基于柔性生物阻抗传感的鲟鱼多尺度活力—品质耦合框架

《Food Bioscience》：A multiscale vitality–quality coupling framework for sturgeon based on flexible bio-impedance sensing

　　

# 摘要

为实现冷链鲟鱼物流中对存活状态和肉质进行实时、无损评估，我们开发了一种基于柔性生物阻抗传感的跨尺度框架。对杂交鲟（Acipenser schrenckii × A. baerii）进行0至72小时低温无水保存，通过粘性电极阵列连续采集阻抗谱（1 Hz–1 MHz）。通过肌肉品质指标（色泽、剪切力、pH、TVB-N）、血液皮质醇和乳酸、PI染色以及透射电镜观察分析，解读电生理变化。阻抗幅值/相位和Cole–Cole参数（R?, R∞, τ, α）呈现出生理学一致的趋势，并与细胞损伤和品质劣变相关。基于主成分分析的复合活力指数（CVI）实现了活力等级的客观划分。使用九个阻抗特征，XGBoost模型以0.959的准确率对活力进行分类，并预测ΔE、剪切力、pH和TVB-N（R2 = 0.988–0.997）。这一可解释的方法为高价值水产活体运输和新鲜度管理提供了支持。

# 引言

在现代冷链体系中，高价值水产品活体运输和长距离流通的规模持续扩大。如何在延长存活时间的同时保持肉质，已成为水产加工、流通及智能冷链管理中的关键科学问题（Chu et al., 2024）。鲟鱼是典型的高经济价值冷水物种（Yang et al., 2024），对温度、溶解氧和机械刺激高度敏感（Huang et al., 2024）。运输和暂养期间活力的波动会显著影响死后肌肉pH演化、蛋白质降解速率及结构稳定性（Bai et al., 2024）。图1展示了鲟鱼从养殖运输到终端零售的典型供应链。中国在全球鲟鱼养殖产量中占主导地位，且市场尺度的鲟鱼主要以活体形式交付，因为餐饮和超市采购方根据销售时鱼只的活力程度定价。因此，无水活体运输逐渐取代了传统的水运方式。去除运输用水可提高每辆运输车的有效载量，降低燃油和搬运成本，并简化运输途中的水质管理；在中国，该模式的专门技术规程和溯源系统已在企业规模上得到验证（L. Zhang et al., 2024）。在现行的商业操作流程中，鱼类被逐步预冷、装网，密封于充氧无水袋中，并在干线运输全程维持在约2°C（Wang et al., 2020）。据报道的运营时间窗口集中在区域配送的24至48小时之间，涉及跨省路线或终端暂养时可延长至约72小时；在无水低温条件下开展的柔性传感研究也采用了类似时长（Feng et al., 2023; Feng et al., 2023）。本研究所考察的0至72小时范围正是为了覆盖这一区间。需要注意的是，目前尚无权威国家统计数据量化通过此路线运输的鲟鱼确切比例，且各企业的采用程度仍存在差异。尽管如此，本研究所采用的温度、包装和时长与已记录的商用无水运输条件相符，这支撑了实验设计的实际应用相关性。

