Tomografía Computerizada de Rayos X en Ingeniería Alimentaria
La tomografía computerizada se puede aplicar en múltiples áreas de la industria, incluida la industria alimentaria, donde presenta numerosas ventajas, como medir las propiedades de los alimentos de una manera no destructiva.
Como regla general, los productos alimenticios tienen estructuras más delicadas, con paredes delgadas y alta porosidad interna. La medición de estas estructuras es importante para probar el desarrollo de nuevos productos, la evaluación comparativa de los mismos y la verificación y resolución de problemas. La tomografía computerizada es una técnica que permite visualizar y medir la estructura interna de los alimentos sin ninguna preparación destructiva de la muestra. Las técnicas de imagen convencionales generalmente producen imágenes en 2D de la superficie o sección transversal de una muestra. Los métodos existentes, que a menudo se utilizan para preparar muestras para estos procedimientos de imágenes 2D, implican un trabajo de preparación intensivo, por ejemplo, cortar secciones muy delgadas o fijación química para producir contraste.
Sin embargo, estos procesos a menudo son destructivos y la información 2D resultante a menudo es insuficiente para sacar conclusiones sobre la estructura 3D. Además, estas técnicas destructivas pueden introducir alteraciones que perjudican el análisis. La tomografía computerizada puede superar estos problemas al proporcionar imágenes en 3D sin manipulación ni modificación del elemento.
Aspectos técnicos de la imagen de tomografía
Los productos alimenticios se colocan en un soporte y se exponen a un haz de rayos X mientras giran 360°. Los rayos X son absorbidos por el producto. Cuanto mayor es la densidad de cada región, mayor es la velocidad de absorción y las regiones de mayor espesor causan una mayor atenuación que las regiones más delgadas. Se registran una serie de proyecciones de sombras. La imagen sombreada producida en cada ángulo proporciona información sobre las dimensiones y la densidad del producto en esa orientación. Se utiliza un software especializado para reconstruir la forma 3D a partir de una serie de imágenes de proyección de sombras.
En el ejemplo tenemos una imagen en 3D de una calabaza. Las posiciones en la muestra representan diferentes planos de corte del objeto. Es posible visualizar la pulpa, las semillas y la zona fibrosa, así como una zona hueca. El modelo 3D creado a partir de las imágenes 2D, puede analizarse mediante el software, obteniendo información importante sobre la estructura interna, la porosidad y determinando dimensiones, sin destruir el elemento.
Distribución de la composición
El contraste en la imagen por tomografía computerizada se debe a la composición atómica del producto analizado. Los elementos más pesados son más atenuadores de rayos X que los elementos más ligeros. A nivel atómico, la mayoría de los alimentos están compuestos de carbono, oxígeno y nitrógeno. Estos tres elementos tienen una densidad parecida y atenúan los rayos X de manera similar. Aunque generalmente no es posible distinguir componentes, como proteínas o azúcares, hay suficiente contraste para distinguir elementos más pesados, como las sales. Esta tecnología también funciona bien para productos como emulsiones y espumas, donde es posible observar porosidades y cavidades.
Medición de propiedades alimentarias.
Distribución del tamaño de poro – burbujas discretas
Existen estructuras porosas dentro de muchas categorías de productos alimenticios, por ejemplo, en productos de panadería, espumas y emulsiones. El tamaño y la distribución de las burbujas son importantes para el tamaño, la forma, la estructura y la textura del producto en general. La distribución del tamaño de la burbuja influye de forma fundamental en la textura de los productos y, por lo tanto, es un atributo sensorial importante. En consecuencia, es vital comprender la distribución del tamaño de las burbujas en los alimentos porosos.
El tipo de estructura de burbujas también es importante. Algunos productos, como algunos tipos de chocolate, contienen burbujas discretas en el interior, a diferencia de los productos como el pan, que contienen una red interconectada de burbujas. La tomografía ofrece un camino para verificar el tamaño y el tipo de distribución de burbujas sin métodos de preparación laboriosos, que pueden dañar la estructura.
Además de permitir la obtención de imágenes de forma no destructiva, la tomografía permite el análisis cuantitativo de estructuras porosas. Además de determinar el volumen ocupado por toda la estructura, también se puede determinar el volumen ocupado por cada burbuja. Varios parámetros estructurales se pueden calcular en base a esta información. Por ejemplo, para un trozo de chocolate: si el volumen total determinado es 5,696 mm3 y el volumen total de burbujas es 1,348 mm3, la porosidad corresponde al 23.7%. Es posible saber el número de burbujas medidas (ejemplo: 6.848 burbujas), lo que correspondería a 1.2 burbujas por mm3.
La siguiente figura muestra la distribución del tamaño de las burbujas. Es posible observar que en este caso las burbujas más grandes se ubican solo en el centro y que las burbujas más pequeñas se distribuyen uniformemente por todo el interior. Algunas burbujas pequeñas también están presentes alrededor, hacia la base del producto.
