基于电阻抗谱的猪、牛肉新鲜度快速无损评价

2022.09.22

张峰张琛李湘眷

摘要：为了对肉品的新鲜度进行快速无损评价，研究一种基于电阻抗谱的肉品新鲜度评价方法，采用环形表面电极对4 种肉品进行测定，对获得的电阻抗谱进行方差分析。结果表明：相位参数可以用于肉品新鲜度评价;对4 种肉品进行新鲜度分类实验，猪里脊肉的分类整体准确率为91.1%，猪五花肉为86.7%，牛里脊肉为88.9%，牛腩为87.8%;肉品在发生明显腐败之后，电阻抗谱的4 个参数突然变大，导致电阻抗谱与肉品新鲜度之间的线性关系消失。

关键词：电阻抗谱;肉品;新鲜度评价;快速;无损

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，肉品新鲜度检测的国标方法是总挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量测定法，但该方法实验操作比较繁琐，试剂配制条件要求较高，测定1 次需要约48 h[1-3]。近年来，从视觉、触觉、味觉出发，出现了一些新的肉品鲜度评价方法。其中，机器视觉方法主要包括采用HSI色彩模型特征值对肉品进行鲜度分级[4-6]和采用色差计的L*a*b*色彩特征对肉品进行

分级[7];基于气味进行肉品鲜度分级的方法主要有电子鼻方法[8-10]，也有部分文献采用机器视觉结合电子鼻方法进行肉品鲜度分级[11]。机器视觉结合电子鼻所需设备较多，吸光度法的实验操作依然繁复[12]，高光谱成像技术测试费用较高[13-15]。质构仪操作需要相当的经验，且测定参数较多[16]。这些方法在实验室通常可获得较好的应用效果，但在日常生活中既不容易获得，实际操作也比较繁琐，对操作技能要求也较高。

肉品的腐败会导致肉品组织的变化，而肉品组织的变化可以通过肉品阻抗参数来表征，故阻抗谱可应用于肉品新鲜度研究。电阻抗谱用于新鲜度评价的相关研究表明，肉浸液或肉品的电导率、阻抗、相位等参数与TVB-N含量具有相关性[17-19]。但是，虽然猪肉、牛肉的电导率与TVB-N含量呈正相关，但动态范围大，用于肉品新鲜度评价或分类还存在不足。鲫鱼的阻抗和相位与TVB-N含量相关[20-21]，但相位参数能否用于猪、牛肉新鲜度评价还缺乏实验数据支持。虽然阻抗谱法显示，肉品阻抗随贮藏时间延长而下降，但不能证明阻抗与TVB-N含量之间存在直接的相关性[22-23]。另有部分研究表明，阻抗谱与食品中细菌生长[24]及人体组织病变明显相关[25-26]，说明阻抗谱法在评价鲜度或检测组织结构变化方面具有良好的灵敏度。石丽敏等[27]在阻抗谱用于猪肉新鲜度评价的研究中指出，电容可用于评价新鲜度，但对猪肉彻底腐败后阻抗谱与新鲜度线性关系消失的原因未进行深入分析。在之前的工作中初步发现，肉品相位参数可用于不同肉品的分类，但因未同时测定TVB-N含量参数，因而不能确定相位是否可用于肉品鲜度的分类[27]。本研究拟采用环形表面电极直接按压在肉品表面进行电阻抗谱无损测定，采用统计方法分析电阻抗的实部、虚部、幅值以及相位與TVB-N含量之间是否存在相关性，以验证电阻抗谱法用于评价肉品新鲜度的可行性。