当前仍缺乏一种跨尺度、定量且具预测能力的综合方法，能够将活体生理状态与最终肉质之间进行有效衔接。

目前，行业中水产品质量评估仍主要依赖行为观察（Zhang et al., 2023）、理化检测（Nie et al., 2018; Yan et al., 2023）、血液生化分析（Mohammadiazarm et al., 2023）以及微生物检测（Ariyawansa et al., 2016; Eltholth et al., 2018）。然而，这些方法普遍存在强破坏性、响应延迟以及在在线或活体动物监测中难以实施的问题（Wu et al., 2015）。新兴的无损检测技术如光谱技术（W. Y. Li et al., 2025; Zhan et al., 2026）、成像技术（Xu et al., 2025; Yang et al., 2025）以及电子鼻/电子舌系统（Duan et al., 2021; Seesaard et al., 2022）在一定程度上提高了检测效率和客观性，但由于设备成本、环境适应性和实时性限制，在冷链场景中难以广泛部署。特别是在宰前活体阶段，缺乏一种稳定可靠的技术实现生理特征的长期连续采集，阻碍了对运输胁迫如何影响肉质和货架寿命的定量评估。这些技术局限性的深层原因在于现有文献中体内生理与死后品质之间的逻辑链条存在根本性断裂。应激反应研究大多将观察终点局限于活体动物应激强度的量化，未系统追踪其对死后品质形成和演变的下游影响。而肉质和新鲜度研究则通常以死后组织为分析起点，隐含地假设宰前生理状态的均一性——这一假设无法解释同一批次、相同储存条件下个体间品质结果的差异。尽管此前关于活体生物电监测的研究已证明连续体表测量的技术可行性，但其输出结果大多仍为定性或半定量的活力指数。电气特征与肉质参数之间的定量映射关系尚未建立；此外，频谱特征主要通过基于单频或稀疏频率测量的经验统计来描述，缺乏等效电路层面的机理阐释，导致所提取参数的生理学归属存在歧义。因此，在衔接活体活力与死后品质预测方面的核心瓶颈在于：识别一种信息载体，该载体既能实现连续、无创的体内采集，又能在多个尺度上整合电学、内分泌、细胞和品质相关维度。在低温、充氧、无水鲟鱼活体运输这一商业相关条件下，由低温和脱水双重胁迫诱导的生物电响应模式，以及其与后续肉质演变的耦合机制，仍有待系统研究。

生物阻抗是一种基于组织电学特性的无损检测技术。它在医学诊断中已显示出对细胞膜完整性、离子通道通透性、水分迁移和结构异质性的高敏感性（Forte et al., 2020），并在肉质研究中也获得了应用（García-Contreras et al., 2024; Wang et al., 2025; D. Zhang et al., 2024）。当交流电以不同频率通过生物组织时，主导传导路径存在显著差异（Tara & Islam, 2024; Zuo et al., 2024）：在低频下，电流主要受细胞膜电容效应支配，反映细胞外电阻和膜极化；在高频下，电流可穿透细胞膜进入细胞内空间，对细胞内电导率和肌肉微结构变化更为敏感。因此，多频阻抗谱有望在统一的传感框架内实现对从细胞层面电学变化（如膜损伤和离子泄漏）到宏观肉质变化（如色泽、嫩度、pH和腐败相关产物积累）动态过程的全面表征（Leng et al., 2024）。

图2展示了用于活体鲟鱼的柔性生物阻抗传感原理及其对应的Cole–Cole等效电路表示。柔性粘性电极阵列附着于鲟鱼体表，在1 Hz至1 MHz的多频交流激励下采集复阻抗谱。通过Cole–Cole等效电路拟合频率依赖的阻抗响应（Leng et al., 2024; Vastarouchas et al., 2019），其复阻抗模型表示为：

Z*(ω) = R∞ + (R? - R∞) / (1 + (jωτ)^α)

其中R?和R∞分别表示低频和高频极限电阻，τ为弛豫时间常数，α为色散参数。在低频下，电流主要通过细胞外空间传导，并受膜电容和极化的强约束；在高频下，电流穿透细胞膜进入细胞内空间，对细胞内电导率和肌肉微结构变异表现出更高的敏感性。柔性电极技术的发展进一步拓展了生物阻抗在水产品领域的应用边界（L. Li et al., 2025; L. Zhang et al., 2024）。柔性粘性电极阵列可贴合鱼类复杂的体表曲率，实现连续、多频、实时的信号采集，从而为活体鱼类动态品质监测提供了新的技术途径。

大多数针对水产品和肉制品的阻抗研究，包括对猪里脊冻融判别、冻融三文鱼和冷藏羊肉新鲜度的研究，检测对象均为死后组织或离体组织，因此所记录的频谱反映的是已经不可逆地完成的结构坍塌过程。而在活体动物上进行的研究，包括我们早期对牡蛎应激和鱼类逆境胁迫下活力的评估，仅停留在活力本身的描述，未追踪其下降至食用产品的过程。因此，无水活体运输中的宰前间隔期——在此期间动物仍然存活，但会积累将在数小时后影响所售肉质的胁迫——成为电学传感的盲区，跨越这一盲区需要从同一活体个体同时采集阻抗谱和多尺度生物参考数据。

