張峰 張琛 李湘眷

摘 要：為了對(duì)肉品的新鮮度進(jìn)行快速無損評(píng)價(jià)，研究一種基于電阻抗譜的肉品新鮮度評(píng)價(jià)方法，采用環(huán)形表面電極對(duì)4 種肉品進(jìn)行測(cè)定，對(duì)獲得的電阻抗譜進(jìn)行方差分析。結(jié)果表明：相位參數(shù)可以用于肉品新鮮度評(píng)價(jià);對(duì)4 種肉品進(jìn)行新鮮度分類實(shí)驗(yàn)，豬里脊肉的分類整體準(zhǔn)確率為91.1%，豬五花肉為86.7%，牛里脊肉為88.9%，牛腩為87.8%;肉品在發(fā)生明顯腐敗之后，電阻抗譜的4 個(gè)參數(shù)突然變大，導(dǎo)致電阻抗譜與肉品新鮮度之間的線性關(guān)系消失。

關(guān)鍵詞：電阻抗譜;肉品;新鮮度評(píng)價(jià);快速;無損

Abstract： In order to evaluate meat freshness quickly and nondestructively， a meat freshness evaluation method based on electrical impedance spectroscopy was proposed in this paper. Impedance spectra of four kinds of meat products were measured by an annular surface electrode. Through quantitative analysis of variance of the obtained impedance spectra， the impedance phase was determined， which can be used for the evaluation of the freshness of meat. Evaluation experiments were performed on the four kinds of meat products. The accuracy for freshness evaluation of pork tenderloin， streaky pork， beef tenderloin and beef flank was 91.1%， 86.7%， 88.9% and 87.8%， respectively. It was found that the four parameters of impedance spectroscopy suddenly increased after meat spoilage， resulting in the sudden disappearance of the linear relationship between impedance spectrum and freshness.

Keywords： electrical impedance spectrum; meat; freshness evaluation; fast; nondestructive

目前，肉品新鮮度檢測(cè)的國(guó)標(biāo)方法是總揮發(fā)性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量測(cè)定法，但該方法實(shí)驗(yàn)操作比較繁瑣，試劑配制條件要求較高，測(cè)定1 次需要約48 h[1-3]。近年來，從視覺、觸覺、味覺出發(fā)，出現(xiàn)了一些新的肉品鮮度評(píng)價(jià)方法。其中，機(jī)器視覺方法主要包括采用HSI色彩模型特征值對(duì)肉品進(jìn)行鮮度分級(jí)[4-6]和采用色差計(jì)的L*a*b*色彩特征對(duì)肉品進(jìn)行

分級(jí)[7];基于氣味進(jìn)行肉品鮮度分級(jí)的方法主要有電子鼻方法[8-10]，也有部分文獻(xiàn)采用機(jī)器視覺結(jié)合電子鼻方法進(jìn)行肉品鮮度分級(jí)[11]。機(jī)器視覺結(jié)合電子鼻所需設(shè)備較多，吸光度法的實(shí)驗(yàn)操作依然繁復(fù)[12]，高光譜成像技術(shù)測(cè)試費(fèi)用較高[13-15]。質(zhì)構(gòu)儀操作需要相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)，且測(cè)定參數(shù)較多[16]。這些方法在實(shí)驗(yàn)室通常可獲得較好的應(yīng)用效果，但在日常生活中既不容易獲得，實(shí)際操作也比較繁瑣，對(duì)操作技能要求也較高。

