《食品科学》：浙江海洋大学袁鹏翔副教授等：利用电化学阻抗谱快速评估冰藏早期大黄鱼肌肉细胞状态与品质劣变

大黄鱼（Larimichthys crocea）是我国东南沿海最具商业价值的海水养殖品种之一，2024年产量达29.26万 t，约占全国鱼类海水养殖总产量的13.53%，稳居全国第二。但因其肉质细嫩、水分含量高、组织蛋白酶活性强，在贮藏过程中极易发生组织软化、汁液流失、风味丧失等品质劣变现象，不仅造成巨大的经济损失，也带来潜在的食品安全风险。鱼体的品质劣变本质上是肌肉细胞在能量消耗及能量代谢紊乱或终止后发生的一系列复杂的物理、化学和生物学变化的综合体现。从细胞层面看，这是一个从代谢紊乱、功能失调到结构崩塌的动态连续过程。在早期变化中，三磷酸腺苷（ATP）的消耗、糖原酵解、pH值变化以及细胞内外离子失衡是决定后续蛋白质变性、持水性下降及自溶酶激活等品质劣变进程的关键。然而，目前对水产品品质的评估多依赖于持水力、质构特性、鲜度指标（如K值、总挥发性盐基氮含量）及特定酶活性测定等方法，这些常规方法的结果往往滞后于品质变化的实际进程，无法实现早期、连续、无（微）损的动态监测，因而难以精准测定肌肉细胞状态从量变到质变的临界点，从而限制了精准保鲜调控技术的开发与应用。

电化学阻抗谱（EIS）是一种能够通过测量生物组织在不同频率电流下的阻抗响应，从而灵敏、快速表征生物组织和细胞的物理和生理特性的新兴技术。该技术能够将生物微观结构等效为电路元件，进而建立等效电路模型模拟生物的阻抗特性，并已在果蔬、肉类等农产品品质检测及细胞状态评估中展现出巨大的应用潜力。目前，EIS技术多用于检测阻抗幅度和相位角等指标，以评估水产品的组分、品质，但尚未应用等效电路模型深入解析其内在机理。将EIS技术应用于水产品品质监测的研究，有望从细胞电生理角度揭示贮藏早期水产品品质劣变的机制，为建立水产品品质在贮藏过程中的无损、实时监测体系提供全新的理论依据和技术路径。

浙江海洋大学食品与药学学院的祁亚、杨敏和袁鹏翔*等人以养殖大黄鱼为研究对象，分析其在宰后冰藏过程中EIS的动态变化，提取细胞膜电容（Cm）、细胞外液电阻（Re）和细胞内液电阻（Ri）等EIS特征参数并探究其变化规律，同时进一步研究特征参数与关键生化指标（ATP含量、乳酸脱氢酶（LDH）活性、pH值）及常规品质指标（水分活度、持水性、肌肉收缩率、质构特性）之间的关联。通过深入分析特征参数与细胞状态及肌肉状态演变的内在联系，阐释EIS技术评估冰藏大黄鱼细胞状态及肌肉状态动态变化的可行性，旨在为开发水产品品质无（微）损监测智能装备、实现精准保鲜和品质保障提供科学基础。

1 ATP含量变化

由图3可知，大黄鱼ATP含量在冰藏0～4 h显著下降（P＜0.05），4 h时下降至（1.39±1.02）μmol/g；在冰藏4～6 h耗尽。ATP是细胞的能量货币，是细胞能量代谢的核心枢纽，为细胞生理生化过程提供即时可用的化学能，其水解释放的高能磷酸键可为膜系统上的离子泵供能，维持细胞的正常结构和功能。鱼体宰后，细胞通过无氧呼吸将糖原转化为乳酸和ATP，以短期维持ATP的供应。但随着ATP含量的减少，膜系统中的离子泵功能逐渐紊乱，细胞膜通透性异常，进而引发胞内钙离子失控性升高、细胞吸水肿胀、肌肉强力收缩僵直等变化。当ATP含量消耗殆尽时，细胞功能完全丧失，细胞结构完整性也逐渐被破坏，肌肉组织受到不可逆的伤害，开始进入自溶劣变阶段。

