吴娇 彭睿 陈震

摘 要：為探索利用介电弛豫行为的弛豫特征参数表征肉类食品内部品质变化的可行性，以新鲜鸡胸肉为研究对象，于4 ℃和20 ℃下真空包装贮藏，采用阻抗分析仪测定不同贮藏时间鸡胸肉在1 MHz～3 GHz频率范围内的介电弛豫行为;结合对导数法解析介电弛豫谱以获取所测频率范围内不同介电弛豫行为的特征弛豫参数（弛豫强度Δε及弛豫时间τ）;依据各介电弛豫的行为特征及其特征参数随贮藏时间的变化规律确定各介电弛豫行为的微观弛豫机制，并初步建立弛豫特征参数与鸡胸肉内部特定组成、结构及物理化学性质的关联性。结果表明：鸡胸肉在所测频率范围内存在3 个主要介电弛豫，其中发生在3 MHz附近的低频弛豫主要来自于界面极化，而发生40 MHz附近的中频弛豫及400 MHz附近的高频弛豫分别归因于蛋白质头部基团和紧密结合水分子的取向极化;4 ℃贮藏时，低频弛豫Δε和τ均随贮藏时间延长而增大，中、高频弛豫的Δε和τ均随贮藏时间延长而减小，且均在贮藏9～10 d后不再变化，该变化拐点与感官评价鸡胸肉明显变质时间基本一致;20 ℃贮藏时，各弛豫特征参数随贮藏时间的变化与4 ℃贮藏时类似，但拐点出现在贮藏30 h，与感官评价变质时间一致;低频弛豫的变化主要决定于肌细胞的变化，而中、高频弛豫的变化主要来自于鸡胸肉中肌纤维的降解。本研究证明了弛豫特征参数能够有效地反映鸡胸肉在贮藏过程中的品质变化。

关键词：介电谱;鸡胸肉;真空包装;界面极化;取向极化

Dielectric Spectroscopic Analysis of Vacuum Packaged Chicken Breast Meat Stored at Different Temperatures

WU Jiao， PENG Rui， CHEN Zhen*

（School of Natural Science， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China）

Abstract： To explore the feasibility of using the characteristic relaxation parameters of dielectric relaxation behavior to characterize variations in the internal quality of meat foods， the dielectric relaxation behavior of vacuum packaged fresh chicken breast meat stored at 4 and 20 ℃ in the frequency range of 1 MHz–3 GHz was measured as a function of storage time by means of an impedance analyzer. The dielectric spectra were analyzed by the logarithmic derivative method to determine the characteristic relaxation parameters （relaxation strength Δε and relaxation time τ） of the dielectric relaxation behaviors observed in the investigated frequency range. According to the features of each observed dielectric relaxation behavior and the variation of their characteristic relaxation parameters with storage time， the microscopic relaxation mechanism of each dielectric relaxation behavior was determined， and the correlation between the characteristic relaxation parameters and the specific composition， structure， and physicochemical properties of chicken breast meat was established. The results indicate that there existed three primary dielectric relaxations in the investigated frequency range for chicken breast meat， of which the low-frequency one occurring at around 3 MHz was mainly ascribed to interfacial polarization， while the middle-frequency one occurring at around 40 MHz and the high-frequency one at around 400 MHz were ascribed to the orientational polarization of the head group of proteins and tightly bound water， respectively. Both Δε and τ of the low-frequency relaxation increases with storage time at 4 ℃， while those of the middle- and high-frequency relaxations decreased. The two parameters keep constant after days 9–10 of storage， and the turning point was basically consistent with the time of deterioration of chicken breast meat judged by sensory evaluation. The variations in the characteristic relaxation parameters of all these relaxations with storage time at 20 ℃ were similar to those at 4 ℃， but the turning point was at

30 h， which was also consistent with the time of deterioration determined by sensory evaluation. The variation in the low-frequency relaxation depended mainly on the variation in muscle cells， and the variations in the middle- and high-frequency relaxations were mainly dependent on the degradation of muscle fibres in chicken breast meat. This study evidenced that the characteristic relaxation parameters could effectively reflect the variation in the quality of chicken breast meat during its storage.