肉品的腐敗會(huì)導(dǎo)致肉品組織的變化，而肉品組織的變化可以通過肉品阻抗參數(shù)來表征，故阻抗譜可應(yīng)用于肉品新鮮度研究。電阻抗譜用于新鮮度評(píng)價(jià)的相關(guān)研究表明，肉浸液或肉品的電導(dǎo)率、阻抗、相位等參數(shù)與TVB-N含量具有相關(guān)性[17-19]。但是，雖然豬肉、牛肉的電導(dǎo)率與TVB-N含量呈正相關(guān)，但動(dòng)態(tài)范圍大，用于肉品新鮮度評(píng)價(jià)或分類還存在不足。鯽魚的阻抗和相位與TVB-N含量相關(guān)[20-21]，但相位參數(shù)能否用于豬、牛肉新鮮度評(píng)價(jià)還缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。雖然阻抗譜法顯示，肉品阻抗隨貯藏時(shí)間延長(zhǎng)而下降，但不能證明阻抗與TVB-N含量之間存在直接的相關(guān)性[22-23]。另有部分研究表明，阻抗譜與食品中細(xì)菌生長(zhǎng)[24]及人體組織病變明顯相關(guān)[25-26]，說明阻抗譜法在評(píng)價(jià)鮮度或檢測(cè)組織結(jié)構(gòu)變化方面具有良好的靈敏度。石麗敏等[27]在阻抗譜用于豬肉新鮮度評(píng)價(jià)的研究中指出，電容可用于評(píng)價(jià)新鮮度，但對(duì)豬肉徹底腐敗后阻抗譜與新鮮度線性關(guān)系消失的原因未進(jìn)行深入分析。在之前的工作中初步發(fā)現(xiàn)，肉品相位參數(shù)可用于不同肉品的分類，但因未同時(shí)測(cè)定TVB-N含量參數(shù)，因而不能確定相位是否可用于肉品鮮度的分類[27]。本研究擬采用環(huán)形表面電極直接按壓在肉品表面進(jìn)行電阻抗譜無損測(cè)定，采用統(tǒng)計(jì)方法分析電阻抗的實(shí)部、虛部、幅值以及相位與TVB-N含量之間是否存在相關(guān)性，以驗(yàn)證電阻抗譜法用于評(píng)價(jià)肉品新鮮度的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料

豬里脊肉、豬五花肉、牛里脊肉和牛腩4 種肉品均采購(gòu)于大型商超生肉專柜，肉品均有檢疫標(biāo)志，3 ℃恒溫環(huán)境中用帶蓋保鮮盒保存待測(cè)。

1.2 方法

1.2.1 肉品電阻抗譜測(cè)定方案

采用圖1所示的方案進(jìn)行肉品電阻抗譜測(cè)定[28]，采用核心芯片AD5933實(shí)現(xiàn)電阻抗測(cè)定，使用LABVIEW開發(fā)上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件的主要功能包括串口通信、接收電阻抗數(shù)據(jù)并繪制電阻抗譜及數(shù)據(jù)保存。自制電極見圖1右下角，采用環(huán)形表面電極。中心圓形的激勵(lì)電極直徑為0.30 cm，環(huán)形采樣電極寬度為0.20 cm，激勵(lì)電極與采樣電極之間間隔0.15 cm。該電阻抗測(cè)定裝置的測(cè)定誤差小于1%，激勵(lì)信號(hào)采用正弦電壓信號(hào)。每次測(cè)定前，將測(cè)定電極短路以進(jìn)行自校準(zhǔn)，完成自校準(zhǔn)后再進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別對(duì)豬里脊肉、豬五花肉、牛里脊肉和牛腩4 種肉品進(jìn)行電阻抗譜測(cè)定。測(cè)定時(shí)，電極用支架放置于肉品之上，保證電極與肉品接觸且壓力適中，在整個(gè)電阻抗譜測(cè)定過程中壓力保持不變。每種肉品測(cè)定6 個(gè)樣本，樣本均加工成邊長(zhǎng)約為3 cm的正方體?？紤]到肌肉組織中的纖維走向問題，當(dāng)電流路徑與纖維走向一致時(shí)測(cè)定阻抗低，反之電流路徑垂直纖維走向時(shí)測(cè)定阻

抗高[18]。為了保證實(shí)際應(yīng)用中的可靠性，每個(gè)立方體樣本分別選擇3 個(gè)對(duì)向平面進(jìn)行測(cè)定。因此，每種肉品測(cè)定獲得共計(jì)72 條電阻抗譜，其中電阻抗幅值譜、實(shí)部譜、虛部譜和相位譜均為18 條。肉品貯藏于3 ℃恒溫環(huán)境下，在10 種TVB-N含量條件下分別進(jìn)行測(cè)定，總共測(cè)得4 種肉品的2 880 條電阻抗譜。電阻抗譜測(cè)定頻率范圍為3～60 kHz，間隔為3 kHz，共測(cè)量20 個(gè)頻點(diǎn)。

