包玉龍 張雅琦 徐萬軍 閆丹 高瑞昌

摘? 要：具有完整肌肉結構的原料肉及肉制品表面經常會產生彩虹色斑，是由光線與肉的微觀結構互相作用導致的，但彩虹色斑往往被消費者誤認為是肉類不新鮮或被污染。本文針對肉中彩虹色斑的成因及影響因素，主要從肉中影響光散射的微觀結構及其在貯藏加工中的變化，肉類彩虹色斑產生的兩大主要理論（表面光柵和多層干涉），彩虹色斑測定表征的方法，以及影響肉中彩虹色斑的理化因素及控制消除技術這四方面進行綜述，對肉中彩虹色斑現(xiàn)象的發(fā)生、調控機制全面的梳理，旨在為肉品科學的研究及肉類的生產、消費提供理論參考。

關鍵詞：彩虹色斑；微觀結構；光散射；表面光柵；多層干涉

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

中圖分類號：TS251.1? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：

引文格式：

包玉龍， 張雅琦， 徐萬軍， 等. 肉品中彩虹色斑產生機理及研究進展[J]. 肉類研究， 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

消費者通常會將顏色作為原料肉及肉制品新鮮度的評判標準，同時誘人的產品外觀也往往會增加消費者的購買欲望[1-2]。因此原料肉及肉制品的色澤對于消費者接受度有著重要的影響。原料肉中色素以肌紅蛋白為主，其含量和化學狀態(tài)很大程度上決定了肉類色澤[3-5]。此外，微觀結構也是影響顏色的重要因素，微觀結構對肉品顏色的貢獻取決于光線在肉品表面發(fā)生的透射、散射和反射[6]。在原料肉及肉制品的生產過程中，經常會遇到一些顏色問題，例如淺色的PSE（pale，soft，exudative）豬肉、深色的DFD（dark，firm，dry）牛肉、提前褐變以及彩虹色斑等[7-8]。肉類彩虹色斑是一種閃亮、具有金屬光澤的現(xiàn)象，通常包括綠色、紅色、橙色、黃色等[9]，多見于烹飪肉制品的表面，在牛肉[10-11]、豬肉[12-13]、魚肉[14]、鹿肉[15]及相關肉制品中均有發(fā)生。雖然肉中彩虹色斑的出現(xiàn)僅僅是由于光線與肉的微觀結構互相作用[16]，但某些微生物的生長會導致肉品出現(xiàn)與彩虹色斑相近的綠色[17]、熒光色[8]等，因此，消費者可能會將彩虹色斑的出現(xiàn)與微生物腐敗或外源污染物關聯(lián)，從而導致肉品接受度下降。因此，正確認識肉及肉制品中彩虹色斑形成的機理及影響因素對于消費者和肉品行業(yè)均有著重要的指導意義。

1? ?光散射與肉中微觀結構的關系

光散射是指光通過不均勻介質時一部分光偏離原方向傳播的現(xiàn)象。光與肉品基質中的微觀結構發(fā)生相互作用而發(fā)生散射，這些微觀結構也包括蛋白分子的聚合體。肉類主要由肌纖維構成，而影響肌纖維衍射的結構特征主要包括3 方面[18]：1）肌節(jié)的周期性，2）肌原纖維或肌纖維的形態(tài)，3）肌原纖維之間的錯位。肌原纖維的基本單元為肌節(jié)，肌節(jié)中A帶和I帶具有不同的蛋白含量及蛋白類型，從而具有不同的折射率。因此，肉類具有由折射率不同的區(qū)域交替構成的周期性結構，可以近似看做三維衍射光柵。

