电阻抗技术在肉品品质控制中的应用

彭见林，李慧勤，高瑞萍，赵国华,2,*

(1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.重庆市农产品加工技术重点实验室，重庆 400715)

电阻抗技术在肉品品质控制中的应用

彭见林1，李慧勤1，高瑞萍1，赵国华1,2,*

(1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.重庆市农产品加工技术重点实验室，重庆 400715)

电阻抗指接入电路中的介质阻碍电流通过的能力，当肌肉的内部结构或所含物质发生变化，其阻碍电流的能力也会变化。根据电阻抗参数与肉质量参数的关系，可以快速、准确地控制肉的质量。本文介绍电阻抗技术的基本原理，主要综述其在检测牛、猪胴体尸僵成熟过程中pH值的变化，控制肉的成熟和评估肌肉脂肪含量等的应用。并简要分析其发展趋势，为电阻抗技术在肉品品质控制中的研究提供参考。

电阻抗技术；快速检测；成熟度控制；肉的质量

在交流电电路中，介质阻碍电流通过的能力称为电阻抗(electrical impedance spectroscopy，EIS)，电阻抗主要包括电阻和容抗两个部分。1898年，英国科学家Stewart首先利用细菌在生长过程中引起培养基电阻抗值的变化监测微生物的生长[1]，提出“阻抗微生物学”。1936年，Callow第一次将电阻抗技术应用到肉类检测中。电阻抗检测技术由于仪器简单、操作方便、检测快捷、价格便宜等众多优势，一直是人们研究的热点，其应用领域不断扩展[2]。本文主要介绍电阻抗技术在肉类研究中的应用，为电阻抗技术研究提供参考，以加快这种技术在食品行业中的应用。

1 电阻抗的基本原理

电阻抗通常用Z表示，为电阻(resistance)和容抗(capacitive reactance)之和，如公式(1)所示。电阻不随电流的频率而变化，但是容抗与电流的频率有关，如公式(2)所示。

式中：Zreal为电阻(resistance)；Zimage为容抗(capacitive reactance)；i=(－1)1/2；f为电流的频率；C为电容。当电路中通入电流为I的交流电，测定两电极间的电压V，利用欧姆定律V=ZI，就可以计算得出Z[3]。

动物的肌肉组织结构复杂，导电性能不均一。每个细胞都可以看作是一个单元，细胞膜由磷脂双分子层、糖蛋白等构成，是绝缘体，而细胞膜包裹的细胞质导电能力很强。细胞膜的电导率大约为10-7S/m，而细胞内部物质的电导率能够达到1S/m。当交流电流过肌肉组织时，细胞膜可以看作是电容器，频率较低时，细胞膜容抗很大，电流主要从细胞间隙中流过；当高频电流流过时，细胞膜的容抗可以忽略，此时电流可以流过整个细胞群体。当细胞膜完整性破坏时，细胞质中钙、镁等离子释放，肌肉的电阻抗值和导电均匀性都会发生明显变化[4-6]。

2 电阻抗在肉类研究中的应用

动物屠宰放血后，肌肉进入了一个新的环境：氧气阻断、肌肉内代谢物蓄积、糖原分解、ATP减少，肌原纤维断裂，胶原纤维的有序结构被破坏，最终细胞结构破裂，肌肉的电阻抗发生变化[7-8]。Damez等[9]测定了交流电频率在1～1500kHz范围内，牛肉在2～14d成熟过程中电阻抗的变化。电场方向与肌纤维平行(longitudinal)时的电阻抗值比垂直(transversal)时的小，这种差异随着贮藏时间的延长或电流频率的增加而减弱。宰后贮藏6d的牛肉或者电流频率高于91kHz时这种差异可以忽略。贮藏14d的牛肉，横向与纵向电阻抗值没有差异，牛肉成为各向导电均匀的介质。相同贮藏时间的牛肉，在以Zreal为横轴，Zimage为纵轴的图中，各频率下测得的数据形成半圆形，随贮藏时间的延长，半径逐渐减小。这些变化成为电阻抗技术能在肉类中应用的基础。

2.1 测定肉pH值的变化

在动物经屠宰放血后，肌肉中肌糖原无氧酵解产生乳酸，ATP分解产生磷酸根离子，使pH值下降。由于ATP酵解产物氨的抑制，使pH值在24h下降到5.4左右就不再继续下降，此时称为极限pH(ultimate pH，pHu)。pHu与肉的质量有重要关系，当pHu值只能下降到6.0左右，则形成DFD猪肉(dark，firm and dry muscle)，或是黑切牛肉(dark cutting beef)，pHu值过低，则形成PSE(pale soft exudative)肉[10]。DFD肉和PSE肉都不适宜加工，给肉类行业带来重大经济损失。

