南京农业大学学报  2016, Vol. 39 Issue (5): 845-851   PDF    
http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201601017
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谢翌冬, 肖卫民, 康大成, 周光宏, 徐幸莲, 张万刚
XIE Yidong, XIAO Weimin, KANG Dacheng, ZHOU Guanghong, XU Xinglian, ZHANG Wangang
一种基于生物阻抗的冷鲜猪肉新鲜度检测方法研究
A method for detection of chilled pork freshness using bioimpedance
南京农业大学学报, 2016, 39(5): 845-851
Journal of Nanjing Agricultural University, 2016, 39(5): 845-851.
http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201601017

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收稿日期: 2016-01-11
引用本文
谢翌冬, 肖卫民, 康大成, 等. 一种基于生物阻抗的冷鲜猪肉新鲜度检测方法研究[J]. 南京农业大学学报, 2016, 39(5): 845-851.
XIE Y, XIAO W, KANG D, et al. A method for detection of chilled pork freshness using bioimpedance[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2016, 39(5): 845-851.  DOI: 10.7685/jnau.201601017
一种基于生物阻抗的冷鲜猪肉新鲜度检测方法研究
谢翌冬1, 肖卫民2, 康大成1, 周光宏1, 徐幸莲1, 张万刚1    
1. 南京农业大学国家肉品质量安全控制工程技术研究中心, 江苏 南京 210095 ;
2. 飞利浦(中国)投资有限公司, 上海 200233
收稿日期: 2016-01-11
基金项目: 肉类产品品质状态的分析检测（飞利浦（中国）投资有限公司）
作者简介: 谢翌冬, 硕士研究生
通讯作者: 张万刚, 教授, 博导, 研究方向为畜产品加工与质量控制, E-mail:wangang.zhang@njau.edu.cn
摘要: [目的] 建立一种基于生物阻抗技术的冷鲜猪肉新鲜度检测方法。 [方法] 选取20块经过排酸的新鲜猪后腿肉，真空包装后在4℃贮藏10 d，检测猪肉挥发性盐基氮（TVB-N）含量以及生物阻抗的阻抗幅值和相位角的变化。在0.01~300 kHz的频率范围内选取46个频率点，沿着肌肉纤维方向和垂直肌肉纤维方向测定，进行生物阻抗特性的分析。 [结果] 随着贮藏时间的增加，猪后腿肉的TVB-N含量逐渐增加，阻抗幅值逐渐减小，相位角基本不变；沿着肌肉纤维方向的阻抗幅值均小于垂直于肌肉纤维方向的幅值，相位角基本相同；随着频率的上升，阻抗幅值和相位角在0.01~5 kHz的范围变化最为明显，猪后腿肉的阻抗幅值显著下降，相位角显著上升；沿着肌肉纤维方向的阻抗幅值与TVB-N含量非线性拟合度要高于垂直肌肉纤维方向的阻抗幅值，高频的阻抗幅值非线性拟合度要高于低频的阻抗幅值。 [结论] 阻抗幅值与TVB-N含量显著负相关，通过非线性拟合可得到较高拟合度的回归方程，因此利用生物阻抗测量可快速、无损检测冷鲜猪肉新鲜度。
关键词： 猪肉新鲜度    生物阻抗    频率    挥发性盐基氮   
A method for detection of chilled pork freshness using bioimpedance
XIE Yidong1, XIAO Weimin2, KANG Dacheng1, ZHOU Guanghong1, XU Xinglian1, ZHANG Wangang1    
1. National Centre of Meat Quality and Safety Control, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China ;
2. PHILPS(China) Investment Co., Ltd., Shanghai 200233, China
Abstract: [Objectives] This study was designed to establish a method for rapid detection of chilled pork freshness using bioimpedance. [Methods] Twenty pieces of pork hindquarter were vacuum packed after expelling acid. Total volatile base nitrogen(TVB-N) content, impedance and phase angle of 20 samples were detected. Forty-six different frequencies from 0.01 to 300 kHz were analyzed along the myofibers and across the myofibers. [Results] The results indicated that with the increase of storage time, TVB-N content increased gradually, impedance across and along the myofibers decreased gradually while phase angle was stable. Impedance along the myofibers was smaller than the impedance along the myofibers. With the increase of frequency, the impedance across and along the myofibers declined, while the phase angle across and along the myofibers increased. The change of impedance and phase angle was obvious in the range from 0.01 to 5 kHz. The nonlinear fitting degree of impedance along the myofibers and TVB-N content was higher than the impedance across the myofibers, the nonlinear fitting degree of impedance at low frequency and TVB-N content was higher than the impedance at high frequency. [Conclusions] This experiment suggested that impedance showed significantly negative correlation with TVB-N content, and the fitting degree of nonlinear fitting equation is high. So using impedance measurement can be fast nondestructive predicting of chilled pork freshness.
Key words: pork freshness    bioimpedance    frequency    total volatile base nitrogen(TVB-N)   

