肉品中彩虹色斑产生机理及研究进展

包玉龙 张雅琦 徐万军 闫丹 高瑞昌

摘  要：具有完整肌肉结构的原料肉及肉制品表面经常会产生彩虹色斑，是由光线与肉的微观结构互相作用导致的，但彩虹色斑往往被消费者误认为是肉类不新鲜或被污染。本文针对肉中彩虹色斑的成因及影响因素，主要从肉中影响光散射的微观结构及其在贮藏加工中的变化，肉类彩虹色斑产生的两大主要理论（表面光栅和多层干涉），彩虹色斑测定表征的方法，以及影响肉中彩虹色斑的理化因素及控制消除技术这四方面进行综述，对肉中彩虹色斑现象的发生、调控机制全面的梳理，旨在为肉品科学的研究及肉类的生产、消费提供理论参考。

关键词：彩虹色斑；微观结构；光散射；表面光栅；多层干涉

Abstract： Surface iridescence is often found in raw meat and meat products with intact muscle tissue， which is produced due to the interaction between light and the microstructure of meat. However， consumers often misunderstand that this phenomenon is linked to stale or contaminated meat. This article reviews the cause of the formation of iridescence in meat and the factors influencing it. This review discusses meat microstructural features affecting light scattering and microstructural changes during storage and processing as well as the two principal theories about iridescence formation （surface grating and multi-layer interference）， and summarizes the methods used to evaluate and characterize meat iridescence and the techniques used to control and eliminate it. We hope that this review will provide a theoretical basis for future research in food science and meat production and consumption.

Keywords： iridescence; microstructure; light scattering; surface grating; multilayer interference

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20230410-025

中圖分类号：TS251.1           文献标志码：A           文章编号：

引文格式：

包玉龙， 张雅琦， 徐万军， 等. 肉品中彩虹色斑产生机理及研究进展[J]. 肉类研究， 2023， 37（5）：  . DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20230410-025.    http：//www.rlyj.net.cn

BAO Yulong， ZHANG Yaqi， XU Wanjun， et al. Research progress on iridescence in meat products： formation mechanism， influential factors and evaluation methods[J]. Meat Research， 2023， 37（5）：  . （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20230410-025.    http：//www.rlyj.net.cn

消费者通常会将颜色作为原料肉及肉制品新鲜度的评判标准，同时诱人的产品外观也往往会增加消费者的购买欲望[1-2]。因此原料肉及肉制品的色泽对于消费者接受度有着重要的影响。原料肉中色素以肌红蛋白为主，其含量和化学状态很大程度上决定了肉类色泽[3-5]。此外，微观结构也是影响颜色的重要因素，微观结构对肉品颜色的贡献取决于光线在肉品表面发生的透射、散射和反射[6]。在原料肉及肉制品的生产过程中，经常会遇到一些颜色问题，例如浅色的PSE（pale，soft，exudative）猪肉、深色的DFD（dark，firm，dry）牛肉、提前褐变以及彩虹色斑等[7-8]。肉类彩虹色斑是一种闪亮、具有金属光泽的现象，通常包括绿色、红色、橙色、黄色等[9]，多见于烹饪肉制品的表面，在牛肉[10-11]、猪肉[12-13]、鱼肉[14]、鹿肉[15]及相关肉制品中均有发生。虽然肉中彩虹色斑的出现仅仅是由于光线与肉的微观结构互相作用[16]，但某些微生物的生长会导致肉品出现与彩虹色斑相近的绿色[17]、荧光色[8]等，因此，消费者可能会将彩虹色斑的出现与微生物腐败或外源污染物关联，从而导致肉品接受度下降。因此，正确认识肉及肉制品中彩虹色斑形成的机理及影响因素对于消费者和肉品行业均有着重要的指导意义。