从1970年以来，众多学者一直在研究利用电阻抗技术快速、准确地测定肌肉的pH值变化。人们希望通过电阻抗技术，测定动物屠宰后45～60min的电阻抗变化，预测其在24h内的变化情况。方海田等[11]发现，在宰后10d内，肌肉的电阻抗值与pH值、电阻抗与失水率、pH值与失水率之间均有相关性，相关性在α=0.05水平下显著。

Oliver等[12]将猪腿肉分为5个区域，中部脂肪组织M(intermediate fat region)、半膜肌SM(semimembranosus region)、中部脂肪下M1(below central fat 1)、中部脂肪下M2(below central fat 2)、内收肌AD(adductor region)，在8kHz～1MHz范围内测定电阻抗参数Ro(低频率时的阻抗值)、Rinf(高频时的阻抗)、Ratio(Ratio=Rinf/Ro)、Fc(容抗值)和α(形状参数)与肉质量参数的关系。在屠宰后36h的Ratio与pH值有显著的相关性(P＜0.05)，在SM区域pH45min值(屠宰45min时pH值)与Ratio的相关性系数r＝－0.66，pH24h值(屠宰后24h的pH值)的r＝－0.54和pH36h值(屠宰后36h的pH值)的r＝－0.38，在M区域Ratio与pH45min值、pH24h值、pH36h值的相关性系数r分别为－0.64、－0.52、－0.53。多元回归分析发现，在SM部分，pH45min＝5.34－1.47Ratio＋0.005Fc＋3.85α。利用pH45min将肉分为3个等级，分为pH45min＞6.10，5.85 ＜ pH45min＜ 6.10(正常肉)，pH45min＜5.85(PSE 肉)。当样品Ratio＜0.3时，92.31%的检测样pH45min＞5.85；Ratio＞0.7时，81.82%的检测样的pH45min＞5.85，为PSE肉；当Ratio＞0.38，92.31%的检测样的pH24h＞5.95，为DFD肉。Byme等[13]发现牛屠宰后7h～7d间电阻抗值的变化与pH值有相关性，在2d时的电阻抗值与pH5h值(5h时的pH值)、pH7h值(7h时的pH值)的相关性都为0.60(P＜0.001)，相关性为最高。14d时的电阻抗值与pH值没有相关性。屠宰后7h牛肉的电导率(electrical conductivity，介质的电阻特性参数，常用σ表示)与pH值的相关性达到0.57(P＜0.01)，此时σ与pH值的相关性最高。

2.2 评估肉中脂肪的含量

肌肉间脂肪对肉风味的形成有重要作用，当猪肉肌肉内脂肪(intramuscular fat，IMF)含量在2%～3%，肉的风味最佳。脂肪细胞与肌肉细胞的导电性能差异大，脂肪导电率很低，可以看作是绝缘体。利用这两种组织的导电性能的差异，可以快速检测肉中脂肪的含量[14]。

Oliver等[12]研究了猪肉可见脂肪(visual fatness，VF)含量与电阻抗值的关系，在中部脂肪组织M区域，当Rinf＞56Ω时，84.21%样品的可见脂肪VF＞2.5%，可以应用Rinf作为控制IMF的一个参数。Altmann等[15]利用四电极在频率5～30kHz范围测定猪、牛肌肉的电阻抗值，以预测IMF含量。通过电阻抗值预测的猪肉IMF与己烷提取化学分析方法得到的相关性为0.28～0.56，不同品种猪肉有差异，两种检测方法在牛肉IMF含量测定的相关性为0.69。电阻抗值与猪肉、牛肉IMF含量相关性不高(猪肉R2＝0.12，牛肉R2=0.48)。以IMF含量＝1.4%作为阈值，利用电阻抗值正确选出猪肉IMF含量＞1.4%的概率在90%～100%，但是IMF含量＜1.4%的猪肉，有63.3%～92.7%被错误选出。以IMF含量＝2%为阈值，只有19.1%的猪肉样品能够正确选出，牛肉有62.5%能够正确选出。利用电阻抗技术检测牛肉IMF含量更可行。Chanet等[16]在500Hz～5MHz频率范围内，利用偏最小二乘法(PLS)分析了罐装碎猪肉的脂肪含量与电阻抗的关系，发现在273kHz时，相关性最高，标准偏差为1.08%。

