彭見林，李慧勤，高瑞萍，趙國華,2,*

(1.西南大學食品科學學院，重慶 400715；2.重慶市農產品加工技術重點實驗室，重慶 400715)

電阻抗技術在肉品品質控制中的應用

彭見林1，李慧勤1，高瑞萍1，趙國華1,2,*

(1.西南大學食品科學學院，重慶 400715；2.重慶市農產品加工技術重點實驗室，重慶 400715)

電阻抗指接入電路中的介質阻礙電流通過的能力，當肌肉的內部結構或所含物質發(fā)生變化，其阻礙電流的能力也會變化。根據電阻抗參數與肉質量參數的關系，可以快速、準確地控制肉的質量。本文介紹電阻抗技術的基本原理，主要綜述其在檢測牛、豬胴體尸僵成熟過程中pH值的變化，控制肉的成熟和評估肌肉脂肪含量等的應用。并簡要分析其發(fā)展趨勢，為電阻抗技術在肉品品質控制中的研究提供參考。

電阻抗技術；快速檢測；成熟度控制；肉的質量

在交流電電路中，介質阻礙電流通過的能力稱為電阻抗(electrical impedance spectroscopy，EIS)，電阻抗主要包括電阻和容抗兩個部分。1898年，英國科學家Stewart首先利用細菌在生長過程中引起培養(yǎng)基電阻抗值的變化監(jiān)測微生物的生長[1]，提出“阻抗微生物學”。1936年，Callow第一次將電阻抗技術應用到肉類檢測中。電阻抗檢測技術由于儀器簡單、操作方便、檢測快捷、價格便宜等眾多優(yōu)勢，一直是人們研究的熱點，其應用領域不斷擴展[2]。本文主要介紹電阻抗技術在肉類研究中的應用，為電阻抗技術研究提供參考，以加快這種技術在食品行業(yè)中的應用。

1 電阻抗的基本原理

電阻抗通常用Z表示，為電阻(resistance)和容抗(capacitive reactance)之和，如公式(1)所示。電阻不隨電流的頻率而變化，但是容抗與電流的頻率有關，如公式(2)所示。

式中：Zreal為電阻(resistance)；Zimage為容抗(capacitive reactance)；i=(－1)1/2；f為電流的頻率；C為電容。當電路中通入電流為I的交流電，測定兩電極間的電壓V，利用歐姆定律V=ZI，就可以計算得出Z[3]。

動物的肌肉組織結構復雜，導電性能不均一。每個細胞都可以看作是一個單元，細胞膜由磷脂雙分子層、糖蛋白等構成，是絕緣體，而細胞膜包裹的細胞質導電能力很強。細胞膜的電導率大約為10-7S/m，而細胞內部物質的電導率能夠達到1S/m。當交流電流過肌肉組織時，細胞膜可以看作是電容器，頻率較低時，細胞膜容抗很大，電流主要從細胞間隙中流過；當高頻電流流過時，細胞膜的容抗可以忽略，此時電流可以流過整個細胞群體。當細胞膜完整性破壞時，細胞質中鈣、鎂等離子釋放，肌肉的電阻抗值和導電均勻性都會發(fā)生明顯變化[4-6]。

2 電阻抗在肉類研究中的應用

動物屠宰放血后，肌肉進入了一個新的環(huán)境：氧氣阻斷、肌肉內代謝物蓄積、糖原分解、ATP減少，肌原纖維斷裂，膠原纖維的有序結構被破壞，最終細胞結構破裂，肌肉的電阻抗發(fā)生變化[7-8]。Damez等[9]測定了交流電頻率在1～1500kHz范圍內，牛肉在2～14d成熟過程中電阻抗的變化。電場方向與肌纖維平行(longitudinal)時的電阻抗值比垂直(transversal)時的小，這種差異隨著貯藏時間的延長或電流頻率的增加而減弱。宰后貯藏6d的牛肉或者電流頻率高于91kHz時這種差異可以忽略。貯藏14d的牛肉，橫向與縱向電阻抗值沒有差異，牛肉成為各向導電均勻的介質。相同貯藏時間的牛肉，在以Zreal為橫軸，Zimage為縱軸的圖中，各頻率下測得的數據形成半圓形，隨貯藏時間的延長，半徑逐漸減小。這些變化成為電阻抗技術能在肉類中應用的基礎。