通過改變肌纖維所處環(huán)境的pH值，可以調控肌纖維中周期性結構的間距，進而影響光散射[19]。肉類宰后成熟過程中，pH值發(fā)生下降，肌纖維發(fā)生橫向收縮導致細胞外間隙增大，而細胞外間隙增大被認為是光散射增強的原因，最終pH值較高的肉類其肌纖維橫向收縮程度不高，這一結構特征可能是暗色肉中光散射弱的主要原因[6]。除了橫向收縮，肌原纖維在肉類貯藏加工中也可能發(fā)生縱向尺度上的變化，從而改變肌節(jié)的長度，最終通過影響肌節(jié)不同位置的蛋白密度影響折射率，而折射率的變化可能會影響光散射[6]。蛋白質溶液對光的散射程度與蛋白聚集相關[20-21]，因此肌漿和細胞外基質中蛋白質濃度、溶解度及聚集狀態(tài)都可能影響光在肉中傳播時的速度和角度[6]。由于觀測到的反射圖譜呈現(xiàn)周期性，Hughes等[22]推測肉類對光線的散射取決于各向異性的微觀結構，不是肌漿中蛋白質的隨機聚集造成的，否則，肌漿蛋白的隨機聚集將破壞反射圖譜的周期性。在一定條件下，肌漿蛋白可以與肌原纖維蛋白互相作用，Yang Nan等[23]指出，在PSE肉中，肌漿蛋白可能會沉淀到肌原纖維蛋白表面，對肌絲這一各向異性的結構進行修飾。

Swatland[24]系統(tǒng)闡釋了光線與肉的微觀結構相互作用機理及其對肉色的影響。如圖1所示，光線A照射肉品時，部分被表面直接反射（路徑B）；剩余的光線進入肉品基質，經過與微觀結構的相互作用，最終可能被散射回表面（路徑C、D）。路徑C中微觀結構造成的散射更強，從而減少了肌紅蛋白等可溶性色素的選擇性吸收，肉類呈現(xiàn)淺色；而路徑D中微觀結構造成的散射較弱，從而增強了色素對光線的選擇性吸收，肉類呈現(xiàn)暗色。動物剛屠宰之后，肌肉中路徑D占主導而肉色較暗；隨著pH值下降，路徑C逐漸取代路徑D的主導地位，肉色變亮。路徑C和D中光線發(fā)生散射主要是由于光線通過肌原纖維造成的。當肌漿蛋白沉積到肌原纖維表面時（路徑E），光線在此處隨機散射；在F處，由于光線跨越折射率不同的區(qū)域（高折射率的肌絲晶格和低折射率的肌漿），光線在肌原纖維表面發(fā)生反射；在G處，入射光發(fā)生折射穿過肌原纖維，部分最終返回到表面；而在H處，光線被肌節(jié)中折射率高的A帶反射。所有路徑散射回表面的光強度共同影響了肉品亮度。

2? ?肉中彩虹色斑形成機理

白光經由物體微觀結構發(fā)生干涉時，如果只有部分波長的光被散射，物體的顏色可能會發(fā)生改變。彩虹色斑現(xiàn)象通常發(fā)生在亮度值（L*）較低的肉類中，而L*高意味著非相干散射的增加。由于肉類彩虹色斑的形成依賴于光與周期性的微納結構相互作用產生相干散射[25]，因此非相干散射的增加可能會抑制彩虹色斑的出現(xiàn)。類似地，蝴蝶或甲蟲的色素可以吸收大部分光線，使得表面微納結構產生的結構色與色素造成的暗色背景層形成鮮明對比[26]。自然界中可以改變顏色的微觀結構主要是由周期性的、具有不同折射率的材料組成，一般可包括表面光柵、多層和單層薄膜[27]。因此，肉及肉制品中彩虹色斑的出現(xiàn)與肉的微觀結構有關，一般認為彩虹色斑源自表面光柵或多層干涉的效應，這2 種結構特征引發(fā)的色彩在動物界廣泛存在，其發(fā)生機理簡介如下。

2.1? ?表面光柵

如圖2所示，當物體表面具有周期性的微觀溝槽結構時可以近似看作表面光柵，如果滿足下列條件（式（1）），則照射到物體表面的白光會發(fā)生色散[27]。

式中：θi為光線入射角/rad；θm為反射角/rad；W為表面結構的周期；λ為波長/nm；m為反射級數。

不同波長的光散射角度不同，從而形成彩虹色，觀察到的顏色取決于觀測的位置，如在圖2中x處看到紫色，而在y處看到紅色。肌肉具有較為規(guī)則的層次結構（肌束→肌纖維→肌原纖維），垂直于肌纖維方向切開時，表面突出的肌原纖維周期性排列，可能會產生衍射光柵的效應。

