不同電極結(jié)構(gòu)對冷卻雞胸肉阻抗特征值響應(yīng)效果的影響

路 彤，王 鵬,*，李 震，徐幸蓮，陳樂樂

（1.肉品加工與質(zhì)量控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，江蘇南京 210095；2.常州同惠電子股份有限公司，江蘇常州 213002）

我國是雞的養(yǎng)殖和消費(fèi)大國，在我國，雞肉已成為僅次于豬肉的第二大消費(fèi)肉類[1]。2020 年數(shù)據(jù)顯示，我國雞肉消費(fèi)量較2019 年同比增長13.2%[2]。雞肉因其高蛋白、低脂肪、低熱量的特點(diǎn)受到眾多消費(fèi)者喜愛[3]，雞胸肉品質(zhì)與其加工所得產(chǎn)品質(zhì)量直接相關(guān)，優(yōu)質(zhì)雞胸肉對于企業(yè)和消費(fèi)者有著重要意義。

傳統(tǒng)肉品品質(zhì)檢測方法主要依靠感官、理化和微生物指標(biāo)檢測，耗時長，需要多種配套儀器，操作較為繁瑣[4]。電阻抗檢測技術(shù)憑借儀器簡單、操作方便、檢測快捷等優(yōu)勢，一直是研究熱點(diǎn)[5]，其原理與生物組織導(dǎo)電性有關(guān)。生物組織由大量細(xì)胞構(gòu)成，當(dāng)交流電通過時，細(xì)胞膜可以看作電容器，當(dāng)電流頻率較低時，細(xì)胞膜容抗很大，電流主要流過細(xì)胞間隙；當(dāng)電流頻率較高時，電流可以流過整個細(xì)胞群體，細(xì)胞膜的容抗此時可以忽略。當(dāng)細(xì)胞膜完整性遭到破壞時，生物組織的電阻抗值會發(fā)生相應(yīng)改變[6]，因此，電阻抗能夠作為反映生物組織生理生化變化的參數(shù)。將電阻抗技術(shù)應(yīng)用于肉品品質(zhì)控制的研究已有很多，比如牛肉成熟過程中質(zhì)構(gòu)特性[7]和脂肪含量[8]的預(yù)測、豬肉和牛肉新鮮度的預(yù)測[9?10]、羊肉僵直成熟進(jìn)程的監(jiān)測[11]、注水豬肉的檢測[12]、腌肉中鹽分含量的檢測[13]、禽蛋中沙門氏菌的檢測[14]等。在雞肉阻抗方面的研究包括雞胸肉凍融次數(shù)的判別[15]、冷鮮雞胸肉和解凍雞胸肉的分類[16]、凍藏溫度對雞肉電阻抗的影響[17]、正常雞胸肉和木質(zhì)化雞胸肉的區(qū)分[18]等。

利用電阻抗技術(shù)檢測肉品品質(zhì)時，電極是檢測系統(tǒng)的重要組成部分，它不但是激勵信號的施加器件，還是信號提取的關(guān)鍵器件，電極結(jié)構(gòu)會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性[19]。和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的非侵入式生物電阻抗檢測研究[20?22]相比，目前肉類電阻抗檢測中多采用侵入式電極[23?27]，而非侵入式電極的應(yīng)用相對滯后，因此需要加大對非侵入式肉類阻抗檢測方式的研究，實(shí)現(xiàn)真正的無損檢測。此外，肌肉組織的阻抗具有較強(qiáng)的各向異性[28]，阻抗測量方向的選擇對檢測結(jié)果有直接影響。同時，肉品電阻抗研究中測試樣品的形狀和大小并不統(tǒng)一，而肌肉中含水量約為75%左右[29]，其中游離水占肌肉含水量的85%以上[30]，測試樣品厚度變化時，水分通過毛細(xì)管通路形成的電路范圍不同，也可能影響檢測電阻抗結(jié)果。所以急需對阻抗測量中的電極結(jié)構(gòu)、測量方向和樣品厚度三方面進(jìn)行專門研究。

