Research on the Effect of Different Electrode Structures on the Response Effect of Chilled Chicken Breast Impedance
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摘要: 采用针式电极和片式电极测量冷却鸡胸肉的阻抗幅值和相位角，研究测量方向和测试样品厚度与鸡胸肉阻抗特征值的关系；通过主成分分析得分图和DI值相结合的方法评价两种电极对鸡胸肉阻抗特征值区分辨别的能力；再对采用针式电极获得的鸡胸肉阻抗谱进行定量的方差分析，用统计方法确定针式电极对测试样品厚度变化的响应能力。结果表明：垂直于鸡胸肉肌纤维方向测量的阻抗幅值大于平行于肌纤维方向的阻抗幅值，符合生物组织的各向异性；同一频率下测试样品厚度40 mm时的阻抗幅值高于测试样品厚度20 mm时的阻抗幅值；针式电极对不同测量方向阻抗特征值的区分效果好，辨别值DI=85.47%；使用针式电极测得鸡胸肉样品从低频到高频的阻抗特征值的差值转换来区分不同样品厚度具有统计学上的显著意义（P<0.05）。通过针式电极垂直于鸡胸肉肌纤维方向测量阻抗特征值的准确性高，可以为后续采用电阻抗技术实现鸡胸肉在线快速检测提供参考。Abstract: The impedance amplitude and phase angle of chilled chicken breast were measured with needle electrode and chip electrode, and the relationship between the measurement direction and the thickness of the test sample and the impedance characteristic value of chilled chicken breast was studied. The method of combining the principal component analysis score map and the DI value was used to evaluate the ability of the two electrodes to distinguish the characteristic value of chicken breast impedance. Quantitative analysis of variance was carried out on the impedance spectra of chicken breast obtained by the needle electrode, and the statistical method was used to determine the response ability of the needle electrode to the thickness change of the test sample. The results showed that the impedance amplitude measured perpendicular to the direction of the muscle fibers of chicken breast meat was greater than the impedance amplitude measured in the direction parallel to the muscle fibers, which was consistent with the anisotropy of biological tissues. At the same frequency, the impedance amplitude when the thickness of the test sample was 40 mm was higher than the impedance amplitude when the thickness of the test sample was 20 mm. The needle electrode had a good effect on distinguishing characteristic values of impedance in different measurement directions with 85.47% distinction index. It was statistically significant to use the needle electrode to measure the difference conversion of the impedance characteristic value of the chicken breast from low frequency to high frequency to distinguish different sample thicknesses (P<0.05). The measurement of impedance characteristic values through the needle electrode perpendicular to the direction of the chicken breast muscle fiber has high accuracy, which can provide a reference for the subsequent use of electrical impedance technology to achieve online rapid detection of chicken breast.