1   光散射与肉中微观结构的关系

光散射是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。光与肉品基质中的微观结构发生相互作用而发生散射，这些微观结构也包括蛋白分子的聚合体。肉类主要由肌纤维构成，而影响肌纤维衍射的结构特征主要包括3 方面[18]：1）肌节的周期性，2）肌原纤维或肌纤维的形态，3）肌原纤维之间的错位。肌原纤维的基本单元为肌节，肌节中A带和I带具有不同的蛋白含量及蛋白类型，从而具有不同的折射率。因此，肉类具有由折射率不同的区域交替构成的周期性结构，可以近似看做三维衍射光栅。

通过改变肌纤维所处环境的pH值，可以调控肌纤维中周期性结构的间距，进而影响光散射[19]。肉类宰后成熟过程中，pH值发生下降，肌纤维发生横向收缩导致细胞外间隙增大，而细胞外间隙增大被认为是光散射增强的原因，最终pH值较高的肉类其肌纤维横向收缩程度不高，这一结构特征可能是暗色肉中光散射弱的主要原因[6]。除了横向收缩，肌原纤维在肉类贮藏加工中也可能发生纵向尺度上的变化，从而改变肌节的长度，最终通过影响肌节不同位置的蛋白密度影响折射率，而折射率的变化可能会影响光散射[6]。蛋白质溶液对光的散射程度与蛋白聚集相关[20-21]，因此肌浆和细胞外基质中蛋白质浓度、溶解度及聚集状态都可能影响光在肉中传播时的速度和角度[6]。由于观测到的反射图谱呈现周期性，Hughes等[22]推测肉类对光线的散射取决于各向异性的微观结构，不是肌浆中蛋白质的随机聚集造成的，否则，肌浆蛋白的随机聚集将破坏反射图谱的周期性。在一定条件下，肌浆蛋白可以与肌原纤维蛋白互相作用，Yang Nan等[23]指出，在PSE肉中，肌浆蛋白可能会沉淀到肌原纤维蛋白表面，对肌丝这一各向异性的结构进行修饰。

Swatland[24]系统阐释了光线与肉的微观结构相互作用机理及其对肉色的影响。如图1所示，光线A照射肉品时，部分被表面直接反射（路径B）；剩余的光线进入肉品基质，经过与微观结构的相互作用，最终可能被散射回表面（路径C、D）。路径C中微观结构造成的散射更强，从而减少了肌红蛋白等可溶性色素的选择性吸收，肉类呈现浅色；而路径D中微观结构造成的散射较弱，从而增强了色素对光线的选择性吸收，肉类呈现暗色。动物刚屠宰之后，肌肉中路径D占主导而肉色较暗；随着pH值下降，路径C逐渐取代路径D的主导地位，肉色变亮。路径C和D中光线发生散射主要是由于光线通过肌原纤维造成的。当肌浆蛋白沉积到肌原纤维表面时（路径E），光线在此处随机散射；在F处，由于光線跨越折射率不同的区域（高折射率的肌丝晶格和低折射率的肌浆），光线在肌原纤维表面发生反射；在G处，入射光发生折射穿过肌原纤维，部分最终返回到表面；而在H处，光线被肌节中折射率高的A带反射。所有路径散射回表面的光强度共同影响了肉品亮度。

2   肉中彩虹色斑形成机理

白光经由物体微观结构发生干涉时，如果只有部分波长的光被散射，物体的颜色可能会发生改变。彩虹色斑现象通常发生在亮度值（L*）较低的肉类中，而L*高意味着非相干散射的增加。由于肉类彩虹色斑的形成依赖于光与周期性的微纳结构相互作用产生相干散射[25]，因此非相干散射的增加可能会抑制彩虹色斑的出现。类似地，蝴蝶或甲虫的色素可以吸收大部分光线，使得表面微纳结构产生的结构色与色素造成的暗色背景层形成鲜明对比[26]。自然界中可以改变颜色的微观结构主要是由周期性的、具有不同折射率的材料组成，一般可包括表面光栅、多层和单层薄膜[27]。因此，肉及肉制品中彩虹色斑的出现与肉的微观结构有关，一般认为彩虹色斑源自表面光栅或多层干涉的效应，这2 种结构特征引发的色彩在动物界广泛存在，其发生机理简介如下。