猪肉在人们的日常生活中占据着重要的地位, 猪肉能够为人们提供丰富的蛋白质、维生素和矿物质等营养物质。据美国农业部统计, 2014年全球猪肉产量达到1.16亿t, 消费量达到1.15亿t, 比2013年同比增加1.4%。猪肉新鲜度和嫩度与猪肉销售量密切相关, 因此生产者和消费者对猪肉的新鲜度和嫩度的关注程度越来越高[1-2]。肉品新鲜度受到很多因素的影响, 如加工处理, 贮藏温度、湿度条件等[3]。腐败的肉不仅影响口感和营养, 更是会对消费者的健康产生影响。因此, 检测肉品新鲜度的方法和技术受到了广泛的关注。

传统肉品新鲜度检测主要分为感官检测、理化性质检测、微生物检测, 但传统方法均无法到达快速、无损检测的目的。感官检测包括肉品色泽、黏度、弹性、气味等方面, 但检测结果易受检测人员的主观性影响[4]; 理化检测包括挥发性盐基氮(TVB-N)、pH值、颜色(L、a*、b*值)、粗氨、k值, 其中TVB-N是反映新鲜度的一个重要指标, 但是检测过程复杂, 对样品造成不可逆破坏[5-8]; 微生物检测耗时较长且准备工作复杂[5]。所以近年来快速检测猪肉新鲜度的方法受到越来越多的关注, 如近红外技术能够快速、无损地检测样品, 但是检测精度和稳定性还不够高[9]; 电子鼻具有客观、灵敏、无损的特点[10]; 图像视觉技术能够快速识别脂肪变质, 过程简便且不会对样品造成破坏[11]。

生物阻抗主要反映生物组织、器官、细胞中复杂的介电性质。其测量原理是在检测对象表面通过电极输入微小的交变电流(或电压), 根据电位差的变化来获取生理或病理的信息[12]。因此, 生物组织的高频阻抗值要明显小于低频阻抗值, 细胞的完整性决定着生物组织的阻抗特性。

近年来, 生物阻抗分析已经被广泛用于预测肉品的pH值、脂肪含量、水分活度等方面[13-15], 也用来判定肉品新鲜度和成熟度, 但是主要研究对象为鱼肉和牛肉, 对于猪肉的研究较少。Zhang等[16]对新鲜草鱼和Pérez-Esteve等[17]对新鲜的海鲷做了阻抗谱测量, 均发现阻抗值与TVB-N含量, 菌落总数(TCA)和感官指标有显著相关性。Lepetit等[18]对牛肉的研究表明, 由于施加的电场方向不同, 肉品会产生介电性质的方向各异性。Damez等[19]对于新鲜牛肉研究发现, 阻抗幅值结合Cole-Cole模型可以用来判断肉品的成熟情况。石丽敏等[20]研究了新鲜猪肉阻抗值的变化情况并通过特征频率点和膜容抗Cm来初步判断猪肉新鲜度。笔者通过对新鲜猪后腿肉在不同贮藏时间生物阻抗特性和TVB-N含量进行研究, 找到最适测定频率、电场方向, 确定阻抗值与TVB-N含量的关系并拟合新鲜度预测公式用以预测猪肉的新鲜度。

1 材料与方法 1.1 材料

采集20块按照常规程序屠宰的三元杂交猪的猪后腿肉(淮安苏食肉品有限公司), 每块猪肉经过24 h排酸后分割成5块(50 mm×30 mm×20 mm), 分别标记1、3、5、7、10 d, 共5组。每次试验取出一块样品用于对应天数的检测, 真空包装后放入4 ℃冷库贮藏。分别于第1、3、5、7、10天取出20块用于试验, 每块样品检测3次并取平均值。