Keywords： dielectric spectroscopy; chicken breast meat; vacuum packaging; interfacial polarization; orientational polarization

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210305-054

中图分类号：TS251.1                                       文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2021）05-0036-08

引文格式：

吴娇， 彭睿， 陈震. 真空包装鸡胸肉贮藏过程的介电谱监测[J]. 肉类研究， 2021， 35（5）： 36-43. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210305-054.    http：//www.rlyj.net.cn

WU Jiao， PENG Rui， CHEN Zhen. Dielectric spectroscopic analysis of vacuum packaged chicken breast meat stored at different temperatures[J]. Meat Research， 2021， 35（5）： 36-43. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210305-054.    http：//www.rlyj.net.cn

随着生活水平不断提高，人们越来越注重食品的品质。新鲜度是生鲜肉类食品最重要的品质指标之一，不仅直接影响消费者的购买倾向，而且与人们的身体健康息息相关[1-3]。目前，我国普遍采用感官评价与理化检测相结合的方法进行肉类食品新鲜度检测[1-2]。感官评价虽然简单直接，但其评价标准通常难以量化，且检测结果存在较大主观性和片面性[1，3];而理化检测存在耗时长、程序繁琐等缺点，同时对取样过程、仪器设备以及人员操作等都有很高要求[4-5]。为此，众多新兴品质检测技术不断被提出[5-6]，其中基于光谱技术的谱学方法近年来备受青睐，这得益于谱学方法所具有的高灵敏度和选择性、非破坏性及实时在线监测能力等优势[7-9]。介电谱是一种利用电磁波探测物质内部组成、结构等信息的谱学方法[10-11]。因其具有非破坏性、测量迅速、对样品要求低、可覆盖频率和温度范围广等优点[10]，介电谱已成为食品体系研究最重要的方法之一，并已广泛应用于各类食品众多方面的表征和检测[11-14]。目前，介电谱对食品品质表征的主要方式为单频率表征[12-14]，尽管在较宽频率段进行测定，但往往只选择数个特定频率下食品的介电参数（如相对介电常数、相对介电损失/电导率等）与含水量[15-16]、脂肪含量[17]、可溶性固形物含量[18]等食品品质参数建立相关性。食品的内部组成、结构等微观特性决定了介电性质和食品品质参数[11，19-20]，但任何频率下食品的表观介电参数并不是其组成成分静态介电参数的简单加合，而是取决于该频率处体系内部的多种极化行为[20]。因此，食品特定频率点的介电性质不能仅通过该频率处的表观介电参数表示，并且其中多种极化行为的贡献权重尚未能明确揭示。只有深入理解表观介电参数下多种极化行为，才能揭示食品介电性质与相关品质间的本质联系。外加交变电场下体系的介电弛豫行为反映了体系内部的多种极化行为，包括水分子等固定偶極矩的转动取向极化、电荷迁移形成诱导的偶极矩极化以及荷电粒子移动形成的扩散极化等[10]。介电弛豫的特征参数（主要包含弛豫强度和弛豫频率）与相应的极化行为存在理论定量关系，弛豫强度反映极化单位浓度和周围环境，而弛豫频率则反映极化完成所需时间[10]。然而，生鲜食品的组成和结构复杂，多种介电弛豫行为相互重叠，因此准确提取各弛豫行为的特征参数往往十分困难。尽管如此，本课题组前期对蔬菜射频段介电行为的研究结果[19]

