張峰 張琛 李湘眷

摘 要：為了對肉品的新鮮度進行快速無損評價，研究一種基于電阻抗譜的肉品新鮮度評價方法，采用環(huán)形表面電極對4 種肉品進行測定，對獲得的電阻抗譜進行方差分析。結(jié)果表明：相位參數(shù)可以用于肉品新鮮度評價;對4 種肉品進行新鮮度分類實驗，豬里脊肉的分類整體準確率為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;新鮮度評價;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，肉品新鮮度檢測的國標方法是總揮發(fā)性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量測定法，但該方法實驗操作比較繁瑣，試劑配制條件要求較高，測定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價方法。其中，機器視覺方法主要包括采用HSI色彩模型特征值對肉品進行鮮度分級[4-6]和采用色差計的L*a*b*色彩特征對肉品進行

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

肉品的腐敗會導(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價的相關(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)，但動態(tài)范圍大，用于肉品新鮮度評價或分類還存在不足。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、牛肉新鮮度評價還缺乏實驗數(shù)據(jù)支持。雖然阻抗譜法顯示，肉品阻抗隨貯藏時間延長而下降，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，阻抗譜與食品中細菌生長[24]及人體組織病變明顯相關(guān)[25-26]，說明阻抗譜法在評價鮮度或檢測組織結(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價的研究中指出，電容可用于評價新鮮度，但對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，但因未同時測定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行電阻抗譜無損測定，采用統(tǒng)計方法分析電阻抗的實部、虛部、幅值以及相位與TVB-N含量之間是否存在相關(guān)性，以驗證電阻抗譜法用于評價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 種肉品均采購于大型商超生肉專柜，肉品均有檢疫標志，3 ℃恒溫環(huán)境中用帶蓋保鮮盒保存待測。

1.2 方法

1.2.1 肉品電阻抗譜測定方案

采用圖1所示的方案進行肉品電阻抗譜測定[28]，采用核心芯片AD5933實現(xiàn)電阻抗測定，使用LABVIEW開發(fā)上位機軟件，上位機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。中心圓形的激勵電極直徑為0.30 cm，環(huán)形采樣電極寬度為0.20 cm，激勵電極與采樣電極之間間隔0.15 cm。該電阻抗測定裝置的測定誤差小于1%，激勵信號采用正弦電壓信號。每次測定前，將測定電極短路以進行自校準，完成自校準后再進行測定。

1.2.2 實驗設(shè)計

分別對豬里脊肉、豬五花肉、牛里脊肉和牛腩4 種肉品進行電阻抗譜測定。測定時，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，在整個電阻抗譜測定過程中壓力保持不變。每種肉品測定6 個樣本，樣本均加工成邊長約為3 cm的正方體?？紤]到肌肉組織中的纖維走向問題，當電流路徑與纖維走向一致時測定阻抗低，反之電流路徑垂直纖維走向時測定阻

抗高[18]。為了保證實際應(yīng)用中的可靠性，每個立方體樣本分別選擇3 個對向平面進行測定。因此，每種肉品測定獲得共計72 條電阻抗譜，其中電阻抗幅值譜、實部譜、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含量條件下分別進行測定，總共測得4 種肉品的2 880 條電阻抗譜。電阻抗譜測定頻率范圍為3～60 kHz，間隔為3 kHz，共測量20 個頻點。

肉品鮮度測定使用TVB-N含量指標作為“金標準”，測定方法采用GB 5009.228—2016《食品安全國家標準 食品中揮發(fā)性鹽基氮的測定》中的方法。肉品鮮度分類參照GB/T 5009.1—1996《食品衛(wèi)生檢驗方法理化部分 總則》[3]，TVB-N含量≤15 mg/100 g，肉品分級為一級鮮度;15 mg/100 g≤TVB-N含量≤25 mg/100 g為二級鮮度;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含量條件下測得的18 條電阻抗幅值譜、實部譜、虛部譜或相位譜的平均曲線。

正弦激勵信號在肉品組織中的傳播分為2 部分，一部分正弦信號通過細胞間液傳播，另一部分會穿透細胞膜傳播。隨著頻率升高，細胞膜的電容效應(yīng)會減小，因此容抗的絕對值會逐漸減小，組織的整體阻抗會隨著頻率升高而逐漸減小。

A. 電阻抗幅值;B. 電阻抗實部;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、實部譜和虛部譜（電抗）的絕對值隨著頻率升高逐漸降低。隨著頻率升高，正弦激勵信號會逐漸穿透細胞膜，因此相位譜的絕對值逐漸減小。

