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

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.