1 材料与方法

1.1 材料

猪里脊肉、猪五花肉、牛里脊肉和牛腩4 种肉品均采购于大型商超生肉专柜，肉品均有检疫标志，3 ℃恒温环境中用带盖保鲜盒保存待测。

1.2 方法

1.2.1 肉品电阻抗谱测定方案

采用图1所示的方案进行肉品电阻抗谱测定[28]，采用核心芯片AD5933实现电阻抗测定，使用LABVIEW开发上位机软件，上位机软件的主要功能包括串口通信、接收电阻抗数据并绘制电阻抗谱及数据保存。自制电极见图1右下角，采用环形表面电极。中心圆形的激励电极直径为0.30 cm，环形采样电极宽度为0.20 cm，激励电极与采样电极之间间隔0.15 cm。该电阻抗测定装置的测定误差小于1%，激励信号采用正弦电压信号。每次测定前，将测定电极短路以进行自校准，完成自校准后再进行测定。

1.2.2 实验设计

分别对猪里脊肉、猪五花肉、牛里脊肉和牛腩4 种肉品进行电阻抗谱测定。测定时，电极用支架放置于肉品之上，保证电极与肉品接触且压力适中，在整个电阻抗谱测定过程中压力保持不变。每种肉品测定6 个样本，样本均加工成边长约为3 cm的正方体。考虑到肌肉组织中的纤维走向问题，当电流路径与纤维走向一致时测定阻抗低，反之电流路径垂直纤维走向时测定阻

抗高[18]。为了保证实际应用中的可靠性，每个立方体样本分别选择3 个对向平面进行测定。因此，每种肉品测定获得共计72 条电阻抗谱，其中电阻抗幅值谱、实部谱、虚部谱和相位谱均为18 条。肉品贮藏于3 ℃恒温环境下，在10 种TVB-N含量条件下分别进行测定，总共测得4 种肉品的2 880 条电阻抗谱。电阻抗谱测定频率范围为3～60 kHz，间隔为3 kHz，共测量20 个频点。

肉品鲜度测定使用TVB-N含量指标作为“金标准”，测定方法采用GB 5009.228—2016《食品安全国家标准食品中挥发性盐基氮的测定》中的方法。肉品鲜度分类参照GB/T 5009.1—1996《食品卫生检验方法理化部分總则》[3]，TVB-N含量≤15 mg/100 g，肉品分级为一级鲜度;15 mg/100 g≤TVB-N含量≤25 mg/100 g为二级鲜度;TVB-N含量≥25 mg/100 g为腐败。

2 结果与分析

2.1 4 种肉品的电阻抗谱线

猪里脊肉的电阻抗谱共分为4 组谱线，每组谱线中的每一条谱线为不同TVB-N含量条件下测得的18 条电阻抗幅值谱、实部谱、虚部谱或相位谱的平均曲线。

正弦激励信号在肉品组织中的传播分为2 部分，一部分正弦信号通过细胞间液传播，另一部分会穿透细胞膜传播。随着频率升高，细胞膜的电容效应会减小，因此容抗的绝对值会逐渐减小，组织的整体阻抗会随着频率升高而逐渐减小。

A. 电阻抗幅值;B. 电阻抗实部;C. 电阻抗虚部;D. 电阻抗相位。图3同。

由图2可知，猪里脊肉电阻抗谱的幅值谱、实部谱和虚部谱（电抗）的绝对值随着频率升高逐渐降低。随着频率升高，正弦激励信号会逐渐穿透细胞膜，因此相位谱的绝对值逐渐减小。

2.2 4 种肉品电阻抗随TVB-N含量的变化曲线

以TVB-N含量为x轴，以4 种肉品的电阻抗谱数据为y轴，绘制肉品电阻抗随TVB-N含量的变化曲线。由图3可知，猪里脊肉的电阻抗谱线随TVB-N含量发生变化，呈先下降后上升的总体趋势，但幅值谱和实部谱波动较为频繁，相对而言，虚部谱和相位谱虽然整体与TVB-N含量不存在完全的线性关系，但可以看作分段的线性关系。在肉品鲜度退化的整个过程里，猪里脊肉的虚部和相位随TVB-N含量上升呈线性下降趋势，之后曲线存在波动。例如，在3 kHz测定频率下，随着TVB-N含量由7 mg/100 g增加到23 mg/100 g，猪里脊肉的电阻抗谱虚部由-65.51 Ω降低到-117.42 Ω;随着TVB-N含量增加到26 mg/100 g，虚部开始反向增大到-59.55 Ω;随着TVB-N含量最终增加到30 mg/100 g，虚部又逐渐降低到-113.19 Ω。