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我国是鸡的养殖和消费大国，在我国，鸡肉已成为仅次于猪肉的第二大消费肉类[1]。2020年数据显示，我国鸡肉消费量较2019年同比增长13.2%[2]。鸡肉因其高蛋白、低脂肪、低热量的特点受到众多消费者喜爱[3]，鸡胸肉品质与其加工所得产品质量直接相关，优质鸡胸肉对于企业和消费者有着重要意义。
传统肉品品质检测方法主要依靠感官、理化和微生物指标检测，耗时长，需要多种配套仪器，操作较为繁琐[4]。电阻抗检测技术凭借仪器简单、操作方便、检测快捷等优势，一直是研究热点[5]，其原理与生物组织导电性有关。生物组织由大量细胞构成，当交流电通过时，细胞膜可以看作电容器，当电流频率较低时，细胞膜容抗很大，电流主要流过细胞间隙；当电流频率较高时，电流可以流过整个细胞群体，细胞膜的容抗此时可以忽略。当细胞膜完整性遭到破坏时，生物组织的电阻抗值会发生相应改变[6]，因此，电阻抗能够作为反映生物组织生理生化变化的参数。将电阻抗技术应用于肉品品质控制的研究已有很多，比如牛肉成熟过程中质构特性[7]和脂肪含量[8]的预测、猪肉和牛肉新鲜度的预测[9-10]、羊肉僵直成熟进程的监测[11]、注水猪肉的检测[12]、腌肉中盐分含量的检测[13]、禽蛋中沙门氏菌的检测[14]等。在鸡肉阻抗方面的研究包括鸡胸肉冻融次数的判别[15]、冷鲜鸡胸肉和解冻鸡胸肉的分类[16]、冻藏温度对鸡肉电阻抗的影响[17]、正常鸡胸肉和木质化鸡胸肉的区分[18]等。
利用电阻抗技术检测肉品品质时，电极是检测系统的重要组成部分，它不但是激励信号的施加器件，还是信号提取的关键器件，电极结构会影响实验结果的准确性和重复性[19]。和医学领域的非侵入式生物电阻抗检测研究[20-22]相比，目前肉类电阻抗检测中多采用侵入式电极[23-27]，而非侵入式电极的应用相对滞后，因此需要加大对非侵入式肉类阻抗检测方式的研究，实现真正的无损检测。此外，肌肉组织的阻抗具有较强的各向异性[28]，阻抗测量方向的选择对检测结果有直接影响。同时，肉品电阻抗研究中测试样品的形状和大小并不统一，而肌肉中含水量约为75%左右[29]，其中游离水占肌肉含水量的85%以上[30]，测试样品厚度变化时，水分通过毛细管通路形成的电路范围不同，也可能影响检测电阻抗结果。所以急需对阻抗测量中的电极结构、测量方向和样品厚度三方面进行专门研究。
本文以冷鲜鸡胸肉为研究对象，采用针式和片式两种结构的电极探究测量方向和测试样品厚度两个因素与阻抗特征值之间的关系，通过主成分分析（principal component analysis，PCA）和辨别值（discrimination index，DI）相结合的方式比较两种结构的电极在相同测试条件下对鸡胸肉阻抗特征值的响应能力，并进一步对采用针式电极从低频到高频测得的阻抗特征值进行差值转换计算和定量的方差分析，用统计方法分析采用针式电极区分不同厚度样品的阻抗特征值时是否具有统计学显著意义，以确定适宜的测试电极、测量方向和样品厚度，为建立基于阻抗特性的鸡胸肉在线快速检测提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
鸡胸肉 江苏益客食品集团股份有限公司。
TH2829A电学阻抗测试仪 常州同惠电子科技有限公司；两排六针式电极（以紫铜为原料，长度：15 mm，电极间距15 mm，如图1a所示）；四片式电极（以紫铜为原料，表面附着金涂层，激励电极长度×宽度：10 mm×4 mm，激励电极间距40 mm，测量电极长度×宽度：8 mm×4 mm，测量电极间距8 mm，如图1b所示）。
1.2 实验方法
1.2.1 实验设计
a. 采用针式电极和片式电极分别沿垂直和平行于肌纤维方向测量厚度40 mm鸡胸肉样品的阻抗特征值，研究阻抗幅值和相位角与测量方向的关系。b. 采用针式电极和片式电极沿垂直于肌纤维方向分别测量厚度40 mm和厚度20 mm鸡胸肉样品的阻抗特征值，研究阻抗幅值和相位角与测试样品厚度的关系。c. 将主成分分析得分图和DI值相结合，评价两种结构的电极对鸡胸肉样品阻抗特征值随测量方向和测试样品厚度变化的响应能力。d. 对采用针式电极获得的阻抗数据进行差值转换后进行定量的方差分析，用统计方法进一步分析采用针式电极测量的鸡胸肉样品阻抗特征值对区分测试样品厚度是否具有统计学显著意义。
1.2.2 样品制备
选择鸡胸肉的龙骨突前侧外部，将鸡胸肉切割成长度40 mm、宽度40 mm、厚度40 mm以及长度40 mm、宽度40 mm、厚度20 mm两种规格的肉块。
1.2.3 阻抗特征值测量
阻抗特征值包括阻抗幅值和相位角。测量方向为平行于肌纤维方向和垂直于肌纤维方向，如图2所示，通过高精度LCR数字电桥从0.06~200 kHz取15个频点（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），频率由低到高，测量每块鸡胸肉样品在15个频点处的阻抗幅值和相位角数据。测试时对一块样本的同一位置进行5次测量，对阻抗幅值和相位角数据做平均处理作为1组测量值，每次每组5个平行样品，全部测试过程重复3次取平均值。
1.2.4 主成分分析