2.1   表面光栅

如图2所示，当物体表面具有周期性的微观沟槽结构时可以近似看作表面光栅，如果满足下列条件（式（1）），则照射到物体表面的白光会发生色散[27]。

式中：θi为光线入射角/rad；θm为反射角/rad；W为表面结构的周期；λ为波长/nm；m为反射级数。

不同波长的光散射角度不同，从而形成彩虹色，观察到的颜色取决于观测的位置，如在图2中x处看到紫色，而在y处看到红色。肌肉具有较为规则的层次结构（肌束→肌纤维→肌原纤维），垂直于肌纤维方向切开时，表面突出的肌原纤维周期性排列，可能会产生衍射光栅的效应。

2.2   多层干涉

光通过折射率交替变化的介质时可能会产生相长干涉，而发生强烈的反射。发生相长干涉的条件为相邻界面处的反射光其光程差为波长的整数倍[27]。多层干涉的理论可以通过周期性相互交叠的薄层进行理解。如图3所示，考虑周期性交叠的AB薄层，当满足式（2）中条件时，连续的A-B界面与B-A界面其反射光相位差为180°。

式中：nA、nB表示薄层A、B的折射率；θA、θB表示折射角/rad；dA、dB表示薄层厚度/nm；λ为波长/nm；m为反射级数。

由式（2）可知，干涉的发生受到入射角、波长、折射率及薄层厚度的影响。肌原纤维具有A带和I带交替的结构，其中A带蛋白含量高，具有较高的折射率，而I带蛋白含量低，折射率较低。普遍认为多层干涉是肉类产生彩虹色斑的机理[28]。

Martinez-Hurtado等[25]将猪里脊肉干燥处理并实时记录其表面衍射情况，结果显示，衍射峰随观察的角度变化，衍射强度下降但衍射峰的位置保持稳定。研究人员据此推断彩虹色斑出现类似于表面光栅效应。Swatland[15]对表面光栅效应作为肉品彩虹色斑的原因提出质疑，认为肉品表面锯齿状突出的肌原纤维过于柔软，会在包装膜的挤压下变形，但包装通常并不会影响肉的彩虹色斑现象。此外，自然界中其他由表面光栅引起的结构色会在水的浸润作用下改变，如孔雀羽毛的彩虹色在水中观察时消失；相反地，白云母的彩虹色由多层干涉造成，其彩虹色在水中依然可见[15]。研究发现烹饪后牛肉[29]、黄鳍金枪鱼肉[14]、鹿肉[15]的彩虹色斑在水中观察时并未消失。有研究发现，无论是用植物油浸泡肉类或用石油醚清洗肉表面脂肪都对彩虹色斑没有影响[30]。因此，肉品表面彩虹色斑形成机理可能主要是多层干涉，而非表面光栅。根据多层干涉的理论，薄层厚度及折射率的变化可能会造成彩虹色的消失或颜色偏移。Ruedt等[31]为了验证多层干涉是肉品彩虹色斑的原因，将火腿切片沿着肌纤维方向挤压以期改变薄层厚度，同时记录肉品表面彩虹色斑现象的变化。结果显示，随着挤压程度加深，反射强度下降，干涉光的波长向短波方向偏移。由于挤压减小了薄层的厚度，因此光线的建设性干涉发生在更短的波长处。这些结果支持多层干涉是肉品彩虹色斑的主要原因。

3   肉中彩虹色斑评价方法

在肉及肉制品结构色研究领域，一个重要的限制性因素就是缺乏准确客观的定量方法。传统的评价方法主要依赖于感官人员的判断，吉艳峰等[10]在调查大型屠宰场及超市销售的部分肉制品彩虹色斑现象时分别选用了不同的方法。对于鲜肉，通过调整观察角度和观察面使得彩虹色斑点强度最大，依据彩虹色斑点的强弱等级分为5 个等级，其中1级为极少，5级为极多；肉制品的评价方法类似于鲜肉，并同步调查了肉制品表面彩虹色斑中的主要颜色及彩虹色斑占总表面积的比例。类似地，美国肉品科学协会针对彩虹色斑的感官评价分为了6 个等级，其中1级为未观测到彩虹色斑，而6级对应于非常强烈的彩虹色斑[9]。

