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食品の調理加工状態を非破壊計測するフードスキャナーの開発＜平成 23 年度助成＞

食品の調理加工状態を非破壊計測するフードスキャナーの開発
高橋亮（群馬大学大学院理工学府）

1.

ピュータ断層撮影法（ NIR 光 CT ）を新たに開発はじめにすることを目的とした。NIR 光 CT は、断層イメー

食品内部の成分または状態の分布を非破壊分析

ジ取得時間が短いという X 線 CT の長所と、食品可能な手法には、X 線〜赤外線までのさまざまな成分の選択性と定量性に優れる NIR 分光の長所を波長の電磁波を用いる方法や電磁気を用いる方法同時に備える分析方法で、近年著者が開発を進めなどがあり、種々の農産物の品質検査に利用されている新しい分析法である。この分析法を開発す1）ている 。なかでも X 線コンピュータ断層撮影法

るうえでの最大の障害は、NIR 光 線が食品中で屈（Computed Tomography；X 線 CT ）と核磁気共折および散乱されるために大きな検体の分析が極鳴画像法（ nuclear Magnetic Resonance Imaging ;めて困難なことである。しかし、NIR 光 CT は食MRI ）は、 そ れ ぞ れ 農 産 物 中 の 異 物（ X 線 CT ）品に限らず生体全般に適用可能と考えられ、例えや水分分布（ MRI ）を完全に非破壊で検出およびば標識物質を用いずに癌細胞を検出する技術など分析できる手法として大きく期待されている（表への応用が可能で、学術的にも実用的にも極めて1）。

重要な基幹技術となり得る。

しかし、X 線 CT は食品成分分布の分析ができ食品中の成分や状態の分布を非破壊計測するず、また MRI は空間分解能や測定成分項目を増ことができれば、食の安全・安心を評価する分析やすと膨大な時間を要するという欠点がある。食機器として活用できるほか、食品の生産・流通・品の非破壊分析で求められている、切断などの前加工・保存・調理・摂食のあらゆるシーンで科学処理が不要、多成分に対応、高分解能、および迅的な活用が可能となる。本研究では、著者がこれ速分析の要求を満たすためには、既存の分析手法まで開発してきた光計測技術および食品物性研究に替わる新たな分析技術の開発が必須である。の成果を応用し、NIR ヘテロダイン干渉法および本研究では、食品の非破壊分析技術として各NIR 光 CT を融合することにより、既存の食品分国で盛んに研究されている X 線 CT 法や MRI 法析手法や食品分析装置では困難だった食品の成分ではなく、線源に近赤外（ NIR ）光を用いたコンを空間的に分析し断層マップとして取得する手法

表1

分析手法

食品成分の断層イメージを非破壊分析できる手法の種類と特徴

断層象取得

空間分解能

◎100μm二次元可視赤外分光△（切断面 ）

10μm△（切断面）◎○

OCT（※）△（微小領域）

3μm

◎

○

△

NIR 光 CT（本研究）？

<10μm ?

?

?

?

MRI

◎

10μm

◎

○（C，N，P）○

X 線 CT

水分分布

多成分分布発展性△※光コヒーレンストモグラフィー（Optical Coherence Tomography）眼底検査に利用される。

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浦上財団研究報告書と装置を構築することを目的とした。
装置の試作

2.
2.1.

CT 光学系の製作

Vol.24（2017）2.2.