本文以冷鮮雞胸肉為研究對象，采用針式和片式兩種結(jié)構(gòu)的電極探究測量方向和測試樣品厚度兩個因素與阻抗特征值之間的關(guān)系，通過主成分分析（ principal component analysis， PCA） 和辨別值（discrimination index，DI）相結(jié)合的方式比較兩種結(jié)構(gòu)的電極在相同測試條件下對雞胸肉阻抗特征值的響應(yīng)能力，并進(jìn)一步對采用針式電極從低頻到高頻測得的阻抗特征值進(jìn)行差值轉(zhuǎn)換計算和定量的方差分析，用統(tǒng)計方法分析采用針式電極區(qū)分不同厚度樣品的阻抗特征值時是否具有統(tǒng)計學(xué)顯著意義，以確定適宜的測試電極、測量方向和樣品厚度，為建立基于阻抗特性的雞胸肉在線快速檢測提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

雞胸肉 江蘇益客食品集團(tuán)股份有限公司。

TH2829A 電學(xué)阻抗測試儀 常州同惠電子科技有限公司；兩排六針式電極（以紫銅為原料，長度：15 mm，電極間距15 mm，如圖1a 所示）；四片式電極（以紫銅為原料，表面附著金涂層，激勵電極長度×寬度：10 mm×4 mm，激勵電極間距40 mm，測量電極長度×寬度：8 mm×4 mm，測量電極間距8 mm，如圖1b 所示）。

圖1 電極結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of measurement electrode

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計 a. 采用針式電極和片式電極分別沿垂直和平行于肌纖維方向測量厚度40 mm 雞胸肉樣品的阻抗特征值，研究阻抗幅值和相位角與測量方向的關(guān)系。b. 采用針式電極和片式電極沿垂直于肌纖維方向分別測量厚度40 mm 和厚度20 mm 雞胸肉樣品的阻抗特征值，研究阻抗幅值和相位角與測試樣品厚度的關(guān)系。c. 將主成分分析得分圖和DI 值相結(jié)合，評價兩種結(jié)構(gòu)的電極對雞胸肉樣品阻抗特征值隨測量方向和測試樣品厚度變化的響應(yīng)能力。d.對采用針式電極獲得的阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行差值轉(zhuǎn)換后進(jìn)行定量的方差分析，用統(tǒng)計方法進(jìn)一步分析采用針式電極測量的雞胸肉樣品阻抗特征值對區(qū)分測試樣品厚度是否具有統(tǒng)計學(xué)顯著意義。

1.2.2 樣品制備 選擇雞胸肉的龍骨突前側(cè)外部，將雞胸肉切割成長度40 mm、寬度40 mm、厚度40 mm以及長度40 mm、寬度40 mm、厚度20 mm 兩種規(guī)格的肉塊。

1.2.3 阻抗特征值測量 阻抗特征值包括阻抗幅值和相位角。測量方向?yàn)槠叫杏诩±w維方向和垂直于肌纖維方向，如圖2 所示，通過高精度LCR 數(shù)字電橋從0.06～200 kHz 取15 個頻點(diǎn)（0.06、0.08、0.1、0.12、0.15、0.2、0.25、0.4、0.8、1.5、5、15、50、100、200 kHz），頻率由低到高，測量每塊雞胸肉樣品在15 個頻點(diǎn)處的阻抗幅值和相位角數(shù)據(jù)。測試時對一塊樣本的同一位置進(jìn)行5 次測量，對阻抗幅值和相位角數(shù)據(jù)做平均處理作為1 組測量值，每次每組5 個平行樣品，全部測試過程重復(fù)3 次取平均值。

圖2 測量方向圖Fig.2 Measurement direction diagram

1.2.4 主成分分析 利用SIMCA-P14.0 軟件采用主成分分析方法，依次選擇阻抗幅值數(shù)據(jù)、相位角數(shù)據(jù)，以及將阻抗幅值和相位角數(shù)據(jù)同時作為被測雞胸肉樣品的變量。以行向量代表樣品，縱向量代表變量，將不同結(jié)構(gòu)的電極在不同頻率的數(shù)據(jù)分別保存為數(shù)據(jù)表格，做主成分分析。使用主成分分析法對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，排除眾多信息中互相重疊部分，從主成分分析得分圖上，對不同測試條件下的雞胸肉樣品進(jìn)行區(qū)分識別。