彩虹色斑的出现依赖于观察角度、照明角度和样品取向的特定组合，同时光源性质（直射光和漫反射光）也是重要的影响因素。此外，与其他感官评价方法类似，专业人员的训练和评定费时费力。因此，依据感官评价判断彩虹色斑存在诸多挑战。当前，计算机视觉技术已经被广泛应用于食品领域，包括评价肉类颜色等品质[32-34]。基于肉品彩虹色斑的特点，Ruedt等[35]开发了可以调整观察角度、照明角度及样品取向的图像采集系统，并利用ImageJ软件将采集的RGB图像转变为HSV图像（色调-饱和度-明度值）。由于彩虹色斑区域的色调及明度值与背景相异，分别利用全局阈值法和K均值聚类的图像分割方法提取样品中出现彩虹色斑的区域，结果显示，全局阈值法与传统感官评价的结果符合度更高。快速、客观、低成本的方法建立将有助于肉品彩虹色斑现象的深入研究。

4   肉品彩虹色斑的影响因素

肉品水分及其存在状态对于肉的颜色有重要影响。由于水是肉类的主要成分，水分的变化往往导致显著的肉品结构变化，从而影响肉品的光学特性。Wang Hengjian[30]研究发现，脱水或冷冻处理可以消除熟制牛肉切片的彩虹色斑，但复水或解冻之后彩虹色斑重新出现。这可能是因为水分的去除导致肌纤维排布更加紧实，从而减少了表面的彩虹色斑。类似地，Martinez-Hurtado等[25]将猪里脊肉暴露在50 ℃的空气中进行逐步脱水，结果显示，2 min内表面散射光的强度从约8 500 au降低到约500 au，而散射峰的位置（（585±9） nm）没有明显变化，研究人员据此推断彩虹色斑出现的原因是由于表面光栅效应，而非多层干涉。

肉类在贮藏加工过程中，许多内源性及外源性的因素会影响水分含量及分布[36-37]，进而影响彩虹色斑。pH值对肉类持水性及微观结构均有较大影响[38]，Ruedt等[39]研究pH值对猪肉彩虹色斑的影响，发现pH值最低的样品组（pH 5.38）彩虹色斑最弱，显著低于正常pH值（5.78）及高pH值（6.03～6.59）的肉类，彩虹色斑的强度与水分含量呈正相关。磷酸盐作为肉制品中常用的保水剂，研究表明磷酸盐的加入增强了彩虹色斑[40]。肉制品中经常会需要添加盐，Ruedt等[13]研究不同含量的食盐或腌制盐（含0.5%的NaNO2）对熟制猪肉中彩虹色斑的影响，结果显示，当盐含量超过20 g/kg时彩虹色斑开始出现，可能与腌制提高持水性、增大肌纤维直径、降低光散射有关。感官评价及仪器测定都未发现普通食盐与腌制盐处理对彩虹色斑影响的差异。彩虹色斑随着盐含量的增加而增强被认为与肌原纖维溶胀导致的肌原纤维间距减小有关。此外，盐含量的增加提高了肌原纤维蛋白的溶解性，对肌原纤维中A带、Z线和M线等结构造成破坏，改变了肌原纤维及肌浆中的折射率[41]。根据多层干涉理论（A带和I带交替），盐造成的微观结构变化会对彩虹色斑产生显著影响。Ruedt等[42]研究不同类型的盐对于猪肉彩虹色斑的影响，结果显示，离液盐（NaSCN、NaCl、KCl）相比亲液盐（LiCl、Na2SO4、CaCl2）可以造成更强的彩虹色斑，可能与这些盐类可以更好地溶解肌原纤维蛋白有关。曾有学者认为肉品表面的盐粒类似三棱镜可以散射光线，从而造成彩虹色斑[13]，但Wang Hengjian[30]研究发现，从肉品表面洗去盐分并没有减少彩虹色斑，而且原料肉同样可能出现彩虹色斑现象。加热温度是影响肉类水分含量的另一大关键因素[43]，针对加热温度及随后的冷藏时间对牛半腱肌彩虹色斑强度的影响研究中，研究人员发现，随着牛肉中心温度的提高，彩虹色斑强度增大，而加热后的牛肉在0～5 d内随着冷藏时间的延长其彩虹色斑也逐渐增强[11]。蒸煮肉制品中心温度影响彩虹色斑的强度与Lawrence等[40]报道的一致，加热到中心温度60 ℃以上的牛肉，其彩虹色斑强度相比54.4 ℃时显著提高。