利用SIMCA-P14.0软件采用主成分分析方法，依次选择阻抗幅值数据、相位角数据，以及将阻抗幅值和相位角数据同时作为被测鸡胸肉样品的变量。以行向量代表样品，纵向量代表变量，将不同结构的电极在不同频率的数据分别保存为数据表格，做主成分分析。使用主成分分析法对数据进行降维，排除众多信息中互相重叠部分，从主成分分析得分图上，对不同测试条件下的鸡胸肉样品进行区分识别。
1.2.5 DI值计算
DI值[31]可以用来表示测量数据经过主成分分析后不同组别样品之间的区分辨别能力。DI值作为电极区分能力的一个重要指标，计算情况一般分为两种：各个区域明确分开，则如式（1）所示；区域间有重叠部分存在，则如式（2）所示。样品区域区分示意图如图3所示。
DI(%)=(1−∑SiS总)×100 (1) DI(%)=−∑SiS总×100 (2) 式中：Si指单个样品的区域面积；S总表示的是所有区域的总体面积。DI值越大表示区分的效果越理想，两组样品之间的间距也越大，反之，DI值越小表示区分效果越差。通常认为DI高于80%时表示区分效果达到理想状态[32]。
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图 3 样品区域区分示意图注：（a）没有重叠部分，（b）有重叠部分。Figure 3. Schematic representation of regional division for principal component analysis1.2.6 阻抗特征值差值转换计算
在0.06~200 kHz频率范围内，测量40 mm和20 mm两种厚度鸡胸肉样品的阻抗幅值和相位角，对阻抗幅值和相位角进行差值转换计算，公式具体见式（3）和式（4），每组均为15块鸡胸肉样品。
ΔZ(fi)=Z(f0.06kHz)−Z(f200kHz) (3) Δθ(fi)=|θ(f0.06kHz)|−|θ(f200kHz)| (4) 其中，ΔZ（fi）表示幅值差，Z（f0.06 kHz）和Z（f200 kHz）分别为频率在0.06 kHz和200 kHz处的阻抗幅值；Δθ（fi）表示相位差，|θ（f0.06 kHz）|和|θ（f200 kHz）|分别为频率在0.06 kHz和200 kHz处相位角的绝对值。
1.3 数据分析
实验数据使用统计学软件SPSS 25.0进行分析。数据满足正态分布时，两组间比较采用t检验，不满足正态分布时，两组间比较采用Mann-Whitney U检验，P<0.05表示差异具有统计学意义，使用Origin Pro 2021软件进行制图及DI值计算。绘制阻抗图时，依据阻抗分析惯例，在水平轴上采用以10为底数的对数刻度，对测试频率进行对数转换。
2. 结果与分析
2.1 阻抗幅值和相位角与测量方向的关系
采用针式电极和片式电极分别沿垂直和平行于肌纤维方向测量鸡胸肉样品的阻抗幅值和相位角，得出阻抗幅值和相位角与不同测量方向的关系，如图4所示。由图4a可知，在0.06~200 kHz整个频段内，针式电极垂直于肌纤维方向测得阻抗幅值始终高于平行于肌纤维方向的阻抗幅值（P<0.05），与谢翌冬等[28]研究猪肉阻抗的方向各异性时结果一致。这与肌肉纤维的结构密切相关，肌肉由许多肌纤维束包裹着结缔组织构成，当电极测量方向垂直于肌纤维方向时，电流穿过结缔组织及细胞膜穿过细胞内液，而平行于肌纤维测量时则电流只流经细胞外液[23]。此外，低频段时两个方向的阻抗幅值差异大，高频段时两者差异减小，这种高频段和低频段测量结果差异性的原因是肌纤维和肌纤维膜在垂直于肌纤维方向的分布密度大，因此在低频率时肌纤维方向对生物电阻抗的影响较大，但在高频率时高密度膜的存在起到了高频放电的作用，因此肌纤维方向对生物电阻抗的影响不十分明显，两个方向阻抗的差值也就变得越来越小。由图4b可知，片式电极测得阻抗幅值与测量方向的关系与针式电极类似，垂直于肌纤维方向的阻抗幅值大于平行于肌纤维方向的阻抗幅值，从0.15 kHz开始两个方向的阻抗幅值差异显著（P<0.05）。
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图 4 阻抗幅值和相位角分别与测量方向的关系曲线注：（a）针式电极幅频曲线，（b）片式电极幅频曲线，（c）针式电极相频曲线，（d）片式电极相频曲线；图5同。Figure 4. Relation curve between impedance amplitude and phase angle and measurement direction相位角可以体现出生物组织中具有电容特性的组分和具有电阻特性组分之间的相对关系[33]。有研究认为垂直和平行于肌纤维方向测得相位角没有显著差异[34]。然而本研究结果与上述结果有所不同。由图4c可知，随着测量频率增大，针式电极测得相位角绝对值在低频段呈现下降趋势，此时平行于肌纤维方向的相位角绝对值大于垂直方向的相位角绝对值（P<0.05），相位角在中高频段呈现波动变化，且在5 kHz后垂直方向的相位角绝对值大于平行方向的相位角绝对值（P<0.05）。在0.06~200 kHz整个频段内，针式电极测得相位角始终小于0，在低频段随着频率增加相位角逐渐接近0，在1.5 kHz之后相位角出现波动后保持稳定。由图4d可知，片式电极测得相位角随着测量频率上升始终呈现下降趋势，垂直方向测得相位角下降较平缓，平行方向测得相位角在5 kHz之后骤降，且垂直方向的相位角始终大于平行方向的相位角（P<0.05）。整个频段范围内片式电极测得相位角始终大于0，且相位角随着频率的升高逐渐接近0。由于导体的导电能力与导电通路的长度及截面积直接相关[35]，利用针式和片式两种电极测定相同厚度不同方向下鸡胸肉样品的相位角时，理论上导电通路的截面积及电极与鸡胸肉组织的接触面积均未发生改变，因而通过两种电极测得表征容性和阻性成分相对关系的相位角均未随电极测量方向的变化发生明显的改变。