2 LDH活性变化

LDH是一种广泛存在于生物体内的稳定的胞浆酶，无法自行穿过细胞膜，当细胞受损伤或死亡时可释放到细胞外，其活性被用于表示细胞膜的完整性、通透性。冰藏大黄鱼的LDH活性变化如图4所示，LDH 活性在冰藏0～1 h显著上升（P＜0.05），1 h时达到最高，为（33.30±1.88）U/mg（1 h为鱼体中心温度降至0 ℃的时间）。冰藏1～4 h虽有下降但仍处于较高水平，4 h后逐渐下降至较低水平。大黄鱼冰藏0～4 h期间，LDH在无氧条件下启动应急模式，促使糖酵解中丙酮酸向乳酸转化，促进ATP生成，这是LDH活性即使在温度降低过程中依然升高并保持高位的主要原因，同时也说明这期间细胞膜结构较为完整。4 h后，大黄鱼细胞膜的完整性和稳定性被持续破坏、通透性功能异常，导致LDH外泄，LDH活性逐渐下降。

3 pH值的变化

由图5可知，冰藏过程中大黄鱼的pH值呈先下降后上升的趋势，于冰藏12 h达到最低点，显著低于冰藏前（P＜0.05），其降低主要是糖原无氧酵解生成乳酸所致。其中，0～10 h期间pH值降低但并不显著，说明肌肉酸碱内环境处于相对稳定的状态。大黄鱼的pH值在冰藏12～24 h上升不显著（P＞0.05），表明鱼体已过渡到轻度自溶阶段，少量蛋白质开始在自身水解酶作用下分解产生碱性物质，致使pH值略有上升。

4 水分活度的变化

水分活度是衡量水分中可被化学反应利用程度的指标，它与水分的结合状态密切相关。如图6所示，大黄鱼的水分活度在冰藏0～1 h显著上升（ P ＜0.05），1～12 h维持在同一水平，12～24 h显著升高，24 h时达到0.92±0.01（ P ＜0.05）。冰藏1 h是鱼体中心温度降至0 ℃的时间，但研究表明，食品水分活度随温度降低而降低，大黄鱼肌肉水分活度在0～1 h不降反升，这说明冰藏前期肌肉内部生化变化是引起水分活度升高的关键因素，这些变化可能减弱了肌浆中蛋白质分子网状结构对水分的吸附作用，从而促使水分活度快速升高。随后，肌肉持续的剧烈收缩可能一定程度上限制了水分的自由移动，肌肉内环境也可能进入了相对稳定期，使得水分活度变化呈现为一个相对平缓的过程。12 h后蛋白质水解释放出更多的自由水，促使水分活度进一步升高，表明鱼体品质进入了加速劣变期。

5 持水性的变化

持水性是肌肉在受到外力作用时可保持原有水分和添加新水分的能力。大黄鱼的持水性在冰藏0～4 h期间显著下降（P＜0.05），由（89.23±1.90）%下降至（79.83±0.93）%（图7），此后维持在同一较低水平。0～4 h，持水性的快速下降可能与肌原纤维网络中水分流失有关；同时，强烈肌肉收缩物理性地挤压肌原纤维之间的水分通道迫使水分挤出，促使了持水性的降低。至4 h时，ATP即将耗尽，肌肉持水结构发生了不可逆的损伤，胞内液开始外渗，并进入一种相对稳定的状态。

6 肌肉伸缩率的变化

由图8可知，大黄鱼肌肉收缩率在冰藏0～4 h快速上升，这主要由于ATP的快速减少致使肌质网上的钙泵功能失常，肌质网中大量钙离子外流至胞浆。细胞内Ca 2+ 浓度的快速升高促进肌动蛋白和肌球蛋白的强烈结合，形成僵硬的肌动球蛋白，从而引发严重的肌肉收缩。强烈的肌肉收缩可导致肌节增厚缩短，在细胞完整时严重挤压细胞外空间，且这种强烈的收缩是不可逆的，并在冰藏的4～6 h达到最强，肌肉收缩率为（12.26±3.35）%～（13.93±3.63）%。