原料肉或肉制品种类对彩虹色斑现象的发生有显著影响。Kukowski等[44]选取8 种不同部位的牛肉进行彩虹色斑现象的调查，发现半腱肌中彩虹色斑出现几率高达91%，而腰大肌中仅为6%。吉艳峰等[10]针对屠宰场的猪、牛分割肉及超市销售的部分肉制品进行彩虹色斑的调查，发现猪肉的各部位均无彩虹色斑现象，而牛肉中较为常见。不同部位的牛肉其彩虹色斑发生率差异较大，半腱肌中最高，为83%，而股二头肌仅为5%；猪肉制品中咸肉和西式火腿出现彩虹色斑较为常见，牛肉制品中以烤牛肉、酱牛肉和帕斯雀牛肉最明显。研究表明，肉的切割方向对于彩虹色斑有显著影响：当垂直于肌纤维长轴方向切割时，彩虹色斑最强烈，而随着切割角度的减小，彩虹色斑减弱；而当切割角度小于40°时彩虹色斑消失[40]。此外，锋利的刀刃切割会产生更强的彩虹色斑，Lawrence等[45]将砂纸附着于切割肉的刀片上成功减少了彩虹色斑出现的几率，可能是由于砂纸破坏了切割面肌纤维的结构均一性。Ruedt等[12]研究猪肉经过腌制和预煮之后切面彩虹色斑与微观结构特征的关系，发现肌节长度或肌纤维直径与彩虹色斑相关性较低，猜测肉类中尺寸更小的结构特征（肌丝间距）或更大的结构特征（肌束）对光的散射和吸收影响更大。

綜上，根据肉品彩虹色斑的影响因素（表1），对原料肉或肉制品进行适当的处理可以有效避免或减缓肉品中彩虹色斑现象。

5   结  语

肉及肉制品中彩虹色斑的出现是由于光线与肉的微观结构相互作用导致的，彩虹色斑的出现并不意味着产品不新鲜或不安全。目前，彩虹色斑产生的机理主要分为表面光栅效应和多层干涉理论。近年来的研究表明，多层干涉可能是彩虹色出现最主要的原因，即肌原纤维中折射率高的A带和折射率低的I带周期性交替排布，可以产生多层干涉效应，不同波长的光线发生破坏性或建设性的干涉，导致肉品表面出现彩虹色斑。由于彩虹色斑会被普通消费者误解为肉类不新鲜或被污染，因此在肉及肉制品的贮藏加工中，可以通过一些理化因素（水分、pH值、温度、盐等）的改变来调控肉的光学微结构，进而减缓或消除彩虹色斑。计算机视觉技术具有快速、低成本、客观性好的特点，除了可以直接用于彩虹色的评价，还可以进一步与其他肉类品质相关联。例如，有研究指出借助计算机视觉等技术分析肉类彩虹色可以用来预测肉类嫩度等品质，其理论依据在于肌节长度会影响A带和I带的长度，进而影响肉品表面彩虹色斑的性状，而肌节长度与嫩度息息相关。

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