表明，运用对导数法能够从复杂的介电谱中明确区分相互叠加的介电弛豫并准确获取其弛豫特征参数。

关于贮藏过程中鸡胸肉的品质变化过程已有大量研究[21-23]。为探索利用介电弛豫特征参数表征生鲜肉类食品品质变化的可行性，本实验以4、20 ℃下真空包装贮藏鸡胸肉作为研究对象，利用介电测量及介电弛豫谱解析确定肉类食品介电弛豫特征参数及其在贮藏过程中的变化规律。通过生鲜食品的宽频介电弛豫行为研究体系内部的极化行为，以期为介电弛豫特征参数与食品品质参数间的相关性研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

冷鲜鸡胸肉购于安徽省合肥市大润发超市（取自当地农场于当日凌晨宰杀的母鸡）;纹路真空袋（食品级） 石家庄喜龙包装有限公司;乙醇（分析纯） 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

E4991B阻抗分析仪 美国Keysight公司;SDM-10G开端同轴线测量探头 德国Sequid公司;BCD-230WTPZM（E）家用冰箱 广东美的制冷设备有限公司;LHP-100恒温恒湿培养箱 上海三发科学仪器有限公司;真空封口机 山东九阳股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 实验设计

取鸡胸肉无筋部位分割成大小均一（约5 cm×3 cm×2 cm）块状90 份，每份装入无菌聚乙烯真空袋中并立即用真空封口机抽真空密封。将真空包装鸡胸肉块随机均分为2 组，分别于4 ℃冰箱中冷藏保存和20 ℃培养箱中保存。4 ℃冷藏保存鸡胸肉每24 h取样1 次，20 ℃下贮藏鸡胸肉每6 h随机取样1 次，每次3 份。样品先进行介电弛豫谱测定，然后放至室温后进行感官评价。经感官评价认为已发生明显品质劣变的鸡胸肉继续进行2～3 次介电弛豫谱测定。

1.3.2 介电弛豫谱测定

采用阻抗分析仪测定介电弛豫行为，频率范围1 MHz～3 GHz，电压100 mV，对开端同轴线测量探头进行开路、短路及负载校准，以消除线路延伸和探头几何形状而导致的系统误差，并用乙醇作标准样品进行验证。样品打开真空包装后立即在其表面随机取4 个位置进行测定，测定时将测量探头以适当力度沿垂直于肌纤维方向直接按压到样品表面，并保证测量探头与样品表面之间没有气泡。由仪器自带软件直接获得不同频率下被测样品的相对介电常数（ε）和相对介电损失（ε”）。

1.3.3 感官评价

将完成介电弛豫谱测定的鸡胸肉样品放至室温，由5 位感官评价小组成员分别对鸡胸肉的色泽、气味、组织形态和肌肉弹性进行评价。具体评价标准参照邵京等[24]的方法。

1.3.4 对导数法解析介电谱

在所研究频率范围内，肉类的介电谱通常包含多个介电弛豫行为，并可能受到来自样品直流电导率（σDC）和电极极化（electrode polarization，EP）效应的影响。因此，采用考虑σDC和EP效应的Cole-Cole公式[25]对所得介电谱进行定量解析，如式（1）所示。

（1）

式中：ε*表示相对复介电常数，其实部与虚部分别为ε与ε”;i表示虚部单位;ω表示角频率/（rad/s）;ε∞表示ε的高频极限;ε0表示真空介电常数（8.854×

10-12 F/m）;Δε表示弛豫强度;τ表示弛豫时间/s;

β（0<β<1）表示弛豫时间分布经验参数;j表示介电弛豫个数;σDC表示直流电导率/（S/m）;幂律相Aω-m表示EP效应，其中A和m均为无明确物理意义的可调整参数。

利用式（1）对介电谱进行拟合，获取各介电弛豫行为的弛豫特征参数，主要包括弛豫强度Δε和弛豫时间τ。由于多数情况下体系的介电谱是由多个介电弛豫相互叠加的结果，而这些弛豫又同时受到σDC、EP效应以及测量频率范围外弛豫行为的影响，因此，采用基于Kramers-Kronig关系的对导数法[26]（如式（2）所示）优化介电谱的解析，通过锐化介电弛豫峰有效分离相互叠加的介电弛豫行为[26-27]。