7 质构特性的变化

由图9可知，大黄鱼硬度在冰藏0～24 h呈现先上升后下降的趋势，于2 h达到峰值，为（5 038.15±1 076.74）g；弹性呈现先下降后上升的趋势，于8 h达到最低点，为0.30±0.02。在0～2 h期间，硬度的上升和弹性的下降共同表明此时鱼体肌肉细胞形成了僵硬的肌动球蛋白，引发了严重的肌肉收缩。2～8 h期间，硬度、弹性的下降表明肌原纤维的结构完整性被破坏。8～24 h期间，硬度和弹性的变化不显著（ P ＞0.05），表明肌肉组织已处于损伤后的稳定状态。

8 EIS的变化

Cole-Cole图能够表征复阻抗特性与频率之间的关系，其横坐标为实部阻抗，即电阻（R），纵坐标为虚部阻抗，即负电抗（-X），每个点具有频率依赖性；具有细胞膜的生物组织的R与-X的关系表现为一个靠近实轴的圆弧，其中心点位于实轴的下方。然而，冰藏大黄鱼的Cole-Cole图却呈现了在高频区呈弧形、低频区上扬的趋势（图10），这主要是由于低频区域受到电极表面严重的极化影响，且与细胞结构的特性无关。因此，图10中极化数据在分析过程中予以排除；可信数据用于分析EIS特征参数。

由图10可知，在冰藏过程中大黄鱼Cole-Cole圆弧呈先增大后缩小的趋势，并于4 h时达到最大。Guo Lina等 研究表明Cole-Cole圆弧的变化与肌肉细胞膜的状态及完整性密切相关，Yuan Pengxiang等在冰藏早期的鰤鱼中观察到细胞间隙缩小、细胞肿胀但细胞膜保持完整的现象，本研究发现，大黄鱼Cole-Cole圆弧在0～4 h增大可能与细胞膜通透性变化及由此导致的细胞肿胀密切相关，表明此阶段细胞膜结构仍相对完整。而4 h后圆弧的缩小则可能提示细胞膜发生破裂或功能出现异常。值得注意的是，大黄鱼关键生化指标ATP在4 h即将耗尽，即Cole-Cole圆弧与ATP的变化趋势高度同步。综上所述，Cole-Cole圆弧在高频区域先增大后缩小的动态变化反映了大黄鱼即杀后细胞状态的连续演变过程，该特征可为细胞状态的快速、无（微）损评估提供技术依据。

9 EIS特征参数的变化

通过Modified Hayden模型对Cole-Cole图可信区间复阻抗拟合，所得特征参数 C m 、 R e 、 R i 的变化情况如图11所示。它们均在冰藏初期呈现快速上升的趋势。其中，1 h是即杀后鱼体中心温度达到0 ℃的时间。特征参数均在0～1 h期间快速升高，这与鱼体温度下降及鱼死后初期细胞变化有关。然而，Huang Wentao等的结果表明肌肉在0 ℃贮藏时的阻抗参数值低于4 ℃贮藏，即肌肉温度越低，其阻抗值越低。这些已报道的结果与本实验结果相反。由此可知，温度对特征参数的影响远小于大黄鱼细胞变化的影响，即大黄鱼细胞状态的演变才是引起特征参数变化的主导原因。 C m 、 R e 均在4 h达到顶点，分别为（91.66±17.56）nF和（3 708.33±768.06）Ω，均与0 h呈现显著性差异（ P ＜0.05），并都在4 h后呈逐渐下降的趋势，而 R i 则在1 h内快速升高，达到（249.93±19.96）Ω，之后呈缓慢升高趋势，变化不显著（ P ＞0.05）。