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，但幅值譜和實部譜波動較為頻繁，相對而言，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，之后曲線存在波動。例如，在3 kHz測定頻率下，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價新鮮度。為獲得可靠的結(jié)論，采用方差分析（analysis of variance，ANOVA）評估4 個電阻抗參數(shù)用于評價肉品新鮮度是否在統(tǒng)計學(xué)上具有顯著意義。對每一肉品樣本、每一頻點，一次測定可獲得18 個數(shù)據(jù)，這18 個數(shù)據(jù)之間的差異一般反映測定中的誤差，此誤差既包括測定電路引入的誤差，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 個不同的TVB-N含量條件下測定，10 次測定結(jié)果之間同樣也存在差異，這個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4 種肉品進行4 個參數(shù)、20 個頻點共計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 個電阻抗參數(shù)在統(tǒng)計學(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，在統(tǒng)計學(xué)上的顯著性也不一樣，頻率越低，統(tǒng)計學(xué)意義越顯著。因此，最終選擇3 kHz頻率條件下測得的相位參數(shù)用于肉品新鮮度評價。

2.4 將相位用于肉品新鮮度分類實驗

每種肉品取6 個樣品，每個樣品每次測定得到3 個數(shù)據(jù)，在10 種不同TVB-N含量條件下測定，每種肉品共有180 個數(shù)據(jù)需要進行肉品新鮮度三分類實驗。采用相位對肉品進行分類，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準如下：1）豬里脊肉：相位≥-16.1°為一級鮮度，-18.6°≤相位<-16.1°為二級鮮度，相位<-18.6°為腐敗;2）豬五花肉：相位≥-14.9°為一級鮮度，-18.5°≤相位<-14.9°為二級鮮度，相位<-18.5°為腐敗;3）牛里脊肉：相位≥-17.0°為一級鮮度，-18.8°≤相位<-17.0°為二級鮮度，相位<-18.8°為腐敗;4）牛腩：相位≥-17.2°為一級鮮度，-19.2°≤相位<-17.2°為二級鮮度，相位<-19.2°為腐敗。按照上述標準對4 種肉品進行分類。將相位分類結(jié)果與采用TVB-N含量指標進行的分類結(jié)果進行比對，分析相位參數(shù)用于肉品鮮度分類的準確度。

為了更好的評價分類準確率，本研究提出了分類整體準確率的概念。分類整體準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)=一級鮮度樣品被正確分類的樣本數(shù)（98）+二級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，因此可得豬里脊的分類整體準確率為164/180=91.1%;豬五花的分類整體準確率為86.7%;牛里脊的分類整體準確率為88.9%;牛腩的分類整體準確率為87.8%。分類實驗表明，電阻抗相位參數(shù)可以用于肉品的鮮度分級，分類準確度可達90%左右。該方法為肉品鮮度分級提供了一種無損、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，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間延長越來越小的結(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。對其進一步分析，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[29]，無氧糖酵解導(dǎo)致肌漿網(wǎng)中的鈣離子游離出來，使細胞膜上的鈉鉀三磷酸腺苷酶活性發(fā)生改變，進一步導(dǎo)致細胞內(nèi)、外離子發(fā)生變化，細胞內(nèi)部鈉離子開始滯留，造成細胞內(nèi)滲透壓升高，細胞發(fā)生腫脹。細胞內(nèi)電阻降低，細胞外電阻升高，導(dǎo)致細胞內(nèi)外的并聯(lián)電阻越來越小;后期隨著細胞磷脂膜發(fā)生氧化，細胞穿孔直至破裂[23，30]，細胞內(nèi)外液逐漸互通，細胞內(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、進而增大最終又減小的原因，可能源于細胞腫脹的過程中，細胞形態(tài)差異越來越大，單個細胞所形成的等效電容差異也越來越大。由于電容串聯(lián)相當于并聯(lián)效應(yīng)，因此電流路徑上的細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;后期細胞發(fā)生穿孔，細胞腫脹消退，細胞形態(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 個電阻抗參數(shù)與肉品腐敗的金標準TVB-N含量參數(shù)之間并不存在簡單的線性關(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，為了達到更好的新鮮度分類效果，對不同的肉品需要設(shè)計不同的數(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定條件的非一致性，絕對參數(shù)，如電阻抗幅值、實部、虛部等具有較大的動態(tài)范圍，要取得良好的鑒別或分類效果難度較大。可行的方法是尋找相對參數(shù)，如相位等，這樣可以避免受到測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、無損對不同肉品進行新鮮度鑒別。電阻抗幅值、電阻、電抗和相位4 種電阻抗參數(shù)從統(tǒng)計學(xué)意義上均可以用于肉品新鮮度評價，相位最優(yōu)，其次為電抗，電阻抗幅值和電阻評價能力類似，相對最差。用相位進行肉品新鮮度三分類，對于豬里脊肉、豬五花肉、牛里脊肉和牛腩的準確率分別為91.1%、86.7%、88.9%和87.8%。

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