1.2.5 DI 值計算 DI 值[31]可以用來表示測量數(shù)據(jù)經(jīng)過主成分分析后不同組別樣品之間的區(qū)分辨別能力。DI 值作為電極區(qū)分能力的一個重要指標(biāo)，計算情況一般分為兩種：各個區(qū)域明確分開，則如式（1）所示；區(qū)域間有重疊部分存在，則如式（2）所示。樣品區(qū)域區(qū)分示意圖如圖3 所示。

圖3 樣品區(qū)域區(qū)分示意圖Fig.3 Schematic representation of regional division for principal component analysis

式中：Si指單個樣品的區(qū)域面積；S總表示的是所有區(qū)域的總體面積。DI 值越大表示區(qū)分的效果越理想，兩組樣品之間的間距也越大，反之，DI 值越小表示區(qū)分效果越差。通常認(rèn)為DI 高于80%時表示區(qū)分效果達(dá)到理想狀態(tài)[32]。

1.2.6 阻抗特征值差值轉(zhuǎn)換計算 在0.06～200 kHz頻率范圍內(nèi)，測量40 mm 和20 mm 兩種厚度雞胸肉樣品的阻抗幅值和相位角，對阻抗幅值和相位角進(jìn)行差值轉(zhuǎn)換計算，公式具體見式（3）和式（4），每組均為15 塊雞胸肉樣品。

其中，ΔZ（fi）表示幅值差，Z（f0.06kHz）和Z（f200kHz）分別為頻率在0.06 kHz 和200 kHz 處的阻抗幅值；Δθ（fi）表示相位差，|θ（f0.06kHz）|和|θ（f200kHz）|分別為頻率在0.06 kHz 和200 kHz 處相位角的絕對值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用統(tǒng)計學(xué)軟件SPSS 25.0 進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布時，兩組間比較采用t檢驗(yàn)，不滿足正態(tài)分布時，兩組間比較采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)，P<0.05 表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，使用Origin Pro 2021 軟件進(jìn)行制圖及DI 值計算。繪制阻抗圖時，依據(jù)阻抗分析慣例，在水平軸上采用以10 為底數(shù)的對數(shù)刻度，對測試頻率進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換。

2 結(jié)果與分析

2.1 阻抗幅值和相位角與測量方向的關(guān)系

采用針式電極和片式電極分別沿垂直和平行于肌纖維方向測量雞胸肉樣品的阻抗幅值和相位角，得出阻抗幅值和相位角與不同測量方向的關(guān)系，如圖4所示。由圖4a 可知，在0.06～200 kHz 整個頻段內(nèi)，針式電極垂直于肌纖維方向測得阻抗幅值始終高于平行于肌纖維方向的阻抗幅值（P<0.05），與謝翌冬等[28]研究豬肉阻抗的方向各異性時結(jié)果一致。這與肌肉纖維的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，肌肉由許多肌纖維束包裹著結(jié)締組織構(gòu)成，當(dāng)電極測量方向垂直于肌纖維方向時，電流穿過結(jié)締組織及細(xì)胞膜穿過細(xì)胞內(nèi)液，而平行于肌纖維測量時則電流只流經(jīng)細(xì)胞外液[23]。此外，低頻段時兩個方向的阻抗幅值差異大，高頻段時兩者差異減小，這種高頻段和低頻段測量結(jié)果差異性的原因是肌纖維和肌纖維膜在垂直于肌纖維方向的分布密度大，因此在低頻率時肌纖維方向?qū)ι镫娮杩沟挠绊戄^大，但在高頻率時高密度膜的存在起到了高頻放電的作用，因此肌纖維方向?qū)ι镫娮杩沟挠绊懖皇置黠@，兩個方向阻抗的差值也就變得越來越小。由圖4b 可知，片式電極測得阻抗幅值與測量方向的關(guān)系與針式電極類似，垂直于肌纖維方向的阻抗幅值大于平行于肌纖維方向的阻抗幅值，從0.15 kHz 開始兩個方向的阻抗幅值差異顯著（P<0.05）。

圖4 阻抗幅值和相位角分別與測量方向的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between impedance amplitude and phase angle and measurement direction