10 冰藏大黄鱼肌肉细胞组织状态与EIS特征参数的相关性

细胞膜由不导电的磷脂双分子层构成，其结构等效于电容器。 C m 在贮藏过程中呈先显著上升后缓慢下降的趋势，并在4 h达到峰值（P＜0.05）（图11）。pH值和ATP变化直接影响着细胞膜结构和功能。ATP含量在贮藏前期呈快速下降趋势，并在4～6 h耗尽（图3），与 C m 呈现同步变化趋势；而pH值在0～10 h变化不显著（ P ＞0.05）。因此，在贮藏前期，ATP含量变化是影响细胞膜结构和功能的关键因素。ATP是细胞中的关键供能物质，其水解释放的高能磷酸键可为细胞膜上的钠钾泵和肌质网上的钙泵供能，进而维持细胞膜内外正常的电势差和渗透压。冰藏0～4 h期间，LDH活性结果表明细胞膜相对完整但通透性有所变化。随着ATP含量的减少，离子泵功能紊乱，离子通道逐渐关闭，致使细胞膜内外电势差异常及细胞膜相对表面积增大。同时，肌质网中钙离子外流诱发肌肉强烈收缩并导致胞内渗透压升高，部分胞外水分迁移至胞内，引起细胞肿胀。上述过程很可能同时引起细胞膜厚度减小。这些细胞层面的变化也会引发冰藏早期质构变化（如硬度上升与弹性下降）及强烈的肌肉收缩等品质变化。根据平行板电容公式 C ＝ ε · S / d （式中： S 为细胞膜面积； d 为细胞膜厚度； ε 为介电常数），0～4 h期间细胞膜相对表面积增大和细胞膜厚度减小共同导致了 C m 的快速上升。4 h后，LDH活性逐渐降低（表明膜泄漏加剧），ATP即将消耗殆尽，标志着细胞膜因能量代谢崩溃和自溶作用启动而进入完整性受损阶段。上述因素共同导致了 C m 的缓慢下降，最终引发肌肉不可逆损伤和汁液流失。由此可见， C m 的变化与细胞结构和功能的改变密切相关，该参数可灵敏、快速地评估肌肉细胞膜完整性及能量（肌肉）状态。

大黄鱼肌肉的Re呈先显著升高后缓慢下降的趋势，于4 h升至峰值（P＜0.05）；Ri则在1 h内快速升高，之后呈不显著的缓慢升高趋势（图11）。冰藏前期正是鱼体的肌肉收缩率与水分活度快速增加、持水性急剧下降的关键阶段。由细胞状态变化所引发的强烈肌肉收缩和细胞吸水肿胀挤压了胞外空间，使胞外间隙显著变窄，导致细胞外液的电流通路受阻、离子迁移率下降，从而引起Re升高。胞外自由水大量内流致使水分活度快速上升。同时，细胞结构及功能的变化也减弱了肌浆中蛋白质分子网状结构对水分的吸附作用，促使持水性降低，并进一步提升水分活度。上述变化稀释了胞内电解质浓度，导致胞内电导率降低及Ri升高。4 h后，肌肉持水性、水分活度和肌肉收缩率均达到稳定水平（P＞0.05）。与此同时，细胞膜结构和功能持续恶化，并伴有细胞内液逐渐外渗，致使Re缓慢降低、Ri缓慢升高（P＞0.05）。这意味着肌肉组织的持水结构已发生不可逆损伤，细胞外微环境进入了一段相对稳定的损伤平台期，肌肉组织整体处于结构相对稳定但功能持续衰退的状态。此外，从整体变化趋势来看，Re的变化与肌肉收缩率及持水性的变化、Ri的变化与水分活度的变化高度同步。由此可见，特征参数Re、Ri与常规品质指标在变化趋势和统计学稳定性上呈现一致性，进一步证实了EIS在反映鱼体冰藏早期品质劣变关键阶段方面具有高度的灵敏性和可靠性。

