(P<0.05),可見碳酸化壓力的升高可顯著提高樣品的CO2氣容量,說明體系中溶解的CO2含量也隨之增大,符合亨利定律。

圖4 氣泡酒樣品CO2氣容量變化圖Fig.4 Variation of CO2 capacity in carbonated wine model注:柱形圖上方帶不同字母表示處理間存在顯著差異(P<0.05)。

為了探究不同CO2含量下的氣泡酒的氣泡特征規律,分別對各碳酸化壓力下的氣泡酒樣品進行拍攝并進行圖像處理,如圖5所示。可以發現,隨著氣壓的增大,氣泡數量以及大小都有顯著變化。500 kPa以下的氣泡數量隨著壓力的增大而增加,且基本以小氣泡為主;而500 kPa之后氣泡數量則沒有明顯差異,但氣泡體積相對較大,容易逃逸。

a-300 kPa;b-400 kPa;c-500 kPa;d-600 kPa;e-700 kPa

進一步分析不同碳酸化壓力下氣泡特征的變化規律,提取了各氣泡特征的具體參數,結果見表4。

表4 不同碳酸化壓力下的氣泡酒樣品氣泡特征參數Table 4 Bubble characteristic parameters of carbonated wine samples under different carbonation pressure

觀察不同壓力下的氣泡數量可以發現,在500 kPa壓力下氣泡數量TN有最大值,為1 105.33個。可能的原因是在300～500 kPa階段氣泡的數量取決于CO2的含量以及容器表面氣體腔的數量[26];含氣體系的氣泡一般為Ⅳ型氣泡成核(即非均勻成核——室溫下過飽和率S<1 000[3]),氣泡的形成需要突破氣泡成核點的臨界半徑,隨著壓力的增大,氣泡成型所需預存的氣腔臨界半徑則越小,形成的氣泡數量則更多;而達到500 kPa后,由于氣泡成核位點的限制,隨著氣泡生長增大,相鄰的氣泡合并成較大的氣泡,或者脫離成核位點毛細作用力的束縛上升,容易逃逸,而導致氣泡數量減少[27-28]。

比較面積相關參數(氣泡總面積TA、單個氣泡面積均值ABA、單個氣泡最大面積MBA)與碳酸化壓力關系發現均呈正相關。根據亨利定律可知在一定條件下碳酸化壓力與CO2含量成正比。隨著碳酸化壓力的增大,體系中溶解的CO2(氣容量)增多[22],位于成核點的氣泡的氣液界面兩側的CO2壓力差變大,CO2分子進入到氣泡的數量變多,氣泡的面積相關參數隨之增大。在對氣泡大小進行了標準差分析后發現,同樣的與CO2含量呈正相關,表明隨著碳酸化壓力的增大,氣泡大小的離散程度越高。

結果表明,基于碳酸化壓力與CO2氣容量的關系,由于氣泡面積相關參數隨著碳酸化壓力的增大而增大,在含氣體系中的CO2含量與其對應的氣泡特征參數同樣呈正相關性;而氣泡數量由于受到容器表面成核位點的限制,隨著碳酸化壓力的增加呈先增大后減少的趨勢。

3 結論

基于圖像處理技術建立評價碳酸化氣泡酒的氣泡特征方法,驗證了其準確性并分析了不同拍攝時間下的氣泡穩定性,同時基于該氣泡評價方法探究了碳酸化氣泡酒氣泡特征與CO2含量之間的關系。結果顯示該方法識別的數量和面積的平均誤差率分別為3.62%和7.32%,有著較高準確性;同時確定了在270～300 s為最佳拍攝時間;在利用構建的不同的碳酸化程度氣泡酒模型探究氣泡特征結果表明,識別氣泡總面積TA、單個氣泡面積均值ABA、單個氣泡最大面積MBA以及對應的氣泡面積標準差均與壓力呈正相關,而氣泡數量TN由于容器成核位點的限制在500 kPa下有最大值。研究結果可為后續氣泡酒的碳酸化工藝參數優化提供指導。基于碳酸化氣泡酒本身的CO2含量選擇適當接觸面積的容器,可以增加氣泡的數量同時也可提高其泡沫特性,改善起泡酒品嘗體驗;同時為進一步探究氣泡特征與氣泡酒成分之間關系奠定基礎。