猪五花肉、牛里脊肉和牛腩的电阻抗谱整体变化趋势与猪里脊肉相似，但数值范围存在差别。

2.3 4 种肉品电阻抗参数分析

由图3C和图3D可以看出，肉品虚部电阻抗和相位有望用于评价新鲜度。为获得可靠的结论，采用方差分析（analysis of variance，ANOVA）评估4 个电阻抗参数用于评价肉品新鲜度是否在统计学上具有显著意义。对每一肉品样本、每一频点，一次测定可获得18 个数据，这18 个数据之间的差异一般反映测定中的误差，此误差既包括测定电路引入的误差，也包括同一种类肉品、不同样本之间的组织结构差异。在10 个不同的TVB-N含量条件下测定，10 次测定结果之间同样也存在差异，这个差异主要反映肉品随TVB-N含量变化而带来的电阻抗特性的变化，为组间差异。

为确定最优的新鲜度表征参数，对4 种肉品进行4 个参数、20 个频点共计320 组ANOVA，其中1 组分析结果如表1所示。

由图4可知，4 种肉品的4 个电阻抗参数在统计学上均可以表征肉品的新鲜度，但电阻抗幅值和电阻抗实部的表征能力明显不如电阻抗虚部和电阻抗相位，尤其是电阻抗相位，其用于表征肉品新鲜度在统计学上具有极显著意义。不同频率条件下获得的电阻抗数据表征肉品新鲜度时，在统计学上的显著性也不一样，频率越低，统计学意义越显著。因此，最终选择3 kHz频率条件下测得的相位参数用于肉品新鲜度评价。

2.4 将相位用于肉品新鲜度分类实验

每种肉品取6 个样品，每个样品每次测定得到3 个数据，在10 种不同TVB-N含量条件下测定，每种肉品共有180 个数据需要进行肉品新鲜度三分类实验。采用相位对肉品进行分类，3 种鲜度肉品的相位范围用95%置信区间确定。相位用于肉品鲜度分类的标准如下：1）猪里脊肉：相位≥-16.1°为一级鲜度，-18.6°≤相位<-16.1°为二级鲜度，相位<-18.6°为腐败;2）猪五花肉：相位≥-14.9°为一级鲜度，-18.5°≤相位<-14.9°为二级鲜度，相位<-18.5°为腐败;3）牛里脊肉：相位≥-17.0°为一级鲜度，-18.8°≤相位<-17.0°为二级鲜度，相位<-18.8°为腐败;4）牛腩：相位≥-17.2°为一级鲜度，-19.2°≤相位<-17.2°为二级鲜度，相位<-19.2°为腐败。按照上述标准对4 种肉品进行分类。将相位分类结果与采用TVB-N含量指标进行的分类结果进行比对，分析相位参数用于肉品鲜度分类的准确度。

为了更好的评价分类准确率，本研究提出了分类整体准确率的概念。分类整体准确率为每一种肉品被正确分类的样本总数除以该肉品的样本总数。由表3可知：以猪里脊为例，其被正确分类的样本总数=一级鲜度样品被正确分类的样本数（98）+二级鲜度样品被正确分类的样本数（36）+腐败样品被正确分类的样本数（30）=164，

猪里脊的样本总数为180 个，因此可得猪里脊的分类整体准确率为164/180=91.1%;猪五花的分类整体准确率为86.7%;牛里脊的分类整体准确率为88.9%;牛腩的分类整体准确率为87.8%。分类实验表明，电阻抗相位参数可以用于肉品的鲜度分级，分类准确度可达90%左右。该方法为肉品鲜度分级提供了一种无损、快速和低成本的方法。