（2）

式中：ε”LD表示对导数介电损失;ε”Rel表示不含σDC的介电损失。

为获得准确的弛豫特征参数，参考Chen Zhen等[28]的方法同时对实际测定的ε”、ε及ε”LD曲线进行拟合。

1.4 数据处理

实验数据采用Microsoft Excel软件进行分析，每组实验重复3 次，结果以平均值±标准差表示;采用Origin软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同贮藏温度下真空包装鸡胸肉的感官变化

新鲜鸡胸肉色泽偏红、表面含有少量油脂、切面富有光泽、组织致密、纹理清晰、弹性好且指压后能立即恢复。由表1可知，20 ℃条件下，贮藏6 h鸡胸肉的感官评分与新鲜鸡胸肉无明显差异;贮藏12 h后色泽变淡，弹性变差但指压仍可恢复，肌肉组织开始变松散，表面油脂增多;贮藏24 h后鸡胸肉切面略有光泽、有渗液，肌肉组织进一步松散，表面纹理变得模糊，指压后恢复缓慢，无异味;贮藏30 h后，鸡胸肉散发臭鸡蛋味、色泽泛白、表面纹理模糊、指压后有明显凹陷、表面出现乳白色黏性物质，此时感官评分低于9 分，已发生明显劣变。4 ℃贮藏期间鸡胸肉的感官变化与20 ℃条件下情况类似，但变化进程明显减缓;贮藏2 d后鸡胸肉出现明显感官变化;贮藏5 d后色泽明显变淡，表面纹理开始变得模糊，局部出现渗液，指压可恢复;贮藏9 d后出现异味，切面无光泽、发黏，指压后恢复较慢;贮藏10 d后发出明显异味，肌肉纹理十分模糊，指压后有明显凹陷，此时鸡胸肉已腐败变质。

2.2 贮藏期间真空包装鸡胸肉的介电弛豫行为及其弛豫机制

由图1A～B可知：由于σDC较大，低于1 GHz频率范围内的介电弛豫行为几乎完全被σDC所掩盖，去除σDC后该频率范围内的介电弛豫行为整体表现为一个极宽的弛豫;从ε”Rel谱中可看出该频率段存在多个介电弛豫行为，但这些弛豫相互重叠难以区分。由图1C可知：ε”LD谱中存在3 个明显的介电损失峰，因此相对ε”Rel谱，ε”LD谱能够更明显地揭示相互重叠的介电弛豫;除箭头所指3 个弛豫外，在高于1 GHz频率段可观察到介电损失随频率增加而增大，但并没有出现介电损失峰，该弛豫位于本实验所测频率范围外。此外，弛豫1低频侧的ε”LD随频率增加而出现直线性下降，这归因于EP效应或受位于更低频率段弛豫高频侧的影响[19]，但由于式（1）中包含幂律项Aω-m，考虑到σDC和EP效应，因此能够很好对其进行拟合。鉴于上述鸡胸肉的介電行为特征，特别是ε”LD谱对相互重叠介电弛豫的准确区分，对图1C中4 个介电弛豫以及σDC和幂律项Aω-m进行拟合得到综合拟合曲线，可以看出综合拟合曲线与ε”Rel曲线十分吻合，说明拟合的合理性。

目前，已有大量对于生物组织体的介电谱研究[29–34]。一般而言，宽频范围內生物组织体存在4 种类型弛豫：α弛豫、β弛豫、δ弛豫和γ弛豫[29-31]。α弛豫通常出现在1 kHz以下的低频段，主要与细胞表面荷电粒子沿表面的迁移行为有关。β弛豫出现在1 kH～100 MHz频率段，主要来自于由生物组织体非均质性而导致的界面极化行为，即Maxwell-Wagner效应。根据生物组织体的内部结构特征，β弛豫可能存在多个对应于不同膜/液相界面的亚弛豫，因此可以得到有关细胞构造和膜厚度等方面的信息。γ弛豫一般出现在10 GHz附近微波频段，主要来自于自由水分子或松散结合水分子的取向极化。δ弛豫介于β弛豫和γ弛豫之间，与氨基酸或蛋白质头部基团等较大分子聚集体或紧密结合水分子的取向极化相关[32-34]。图1C中弛豫1、2及弛豫3位于1 MHz～1 GHz频率范围内，属于β弛豫或γ弛豫，而弛豫4位于高于1 GHz频率段处，可能为典型的水分子取向极化弛豫，因此属于γ弛豫。