2.2? ?多層干涉

光通過折射率交替變化的介質時可能會產生相長干涉，而發(fā)生強烈的反射。發(fā)生相長干涉的條件為相鄰界面處的反射光其光程差為波長的整數倍[27]。多層干涉的理論可以通過周期性相互交疊的薄層進行理解。如圖3所示，考慮周期性交疊的AB薄層，當滿足式（2）中條件時，連續(xù)的A-B界面與B-A界面其反射光相位差為180°。

式中：nA、nB表示薄層A、B的折射率；θA、θB表示折射角/rad；dA、dB表示薄層厚度/nm；λ為波長/nm；m為反射級數。

由式（2）可知，干涉的發(fā)生受到入射角、波長、折射率及薄層厚度的影響。肌原纖維具有A帶和I帶交替的結構，其中A帶蛋白含量高，具有較高的折射率，而I帶蛋白含量低，折射率較低。普遍認為多層干涉是肉類產生彩虹色斑的機理[28]。

Martinez-Hurtado等[25]將豬里脊肉干燥處理并實時記錄其表面衍射情況，結果顯示，衍射峰隨觀察的角度變化，衍射強度下降但衍射峰的位置保持穩(wěn)定。研究人員據此推斷彩虹色斑出現(xiàn)類似于表面光柵效應。Swatland[15]對表面光柵效應作為肉品彩虹色斑的原因提出質疑，認為肉品表面鋸齒狀突出的肌原纖維過于柔軟，會在包裝膜的擠壓下變形，但包裝通常并不會影響肉的彩虹色斑現(xiàn)象。此外，自然界中其他由表面光柵引起的結構色會在水的浸潤作用下改變，如孔雀羽毛的彩虹色在水中觀察時消失；相反地，白云母的彩虹色由多層干涉造成，其彩虹色在水中依然可見[15]。研究發(fā)現(xiàn)烹飪后牛肉[29]、黃鰭金槍魚肉[14]、鹿肉[15]的彩虹色斑在水中觀察時并未消失。有研究發(fā)現(xiàn)，無論是用植物油浸泡肉類或用石油醚清洗肉表面脂肪都對彩虹色斑沒有影響[30]。因此，肉品表面彩虹色斑形成機理可能主要是多層干涉，而非表面光柵。根據多層干涉的理論，薄層厚度及折射率的變化可能會造成彩虹色的消失或顏色偏移。Ruedt等[31]為了驗證多層干涉是肉品彩虹色斑的原因，將火腿切片沿著肌纖維方向擠壓以期改變薄層厚度，同時記錄肉品表面彩虹色斑現(xiàn)象的變化。結果顯示，隨著擠壓程度加深，反射強度下降，干涉光的波長向短波方向偏移。由于擠壓減小了薄層的厚度，因此光線的建設性干涉發(fā)生在更短的波長處。這些結果支持多層干涉是肉品彩虹色斑的主要原因。

3? ?肉中彩虹色斑評價方法

在肉及肉制品結構色研究領域，一個重要的限制性因素就是缺乏準確客觀的定量方法。傳統(tǒng)的評價方法主要依賴于感官人員的判斷，吉艷峰等[10]在調查大型屠宰場及超市銷售的部分肉制品彩虹色斑現(xiàn)象時分別選用了不同的方法。對于鮮肉，通過調整觀察角度和觀察面使得彩虹色斑點強度最大，依據彩虹色斑點的強弱等級分為5 個等級，其中1級為極少，5級為極多；肉制品的評價方法類似于鮮肉，并同步調查了肉制品表面彩虹色斑中的主要顏色及彩虹色斑占總表面積的比例。類似地，美國肉品科學協(xié)會針對彩虹色斑的感官評價分為了6 個等級，其中1級為未觀測到彩虹色斑，而6級對應于非常強烈的彩虹色斑[9]。