2.1 測定肉pH值的變化

在動物經屠宰放血后，肌肉中肌糖原無氧酵解產生乳酸，ATP分解產生磷酸根離子，使pH值下降。由于ATP酵解產物氨的抑制，使pH值在24h下降到5.4左右就不再繼續(xù)下降，此時稱為極限pH(ultimate pH，pHu)。pHu與肉的質量有重要關系，當pHu值只能下降到6.0左右，則形成DFD豬肉(dark，firm and dry muscle)，或是黑切牛肉(dark cutting beef)，pHu值過低，則形成PSE(pale soft exudative)肉[10]。DFD肉和PSE肉都不適宜加工，給肉類行業(yè)帶來重大經濟損失。

從1970年以來，眾多學者一直在研究利用電阻抗技術快速、準確地測定肌肉的pH值變化。人們希望通過電阻抗技術，測定動物屠宰后45～60min的電阻抗變化，預測其在24h內的變化情況。方海田等[11]發(fā)現，在宰后10d內，肌肉的電阻抗值與pH值、電阻抗與失水率、pH值與失水率之間均有相關性，相關性在α=0.05水平下顯著。

Oliver等[12]將豬腿肉分為5個區(qū)域，中部脂肪組織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)、內收肌AD(adductor region)，在8kHz～1MHz范圍內測定電阻抗參數Ro(低頻率時的阻抗值)、Rinf(高頻時的阻抗)、Ratio(Ratio=Rinf/Ro)、Fc(容抗值)和α(形狀參數)與肉質量參數的關系。在屠宰后36h的Ratio與pH值有顯著的相關性(P＜0.05)，在SM區(qū)域pH45min值(屠宰45min時pH值)與Ratio的相關性系數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區(qū)域Ratio與pH45min值、pH24h值、pH36h值的相關性系數r分別為－0.64、－0.52、－0.53。多元回歸分析發(fā)現，在SM部分，pH45min＝5.34－1.47Ratio＋0.005Fc＋3.85α。利用pH45min將肉分為3個等級，分為pH45min＞6.10，5.85 ＜ pH45min＜ 6.10(正常肉)，pH45min＜5.85(PSE 肉)。當樣品Ratio＜0.3時，92.31%的檢測樣pH45min＞5.85；Ratio＞0.7時，81.82%的檢測樣的pH45min＞5.85，為PSE肉；當Ratio＞0.38，92.31%的檢測樣的pH24h＞5.95，為DFD肉。Byme等[13]發(fā)現牛屠宰后7h～7d間電阻抗值的變化與pH值有相關性，在2d時的電阻抗值與pH5h值(5h時的pH值)、pH7h值(7h時的pH值)的相關性都為0.60(P＜0.001)，相關性為最高。14d時的電阻抗值與pH值沒有相關性。屠宰后7h牛肉的電導率(electrical conductivity，介質的電阻特性參數，常用σ表示)與pH值的相關性達到0.57(P＜0.01)，此時σ與pH值的相關性最高。

2.2 評估肉中脂肪的含量

肌肉間脂肪對肉風味的形成有重要作用，當豬肉肌肉內脂肪(intramuscular fat，IMF)含量在2%～3%，肉的風味最佳。脂肪細胞與肌肉細胞的導電性能差異大，脂肪導電率很低，可以看作是絕緣體。利用這兩種組織的導電性能的差異，可以快速檢測肉中脂肪的含量[14]。

Oliver等[12]研究了豬肉可見脂肪(visual fatness，VF)含量與電阻抗值的關系，在中部脂肪組織M區(qū)域，當Rinf＞56Ω時，84.21%樣品的可見脂肪VF＞2.5%，可以應用Rinf作為控制IMF的一個參數。Altmann等[15]利用四電極在頻率5～30kHz范圍測定豬、牛肌肉的電阻抗值，以預測IMF含量。通過電阻抗值預測的豬肉IMF與己烷提取化學分析方法得到的相關性為0.28～0.56，不同品種豬肉有差異，兩種檢測方法在牛肉IMF含量測定的相關性為0.69。電阻抗值與豬肉、牛肉IMF含量相關性不高(豬肉R2＝0.12，牛肉R2=0.48)。以IMF含量＝1.4%作為閾值，利用電阻抗值正確選出豬肉IMF含量＞1.4%的概率在90%～100%，但是IMF含量＜1.4%的豬肉，有63.3%～92.7%被錯誤選出。以IMF含量＝2%為閾值，只有19.1%的豬肉樣品能夠正確選出，牛肉有62.5%能夠正確選出。利用電阻抗技術檢測牛肉IMF含量更可行。Chanet等[16]在500Hz～5MHz頻率范圍內，利用偏最小二乘法(PLS)分析了罐裝碎豬肉的脂肪含量與電阻抗的關系，發(fā)現在273kHz時，相關性最高，標準偏差為1.08%。