相位角可以體現(xiàn)出生物組織中具有電容特性的組分和具有電阻特性組分之間的相對關(guān)系[33]。有研究認(rèn)為垂直和平行于肌纖維方向測得相位角沒有顯著差異[34]。然而本研究結(jié)果與上述結(jié)果有所不同。由圖4c 可知，隨著測量頻率增大，針式電極測得相位角絕對值在低頻段呈現(xiàn)下降趨勢，此時平行于肌纖維方向的相位角絕對值大于垂直方向的相位角絕對值（P<0.05），相位角在中高頻段呈現(xiàn)波動變化，且在5 kHz 后垂直方向的相位角絕對值大于平行方向的相位角絕對值（P<0.05）。在0.06～200 kHz 整個頻段內(nèi)，針式電極測得相位角始終小于0，在低頻段隨著頻率增加相位角逐漸接近0，在1.5 kHz 之后相位角出現(xiàn)波動后保持穩(wěn)定。由圖4d 可知，片式電極測得相位角隨著測量頻率上升始終呈現(xiàn)下降趨勢，垂直方向測得相位角下降較平緩，平行方向測得相位角在5 kHz 之后驟降，且垂直方向的相位角始終大于平行方向的相位角（P<0.05）。整個頻段范圍內(nèi)片式電極測得相位角始終大于0，且相位角隨著頻率的升高逐漸接近0。由于導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與導(dǎo)電通路的長度及截面積直接相關(guān)[35]，利用針式和片式兩種電極測定相同厚度不同方向下雞胸肉樣品的相位角時，理論上導(dǎo)電通路的截面積及電極與雞胸肉組織的接觸面積均未發(fā)生改變，因而通過兩種電極測得表征容性和阻性成分相對關(guān)系的相位角均未隨電極測量方向的變化發(fā)生明顯的改變。

2.2 阻抗幅值和相位角與測試樣品厚度的關(guān)系

從2.1 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得出，大部分情況下垂直于肌纖維方向的阻抗響應(yīng)值大于平行于肌纖維方向，同時結(jié)合前人的阻抗測量設(shè)置[11,28,36?37]，故本部分實(shí)驗(yàn)采用針式電極和片式電極垂直于肌纖維方向分別測定厚度40 mm 和20 mm 雞胸肉樣品的阻抗幅值和相位角，得出阻抗幅值和相位角與測試樣品厚度的關(guān)系，如圖5 所示。由圖5a 可知，采用針式電極測量時，在0.06～100 kHz 頻率范圍內(nèi)，同一頻率下樣品厚度為40 mm 時測得阻抗幅值均高于20 mm 時的阻抗幅值（P<0.05），在200 kHz 時兩種厚度雞胸肉樣品的阻抗幅值大小接近。由圖5b 可知，同一頻率下，采用片式電極測得厚度40 mm 雞胸肉樣品的阻抗幅值高于厚度20 mm 雞胸肉樣品的阻抗幅值，且從0.8 kHz 開始差異顯著（P<0.05）。采用片式電極測得阻抗幅值與測試樣品厚度的關(guān)系與針式電極基本一致，同一頻率下厚度40 mm 雞胸肉樣品的阻抗幅值高于厚度20 mm 雞胸肉樣品的阻抗幅值（P<0.05）。表明雞胸肉樣品阻抗幅值的測量值在一定程度上受到測試樣品厚度的影響。

采用兩種電極測量相位角與測試樣品厚度的關(guān)系得到了相反的結(jié)果。由圖5c 可知，低頻段（0.06～1.5 kHz）內(nèi)采用針式電極測得厚度20 mm 時相位角絕對值高于厚度40 mm 時相位角絕對值（P<0.05），而中高頻段（5～200 kHz）內(nèi)厚度20 mm 樣品的相位角絕對值低于厚度40 mm 樣品的相位角絕對值（P<0.05）。在0.06～200 kHz 整個頻段內(nèi)，針式電極測得相位角始終小于0，在低頻段隨著頻率增加相位角逐漸接近0，在1.5 kHz 之后相位角出現(xiàn)波動后保持穩(wěn)定。由圖5d 可知，采用片式電極測得厚度40 mm時相位角在0.06～1.5 kHz 范圍內(nèi)高于厚度20 mm時相位角，而在1.5 kHz 后厚度40 mm 時相位角低于厚度20 mm 時相位角，除了最高頻點(diǎn)200 kHz 外均無顯著差異（P>0.05）。整個頻段范圍內(nèi)片式電極測得相位角始終大于0，且相位角隨著頻率的升高逐漸接近0。故表征容性和阻性成分相對關(guān)系的相位角并未隨測試樣品厚度的變化發(fā)生明顯的改變。