ヘテロダイン検波部の製作

後述する解析アルゴリズムで CT 画像を得るた
めには、検体を透過した光の直進成分のみを扱う必要がある。可視〜近赤外光は X 線と異なり検CT 装置の重要な基本原理は、検体のある断面体中で大きく屈折して曲げられるため、直進光はにおいて多方向から投影した電磁波の強度分布をごくわずかである。また直進光には透過光のほか用いて、内部の CT 値を計測することである。そに散乱光も含まれるため、直進光の中から透過光の際の走査方法は、大別して平行ビーム走査とのみを選択的に取り出す必要がある。本研究ではファインビーム走査の二種類がある。X 線 CT で透過光の選択的検出の方法として光ヘテロダインは、基本に忠実な投影データが得られるが走査に検波法を採用した。ヘテロダイン検波部は株式会時間のかかる平行ビーム走査法ではなく、断層画社フォトンプローブと共同で開発した。そのため像の再構成に困難が伴うものの走査時間が圧倒利用を予定していた周波数シフタ（Photon Probe的に短いファインビーム走査法が主流である。しFS2）は部品単位で調達し、本研究での利用に適かし光 CT で断層画像を再構築する際に、従来した特別仕様のものを製作した。このようにしての X 線 CT アルゴリズムを利用するためには、検試作された装置で正しくヘテロダイン検波を行う

体を透過した光の直進（透過）成分のみを扱わなことができることを確認するため、光路上に置いくてはならない。光の多くは検体中で屈折してた水浴に砂糖水を滴下したときの干渉光の強度変曲げられるか散乱してしまうため直進成分はご化を観察した（ 図１）。横軸は時間（フルスケール

くわずかであり、光 CT では平行ビーム走査法がで 32 秒）、また縦軸は相対的な屈折率の変位の逆

圧倒的に有利である。本研究では、直進光の中数を表している。砂糖水の滴下後に屈折率の変位の透過成分のみを検出する方法として光ヘテロダの逆数が大きく減少、すなわち、水浴中の屈折率イン干渉法（後述）の採用を前提として光学系をが増加し、後に水浴内の砂糖の濃度が均一になる構築した。製作には光学音響変調器（ISOMET

ことにより再び屈折率が安定した。この結果から、OAM1977-T80-2）、ミラーホルダ（Photonprobe

検波部も含む、試作した光学系が正しく機能してSK-LMMH-15B）、お よ び 消 耗 品 と し て 調 達 しいることが確認され、また食品内の屈折率の分布た光学部品群を用いた。また光路の確認のためを分析し得ることがわかった。

IRCMOS カ メ ラ（Electro Optic Countour-IR

2.3.

解析Digital IR CMOS camera）を用いた。なお調達CT 像の再構成を行う手法としては、単純逆投を予定していた光源（SLD）ではヘテロダイン検波影法が最も容易である。単純逆投影法は、各方向が困難であることが知れたため、半導体レーザーから投影され得られる透過光強度を逆投影するこに置き換えた。X 線 CT では線源と受光部が検体とにより原画像を再現する方法である。平行ビーのまわりを回転する方法がとられるが、本研究でム走査法において、入射光強度を I 0 、透過光強度はそれらを固定し、X-Y-θの三軸ステージ上に置を I 、ボクセルの一辺の長さを t 、また線減弱係数いた検体を移動させる方法をとった。こうするこを m とすると、透過光強度はとにより装置全体を小型化することができ、またI = I 0 exp ( - Σ m i ×Δt )ビームのずれを最小限に抑えることができるためで表され、両辺の対数をとることによりである。

log ( I 0 / I ) = t Σ m i		

（1）
（2）

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食品の調理加工状態を非破壊計測するフードスキャナーの開発

図1ヘテロダイン検波光学系で砂糖水の濃度の変化をさせた時の屈折率の変化

255123446337（A）

33798147711131617（B）（C）

13163612192291234（E）

（F）
図2（D）

（G）

単純逆投影法の原理が得られる。ここで図 2（ A ）のように４つのボクる。ただし単純逆投影法で再構成した画像では周セルがあるものとし、それぞれ 1、2、3、および辺部にボケが発生することがあり、本研究では状4 のように分析対象物質の密度が異なるものと仮況に応じフィルタ補正逆投影法 2 ）を採用した。

定する。このとき水平方向で得られた値 3 および

2.4.