2.2 阻抗幅值和相位角与测试样品厚度的关系
从2.1的实验结果中得出，大部分情况下垂直于肌纤维方向的阻抗响应值大于平行于肌纤维方向，同时结合前人的阻抗测量设置[11,28,36-37]，故本部分实验采用针式电极和片式电极垂直于肌纤维方向分别测定厚度40 mm和20 mm鸡胸肉样品的阻抗幅值和相位角，得出阻抗幅值和相位角与测试样品厚度的关系，如图5所示。由图5a可知，采用针式电极测量时，在0.06~100 kHz频率范围内，同一频率下样品厚度为40 mm时测得阻抗幅值均高于20 mm时的阻抗幅值（P<0.05），在200 kHz时两种厚度鸡胸肉样品的阻抗幅值大小接近。由图5b可知，同一频率下，采用片式电极测得厚度40 mm鸡胸肉样品的阻抗幅值高于厚度20 mm鸡胸肉样品的阻抗幅值，且从0.8 kHz开始差异显著（P<0.05）。采用片式电极测得阻抗幅值与测试样品厚度的关系与针式电极基本一致，同一频率下厚度40 mm鸡胸肉样品的阻抗幅值高于厚度20 mm鸡胸肉样品的阻抗幅值（P<0.05）。表明鸡胸肉样品阻抗幅值的测量值在一定程度上受到测试样品厚度的影响。
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图 5 阻抗幅值和相位角分别与测试样品厚度的关系曲线Figure 5. Relation curve between impedance amplitude and phase angle and the thickness of test samples采用两种电极测量相位角与测试样品厚度的关系得到了相反的结果。由图5c可知，低频段（0.06~1.5 kHz）内采用针式电极测得厚度20 mm时相位角绝对值高于厚度40 mm时相位角绝对值（P<0.05），而中高频段（5~200 kHz）内厚度20 mm样品的相位角绝对值低于厚度40 mm样品的相位角绝对值（P<0.05）。在0.06~200 kHz整个频段内，针式电极测得相位角始终小于0，在低频段随着频率增加相位角逐渐接近0，在1.5 kHz之后相位角出现波动后保持稳定。由图5d可知，采用片式电极测得厚度40 mm时相位角在0.06~1.5 kHz范围内高于厚度20 mm时相位角，而在1.5 kHz后厚度40 mm时相位角低于厚度20 mm时相位角，除了最高频点200 kHz外均无显著差异（P>0.05）。整个频段范围内片式电极测得相位角始终大于0，且相位角随着频率的升高逐渐接近0。故表征容性和阻性成分相对关系的相位角并未随测试样品厚度的变化发生明显的改变。
2.3 采用不同电极对阻抗幅值的区分分析
图6是针式电极和片式电极分别测得不同测量方向及不同测试样品厚度下阻抗幅值的主成分得分图，其中5个记号点分别代表5个鸡胸肉样品，记号点围成的区域代表样品的整体特性，下同。从图6a和图6b中看出，采用针式电极和片式电极测得垂直和平行方向的阻抗幅值之间均无重叠，区分明显，这与图4a和图4b中不同方向阻抗幅值之间差异显著的结论相吻合。比较两图可知，针式电极测得不同组鸡胸肉样品之间的距离更大，表明针式电极对不同测量方向阻抗幅值的区分能力更强。从测量方向来看，和平行方向相比，垂直测量时在相同测试样品厚度下阻抗幅值数据散点在主成分分析图上分布相对更为集中，说明设定垂直测试条件可使鸡胸肉样品阻抗幅值数据重复性更高。
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图 6 不同测量方向及不同测试样品厚度下阻抗幅值的主成分得分图注：（a）针式电极不同测量方向阻抗幅值的PCA分析，（b）片式电极不同测量方向阻抗幅值的PCA分析，（c）针式电极不同测试样品厚度阻抗幅值的PCA分析，（d）片式电极不同测试样品厚度阻抗幅值的PCA分析。Figure 6. Principal component score chart of impedance amplitude under different measurement directions and different thickness of test samples从图6c和图6d中看出，采用两种电极测得不同厚度鸡胸肉样品阻抗幅值的主成分得分值的区域之间也无重叠，这与图5a和图5b中不同测试样品厚度之间阻抗幅值差异显著的结论相吻合。比较两图可知，针式电极测得不同组样品之间的距离较大，表明针式电极对不同厚度鸡胸肉样品阻抗幅值的区分效果较好；而片式电极测得不同组样品之间距离较近，表明片式电极对不同厚度鸡胸肉样品的阻抗幅值差异的区分效果不太理想。如图6c所示，采用针式电极测量时，从测试样品厚度方面来看，和厚度20 mm的鸡胸肉样品相比，厚度40 mm的鸡胸肉样品在相同测量方向下阻抗幅值数据散点在主成分分析图上分布相对更为集中，同时，对比两种电极对不同厚度样品测得幅频曲线和相频曲线的误差棒大小也发现，样品厚度为40 mm时测量曲线的误差棒小于样品厚度为20 mm时测量曲线的误差棒，这说明本研究设定的样品厚度40 mm测试条件可以使阻抗数据的误差更小。
将主成分分析得分图和DI值相结合，有助于更全面地分析比较针式和片式两种结构电极对冷鲜鸡胸肉阻抗特性的区分辨别能力。图7给出了针式电极和片式电极对不同测量方向及不同测试厚度鸡胸肉样品阻抗幅值的区分辨别能力。可以看到，针式电极和片式电极对不同测量方向下鸡胸肉样品阻抗幅值的DI值分别为90.04%和75.14%，结合比较图6a和图6b，说明针式电极能够有效区分不同测量方向的阻抗幅值，片式电极对不同测量方向的阻抗幅值虽然也有一定的区分作用，但效果不如针式电极理想。因此，单独对不同测量方向下鸡胸肉样品的阻抗幅值数据进行主成分分析时，针式电极区分效果更好。