Distribución de redes abiertas
También es posible medir la distribución de tamaños para estructuras porosas abiertas, como en pan y pasteles. Estas redes porosas generalmente tienen una forma compleja e interconectada. Para obtener información significativa sobre el tamaño de la red interna, se calcula un parámetro llamado "separación de estructura". Se puede realizar un procedimiento análogo en la fase sólida del producto para calcular la distribución del espesor de pared. También es posible medir el cambio de estructura según la altura en un producto y la anisotropía (dirección) de los poros.
Productos congelados
Es importante que las muestras permanezcan estáticas durante el escaneo para evitar errores relacionados con el movimiento de la muestra. Esto puede causar dificultades para muestras más de fluidas. Una forma de superar esta dificultad es congelar las muestras antes del escaneo y, por lo tanto, estáticas, durante el proceso de captura de imágenes.
Aplicaciones de la industria alimentaria
El análisis de la estructura de los alimentos es importante durante las pruebas de investigación y desarrollo de nuevos productos. Otra aplicación de la tomografía computerizada es durante la evaluación comparativa del producto, en la que es importante caracterizar los productos de la manera más completa posible, a fin de identificar los atributos específicos que deben cambiarse para que coincidan mejor con el producto objetivo.
Las diferencias en la estructura pueden dar lugar a desviaciones sensoriales no deseadas. Esta tecnología también se puede aplicar como una herramienta para resolver problemas. Los datos estructurales proporcionados por la tomografía son complementarios a otros métodos experimentales comúnmente utilizados en la industria alimentaria, como el análisis de textura, y pueden respaldar su interpretación. Por ejemplo, el análisis de textura en un producto puede revelar que es más firme que un producto de la competencia. La tomografía se puede utilizar para comprender qué aspecto estructural es diferente entre las dos muestras, por ejemplo, puede ser porque el producto más firme tiene una estructura de pared más gruesa.
Procesos dinámicos de imagen
Es posible usar tomografía durante procesos dinámicos, capturando una serie de datos para procesos con escalas de tiempo medio. Por ejemplo, durante la creación y horneado de pan para visualizar la formación de costras. Las imágenes de pasteles durante el proceso de horneado pueden ayudar a identificar cómo se forman los defectos. En escalas de tiempo más largas, se pueden hacer imágenes no destructivas de productos, como mousses, en varias ocasiones durante la vida útil para evaluar la estabilidad de las estructuras.
Modelado de estructura alimentaria
La tomografía computerizada se puede utilizar para proporcionar datos para el modelado de elementos finitos (FEM). También es posible exportar imágenes 3D de instrumentos para su uso en impresión 3D.
Los modelos de mecánica estructural se utilizan en muchas aplicaciones de ingeniería mecánica. Sin embargo, también es útil para el diseño de envases de alimentos, con el fin de garantizar la protección mecánica del producto, manteniendo la facilidad de apertura y asegurando el uso de cantidades óptimas de material, reduciendo costos y el impacto ambiental.
El modelado de las propiedades mecánicas de los alimentos en sí también es útil para comprender los efectos sobre la textura y modelar la interacción con el equipo de procesamiento y el envase. Por ejemplo, para garantizar que el almacenamiento durante el transporte sea lo suficientemente correcto como para evitar daños al producto. Los productos y procesos alimentarios son cada vez más complejos, sin embargo, la disponibilidad de tecnologías analíticas ha ido en aumento. Los datos de tomografía computerizada combinados con MEF proporcionan una ruta para el desarrollo de productos alimenticios complejos, reduciendo la necesidad de pruebas piloto largas y costosas.
Otras aplicaciones
La tomografía no se limita a investigar la estructura de los alimentos. Hay varias otras aplicaciones relevantes para alimentos, por ejemplo, investigación de cuerpos extraños. El enfoque tradicional para esto implica eliminar el objeto del producto alimenticio para un análisis destructivo. Esta técnica se puede utilizar para identificar el objeto y dónde se encuentra dentro del producto alimenticio, sin destruirlo. Por lo tanto, es posible obtener información sobre la estructura y cómo, el objeto se introdujo en la cadena de producción. Por ejemplo, si se introdujera un cuerpo extraño en un producto de panadería antes de hornear, la estructura que rodea el cuerpo extraño estaría intacta. Si luego se introdujera en el producto, se verían grietas y alteraciones estructurales. Esta técnica también se puede utilizar para investigar las no conformidades de los envases. Por ejemplo, las fugas en las tapas de las botellas pueden investigarse en busca de grietas, sin la necesidad de abrirlas.
Conclusiones
La tomografía computerizada ofrece soluciones a una amplia gama de problemas en los que es necesario tener acceso al interior del producto en 3D, sin la necesidad de destruirlos. Se puede aplicar para determinar el tamaño de poro y la distribución del grosor de la pared en varios tipos de productos alimenticios, así como en el desarrollo de productos y el control y procesos de calidad.