2.3 控制肉的成熟度

肉在成熟过程中，肌原纤维和结缔组织结构发生明显变化。肌原纤维断裂成小片状，胶原纤维间以及胶原纤维上的黏多糖被分解，胶原蛋白水解，肉的颜色、嫩度、气味等都会发生变化。尤其是嫩度的变化，是影响消费者购买的一个最重要的因素。及时检测、控制肉的成熟进程是获得良好肉制品的基础[17]。人们一直在寻找评价肉嫩度的方法，如利用近红外、质构成像分析、色差计结合肌肉纹路分析、薄片剪切力测定等，但是这些方法成本太高[18]。电阻抗技术能够快速反映肌肉组织结构特性，设备便宜，为在线快速检测，及时控制肉的成熟进程，减少过度成熟带来的品质恶化提供了可能。

Lepetit等[19]在电流频率1～100kHz的范围内测定了不同品种、不同部位牛肉在屠宰后1h至14d内电阻抗值的变化。实验发现，肌肉的总阻抗Z和比值Z1kHz/Z100kHz随着贮藏时间的延长都减小，这两个参数与肌肉的嫩度(利用机械性能反映，用样品形变20%所需要的压力表示)有很好的线性关系(R2=0.91～0.97)，不同的牛肉，相关性不同，而且不同部位牛肉得到的相关直线的斜率差异显著，实际应用不便。随着贮藏时间的延长和频率的增加，反映介质导电均匀性的参数ZTRANS/ZLGT(ZTRANS为电场线垂直于肌纤维方向时的总阻抗值，ZLGT为电场线平行于肌纤维方向时的总阻抗值)逐渐减小。在1kHz时，比值ZTRANS/ZLGT与肌肉的机械性能有极显著的相关性(r=0.59，N=129，P＜0.01)，当肌肉成熟时(机械力达到4N/cm2)，ZTRANS/ZLGT减小到接近1。可以考虑采用ZTRANS/ZLGT和Z1kHz/Z100kHz作为衡量肌肉成熟的两个参数。

Damez等[4]在频率100Hz～1.5MHz范围内，测定不同的频率下，电场线与牛肉肌肉纤维不同夹角的电阻抗值。可以观测到不同贮藏时间、与电场线不同夹角测得的牛肉的电阻抗值，直接找出阻值最小的ZTRANS和最大的ZLGT。实验中，牛肉的成熟度分为3个等级：样品形变20%所需压力为0～10N/cm2为完全成熟的；10～30N/cm2为半成熟的；大于30N/cm2为未成熟的。结果表明，肌肉的导电非均匀性参数ZTRANS/ZLGT与牛肉的机械性有很好的相关性(R2=0.71)，在104个牛肉样品中，辨别牛肉成熟度的成功率达到90%。Damez等[20]在利用排成直线的每两电极间隔1.5cm的八电极测定牛肉电阻抗值发现，同频率下不同距离电极测定的电阻抗值形成一条直线，直线斜率与电流频率有关，直线的截距即为接触电阻抗值(contact impedance)，与测定方向无关。电流频率在100Hz～1.5MHz范围内，接触电阻抗值在600～100Ω范围内变化。在1kHz条件下，横向和纵向测定的接触电阻抗值的平均值与肌肉的机械性能相关性为0.79，在100Hz时，这种相关性更明显。在牛肉胸大肌部分，相关性达到0.95，可以考虑利用接触电阻抗值测定肌肉机械性，进而评估肌肉的嫩度。

Ghatass等[21]利用LCZ仪器在频率10kHz～1MHz范围内分析了贮藏2～50d牛肉的质量与其电导率和电容之间的关系，提出一个参数Q作为评价肉新鲜度的一个指标。

式中GH、GL分别代表在高频和低频下的电导率。实验中发现随着时间的延长，电导和电容都减小，Q值也减小，Q值与贮藏时间有相关性。可以探索Q作为评估牛肉嫩度和新鲜度的一个指标。

Marta等[22]利用板式电极，测定直径46mm、厚2～4mm猪肉样品的电阻抗参数。结果发现，样品的介电常数与肉的贮藏时间和肉的质量有关系，提出用无量纲参数AIε和AIσ评价肉的贮藏时间。

式中：ε表示样品的介电常数/(F/m)；pm(postmortem time)表示宰后时间/h；x表示测定时间/h；σ表示电导率/(S/m)。

通过比较发现AIε随宰后20h内迅速下降，20h以后变化缓慢，而且PSE肉、DFD肉与RFN(reddish-pink,firm, non-exudative)肉的AIε变化存在差异显著。AIε作为评价电导率的参数，能够反映细胞膜的完整性，可以作为评价肉宰后变化的一个参数，评估肉的成熟度，控制贮藏时间。