2.3 控制肉的成熟度

肉在成熟過程中，肌原纖維和結締組織結構發(fā)生明顯變化。肌原纖維斷裂成小片狀，膠原纖維間以及膠原纖維上的黏多糖被分解，膠原蛋白水解，肉的顏色、嫩度、氣味等都會發(fā)生變化。尤其是嫩度的變化，是影響消費者購買的一個最重要的因素。及時檢測、控制肉的成熟進程是獲得良好肉制品的基礎[17]。人們一直在尋找評價肉嫩度的方法，如利用近紅外、質構成像分析、色差計結合肌肉紋路分析、薄片剪切力測定等，但是這些方法成本太高[18]。電阻抗技術能夠快速反映肌肉組織結構特性，設備便宜，為在線快速檢測，及時控制肉的成熟進程，減少過度成熟帶來的品質惡化提供了可能。

Lepetit等[19]在電流頻率1～100kHz的范圍內測定了不同品種、不同部位牛肉在屠宰后1h至14d內電阻抗值的變化。實驗發(fā)現，肌肉的總阻抗Z和比值Z1kHz/Z100kHz隨著貯藏時間的延長都減小，這兩個參數與肌肉的嫩度(利用機械性能反映，用樣品形變20%所需要的壓力表示)有很好的線性關系(R2=0.91～0.97)，不同的牛肉，相關性不同，而且不同部位牛肉得到的相關直線的斜率差異顯著，實際應用不便。隨著貯藏時間的延長和頻率的增加，反映介質導電均勻性的參數ZTRANS/ZLGT(ZTRANS為電場線垂直于肌纖維方向時的總阻抗值，ZLGT為電場線平行于肌纖維方向時的總阻抗值)逐漸減小。在1kHz時，比值ZTRANS/ZLGT與肌肉的機械性能有極顯著的相關性(r=0.59，N=129，P＜0.01)，當肌肉成熟時(機械力達到4N/cm2)，ZTRANS/ZLGT減小到接近1?？梢钥紤]采用ZTRANS/ZLGT和Z1kHz/Z100kHz作為衡量肌肉成熟的兩個參數。

Damez等[4]在頻率100Hz～1.5MHz范圍內，測定不同的頻率下，電場線與牛肉肌肉纖維不同夾角的電阻抗值?？梢杂^測到不同貯藏時間、與電場線不同夾角測得的牛肉的電阻抗值，直接找出阻值最小的ZTRANS和最大的ZLGT。實驗中，牛肉的成熟度分為3個等級：樣品形變20%所需壓力為0～10N/cm2為完全成熟的；10～30N/cm2為半成熟的；大于30N/cm2為未成熟的。結果表明，肌肉的導電非均勻性參數ZTRANS/ZLGT與牛肉的機械性有很好的相關性(R2=0.71)，在104個牛肉樣品中，辨別牛肉成熟度的成功率達到90%。Damez等[20]在利用排成直線的每兩電極間隔1.5cm的八電極測定牛肉電阻抗值發(fā)現，同頻率下不同距離電極測定的電阻抗值形成一條直線，直線斜率與電流頻率有關，直線的截距即為接觸電阻抗值(contact impedance)，與測定方向無關。電流頻率在100Hz～1.5MHz范圍內，接觸電阻抗值在600～100Ω范圍內變化。在1kHz條件下，橫向和縱向測定的接觸電阻抗值的平均值與肌肉的機械性能相關性為0.79，在100Hz時，這種相關性更明顯。在牛肉胸大肌部分，相關性達到0.95，可以考慮利用接觸電阻抗值測定肌肉機械性，進而評估肌肉的嫩度。

Ghatass等[21]利用LCZ儀器在頻率10kHz～1MHz范圍內分析了貯藏2～50d牛肉的質量與其電導率和電容之間的關系，提出一個參數Q作為評價肉新鮮度的一個指標。

式中GH、GL分別代表在高頻和低頻下的電導率。實驗中發(fā)現隨著時間的延長，電導和電容都減小，Q值也減小，Q值與貯藏時間有相關性?？梢蕴剿鱍作為評估牛肉嫩度和新鮮度的一個指標。

Marta等[22]利用板式電極，測定直徑46mm、厚2～4mm豬肉樣品的電阻抗參數。結果發(fā)現，樣品的介電常數與肉的貯藏時間和肉的質量有關系，提出用無量綱參數AIε和AIσ評價肉的貯藏時間。