肉品鮮度測(cè)定使用TVB-N含量指標(biāo)作為“金標(biāo)準(zhǔn)”，測(cè)定方法采用GB 5009.228—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中揮發(fā)性鹽基氮的測(cè)定》中的方法。肉品鮮度分類參照GB/T 5009.1—1996《食品衛(wèi)生檢驗(yàn)方法理化部分 總則》[3]，TVB-N含量≤15 mg/100 g，肉品分級(jí)為一級(jí)鮮度;15 mg/100 g≤TVB-N含量≤25 mg/100 g為二級(jí)鮮度;TVB-N含量≥25 mg/100 g為腐敗。

2 結(jié)果與分析

2.1 4 種肉品的電阻抗譜線

豬里脊肉的電阻抗譜共分為4 組譜線，每組譜線中的每一條譜線為不同TVB-N含量條件下測(cè)得的18 條電阻抗幅值譜、實(shí)部譜、虛部譜或相位譜的平均曲線。

正弦激勵(lì)信號(hào)在肉品組織中的傳播分為2 部分，一部分正弦信號(hào)通過細(xì)胞間液傳播，另一部分會(huì)穿透細(xì)胞膜傳播。隨著頻率升高，細(xì)胞膜的電容效應(yīng)會(huì)減小，因此容抗的絕對(duì)值會(huì)逐漸減小，組織的整體阻抗會(huì)隨著頻率升高而逐漸減小。

A. 電阻抗幅值;B. 電阻抗實(shí)部;C. 電阻抗虛部;D. 電阻抗相位。圖3同。

由圖2可知，豬里脊肉電阻抗譜的幅值譜、實(shí)部譜和虛部譜（電抗）的絕對(duì)值隨著頻率升高逐漸降低。隨著頻率升高，正弦激勵(lì)信號(hào)會(huì)逐漸穿透細(xì)胞膜，因此相位譜的絕對(duì)值逐漸減小。

2.2 4 種肉品電阻抗隨TVB-N含量的變化曲線

以TVB-N含量為x軸，以4 種肉品的電阻抗譜數(shù)據(jù)為y軸，繪制肉品電阻抗隨TVB-N含量的變化曲線。由圖3可知，豬里脊肉的電阻抗譜線隨TVB-N含量發(fā)生變化，呈先下降后上升的總體趨勢(shì)，但幅值譜和實(shí)部譜波動(dòng)較為頻繁，相對(duì)而言，虛部譜和相位譜雖然整體與TVB-N含量不存在完全的線性關(guān)系，但可以看作分段的線性關(guān)系。在肉品鮮度退化的整個(gè)過程里，豬里脊肉的虛部和相位隨TVB-N含量上升呈線性下降趨勢(shì)，之后曲線存在波動(dòng)。例如，在3 kHz測(cè)定頻率下，隨著TVB-N含量由7 mg/100 g增加到23 mg/100 g，豬里脊肉的電阻抗譜虛部由-65.51 Ω降低到-117.42 Ω;隨著TVB-N含量增加到26 mg/100 g，虛部開始反向增大到-59.55 Ω;隨著TVB-N含量最終增加到30 mg/100 g，虛部又逐漸降低到-113.19 Ω。

豬五花肉、牛里脊肉和牛腩的電阻抗譜整體變化趨勢(shì)與豬里脊肉相似，但數(shù)值范圍存在差別。

2.3 4 種肉品電阻抗參數(shù)分析

由圖3C和圖3D可以看出，肉品虛部電阻抗和相位有望用于評(píng)價(jià)新鮮度。為獲得可靠的結(jié)論，采用方差分析（analysis of variance，ANOVA）評(píng)估4 個(gè)電阻抗參數(shù)用于評(píng)價(jià)肉品新鮮度是否在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有顯著意義。對(duì)每一肉品樣本、每一頻點(diǎn)，一次測(cè)定可獲得18 個(gè)數(shù)據(jù)，這18 個(gè)數(shù)據(jù)之間的差異一般反映測(cè)定中的誤差，此誤差既包括測(cè)定電路引入的誤差，也包括同一種類肉品、不同樣本之間的組織結(jié)構(gòu)差異。在10 個(gè)不同的TVB-N含量條件下測(cè)定，10 次測(cè)定結(jié)果之間同樣也存在差異，這個(gè)差異主要反映肉品隨TVB-N含量變化而帶來的電阻抗特性的變化，為組間差異。

為確定最優(yōu)的新鮮度表征參數(shù)，對(duì)4 種肉品進(jìn)行4 個(gè)參數(shù)、20 個(gè)頻點(diǎn)共計(jì)320 組ANOVA，其中1 組分析結(jié)果如表1所示。