1.2 方法

采用AT-2818精密LCR数字电桥(常州安柏精密仪器有限公司)测量生物阻抗, 在0.01~300 kHz内选取46个激励频率测量, 阻抗精度±0.5%, 相位角范围-1~1, 测量电压为1 V。

1.2.1 阻抗测量

电极装置如图 1所示, 阻抗测量采用四针式电极, 电极制作参考李伟明等[21]的设计并稍作修改, 电极材料为镀金的铜针, 电极长度3 cm, 电极间距1 cm, 电极插入肌肉的深度为1 cm, 测量温度4 ℃。电极测量的方向为沿着肌肉纤维方向和垂直于肌肉纤维方向, 通过LCR数字电桥从0.01~300 kHz选取46个激励频率, 由低到高测量每块猪后腿肉的阻抗幅值和相位角特性。电极插入不同部位测量3次。

图 1 电极装置图 Figure 1 Electrode assembly diagram
图选项
1.2.2 TVB-N含量测定

采用国标GB/T 5009.44—2003中的微量扩散法, 取10 g猪后腿肉绞碎放入锥形瓶中, 加入100 mL蒸馏水, 振荡浸渍30 min后过滤, 取滤液放入4 ℃冰箱备用。将水溶性胶涂于扩散皿边缘, 在中央内室加入1 mL 20 g·L-1的硼酸吸收液及一滴混合指示剂。在皿外室一侧加入1 mL样液, 在另一侧加入1 mL饱和碳酸钾溶液, 立即密封轻轻转动使样液与饱和碳酸钾溶液混合, 放入37 ℃培养箱内2 h, 用0.01 mol·L-1的盐酸滴定, 终点为蓝紫色。同时用蒸馏水代替样液做空白试验[22]。

1.3 统计分析

数据统计分析采用SPSS 20.0软件, 对各组处理数据进行单因素方差分析, 基于Duncan′s法进行多重比较, 对于阻抗指标和TVB-N含量进行Pearson相关性分析(P < 0.05)。利用SIMCA-P 11.5进行阻抗指标与品质指标之间的主成分分析(PCA)。利用Origin 6.0软件对阻抗幅值和TVB-N含量进行非线性拟合分析。

2 结果与分析 2.1 冷藏期间猪后腿肉TVB-N含量的变化

由图 2可以看出:随着贮藏时间的增加, TVB-N含量显著上升(P < 0.05)。

图 2 贮藏10 d期间冷鲜猪肉中TVB-N含量变化 Figure 2 Content of TVB-N at 5 postmortem times during 10 d of storage at 4 ℃ 不同字母表示差异显著(P < 0.05)。Different letters indicate significant difference at 0.05 level.
TVB-N:挥发性盐基氮Total volatile base nitrogen
图选项
2.2 冷藏期间猪后腿肉生物阻抗特性的变化 2.2.1 频率对猪后腿肉阻抗特性的影响

冷藏期间猪后腿肉在46种激励频率下测量得到的阻抗参数如图 3和图 4所示, 结果表明, 沿着肌肉纤维方向和垂直肌肉纤维方向测量得到的阻抗幅值和相位角变化规律基本一致。随着激励频率由低到高, 相位角在低频时快速上升, 当频率达到5 kHz后基本不变。

图 3 沿着肌肉纤维方向的生物阻抗特性 Figure 3 Bioimpedance of pork along the myofibers
图选项
图 4 垂直肌肉纤维方向的生物阻抗特性 Figure 4 Bioimpedance of pork across the myofibers
图选项

在储藏期间, 1、3、5、7和10 d的阻抗幅值曲线表现出了相同的趋势。阻抗幅值随着频率的增加而减小, 阻抗幅值的变化在0.01~5 kHz范围内最为明显, 频率超过5 kHz后, 阻抗幅值的变化趋于平缓。随着贮藏时间的增加, 相同频率下的阻抗幅值与之前的贮藏日期的阻抗幅值相比有明显的下降, 在低频阶段变化更为明显。