彩虹色斑的出現(xiàn)依賴于觀察角度、照明角度和樣品取向的特定組合，同時光源性質（直射光和漫反射光）也是重要的影響因素。此外，與其他感官評價方法類似，專業(yè)人員的訓練和評定費時費力。因此，依據感官評價判斷彩虹色斑存在諸多挑戰(zhàn)。當前，計算機視覺技術已經被廣泛應用于食品領域，包括評價肉類顏色等品質[32-34]?；谌馄凡屎缟叩奶攸c，Ruedt等[35]開發(fā)了可以調整觀察角度、照明角度及樣品取向的圖像采集系統(tǒng)，并利用ImageJ軟件將采集的RGB圖像轉變?yōu)镠SV圖像（色調-飽和度-明度值）。由于彩虹色斑區(qū)域的色調及明度值與背景相異，分別利用全局閾值法和K均值聚類的圖像分割方法提取樣品中出現(xiàn)彩虹色斑的區(qū)域，結果顯示，全局閾值法與傳統(tǒng)感官評價的結果符合度更高?？焖?、客觀、低成本的方法建立將有助于肉品彩虹色斑現(xiàn)象的深入研究。

4? ?肉品彩虹色斑的影響因素

肉品水分及其存在狀態(tài)對于肉的顏色有重要影響。由于水是肉類的主要成分，水分的變化往往導致顯著的肉品結構變化，從而影響肉品的光學特性。Wang Hengjian[30]研究發(fā)現(xiàn)，脫水或冷凍處理可以消除熟制牛肉切片的彩虹色斑，但復水或解凍之后彩虹色斑重新出現(xiàn)。這可能是因為水分的去除導致肌纖維排布更加緊實，從而減少了表面的彩虹色斑。類似地，Martinez-Hurtado等[25]將豬里脊肉暴露在50 ℃的空氣中進行逐步脫水，結果顯示，2 min內表面散射光的強度從約8 500 au降低到約500 au，而散射峰的位置（（585±9） nm）沒有明顯變化，研究人員據此推斷彩虹色斑出現(xiàn)的原因是由于表面光柵效應，而非多層干涉。

肉類在貯藏加工過程中，許多內源性及外源性的因素會影響水分含量及分布[36-37]，進而影響彩虹色斑。pH值對肉類持水性及微觀結構均有較大影響[38]，Ruedt等[39]研究pH值對豬肉彩虹色斑的影響，發(fā)現(xiàn)pH值最低的樣品組（pH 5.38）彩虹色斑最弱，顯著低于正常pH值（5.78）及高pH值（6.03～6.59）的肉類，彩虹色斑的強度與水分含量呈正相關。磷酸鹽作為肉制品中常用的保水劑，研究表明磷酸鹽的加入增強了彩虹色斑[40]。肉制品中經常會需要添加鹽，Ruedt等[13]研究不同含量的食鹽或腌制鹽（含0.5%的NaNO2）對熟制豬肉中彩虹色斑的影響，結果顯示，當鹽含量超過20 g/kg時彩虹色斑開始出現(xiàn)，可能與腌制提高持水性、增大肌纖維直徑、降低光散射有關。感官評價及儀器測定都未發(fā)現(xiàn)普通食鹽與腌制鹽處理對彩虹色斑影響的差異。彩虹色斑隨著鹽含量的增加而增強被認為與肌原纖維溶脹導致的肌原纖維間距減小有關。此外，鹽含量的增加提高了肌原纖維蛋白的溶解性，對肌原纖維中A帶、Z線和M線等結構造成破壞，改變了肌原纖維及肌漿中的折射率[41]。根據多層干涉理論（A帶和I帶交替），鹽造成的微觀結構變化會對彩虹色斑產生顯著影響。Ruedt等[42]研究不同類型的鹽對于豬肉彩虹色斑的影響，結果顯示，離液鹽（NaSCN、NaCl、KCl）相比親液鹽（LiCl、Na2SO4、CaCl2）可以造成更強的彩虹色斑，可能與這些鹽類可以更好地溶解肌原纖維蛋白有關。曾有學者認為肉品表面的鹽粒類似三棱鏡可以散射光線，從而造成彩虹色斑[13]，但Wang Hengjian[30]研究發(fā)現(xiàn)，從肉品表面洗去鹽分并沒有減少彩虹色斑，而且原料肉同樣可能出現(xiàn)彩虹色斑現(xiàn)象。加熱溫度是影響肉類水分含量的另一大關鍵因素[43]，針對加熱溫度及隨后的冷藏時間對牛半腱肌彩虹色斑強度的影響研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著牛肉中心溫度的提高，彩虹色斑強度增大，而加熱后的牛肉在0～5 d內隨著冷藏時間的延長其彩虹色斑也逐漸增強[11]。蒸煮肉制品中心溫度影響彩虹色斑的強度與Lawrence等[40]報道的一致，加熱到中心溫度60 ℃以上的牛肉，其彩虹色斑強度相比54.4 ℃時顯著提高。