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图 7 不同测量方向及不同测试样品厚度下阻抗幅值的区分DI值Figure 7. Differentiating DI value of impedance amplitude under different measuring directions and different thickness of test samples针式电极和片式电极对不同测试厚度鸡胸肉样品阻抗幅值的DI值分别为76.89%和42.80%，结合比较图6c和图6d，发现针式电极对不同测试厚度鸡胸肉样品的阻抗幅值有一定区分效果，而片式电极对不同测试厚度鸡胸肉样品的阻抗幅值区分能力较弱。
2.4 采用不同电极对相位角的区分分析
图8是针式电极和片式电极分别测得不同测量方向及不同测试样品厚度下相位角的主成分得分图。从图8a和图8b中看出，两种电极测得垂直和平行方向的相位角之间均无重叠，表明两种电极对不同方向的相位角均有较好的区分作用，这与图4c和图4d中不同方向相位角之间差异显著的结论相吻合。
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图 8 不同测量方向及不同测试样品厚度下相位角的主成分得分图注：（a）针式电极不同测量方向相位角的PCA分析，（b）片式电极不同测量方向相位角的PCA分析，（c）针式电极不同测试样品厚度相位角的PCA分析，（d）片式电极不同测试样品厚度相位角的PCA分析。Figure 8. Principal component score graph of phase angle under different measurement directions and different thickness of test samples从图8c中看出，采用针式电极测得不同测试厚度鸡胸肉样品相位角的主成分得分值的区域之间虽无重叠，但两区域距离较近，区分度较差。从图8d中看出，片式电极测得不同测试厚度鸡胸肉样品相位角的主成分得分值的区域之间存在较大重叠，无法区分。
图9给出了针式电极和片式电极对不同测量方向及不同测试厚度鸡胸肉样品相位角的区分辨别能力。针式电极和片式电极对不同测量方向下鸡胸肉样品相位角的DI值分别为71.44%和88.58%，结合图8a和图8b可以发现，两种电极对不同测量方向下的相位角均可进行一定区分，且片式电极区分效果更佳。
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图 9 不同测量方向及不同测试样品厚度下相位角的区分DI值Figure 9. Differentiating DI value of phase angle under different measuring directions and different thickness of test samples针式电极和片式电极对不同测试厚度鸡胸肉样品相位角的DI值分别为45.97%和−99.45%，结合图8c和图8d可以得出，针式电极对不同测试厚度鸡胸肉样品相位角的差异存在微弱响应，而片式电极基本无响应。虽然利用针式和片式两种电极测定相同方向不同厚度下鸡胸肉样品的相位角时，两种电极与生物组织的接触面积及片式电极对应导电通路的截面积均保持不变，但针式电极对应导电通路的截面积可能随鸡胸肉样品厚度增加而扩大，故在鸡胸肉样品测试厚度变化时，针式电极仍具有一定响应能力。因此，单独对不同测试厚度鸡胸肉样品的相位角数据进行主成分分析时，针式电极区分效果相对优于片式电极。
2.5 采用不同电极对阻抗特征值（阻抗幅值及相位角）的区分分析
上述实验中，单独对阻抗幅值数据或相位角数据进行主成分分析，得到针式电极和片式电极对测量方向及测试样品厚度变化的响应度并不统一，难以评价二者对不同测试条件下鸡胸肉样品阻抗特性差异的敏感性。因此，将两种电极测得不同测量方向及不同测试样品厚度下的阻抗幅值和相位角数据同时进行主成分分析，得到如图10所示的主成分得分图。从图10a和图10b中看出，针式电极和片式电极测得垂直和平行方向的阻抗特征值之间均无重叠，针式电极测得不同组鸡胸肉样品之间的距离更大。从测量方向来看，和平行方向相比，垂直测量时相同测试样品厚度下阻抗数据散点在主成分分析图上分布相对更为集中，这说明垂直测试条件下鸡胸肉样品阻抗数据重复性更高。
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图 10 不同测量方向及不同测试样品厚度下阻抗特征值（阻抗幅值及相位角）的主成分得分图注：（a）针式电极不同测量方向阻抗特征值的PCA分析，（b）片式电极不同测量方向阻抗特征值的PCA分析，（c）针式电极不同测试样品厚度阻抗特征值的PCA分析，（d）片式电极不同测试样品厚度阻抗特征值的PCA分析。Figure 10. Principal component score chart of impedance characteristic values（impedance amplitude and phase angle）under different measurement directions and different thicknesses of test samples由图10c可以看出，采用针式电极测得不同测试厚度鸡胸肉样品阻抗特征值的主成分得分值的区域之间虽无重叠，但距离较近，区分效果不理想。在图10d中，片式电极测得不同测试厚度鸡胸肉样品阻抗特征值的主成分得分值的区域之间存在重叠，难以区分。