鸡胸肉是典型的骨骼肌，主要由内含束状排列的肌纤维的肌束所组成[35-37]。因此，鸡胸肉存在多种相应于肌内膜、肌束膜及肌外膜的相界面。此外，血管、细胞核、神经等其他组织的存在也能形成相界面，从而产生界面极化现象。但由于大多数相界面所占比例较小，所以其所产生的界面极化弛豫（即β弛豫）的弛豫强度也因极小而无法被观察到或被主弛豫完全掩盖，因此介电谱所显示的界面极化弛豫通常为主要相界面。鸡胸肉中占主导地位的相界面为肌内膜形成的相界面。此外，从组成成分分析，鸡胸肉中约含75%水分、20%蛋白质和5%脂肪及碳水化合物[35]，其中大多数蛋白质具有亲水性，其头部基团处于部分或完全水合状态。因此，鸡胸肉内部存在大量不同结合状态的水分子以及不同水合状态的蛋白质头部基团，这些固定偶极矩的取向极化可导致δ弛豫。

由于弛豫1发生在3 MHz附近且弛豫强度相对较大，符合β弛豫的特点，因此推测弛豫1属于β弛豫。由于测量探头垂直于肌纤维，且探头有效测量面积较小（约1 cm2）[38-39]，该有效测量范围内肌内膜相界面占主导，因此肌内膜的界面极化可能是弛豫1的主要弛豫机制。弛豫3发生在1 GHz附近，该频率段的弛豫行为通常归属于紧密结合水分子极化，而且其弛豫强度明显小于其他弛豫，由此推测弛豫3的机制可能为紧密结合水分子的取向极化，属于δ弛豫。弛豫2发生在40 MHz附近，其弛豫机制可能为蛋白质头部基团的取向极化和界面极化。

2.3 真空包装鸡胸肉贮藏过程中介电弛豫行为的演变

图A下标1～4. 贮藏10、6、3、0 d;图B下标1～4. 贮藏36、24、12、0 h。

由图2可知，整个贮藏期间弛豫1、2和弛豫3的ε”LD均随贮藏时间呈现规律性变化。弛豫1峰值随贮藏时间延长逐渐向高频方向移动，即弛豫时间（τ）逐渐减小，同时其弛豫强度（Δε）逐渐减小;弛豫2随贮藏时间延长，τ和Δε均增大。弛豫3和弛豫2的变化规律一致，且均与弛豫1的变化规律相反，这表明弛豫2与弛豫3的弛豫机制具有相关性，且不同于弛豫1，因此可推断弛豫2与弛豫3同属于δ弛豫。

由于弛豫4处于本实验所测频率范围外，因此，本实验仅对弛豫1、2、3的介电弛豫特征参数进行讨论，结果如表2～3所示。

由表2～3可知，贮藏期间弛豫2与弛豫3 τ和Δε的标准误差均小于5%;而弛豫1 τ和Δε的标准误差相对较大，主要是因为该弛豫受到EP效应及位于其低频侧介电弛豫的较大影响。弛豫特征参数的分析结果表明图1所示的介电谱代表了鸡胸肉在该频率段的普遍介电弛豫行为。