圖5 阻抗幅值和相位角分別與測試樣品厚度的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between impedance amplitude and phase angle and the thickness of test samples

2.3 采用不同電極對阻抗幅值的區(qū)分分析

圖6 是針式電極和片式電極分別測得不同測量方向及不同測試樣品厚度下阻抗幅值的主成分得分圖，其中5 個記號點(diǎn)分別代表5 個雞胸肉樣品，記號點(diǎn)圍成的區(qū)域代表樣品的整體特性，下同。從圖6a和圖6b 中看出，采用針式電極和片式電極測得垂直和平行方向的阻抗幅值之間均無重疊，區(qū)分明顯，這與圖4a 和圖4b 中不同方向阻抗幅值之間差異顯著的結(jié)論相吻合。比較兩圖可知，針式電極測得不同組雞胸肉樣品之間的距離更大，表明針式電極對不同測量方向阻抗幅值的區(qū)分能力更強(qiáng)。從測量方向來看，和平行方向相比，垂直測量時在相同測試樣品厚度下阻抗幅值數(shù)據(jù)散點(diǎn)在主成分分析圖上分布相對更為集中，說明設(shè)定垂直測試條件可使雞胸肉樣品阻抗幅值數(shù)據(jù)重復(fù)性更高。

圖6 不同測量方向及不同測試樣品厚度下阻抗幅值的主成分得分圖Fig.6 Principal component score chart of impedance amplitude under different measurement directions and different thickness of test samples

從圖6c 和圖6d 中看出，采用兩種電極測得不同厚度雞胸肉樣品阻抗幅值的主成分得分值的區(qū)域之間也無重疊，這與圖5a 和圖5b 中不同測試樣品厚度之間阻抗幅值差異顯著的結(jié)論相吻合。比較兩圖可知，針式電極測得不同組樣品之間的距離較大，表明針式電極對不同厚度雞胸肉樣品阻抗幅值的區(qū)分效果較好；而片式電極測得不同組樣品之間距離較近，表明片式電極對不同厚度雞胸肉樣品的阻抗幅值差異的區(qū)分效果不太理想。如圖6c 所示，采用針式電極測量時，從測試樣品厚度方面來看，和厚度20 mm的雞胸肉樣品相比，厚度40 mm 的雞胸肉樣品在相同測量方向下阻抗幅值數(shù)據(jù)散點(diǎn)在主成分分析圖上分布相對更為集中，同時，對比兩種電極對不同厚度樣品測得幅頻曲線和相頻曲線的誤差棒大小也發(fā)現(xiàn)，樣品厚度為40 mm 時測量曲線的誤差棒小于樣品厚度為20 mm 時測量曲線的誤差棒，這說明本研究設(shè)定的樣品厚度40 mm 測試條件可以使阻抗數(shù)據(jù)的誤差更小。

將主成分分析得分圖和DI 值相結(jié)合，有助于更全面地分析比較針式和片式兩種結(jié)構(gòu)電極對冷鮮雞胸肉阻抗特性的區(qū)分辨別能力。圖7 給出了針式電極和片式電極對不同測量方向及不同測試厚度雞胸肉樣品阻抗幅值的區(qū)分辨別能力。可以看到，針式電極和片式電極對不同測量方向下雞胸肉樣品阻抗幅值的DI 值分別為90.04%和75.14%，結(jié)合比較圖6a和圖6b，說明針式電極能夠有效區(qū)分不同測量方向的阻抗幅值，片式電極對不同測量方向的阻抗幅值雖然也有一定的區(qū)分作用，但效果不如針式電極理想。因此，單獨(dú)對不同測量方向下雞胸肉樣品的阻抗幅值數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析時，針式電極區(qū)分效果更好。