原料肉或肉制品種類對彩虹色斑現(xiàn)象的發(fā)生有顯著影響。Kukowski等[44]選取8 種不同部位的牛肉進行彩虹色斑現(xiàn)象的調查，發(fā)現(xiàn)半腱肌中彩虹色斑出現(xiàn)幾率高達91%，而腰大肌中僅為6%。吉艷峰等[10]針對屠宰場的豬、牛分割肉及超市銷售的部分肉制品進行彩虹色斑的調查，發(fā)現(xiàn)豬肉的各部位均無彩虹色斑現(xiàn)象，而牛肉中較為常見。不同部位的牛肉其彩虹色斑發(fā)生率差異較大，半腱肌中最高，為83%，而股二頭肌僅為5%；豬肉制品中咸肉和西式火腿出現(xiàn)彩虹色斑較為常見，牛肉制品中以烤牛肉、醬牛肉和帕斯雀牛肉最明顯。研究表明，肉的切割方向對于彩虹色斑有顯著影響：當垂直于肌纖維長軸方向切割時，彩虹色斑最強烈，而隨著切割角度的減小，彩虹色斑減弱；而當切割角度小于40°時彩虹色斑消失[40]。此外，鋒利的刀刃切割會產生更強的彩虹色斑，Lawrence等[45]將砂紙附著于切割肉的刀片上成功減少了彩虹色斑出現(xiàn)的幾率，可能是由于砂紙破壞了切割面肌纖維的結構均一性。Ruedt等[12]研究豬肉經過腌制和預煮之后切面彩虹色斑與微觀結構特征的關系，發(fā)現(xiàn)肌節(jié)長度或肌纖維直徑與彩虹色斑相關性較低，猜測肉類中尺寸更小的結構特征（肌絲間距）或更大的結構特征（肌束）對光的散射和吸收影響更大。

綜上，根據肉品彩虹色斑的影響因素（表1），對原料肉或肉制品進行適當的處理可以有效避免或減緩肉品中彩虹色斑現(xiàn)象。

5? ?結? 語

肉及肉制品中彩虹色斑的出現(xiàn)是由于光線與肉的微觀結構相互作用導致的，彩虹色斑的出現(xiàn)并不意味著產品不新鮮或不安全。目前，彩虹色斑產生的機理主要分為表面光柵效應和多層干涉理論。近年來的研究表明，多層干涉可能是彩虹色出現(xiàn)最主要的原因，即肌原纖維中折射率高的A帶和折射率低的I帶周期性交替排布，可以產生多層干涉效應，不同波長的光線發(fā)生破壞性或建設性的干涉，導致肉品表面出現(xiàn)彩虹色斑。由于彩虹色斑會被普通消費者誤解為肉類不新鮮或被污染，因此在肉及肉制品的貯藏加工中，可以通過一些理化因素（水分、pH值、溫度、鹽等）的改變來調控肉的光學微結構，進而減緩或消除彩虹色斑。計算機視覺技術具有快速、低成本、客觀性好的特點，除了可以直接用于彩虹色的評價，還可以進一步與其他肉類品質相關聯(lián)。例如，有研究指出借助計算機視覺等技術分析肉類彩虹色可以用來預測肉類嫩度等品質，其理論依據在于肌節(jié)長度會影響A帶和I帶的長度，進而影響肉品表面彩虹色斑的性狀，而肌節(jié)長度與嫩度息息相關。

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