由圖4可知，4 種肉品的4 個(gè)電阻抗參數(shù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上均可以表征肉品的新鮮度，但電阻抗幅值和電阻抗實(shí)部的表征能力明顯不如電阻抗虛部和電阻抗相位，尤其是電阻抗相位，其用于表征肉品新鮮度在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有極顯著意義。不同頻率條件下獲得的電阻抗數(shù)據(jù)表征肉品新鮮度時(shí)，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性也不一樣，頻率越低，統(tǒng)計(jì)學(xué)意義越顯著。因此，最終選擇3 kHz頻率條件下測(cè)得的相位參數(shù)用于肉品新鮮度評(píng)價(jià)。

2.4 將相位用于肉品新鮮度分類實(shí)驗(yàn)

每種肉品取6 個(gè)樣品，每個(gè)樣品每次測(cè)定得到3 個(gè)數(shù)據(jù)，在10 種不同TVB-N含量條件下測(cè)定，每種肉品共有180 個(gè)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行肉品新鮮度三分類實(shí)驗(yàn)。采用相位對(duì)肉品進(jìn)行分類，3 種鮮度肉品的相位范圍用95%置信區(qū)間確定。相位用于肉品鮮度分類的標(biāo)準(zhǔn)如下：1）豬里脊肉：相位≥-16.1°為一級(jí)鮮度，-18.6°≤相位<-16.1°為二級(jí)鮮度，相位<-18.6°為腐敗;2）豬五花肉：相位≥-14.9°為一級(jí)鮮度，-18.5°≤相位<-14.9°為二級(jí)鮮度，相位<-18.5°為腐敗;3）牛里脊肉：相位≥-17.0°為一級(jí)鮮度，-18.8°≤相位<-17.0°為二級(jí)鮮度，相位<-18.8°為腐敗;4）牛腩：相位≥-17.2°為一級(jí)鮮度，-19.2°≤相位<-17.2°為二級(jí)鮮度，相位<-19.2°為腐敗。按照上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)4 種肉品進(jìn)行分類。將相位分類結(jié)果與采用TVB-N含量指標(biāo)進(jìn)行的分類結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，分析相位參數(shù)用于肉品鮮度分類的準(zhǔn)確度。

為了更好的評(píng)價(jià)分類準(zhǔn)確率，本研究提出了分類整體準(zhǔn)確率的概念。分類整體準(zhǔn)確率為每一種肉品被正確分類的樣本總數(shù)除以該肉品的樣本總數(shù)。由表3可知：以豬里脊為例，其被正確分類的樣本總數(shù)=一級(jí)鮮度樣品被正確分類的樣本數(shù)（98）+二級(jí)鮮度樣品被正確分類的樣本數(shù)（36）+腐敗樣品被正確分類的樣本數(shù)（30）=164，

豬里脊的樣本總數(shù)為180 個(gè)，因此可得豬里脊的分類整體準(zhǔn)確率為164/180=91.1%;豬五花的分類整體準(zhǔn)確率為86.7%;牛里脊的分類整體準(zhǔn)確率為88.9%;牛腩的分類整體準(zhǔn)確率為87.8%。分類實(shí)驗(yàn)表明，電阻抗相位參數(shù)可以用于肉品的鮮度分級(jí)，分類準(zhǔn)確度可達(dá)90%左右。該方法為肉品鮮度分級(jí)提供了一種無損、快速和低成本的方法。

3 討 論

電阻抗的4 個(gè)參數(shù)均可以表征肉品的新鮮度，但是表征能力有明顯差別。宋華賓等[17]采用肉浸液的電導(dǎo)率來表征肉品新鮮度，與本研究的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果一致，不同之處在于其采用的是有損方法獲取肉浸液，電導(dǎo)率與肉品新鮮度之間的線性關(guān)系優(yōu)于本研究。張丙明等[18]采取的方法是將電極插入肉品，獲取電導(dǎo)值，其測(cè)定條件和本研究類似，結(jié)論為電導(dǎo)值與肉品新鮮度之間存在相關(guān)性，可以用于肉品新鮮度分類。同時(shí)，該研究指出，鮮豬肉的正常電導(dǎo)值范圍很大，與本研究的測(cè)定結(jié)果一致。由圖3C和圖3D可以看出，在肉品發(fā)生明顯腐敗之前，電阻抗虛部和相位表征新鮮度的能力很好。這與