圖7 不同測量方向及不同測試樣品厚度下阻抗幅值的區(qū)分DI 值Fig.7 Differentiating DI value of impedance amplitude under different measuring directions and different thickness of test samples

針式電極和片式電極對不同測試厚度雞胸肉樣品阻抗幅值的DI 值分別為76.89%和42.80%，結(jié)合比較圖6c 和圖6d，發(fā)現(xiàn)針式電極對不同測試厚度雞胸肉樣品的阻抗幅值有一定區(qū)分效果，而片式電極對不同測試厚度雞胸肉樣品的阻抗幅值區(qū)分能力較弱。

2.4 采用不同電極對相位角的區(qū)分分析

圖8 是針式電極和片式電極分別測得不同測量方向及不同測試樣品厚度下相位角的主成分得分圖。從圖8a 和圖8b 中看出，兩種電極測得垂直和平行方向的相位角之間均無重疊，表明兩種電極對不同方向的相位角均有較好的區(qū)分作用，這與圖4c 和圖4d 中不同方向相位角之間差異顯著的結(jié)論相吻合。

圖8 不同測量方向及不同測試樣品厚度下相位角的主成分得分圖Fig.8 Principal component score graph of phase angle under different measurement directions and different thickness of test samples

從圖8c 中看出，采用針式電極測得不同測試厚度雞胸肉樣品相位角的主成分得分值的區(qū)域之間雖無重疊，但兩區(qū)域距離較近，區(qū)分度較差。從圖8d中看出，片式電極測得不同測試厚度雞胸肉樣品相位角的主成分得分值的區(qū)域之間存在較大重疊，無法區(qū)分。

圖9 給出了針式電極和片式電極對不同測量方向及不同測試厚度雞胸肉樣品相位角的區(qū)分辨別能力。針式電極和片式電極對不同測量方向下雞胸肉樣品相位角的DI 值分別為71.44%和88.58%，結(jié)合圖8a 和圖8b 可以發(fā)現(xiàn)，兩種電極對不同測量方向下的相位角均可進(jìn)行一定區(qū)分，且片式電極區(qū)分效果更佳。

圖9 不同測量方向及不同測試樣品厚度下相位角的區(qū)分DI 值Fig.9 Differentiating DI value of phase angle under different measuring directions and different thickness of test samples

針式電極和片式電極對不同測試厚度雞胸肉樣品相位角的DI 值分別為45.97%和?99.45%，結(jié)合圖8c 和圖8d 可以得出，針式電極對不同測試厚度雞胸肉樣品相位角的差異存在微弱響應(yīng)，而片式電極基本無響應(yīng)。雖然利用針式和片式兩種電極測定相同方向不同厚度下雞胸肉樣品的相位角時，兩種電極與生物組織的接觸面積及片式電極對應(yīng)導(dǎo)電通路的截面積均保持不變，但針式電極對應(yīng)導(dǎo)電通路的截面積可能隨雞胸肉樣品厚度增加而擴(kuò)大，故在雞胸肉樣品測試厚度變化時，針式電極仍具有一定響應(yīng)能力。因此，單獨(dú)對不同測試厚度雞胸肉樣品的相位角數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析時，針式電極區(qū)分效果相對優(yōu)于片式電極。

2.5 采用不同電極對阻抗特征值（阻抗幅值及相位角）的區(qū)分分析

上述實(shí)驗(yàn)中，單獨(dú)對阻抗幅值數(shù)據(jù)或相位角數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到針式電極和片式電極對測量方向及測試樣品厚度變化的響應(yīng)度并不統(tǒng)一，難以評價二者對不同測試條件下雞胸肉樣品阻抗特性差異的敏感性。因此，將兩種電極測得不同測量方向及不同測試樣品厚度下的阻抗幅值和相位角數(shù)據(jù)同時進(jìn)行主成分分析，得到如圖10 所示的主成分得分圖。從圖10a 和圖10b 中看出，針式電極和片式電極測得垂直和平行方向的阻抗特征值之間均無重疊，針式電極測得不同組雞胸肉樣品之間的距離更大。從測量方向來看，和平行方向相比，垂直測量時相同測試樣品厚度下阻抗數(shù)據(jù)散點(diǎn)在主成分分析圖上分布相對更為集中，這說明垂直測試條件下雞胸肉樣品阻抗數(shù)據(jù)重復(fù)性更高。