图11给出了针式电极和片式电极对不同测量方向及不同测试厚度鸡胸肉样品阻抗特征值的区分辨别能力。针式电极和片式电极对不同测量方向鸡胸肉样品阻抗特征值的DI值分别为85.47%和80.39%，这表明，当对鸡胸肉样品的阻抗幅值和相位角数据同时进行主成分分析时，两种电极均可对测量方向变化产生良好响应，且针式电极响应更强。结合比较图10a和图10b，也可以发现针式电极测得平行和垂直方向之间阻抗特征值的差异更明显。因此，对于不同测量方向鸡胸肉样品阻抗特性的区分能力，针式电极优于片式电极。
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图 11 不同测量方向及不同测试样品厚度下阻抗特征值（阻抗幅值及相位角）的区分DI值Figure 11. Differentiating DI value of impedance characteristic value（impedance amplitude and phase angle）under different measuring directions and different thickness of test samples针式电极和片式电极对不同测试厚度鸡胸肉样品阻抗特征值的DI值分别为63.63%和−65.22%，结合图10c和图10d，可以发现针式电极对鸡胸肉样品的测试厚度变化存在比较微弱的响应，而片式电极无法区分不同测试厚度鸡胸肉样品间阻抗特性的差异。
将不同测试条件下鸡胸肉样品的阻抗幅值和相位角数据同时进行主成分分析，发现针式电极对不同测量方向及不同测试厚度下鸡胸肉样品阻抗特征值总体响应能力均优于片式电极。一方面，可能是因为针式电极插入鸡胸肉组织内部，而片式电极贴在鸡胸肉组织表面，电流只流过了靠近电极的肌肉表层，不能很好地流经肌肉组织，肌肉组织内部电流密度小，该检测系统仅对肌肉表层阻抗的变化敏感，而无法检测内部组织的信息[37]，因而表现为片式电极对测量方向及测试样品厚度变化的响应较弱。另一方面，金的导电性比紫铜差，这可能是片式电极对电流变化灵敏度低的原因之一。除此之外，对比两种电极幅频和相频曲线误差棒的大小可知，片式电极阻抗特性曲线误差棒明显大于针式电极，可能是因为本实验使用的片式电极自身产生了电极极化现象，阻碍电流进入待测样品，因而其影响测量结果的准确性。而针式电极测得阻抗幅值变化范围大，研究起来更方便，误差小，结果更直观。因此，本实验使用针式电极对冷鲜鸡胸肉阻抗特征值的响应能力更强，测量准确性更高，而片式电极在电流激励信号施加和测量信号提取方面还有待改进。
2.6 电极对测试样品厚度差异的区分
在研究上述两种结构的电极对测试样品厚度差异的响应时，不论是单独对阻抗幅值数据或相位角数据进行主成分分析还是对二者同时进行主成分分析，片式电极对于测试样品厚度变化的响应始终比较微弱，这表明片式电极无法区分辨别测试样品厚度导致的鸡胸肉样品阻抗特性的差异，因此后续实验不再研究片式电极对测试样品厚度的区分辨别。针式电极对测试样品厚度变化存在一定程度的响应，但区分效果未达到理想状态，因此，对采用针式电极测定的不同测试厚度的鸡胸肉样品的阻抗特征值进行差值转换，用统计方法进一步分析评价其对测试样品厚度变化的区分辨别能力。
采用针式电极分别测量40 mm和20 mm两种测试厚度鸡胸肉样品在最低频点0.06 kHz和最高频点200 kHz处的阻抗幅值和相位角，计算两种厚度鸡胸肉样品各自最低频点与最高频点间阻抗幅值的差值和相位角绝对值的差值，如表1和表3所示。表2为表1的检验结果，表4为表3的检验结果，统计学显著意义取P=0.05进行分析。可见，使用针式电极从低频到高频测得的幅值差和相位差来区分不同测试样品厚度是具有统计学上的显著意义的（P<0.05）。
表 1 针式电极测量两种厚度下从低频到高频所获得的15个样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样品厚度
（mm）样本编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 40 131.21 129.73 128.58 120.65 119.84 118.93 121.60 120.96 120.40 109.42 109.07 135.51 110.36 127.35 108.21 20 109.54 105.65 77.19 86.62 90.83 89.52 108.54 108.82 73.74 105.97 95.00 115.12 102.61 117.48 109.06 表 3 针式电极测量两种厚度下从低频到高频所获得的15个样本的相位角绝对值的差值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样品厚度