2.2.2 电场方向对猪后腿肉阻抗特性的影响

由图 5可见:在贮藏期间, 沿着肌肉纤维垂直方向检测的阻抗幅值总是高于沿着肌肉纤维水平方向检测的阻抗幅值, 而且在低频时2个方向幅值的差异更显著, 在高频时两者的差异较小。而对于相位角来说, 2个方向测量的相位角并没有显著差异(P > 0.05), 但高频电场测得的相位角值均显著高于低频电场测定值。

图 5 电场方向对于冷鲜猪肉阻抗幅值和相位角的影响 Figure 5 Effects of relative directions of electrical field on impedance and phase angle
图选项
2.2.3 猪后腿肉阻抗幅值与TVB-N含量之间的关系

通过图 6主成分分析可以看出:TVB-N含量与阻抗幅值呈明显的负相关关系。因此分别选取从低频到高频的0.02、0.20、2、20、200 kHz与TVB-N含量进行Pearson相关性分析。由表 1和2可以看出:除了0.02 kHz, 2个电场方向下其他4种频率下的阻抗幅值均与TVB-N含量呈显著的负相关, 水平方向的相关系数均大于-0.52, 而垂直方向的相关系数均大于-0.50。

图 6 贮藏期间阻抗幅值与TVB-N含量之间的主成分分析 Figure 6 Principal component analysis(PCA)plot of the relationship between impedance of pork sample and TVB-N content during storage
图选项
表 1 水平方向不同频率测得的阻抗幅值与TVB-N含量的相关性 Table 1 Correlations between TVB-N content and impedance measured at different frequency in the direction along the myofibers
0.02 kHz 0.20 kHz 2 kHz 20 kHz 200 kHz
TVB-N 0.009 -0.524** -0.577** -0.606** -0.560**
0.02 kHz 0.796** 0.569** 0.494** 0.541**
0.20 kHz 0.927** 0.859** 0.829**
2 kHz 0.981** 0.930**
20 kHz 0.964**
  Note:* P < 0.05, * *P < 0.01. The same as follows.
表选项
表 2 垂直方向不同频率测得的阻抗幅值与TVB-N含量的相关性 Table 2 Correlations between TVB-N content and impedance measured at different frequency in the direction across the myofibers
0.02 kHz 0.20 kHz 2 kHz 20 kHz 200 kHz
TVB-N -0.100 -0.509** -0.591** -0.616** -0.568**
0.02 kHz 0.800** 0.644** 0.605** 0.645**
0.20 kHz 0.958** 0.924** 0.860**
2 kHz 0.990** 0.896**
20 kHz 0.923**
表选项

图 7为不同频率和不同电场方向阻抗幅值与TVB-N含量的非线性拟合图, 拟合方程为Y=AX2+B1X+B2, 表 3列出了阻抗幅值与TVB-N含量非线性拟合方程的相关系数。由拟合得到的相关系数可以看出, 除了0.02 kHz, 其他频率的拟合方程的R2都达到了0.9, 说明阻抗幅值与TVB-N含量的方程拟合度较高, 而且方程的均方根误差小(表 3)。本研究中, 水平方向的阻抗幅值与TVB-N含量的拟合度要更高于垂直方向, 高频时的阻抗幅值与TVB-N含量的拟合度要高于低频。因此, 在贮藏过程中TVB-N含量与阻抗幅值的变化最为明显, TVB-N含量与阻抗幅值呈明显的负相关关系, 拟合得到非线性的方程拟合程度高。

图 7 贮藏期间冷鲜猪肉阻抗幅值与TVB-N拟合图 Figure 7 Relationship between relative change in impedance of pork samples during storage with TVB-N content
图选项
表 3 贮藏期间冷鲜猪肉不同频率下阻抗幅值与TVB-N含量拟合方程的相关系数 Table 3 Coefficients for the correlation equation which describes the relationship between relative change in impedance of sample during storage and TVB-N content
方向
Direction		 频率/kHz
Frequency		 相关系数Coefficients R2 RMSE
A B1 B2
L 0.02 0.061 -5.835 1 422.58 0.756 2.31
L 0.20 0.074 -3.597 445.59 0.909 1.56
L 2 0.081 -2.959 276.23 0.929 0.78
L 20 0.069 -2.425 218.46 0.967 0.82
L 200 0.037 0.438 170.61 0.959 1.63
T 0.02 0.027 -2.811 247.19 0.736 3.84
T 0.20 0.270 -11.631 1 410.56 0.902 1.31
T 2 0.250 -8.881 789.14 0.920 0.52
T 20 0.170 -5.677 482.24 0.941 0.75
T 200 0.190 -6.337 526.22 0.945 1.75
  注:L:沿着肌肉纤维方向Along the myofibers; T:垂直肌肉纤维方向Across the myofibers.
表选项
3 结论与讨论