圖10 不同測量方向及不同測試樣品厚度下阻抗特征值（阻抗幅值及相位角）的主成分得分圖Fig.10 Principal component score chart of impedance characteristic values（impedance amplitude and phase angle）under different measurement directions and different thicknesses of test samples

由圖10c 可以看出，采用針式電極測得不同測試厚度雞胸肉樣品阻抗特征值的主成分得分值的區(qū)域之間雖無重疊，但距離較近，區(qū)分效果不理想。在圖10d 中，片式電極測得不同測試厚度雞胸肉樣品阻抗特征值的主成分得分值的區(qū)域之間存在重疊，難以區(qū)分。

圖11 給出了針式電極和片式電極對不同測量方向及不同測試厚度雞胸肉樣品阻抗特征值的區(qū)分辨別能力。針式電極和片式電極對不同測量方向雞胸肉樣品阻抗特征值的DI 值分別為85.47%和80.39%，這表明，當(dāng)對雞胸肉樣品的阻抗幅值和相位角數(shù)據(jù)同時進(jìn)行主成分分析時，兩種電極均可對測量方向變化產(chǎn)生良好響應(yīng)，且針式電極響應(yīng)更強(qiáng)。結(jié)合比較圖10a 和圖10b，也可以發(fā)現(xiàn)針式電極測得平行和垂直方向之間阻抗特征值的差異更明顯。因此，對于不同測量方向雞胸肉樣品阻抗特性的區(qū)分能力，針式電極優(yōu)于片式電極。

圖11 不同測量方向及不同測試樣品厚度下阻抗特征值（阻抗幅值及相位角）的區(qū)分DI 值Fig.11 Differentiating DI value of impedance characteristic value（impedance amplitude and phase angle）under different measuring directions and different thickness of test samples

針式電極和片式電極對不同測試厚度雞胸肉樣品阻抗特征值的DI 值分別為63.63%和?65.22%，結(jié)合圖10c 和圖10d，可以發(fā)現(xiàn)針式電極對雞胸肉樣品的測試厚度變化存在比較微弱的響應(yīng)，而片式電極無法區(qū)分不同測試厚度雞胸肉樣品間阻抗特性的差異。

將不同測試條件下雞胸肉樣品的阻抗幅值和相位角數(shù)據(jù)同時進(jìn)行主成分分析，發(fā)現(xiàn)針式電極對不同測量方向及不同測試厚度下雞胸肉樣品阻抗特征值總體響應(yīng)能力均優(yōu)于片式電極。一方面，可能是因?yàn)獒樖诫姌O插入雞胸肉組織內(nèi)部，而片式電極貼在雞胸肉組織表面，電流只流過了靠近電極的肌肉表層，不能很好地流經(jīng)肌肉組織，肌肉組織內(nèi)部電流密度小，該檢測系統(tǒng)僅對肌肉表層阻抗的變化敏感，而無法檢測內(nèi)部組織的信息[37]，因而表現(xiàn)為片式電極對測量方向及測試樣品厚度變化的響應(yīng)較弱。另一方面，金的導(dǎo)電性比紫銅差，這可能是片式電極對電流變化靈敏度低的原因之一。除此之外，對比兩種電極幅頻和相頻曲線誤差棒的大小可知，片式電極阻抗特性曲線誤差棒明顯大于針式電極，可能是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)使用的片式電極自身產(chǎn)生了電極極化現(xiàn)象，阻礙電流進(jìn)入待測樣品，因而其影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。而針式電極測得阻抗幅值變化范圍大，研究起來更方便，誤差小，結(jié)果更直觀。因此，本實(shí)驗(yàn)使用針式電極對冷鮮雞胸肉阻抗特征值的響應(yīng)能力更強(qiáng)，測量準(zhǔn)確性更高，而片式電極在電流激勵信號施加和測量信號提取方面還有待改進(jìn)。