テレセントリック光学系

7 を逆投影すると（ B ）が得られ、さらに垂直方向

上述のヘテロダイン検波回路では、検体が大きの 4 および 6 を逆投影し（ B ）に重ねあわせるとく透過光強度が非常に微弱な場合の分析に非常に（ C ）が得られる。同様に左斜め方向（ D ）と右斜有効である。しかし、検体が小さいなど透過光強め方向（ E ）の結果も重ねあわせ、総画素数の 10度が充分に高ければ、二次元カメラを用いた迅速を差し引いた後に（ F ）、各ボクセルの最大公約数分析が可能である。本研究では、照射ビームを平の 3 で除することにより原画像（ G ）が再現でき行ワイドビームとするテレセントリック光学系を

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浦上財団研究報告書

Vol.24（2017）試作した。テレセントリック光学系におけるテレとが確認された（ 図 4）。同様にテレセントリック

セントリック配置とは、絞りの位置をレンズの焦光学系においても CT 像が得られるかどうかは興点位置とするものであり、平行ビームのみを取り味が持たれたが、データの取り込み回路と CT 像出すことができるため、光の散乱や迷光の影響をの再構成プロトコルとの連携がうまくいかず、こ受けない利点がある。

れまでに成功していない。ただし、図 5 に示すよ3.

うに、直径約 0.1mm の毛髪を包埋した幅約 1mm

乾麺の水分分布の乾麺の二次元透過像には明瞭に毛髪の存在が試作したヘテロダイン検波 CT 光学系を用い、確認され、ヘテロダイン光学系よりも高解像度の乾麺の水分分布を評価した。光源は半導体レーCT 像を得られる可能性があることが確認された。

ザーを用い、ボクセルサイズは 20μm とした。検体の乾麺は、群馬県内の製麺会社より提供されたものを用いた。この検体はクラック麺と呼ばれる特殊な麺で、製造工程で不適切な条件で乾燥を行い製造され、麺割れを起こす特徴がある（ 図 3）。
麺割れの原因は麺の中心部の乾燥が不充分なためであることが既知である。このクラック麺の CT像は中心部に水分の多い明瞭な領域が観察され、試作した光学系で水分分布の CT 像が得られるこ
図3

図 4 クラック麺の麺割れ前の CT 像

クラック麺の写真

食品の調理加工状態を非破壊計測するフードスキャナーの開発

図5

4.

5

テレセントリック光学系による毛髪を包埋した乾麺の透過光像

今後の展望
本研究では、ヘテロダイン検波光 CT 光学系にを利用することにより、栄養成分以外の情報を取得できる可能性がある。これらの目的の達成のために研究を続けている。

より、食品中の水分分布の非破壊 CT 像が取得可能なことが確認された。CT 像から水分値を算出

謝辞する方法が未確立のため研究は未だ発展途上の段本研究の遂行にあたって貴重な研究助成を賜り階にあることは否めないが、この難問は NIR 分光ました公益財団法人 浦上食品・食文化振興財団及による食品の成分分析そのものがケモメトリクス

びその関係者の皆様に心より御礼申し上げます。の手法の上に成立しており、食品ごとに適切な解析条件を与えなくてはならないという問題と同質文のものである。逆にこの問題を解決することによ

1) 『食品の非破壊計測ハンドブック』河野澄夫編、サイエンティックフォーラム、2003

り、複数の食品成分の分布と成分値を瞬時に分析することが可能になると考えられる。また 2.2. で検証した相対的な屈折率の変化を分析できること

献2) 『標準 X 線 CT 画像計測』日本放射線技術協会監修、オーム社、2009

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浦上財団研究報告書

Vol.24（2017）

2D Scanner for nondestructive analysis of food nutrition
Rheo Takahashi
Graduate School of Science and Technology, Gunma University

Abstract
The aim of this study is try to build a new nondestructive analyzer for food nutrition,that is, the 2D food scanner. Typical nondestructive testing method of food evaluation
are using ultrasound, near infrared spectroscopy, mid-infrared spectroscopy, Raman
spectroscopy, hyperspectral imaging systems, magnetic resonance imaging, electronic
nose, z-nose, biosensors, microwave absorption, and nanoparticles and colloids as sensors.
On the other hand, our food scanner is a nondestructive analyzer based on the principle ofoptical computed tomography. In this study, we demonstrated that the food scanner canacquire a 2D distribution image of moisture for a wheat rehydratable noodle (Udon).