本试验通过对冷鲜猪肉TVB-N含量和生物阻抗的测量, 发现了TVB-N含量与阻抗幅值存在显著相关性。研究表明, 冷鲜猪肉在真空贮藏过程中TVB-N含量整体呈上升趋势。Huang等[23]也观察到了猪肉在贮藏3 d后TVB-N含量快速上升的现象。在真空包装中, 肉类的腐败主要是由于厌氧乳酸菌和微生物生长产生的挥发性硫化物, 但是贮藏初期乳酸菌生长较弱, 产生的蛋白分解酶作用很弱, 所以贮藏初期TVB-N含量并没有快速上升[24]。贮藏早期的TVB-N含量上升可能由于肌糖原的无氧糖酵解和ATP磷酸化作用产生了酸性环境, 酸性环境导致了部分肌纤维的损坏, 释放肌浆中蛋白酶, 从而促进了部分蛋白质水解和少量的含氮碱基的释放[25]。

本研究中, 在0.01~300 kHz范围中, 采用四针式电极检测在4 ℃贮藏10 d的冷鲜猪肉阻抗幅值, 结果表明随着激励频率的上升, 阻抗幅值呈下降趋势, 相位角呈上升趋势。这与Pérez-Esteve等[17]对海鲷的研究结果和李伟明等[21]对鸡胸肉的研究结果类似, 相位角的变化规律基本相同。在贮藏期间的5个测量点得到的5条相位角变化曲线基本重合且无显著差异, 表明相位角与猪肉新鲜度无明显关系。

本研究中, 随着贮藏时间的增加, 相应频率的阻抗幅值显著减小, 而相位角并无显著差异。类似的规律在其他肌肉组织上如牛背最长肌、猪背最长肌、海鲷[17-18, 26-27]上均有发现。许多学者将生物组织看作一个由电阻和电容组成的等效电路, 然而利用单一模型来解释频率对于阻抗幅值的影响过于复杂, 所以这些趋势只能利用电阻和电容的变化总量来简单解释所测得的阻抗幅值[26]。猪肉由大量不同细胞组成, 细胞周围的液体可被认为电解液, 所以当直流电或者低频交流电通过生物组织时, 电流主要流经细胞外液; 当频率增加, 细胞膜的电容性逐渐消失, 部分电流通过细胞膜流经细胞内液。因此, 生物组织在低频拥有较大的阻抗幅值, 在高频时阻抗幅值较低, 所以可以利用阻抗幅值在贮藏期间明显的变化来预测冷鲜猪肉新鲜度的变化。

本研究表明:垂直方向的阻抗幅值要高于水平方向的阻抗幅值, 而相位角没有显著差异。这与Lepetit等[18]对新鲜牛肉的研究结果类似, 认为肉类的导电特性取决于在样品上所施加的电场方向。考虑到猪肉不同部位的脂肪和水分含量的变化会对阻抗测量产生影响, 要更精确地描述猪肉腐败情况还需对冷鲜猪肉其他部位进行研究。

综上, 冷鲜猪肉的TVB-N含量与阻抗幅值有很强的相关性, 利用TVB-N含量与阻抗幅值进行非线性拟合, 发现水平方向及高频的阻抗幅值与TVB-N含量具有良好的相关性, 其方程相关系数达到0.9, 沿着水平方向20 kHz的最优拟合方程为Y=0.069X2-2.425X+218.46。因此, 利用基于生物阻抗理论的阻抗测量仪器可以用来检测冷鲜猪肉的生物阻抗, 并用于判断冷鲜猪肉新鲜度。

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一种基于生物阻抗的冷鲜猪肉新鲜度检测方法研究
谢翌冬, 肖卫民, 康大成, 周光宏, 徐幸莲, 张万刚