综上，EIS特征参数（Cm、Re、Ri）的变化共同揭示了大黄鱼冰藏早期品质劣变的细胞学路径：前期（0～4 h）为“代谢紊乱与功能失调期”，表现为ATP降解、pH值下降引发细胞肿胀和异常收缩，宏观上体现为僵直与持水性下降，阻抗特征为Cm、Re、Ri的同步上升。后期（4～24 h）为稳定的“结构破坏与自溶启动期”，表现为ATP耗竭、膜系统逐渐崩溃、胞内容物外泄，宏观上体现为组织软化和汁液渗出，阻抗特征转变为Re与Ri无显著变化，而Cm降低。这些电学特征灵敏地捕捉了常规生化与物性指标所反映的品质变化关键节点，从而为无损、实时监测鱼体品质及鱼肉状态提供了基于细胞状态的可靠理论依据。

11 结 论

本研究通过分析EIS技术在冰藏早期大黄鱼品质评价中的应用效果，成功建立了一种基于细胞电化学特性的快速监测方法。研究结果显示，从等效电路模型提取的 C m 、 R e 和 R i 3 个EIS特征参数能够灵敏反映冰藏早期细胞状态的演变过程。具体表现为两个特征阶段：前期（0～4 h）由于ATP快速消耗和糖酵解主导的代谢紊乱，导致细胞肿胀和强烈收缩，表现为 C m 、 R e 和 R i 同步上升，与持水性急剧下降、硬度增加等品质变化密切相关；后期（4～24 h）随着ATP耗竭和细胞膜完整性破坏， R e 和 C m 下降而 R i 持续升高，对应于持水性稳定在低位、质地软化等不可逆品质劣变。本研究可为水产品冰藏早期品质的快速无损监测提供理论依据和技术支持，有助于推动精准保鲜技术的开发与应用。

作者简介

通信作者：

袁鹏翔 副教授

浙江海洋大学食品科学与工程学院

中共党员，青年教授，日本长崎大学博士、特别研究员，浙江大学博后。浙江海洋大学发展规划处（学科建设处）专聘副处长、食品与药学学院教师，浙江省高校领军青年优秀人才，国家舟山群岛新区“5313”科技创新领军人才。国家头足类水产品加工技术研发专业中心秘书，国家级、省级科技创新赛优秀指导老师，浙江省食品学会理事，舟山市和岱山县科技特派员。获中国食品工业协会科技创新奖（主持）、中国商业联合会技术发明奖二等奖（主持），作为主要完成人获浙江省教学成果奖一等奖、浙江省高校教师教学创新大赛三等奖。此外，获校“五星”优秀党员、“五四”青年奖章、优秀工会积极分子、优秀教职工、十佳班主任。

主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、浙江省市场监督管理局“尖兵”重大项目课题、浙江省高校基本科研项目、舟山市科技项目、横向项目多项，参加“蓝色粮仓”国家重点研究项目3 项、国家自然科学基金面上项目2 项。发表SCI、EI、卓越期刊等论文30余篇，出版《仪器分析》《食品分析实验指导》《食品工厂设计与环境保护》等书籍，授权国家专利10余项；参与制定浙江省职业技能标准《水产品加工工》1 项，参与申报国家一流专业1 项、浙江省一流课程3 门。此外，指导学生获奖省部级及以上项奖30 项（国家级4 项），指导学生成功申报大学生国家级创新训练计划项目、浙江省新苗计划项目多项。

第一作者：

祁亚硕士研究生

浙江海洋大学食品与药学学院

研究方向为食品科学与工程，以第二作者发表1 篇专利。曾获校级二等学业奖学金2 次。

引文格式：

祁亚, 杨敏, 梁艳, 等. 利用电化学阻抗谱快速评估冰藏早期大黄鱼肌肉细胞状态与品质劣变[J]. 食品科学, 2026, 47(12): 329-336. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251226-223.

QI Ya, YANG Min, LIANG Yan, et al. Rapid evaluation of cellular status and quality deterioration in Larimichthys crocea muscle during early ice storage using electrochemical impedance spectroscopy[J]. Food Science, 2026, 47(12): 329-336. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251226-223.

实习编辑：普怡然；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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