張軍等[20]在鯽魚阻抗研究中得出的21 h內(nèi)阻抗幅值和相位隨時(shí)間延長(zhǎng)越來越小的結(jié)論相一致。

本研究中，肉品發(fā)生明顯腐敗后，電阻抗譜的4 個(gè)參數(shù)突然變大，導(dǎo)致電阻抗譜與新鮮度之間的線性關(guān)系突然消失。對(duì)其進(jìn)一步分析，原因可能在于由于血液供給的中止，肉品組織的有氧代謝中斷，無氧糖酵解過程開始增強(qiáng)[29]，無氧糖酵解導(dǎo)致肌漿網(wǎng)中的鈣離子游離出來，使細(xì)胞膜上的鈉鉀三磷酸腺苷酶活性發(fā)生改變，進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)、外離子發(fā)生變化，細(xì)胞內(nèi)部鈉離子開始滯留，造成細(xì)胞內(nèi)滲透壓升高，細(xì)胞發(fā)生腫脹。細(xì)胞內(nèi)電阻降低，細(xì)胞外電阻升高，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外的并聯(lián)電阻越來越小;后期隨著細(xì)胞磷脂膜發(fā)生氧化，細(xì)胞穿孔直至破裂[23，30]，細(xì)胞內(nèi)外液逐漸互通，細(xì)胞內(nèi)外液的電阻差逐漸縮小，并聯(lián)電阻越來越大。這是導(dǎo)致肉品電阻抗幅值和實(shí)部隨TVB-N含量的升高先減小后增大的原因。肉品電阻抗譜虛部和相位隨TVB-N含量的升高先逐漸變小、進(jìn)而增大最終又減小的原因，可能源于細(xì)胞腫脹的過程中，細(xì)胞形態(tài)差異越來越大，單個(gè)細(xì)胞所形成的等效電容差異也越來越大。由于電容串聯(lián)相當(dāng)于并聯(lián)效應(yīng)，因此電流路徑上的細(xì)胞宏觀上所形成的等效電容越來越小，等效容抗也就越來越小;后期細(xì)胞發(fā)生穿孔，細(xì)胞腫脹消退，細(xì)胞形態(tài)差異越來越小，宏觀的等效電容越來越大，等效容抗越來越大;等到細(xì)胞壁開始破碎，等效電容越來越小，等效容抗也越來越小。

肉品4 個(gè)電阻抗參數(shù)與肉品腐敗的金標(biāo)準(zhǔn)TVB-N含量參數(shù)之間并不存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。但從應(yīng)用的角度而言，肉品發(fā)生明顯腐敗后，氣味、滲液及顏色的改變均比較顯著，這時(shí)新鮮度鑒別已無必要。因此，相位與肉品新鮮度之間的線性相關(guān)性已經(jīng)完全可以滿足肉品新鮮度分類的需要。本研究還發(fā)現(xiàn)，肉品的種類及采樣位置直接影響電阻抗參數(shù)的范圍，為了達(dá)到更好的新鮮度分類效果，對(duì)不同的肉品需要設(shè)計(jì)不同的數(shù)值區(qū)間。參數(shù)的選擇也很重要，考慮到肉品的差異性以及測(cè)定條件的非一致性，絕對(duì)參數(shù)，如電阻抗幅值、實(shí)部、虛部等具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，要取得良好的鑒別或分類效果難度較大?？尚械姆椒ㄊ菍ふ蚁鄬?duì)參數(shù)，如相位等，這樣可以避免受到測(cè)定條件不一致的影響。

4 結(jié) 論

采用電阻抗譜方法可以快速、無損對(duì)不同肉品進(jìn)行新鮮度鑒別。電阻抗幅值、電阻、電抗和相位4 種電阻抗參數(shù)從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上均可以用于肉品新鮮度評(píng)價(jià)，相位最優(yōu)，其次為電抗，電阻抗幅值和電阻評(píng)價(jià)能力類似，相對(duì)最差。用相位進(jìn)行肉品新鮮度三分類，對(duì)于豬里脊肉、豬五花肉、牛里脊肉和牛腩的準(zhǔn)確率分別為91.1%、86.7%、88.9%和87.8%。

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