由图3可知，4 ℃条件下，贮藏0～8 d时，弛豫1 τ和Δε随贮藏时间延长而减小，弛豫2、3 τ和Δε随贮藏时间延长而增大，贮藏9～10 d时出现明显拐点，此后3 个弛豫的τ和Δε几乎不随贮藏时间延长而变化。20 ℃下3 个弛豫的τ和Δε随贮藏时间的变化趋势与4 ℃类似，但其拐点出现在约30 h（图4）。这与感官评价中鸡胸肉出现腐败的时间几乎一致。

3 讨 论

本实验所采用的市售冷鲜鸡胸肉处于解僵期后，鸡胸肉的成熟、变质过程十分复杂[37]。本研究从介电谱角度解析真空包装鸡胸肉贮藏期间的肌细胞破坏和肌纤维降解变化。

成熟过程中肌细胞断裂和肌内膜破裂而导致相界面减少，同时细胞液外渗使肌内膜周边细胞液中离子浓度增加，导致肌内膜上双电层厚度减小，界面极化时间缩短，而弛豫1的τ和Δε均随贮藏时间延长而减小，因此，肌内膜的界面极化是弛豫1的主要弛豫机制。

随着贮藏时间的延长，鸡胸肉成熟过程中肌纤维不断降解，致使更多的蛋白质头部基团暴露，并与水分子结合，同时原有水合蛋白质头部基团的水合程度增加，因而紧密结合水分子的数量也随之增加。由于水合蛋白数量的增加，弛豫2的Δε逐渐增大;同时蛋白质头部基团水合程度的增加导致其偶极矩增大，其取向极化所需时间延长，因此弛豫2的τ增大。对弛豫3而言，其Δε随贮藏时间延长而增大是因为蛋白质头部基团暴露增加使紧密结合水分子数量增加;而由于该过程中蛋白质头部基团逐渐不规则的排列导致空间位阻效应，紧密结合水分子的转动极化随贮藏时间延长受到更大阻碍，因此其τ逐渐增大。尽管弛豫2与弛豫3分别归属于蛋白质头部基团及紧密结合水分子的取向极化，但由于二者都与蛋白质头部基团的水合状态相关，因此是紧密相连的。

综上，鸡胸肉变质是一个缓慢过程，随着贮藏时间的延长，各弛豫τ和Δε呈规律变化，而变质后鸡胸肉内部新的变化无法由介电弛豫行为（τ和Δε）反映。此外，由于鸡胸肉中脂肪含量少，且脂肪介电响应较弱，因此贮藏期间鸡胸肉中脂肪的变化也不能由介电弛豫行为反映。蛋白质的降解虽然能直接影响弛豫2和弛豫3的行为，但在鸡胸肉变质初期蛋白质降解所占比例较小，因此τ和Δε虽能够反映变质前贮藏期间鸡胸肉的品质变化但无法反映变质后的品质变化。

4 结 论

本实验利用介电谱监测4 ℃和20 ℃贮藏過程中真空包装鸡胸肉在1 MHz～3 GHz频率范围内的介电弛豫行为变化。结果表明，在1 MHz～3 GHz频率范围内，鸡胸肉存在3 个主要介电弛豫行为，其中发生在3 MHz附近的弛豫1主要为肌内膜的界面极化效应，属于β弛豫;发生在40 MHz附近弛豫2及400 MHz附近的弛豫3均属于δ弛豫，分别来自于蛋白质头部基团及紧密结合水分子的取向极化。上述3 个弛豫的τ和Δε均随贮藏时间的延长呈现规律性变化，4 ℃和20 ℃下分别于贮藏9～10 d和30 h时出现拐点，且与感官评价的变质时间一致，而鸡胸肉发生变质后，其τ和Δε几乎不随贮藏时间变化，表明贮藏期间鸡胸肉介电特征参数τ和Δε能够反映其品质变化，具有用于表征肉类食品品质变化的潜力。后续研究应通过建立生鲜食品的介电弛豫特征参数与相关品质参数（如保水量、挥发性盐基氮含量等）间的相关性，从而有效监测/检测生鲜食品的品质。

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