（mm）样本编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 40 0.30 0.30 0.30 0.31 0.31 0.31 0.28 0.29 0.29 0.32 0.32 0.28 0.30 0.27 0.35 20 0.34 0.38 0.61 0.49 0.39 0.48 0.35 0.35 0.60 0.31 0.55 0.38 0.40 0.26 0.32 表 2 不同厚度鸡胸肉阻抗幅值差值独立样本t检验Table 2. Independent sample t test of impedance amplitude difference of chicken breasts of different thickness阻抗幅值差值 方差方程的Levene检验 均值方程的t检验 F Sig. t df Sig.（双侧） 假设方差相等 4.866 0.036 5.100 28 0.000 假设方差不相等 5.100 23.874 0.000 表 4 不同厚度鸡胸肉相位角绝对值差值独立样本t检验Table 4. Independent sample t test of absolute difference of phase angle of chicken breasts of different thickness相位角绝对值差值 方差方程的Levene检验 均值方程的t检验 F Sig. t df Sig.（双侧） 假设方差相等 23.734 0.000 −3.969 28 0.000 假设方差不相等 −3.969 14.941 0.001 3. 结论
本文采用针式电极和片式电极测量冷鲜鸡胸肉样品的阻抗特征值，确定了鸡胸肉样品阻抗幅值和相位角与测量方向之间的关系，垂直于肌纤维方向测得阻抗幅值高于平行于肌纤维方向的阻抗幅值，符合生物组织的各向异性规律，垂直方向下测得阻抗数据的误差更小；确定了鸡胸肉样品阻抗幅值和相位角与测试样品厚度之间的关系，样品厚度40 mm时测得阻抗幅值高于样品厚度20 mm时测得阻抗幅值，且样品厚度40 mm时测得阻抗数据的误差更小。通过主成分分析得分图和DI值相结合的方法，确定了针式电极对测试条件改变时鸡胸肉样品阻抗特性的区分辨别能力优于片式电极。对采用针式电极测得阻抗数据进行差值转换，然后进行定量的方差分析，确定了使用针式电极测得鸡胸肉样品从低频到高频阻抗幅值的差值和相位角绝对值的差值在区分不同测试样品厚度时具有统计学上的显著意义（P<0.05）。因此，测试电极为针式结构，测量方向为垂直于肌纤维方向，样品厚度为40 mm的测试条件下，电极对阻抗特征值的响应力强，准确性高，适合冷鲜鸡胸肉的阻抗特性检测，而对片式结构电极的表面涂层优化设计及减小电极极化现象有待进一步研究，比如在电极外侧镶一层铂黑来增大电极表面积，从而消除电极极化的影响[38]。
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图 3 样品区域区分示意图
注：（a）没有重叠部分，（b）有重叠部分。
Figure 3. Schematic representation of regional division for principal component analysis
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图 4 阻抗幅值和相位角分别与测量方向的关系曲线
注：（a）针式电极幅频曲线，（b）片式电极幅频曲线，（c）针式电极相频曲线，（d）片式电极相频曲线；图5同。
Figure 4. Relation curve between impedance amplitude and phase angle and measurement direction
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图 5 阻抗幅值和相位角分别与测试样品厚度的关系曲线
Figure 5. Relation curve between impedance amplitude and phase angle and the thickness of test samples
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图 6 不同测量方向及不同测试样品厚度下阻抗幅值的主成分得分图
注：（a）针式电极不同测量方向阻抗幅值的PCA分析，（b）片式电极不同测量方向阻抗幅值的PCA分析，（c）针式电极不同测试样品厚度阻抗幅值的PCA分析，（d）片式电极不同测试样品厚度阻抗幅值的PCA分析。
Figure 6. Principal component score chart of impedance amplitude under different measurement directions and different thickness of test samples
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图 7 不同测量方向及不同测试样品厚度下阻抗幅值的区分DI值
Figure 7. Differentiating DI value of impedance amplitude under different measuring directions and different thickness of test samples
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图 8 不同测量方向及不同测试样品厚度下相位角的主成分得分图
注：（a）针式电极不同测量方向相位角的PCA分析，（b）片式电极不同测量方向相位角的PCA分析，（c）针式电极不同测试样品厚度相位角的PCA分析，（d）片式电极不同测试样品厚度相位角的PCA分析。