2.6 電極對測試樣品厚度差異的區(qū)分

在研究上述兩種結(jié)構(gòu)的電極對測試樣品厚度差異的響應(yīng)時，不論是單獨(dú)對阻抗幅值數(shù)據(jù)或相位角數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析還是對二者同時進(jìn)行主成分分析，片式電極對于測試樣品厚度變化的響應(yīng)始終比較微弱，這表明片式電極無法區(qū)分辨別測試樣品厚度導(dǎo)致的雞胸肉樣品阻抗特性的差異，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)不再研究片式電極對測試樣品厚度的區(qū)分辨別。針式電極對測試樣品厚度變化存在一定程度的響應(yīng)，但區(qū)分效果未達(dá)到理想狀態(tài)，因此，對采用針式電極測定的不同測試厚度的雞胸肉樣品的阻抗特征值進(jìn)行差值轉(zhuǎn)換，用統(tǒng)計方法進(jìn)一步分析評價其對測試樣品厚度變化的區(qū)分辨別能力。

采用針式電極分別測量40 mm 和20 mm 兩種測試厚度雞胸肉樣品在最低頻點(diǎn)0.06 kHz 和最高頻點(diǎn)200 kHz 處的阻抗幅值和相位角，計算兩種厚度雞胸肉樣品各自最低頻點(diǎn)與最高頻點(diǎn)間阻抗幅值的差值和相位角絕對值的差值，如表1 和表3 所示。表2 為表1 的檢驗(yàn)結(jié)果，表4 為表3 的檢驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計學(xué)顯著意義取P=0.05 進(jìn)行分析。可見，使用針式電極從低頻到高頻測得的幅值差和相位差來區(qū)分不同測試樣品厚度是具有統(tǒng)計學(xué)上的顯著意義的（P<0.05）。

表1 針式電極測量兩種厚度下從低頻到高頻所獲得的15 個樣本的阻抗幅值的差值Table 1 The needle electrode measures the impedance amplitude difference of 15 samples obtained from low frequency to high frequency under two thicknesses

表2 不同厚度雞胸肉阻抗幅值差值獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)Table 2 Independent sample t test of impedance amplitude difference of chicken breasts of different thickness

表3 針式電極測量兩種厚度下從低頻到高頻所獲得的15 個樣本的相位角絕對值的差值Table 3 The needle electrode measures the absolute difference of the phase angle of 15 samples obtained from low frequency to high frequency under two thicknesses

表4 不同厚度雞胸肉相位角絕對值差值獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)Table 4 Independent sample t test of absolute difference of phase angle of chicken breasts of different thickness

3 結(jié)論

本文采用針式電極和片式電極測量冷鮮雞胸肉樣品的阻抗特征值，確定了雞胸肉樣品阻抗幅值和相位角與測量方向之間的關(guān)系，垂直于肌纖維方向測得阻抗幅值高于平行于肌纖維方向的阻抗幅值，符合生物組織的各向異性規(guī)律，垂直方向下測得阻抗數(shù)據(jù)的誤差更?。淮_定了雞胸肉樣品阻抗幅值和相位角與測試樣品厚度之間的關(guān)系，樣品厚度40 mm 時測得阻抗幅值高于樣品厚度20 mm 時測得阻抗幅值，且樣品厚度40 mm 時測得阻抗數(shù)據(jù)的誤差更小。通過主成分分析得分圖和DI 值相結(jié)合的方法，確定了針式電極對測試條件改變時雞胸肉樣品阻抗特性的區(qū)分辨別能力優(yōu)于片式電極。對采用針式電極測得阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行差值轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行定量的方差分析，確定了使用針式電極測得雞胸肉樣品從低頻到高頻阻抗幅值的差值和相位角絕對值的差值在區(qū)分不同測試樣品厚度時具有統(tǒng)計學(xué)上的顯著意義（P<0.05）。因此，測試電極為針式結(jié)構(gòu)，測量方向?yàn)榇怪庇诩±w維方向，樣品厚度為40 mm 的測試條件下，電極對阻抗特征值的響應(yīng)力強(qiáng)，準(zhǔn)確性高，適合冷鮮雞胸肉的阻抗特性檢測，而對片式結(jié)構(gòu)電極的表面涂層優(yōu)化設(shè)計及減小電極極化現(xiàn)象有待進(jìn)一步研究，比如在電極外側(cè)鑲一層鉑黑來增大電極表面積，從而消除電極極化的影響[38]。