式中：ε表示樣品的介電常數/(F/m)；pm(postmortem time)表示宰后時間/h；x表示測定時間/h；σ表示電導率/(S/m)。

通過比較發(fā)現AIε隨宰后20h內迅速下降，20h以后變化緩慢，而且PSE肉、DFD肉與RFN(reddish-pink,firm, non-exudative)肉的AIε變化存在差異顯著。AIε作為評價電導率的參數，能夠反映細胞膜的完整性，可以作為評價肉宰后變化的一個參數，評估肉的成熟度，控制貯藏時間。

2.4 肉失水量的測定

Forrest等[23]利用四電極測定屠宰后24h豬胴體的電阻抗值，豬肉失水量與電阻抗值相關系數達到0.5，標準偏差為2.53%；利用波長900～1800nm的近紅外檢測，發(fā)現失水量與近紅外值相關性達到0.8。但是電阻抗值測定更快捷，設備更簡便。Lee等[24]發(fā)現在屠宰后24h，豬肉的失水量與電導率相關性達到66%。按照失水量把肉分為3個等級(＜2%、2%～6%、＞6%)，利用電導率可以正確區(qū)分47個樣品中的80%，結合pHu(ultimate pH)計算失水百分比(percent drip，PD)，PD計算公式如下：

式中：σ表示電導率/(mS/cm)。

利用上面公式，可以正確區(qū)分94%的樣品[24]。Chevalier等[25]利用3種不同直徑的環(huán)形電極檢測電阻抗參數與新鮮腌制魚含水量、含鹽量的關系。實驗發(fā)現樣品含鹽量與應用模型測得的數據相關性R2＞0.822(不同的電極，相關性有差異)。該應用模型為：

式中：cNaCl為NaCl含量/(g/100g)；σ為電導率/(mS/cm)；ΔC為1MHz與10MHz時容抗的差值/pF；a、b為常數。

PSE肉多滲出水，Pliquetta等[26]將貯藏2d、失水量大于6%的豬肉定位PSE肉，提出參數Py(Py=1－Rinf/Ro)判定PSE肉。在屠宰后5h，利用Py可以正確區(qū)分出71.4% PSE肉，屠宰后24h，正確區(qū)分率達到85.4%。

Banach等[27]研究發(fā)現在屠宰后1h，電刺激牛肉的電阻抗值較對照組大，有明顯差異，但是在屠宰后24、72h，電刺激牛肉的電阻抗值比對照組的??；冷凍過的牛肉與在對照組牛肉的電阻抗值差異明顯。

3 影響電阻抗值的因素

由于肌肉組織結構復雜，影響電阻值的因素眾多，除了肉品組成外，還有以下幾個主要因素[28]：

3.1 溫度

溫度作為影響電阻值的一個因素，并不是單獨作用，而是與其他因素，如含水量、含鹽量等共同作用?？偟膩碚f，溫度升高時，由于水分和離子運用加劇，電阻抗值減小。

3.2 頻率

電阻抗值與頻率有重要關系，高頻率時雖然電阻不變，但是容抗減小，電阻抗值減小。在眾多實驗中，研究人員使用的頻率并不固定，從幾十赫茲到幾百兆赫茲不等，視樣品大小、厚度、質地等而定。

3.3 電極形狀

檢測中應用的電極主要有板式和針式兩種。Lepetit等[19]利用各種大小的針式和板式電極測定牛肉的電阻抗，發(fā)現不同類型的電極測定的阻抗值有很好的相關性(0.83＜R2＜0.96)，但是電極間的距離、針式電極插入的深度都會影響電阻抗值的準確性。

4 結 語

電阻抗技術已有百年歷史，由于其操作簡便、快速、無損等特點，一直是研究熱點。在線實時監(jiān)測肉的質量，及時控制肉的成熟進程，檢測出PSE肉、DFD肉，可為生產節(jié)約大量成本[29]。然而，影響電阻抗技術準確應用的不確定因素眾多，包括不同品種的肉質量的差異等，給實際應用帶來了困難[30]。在肉類研究中，下一步的研究主要集中在以下兩點：找到與肉質量相關的電阻抗參數，包括肉的嫩度、顏色、氣味等[31]，提高準確性，為快速控制肉的成熟、評價肉的質量提供依據；研發(fā)便攜式操作方便、價格便宜的檢測設備，擴大電阻抗技術的應用范圍。

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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

彭見林(1985—)，男，碩士研究生，研究方向為食品化學與營養(yǎng)學。E-mail：wpjlin@126.com

*通信作者：趙國華(1971—)，男，教授，博士，研究方向為食品化學。E-mail：zhaoguohua1971@163.com