2.4 肉失水量的测定

Forrest等[23]利用四电极测定屠宰后24h猪胴体的电阻抗值，猪肉失水量与电阻抗值相关系数达到0.5，标准偏差为2.53%；利用波长900～1800nm的近红外检测，发现失水量与近红外值相关性达到0.8。但是电阻抗值测定更快捷，设备更简便。Lee等[24]发现在屠宰后24h，猪肉的失水量与电导率相关性达到66%。按照失水量把肉分为3个等级(＜2%、2%～6%、＞6%)，利用电导率可以正确区分47个样品中的80%，结合pHu(ultimate pH)计算失水百分比(percent drip，PD)，PD计算公式如下：

式中：σ表示电导率/(mS/cm)。

利用上面公式，可以正确区分94%的样品[24]。Chevalier等[25]利用3种不同直径的环形电极检测电阻抗参数与新鲜腌制鱼含水量、含盐量的关系。实验发现样品含盐量与应用模型测得的数据相关性R2＞0.822(不同的电极，相关性有差异)。该应用模型为：

式中：cNaCl为NaCl含量/(g/100g)；σ为电导率/(mS/cm)；ΔC为1MHz与10MHz时容抗的差值/pF；a、b为常数。

PSE肉多渗出水，Pliquetta等[26]将贮藏2d、失水量大于6%的猪肉定位PSE肉，提出参数Py(Py=1－Rinf/Ro)判定PSE肉。在屠宰后5h，利用Py可以正确区分出71.4% PSE肉，屠宰后24h，正确区分率达到85.4%。

Banach等[27]研究发现在屠宰后1h，电刺激牛肉的电阻抗值较对照组大，有明显差异，但是在屠宰后24、72h，电刺激牛肉的电阻抗值比对照组的小；冷冻过的牛肉与在对照组牛肉的电阻抗值差异明显。

3 影响电阻抗值的因素

由于肌肉组织结构复杂，影响电阻值的因素众多，除了肉品组成外，还有以下几个主要因素[28]：

3.1 温度

温度作为影响电阻值的一个因素，并不是单独作用，而是与其他因素，如含水量、含盐量等共同作用。总的来说，温度升高时，由于水分和离子运用加剧，电阻抗值减小。

3.2 频率

电阻抗值与频率有重要关系，高频率时虽然电阻不变，但是容抗减小，电阻抗值减小。在众多实验中，研究人员使用的频率并不固定，从几十赫兹到几百兆赫兹不等，视样品大小、厚度、质地等而定。

3.3 电极形状

检测中应用的电极主要有板式和针式两种。Lepetit等[19]利用各种大小的针式和板式电极测定牛肉的电阻抗，发现不同类型的电极测定的阻抗值有很好的相关性(0.83＜R2＜0.96)，但是电极间的距离、针式电极插入的深度都会影响电阻抗值的准确性。

4 结 语

电阻抗技术已有百年历史，由于其操作简便、快速、无损等特点，一直是研究热点。在线实时监测肉的质量，及时控制肉的成熟进程，检测出PSE肉、DFD肉，可为生产节约大量成本[29]。然而，影响电阻抗技术准确应用的不确定因素众多，包括不同品种的肉质量的差异等，给实际应用带来了困难[30]。在肉类研究中，下一步的研究主要集中在以下两点：找到与肉质量相关的电阻抗参数，包括肉的嫩度、颜色、气味等[31]，提高准确性，为快速控制肉的成熟、评价肉的质量提供依据；研发便携式操作方便、价格便宜的检测设备，扩大电阻抗技术的应用范围。

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A Review on Applications of Electrical Impedance Technology in Quality Control of Meat

PENG Jian-lin1，LI Hui-qin1，GAO Rui-ping1，ZHAO Guo-hua1,2,*
(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China；2. Chongqing Key Laboratory of Agricultural Products Processing, Chongqing 400715, China)

Electrical impedance refers to the ability of media to impede current in circuit. When the texture structure of muscle has been changed, the capability to impede current will also change. The quality of meat can be fast and accurately controlled on the basis of the relationship between electronic impendence parameters and meat quality parameters. In this paper, the basic principle of electrical impedance technology is introduced. The applications of electronic impedance technology in detecting pH change in bovine, pork carcass rigor mortis and aging process, controlling the aging process and evaluating intramuscular fat are also discussed. Meanwhile, the future development trend of electronic impedance technology is proposed, which will provide a reference for the quality control of meat by electronic impedance technology.

electrical impedance technology；rapid detection；aging control；meat quality

TS207.7

A

1002-6630(2011)05-0326-05

2010-07-13

彭见林(1985—)，男，硕士研究生，研究方向为食品化学与营养学。E-mail：wpjlin@126.com

*通信作者：赵国华(1971—)，男，教授，博士，研究方向为食品化学。E-mail：zhaoguohua1971@163.com