3 讨论

电阻抗的4 个参数均可以表征肉品的新鲜度，但是表征能力有明显差别。宋华宾等[17]采用肉浸液的电导率来表征肉品新鲜度，与本研究的统计分析结果一致，不同之处在于其采用的是有损方法获取肉浸液，电导率与肉品新鲜度之间的线性关系优于本研究。张丙明等[18]采取的方法是将电极插入肉品，获取电导值，其测定条件和本研究类似，结论为电导值与肉品新鲜度之间存在相关性，可以用于肉品新鲜度分类。同时，该研究指出，鲜猪肉的正常电导值范围很大，与本研究的测定结果一致。由图3C和图3D可以看出，在肉品发生明显腐败之前，电阻抗虚部和相位表征新鲜度的能力很好。这与

张军等[20]在鲫鱼阻抗研究中得出的21 h内阻抗幅值和相位隨时间延长越来越小的结论相一致。

本研究中，肉品发生明显腐败后，电阻抗谱的4 个参数突然变大，导致电阻抗谱与新鲜度之间的线性关系突然消失。对其进一步分析，原因可能在于由于血液供给的中止，肉品组织的有氧代谢中断，无氧糖酵解过程开始增强[29]，无氧糖酵解导致肌浆网中的钙离子游离出来，使细胞膜上的钠钾三磷酸腺苷酶活性发生改变，进一步导致细胞内、外离子发生变化，细胞内部钠离子开始滞留，造成细胞内渗透压升高，细胞发生肿胀。细胞内电阻降低，细胞外电阻升高，导致细胞内外的并联电阻越来越小;后期随着细胞磷脂膜发生氧化，细胞穿孔直至破裂[23，30]，细胞内外液逐渐互通，细胞内外液的电阻差逐渐缩小，并联电阻越来越大。这是导致肉品电阻抗幅值和实部随TVB-N含量的升高先减小后增大的原因。肉品电阻抗谱虚部和相位随TVB-N含量的升高先逐渐变小、进而增大最终又减小的原因，可能源于细胞肿胀的过程中，细胞形态差异越来越大，单个细胞所形成的等效电容差异也越来越大。由于电容串联相当于并联效应，因此电流路径上的细胞宏观上所形成的等效电容越来越小，等效容抗也就越来越小;后期细胞发生穿孔，细胞肿胀消退，细胞形态差异越来越小，宏观的等效电容越来越大，等效容抗越来越大;等到细胞壁开始破碎，等效电容越来越小，等效容抗也越来越小。

肉品4 个电阻抗参数与肉品腐败的金标准TVB-N含量参数之间并不存在简单的线性关系。但从应用的角度而言，肉品发生明显腐败后，气味、渗液及颜色的改变均比较显著，这时新鲜度鉴别已无必要。因此，相位与肉品新鲜度之间的线性相关性已经完全可以满足肉品新鲜度分类的需要。本研究还发现，肉品的种类及采样位置直接影响电阻抗参数的范围，为了达到更好的新鲜度分类效果，对不同的肉品需要设计不同的数值区间。参数的选择也很重要，考虑到肉品的差异性以及测定条件的非一致性，绝对参数，如电阻抗幅值、实部、虚部等具有较大的动态范围，要取得良好的鉴别或分类效果难度较大。可行的方法是寻找相对参数，如相位等，这样可以避免受到测定条件不一致的影响。

4 结论

采用电阻抗谱方法可以快速、无损对不同肉品进行新鲜度鉴别。电阻抗幅值、电阻、电抗和相位4 种电阻抗参数从统计学意义上均可以用于肉品新鲜度评价，相位最优，其次为电抗，电阻抗幅值和电阻评价能力类似，相对最差。用相位进行肉品新鲜度三分类，对于猪里脊肉、猪五花肉、牛里脊肉和牛腩的准确率分别为91.1%、86.7%、88.9%和87.8%。

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