Figure 8. Principal component score graph of phase angle under different measurement directions and different thickness of test samples
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图 9 不同测量方向及不同测试样品厚度下相位角的区分DI值
Figure 9. Differentiating DI value of phase angle under different measuring directions and different thickness of test samples
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图 10 不同测量方向及不同测试样品厚度下阻抗特征值（阻抗幅值及相位角）的主成分得分图
注：（a）针式电极不同测量方向阻抗特征值的PCA分析，（b）片式电极不同测量方向阻抗特征值的PCA分析，（c）针式电极不同测试样品厚度阻抗特征值的PCA分析，（d）片式电极不同测试样品厚度阻抗特征值的PCA分析。
Figure 10. Principal component score chart of impedance characteristic values（impedance amplitude and phase angle）under different measurement directions and different thicknesses of test samples
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图 11 不同测量方向及不同测试样品厚度下阻抗特征值（阻抗幅值及相位角）的区分DI值
Figure 11. Differentiating DI value of impedance characteristic value（impedance amplitude and phase angle）under different measuring directions and different thickness of test samples
表 1 针式电极测量两种厚度下从低频到高频所获得的15个样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
样品厚度
（mm）样本编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 40 131.21 129.73 128.58 120.65 119.84 118.93 121.60 120.96 120.40 109.42 109.07 135.51 110.36 127.35 108.21 20 109.54 105.65 77.19 86.62 90.83 89.52 108.54 108.82 73.74 105.97 95.00 115.12 102.61 117.48 109.06 
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表 3 针式电极测量两种厚度下从低频到高频所获得的15个样本的相位角绝对值的差值
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
样品厚度
（mm）样本编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 40 0.30 0.30 0.30 0.31 0.31 0.31 0.28 0.29 0.29 0.32 0.32 0.28 0.30 0.27 0.35 20 0.34 0.38 0.61 0.49 0.39 0.48 0.35 0.35 0.60 0.31 0.55 0.38 0.40 0.26 0.32
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表 2 不同厚度鸡胸肉阻抗幅值差值独立样本t检验
Table 2 Independent sample t test of impedance amplitude difference of chicken breasts of different thickness
阻抗幅值差值 方差方程的Levene检验 均值方程的t检验 F Sig. t df Sig.（双侧） 假设方差相等 4.866 0.036 5.100 28 0.000 假设方差不相等 5.100 23.874 0.000
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表 4 不同厚度鸡胸肉相位角绝对值差值独立样本t检验
Table 4 Independent sample t test of absolute difference of phase angle of chicken breasts of different thickness
相位角绝对值差值 方差方程的Levene检验 均值方程的t检验 F Sig. t df Sig.（双侧） 假设方差相等 23.734 0.000 −3.969 28 0.000 假设方差不相等 −3.969 14.941 0.001
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