图3概述了基于柔性生物阻抗传感的水产品质量跨尺度监测与预警系统的总体技术路线。该框架整合了鲟鱼的多尺度、多模态测量，覆盖了从活体生理评估到肉质劣化表征和预测的关键步骤。在电学尺度上，使用充氧无水运输袋和柔性水凝胶电极采集多频生物阻抗信号（1 Hz–1 MHz），通过频谱特征提取和等效电路建模表征组织电学状态。在生理尺度上，从尾静脉采集血液样本，量化皮质醇和乳酸等应激相关指标，反映内分泌和代谢负荷。在微观–细胞尺度上，通过流式细胞术和PI染色分析背肌组织以评估细胞膜完整性（R2门），辅以SEM/TEM观察肌纤维和肌内膜的超微结构变化。在肉质尺度上，测量色泽参数（L*、a*、b*、ΔE）、剪切力、pH和TVB-N，评估外观、质构和化学属性。在建模与预测尺度上，基于主成分分析构建复合活力指数（CVI），并开发机器学习模型用于活力分级和肉质预测，实现高/中/低活力水平的客观识别和关键品质指标的定量预测。

基于这一技术框架，本研究以杂交鲟（Acipenser schrenckii × A. baerii）为对象，通过以下步骤系统研究"柔性生物阻抗–活力–肉质"的跨尺度耦合关系：（1）利用自主研发的柔性电极和多频采集系统，在低温无水活体储存期间连续监测动态阻抗谱（1 Hz–1 MHz），并通过Cole–Cole模型提取深层电学参数；（2）同步测量理化肉质指标、血液应激生物标志物和细胞损伤指标，以阐明阻抗特征与多尺度生物性状之间的耦合机制；（3）构建基于主成分分析的复合活力指数，实现活力水平的客观划分；（4）利用阻抗特征和深层电学参数开发活力识别模型和肉质预测模型，评估生物阻抗作为跨尺度信息载体的可行性与优势。本研究的贡献体现在三个方面：它将电学观测窗口推进到上述已识别的宰前间隔期，并将阻抗谱与来自同一体的内分泌、代谢、细胞和理化参考数据进行配对，从而以连续活力描述符而非端到端回归将电学输入与品质输出联系起来。它揭示了鲟鱼中可逆的内分泌和代谢代偿与不可逆的膜完整性丧失之间的解离模式，这一现象在此类冷水软骨鱼中尚未见报道。它还进一步将品质属性划分为电学响应组和电学弱响应组，并为每组分配承载其信息的频率带和特征集，从而缩小了现场部署设备的激励要求。在此基础上，本研究为未来冷链系统的数字化和智能化管理提供了理论基础和技术支持。

## 实验鱼只与预处理

从山东明瑞渔业公司共获取146尾健康的杂交鲟（Acipenser schrenckii × A. baerii）。鱼只约2龄，平均体长为50 ± 5 cm，体重为1.5 ± 0.3 kg。到达实验室后，所有个体被转移至循环水养殖系统中进行驯养，控制条件如下：水温18–23°C，pH 7.0–8.0，溶解氧（DO）≥ 6 mg/L。

禁食24小时。生物阻抗响应的动态演化及Cole-Cole等效电路拟合。图5a展示了鲟鱼肌肉在低温无水产养殖0~72小时期间，于1 Hz至1 MHz频率范围内所测阻抗幅值与相位角的随时间变化情况。总体而言，阻抗幅值呈逐渐下降趋势，同时相位角逐步向0°偏移，表明组织导电性增强、细胞膜极化作用减弱——这两个电信号特征通常与活鱼的生理退化相关。在所有频率下，阻抗…结论：本研究建立了一种基于生物阻抗的灵活跨尺度监测框架，用于表征鲟鱼在低温无水产养殖过程中生命活力的衰退及肉质品质的演变。主要研究结果如下：多频生物阻抗能够灵敏地捕捉养殖储存期间肌肉组织的电学与结构性退化。在整个0~72小时保存期内，阻抗幅值持续下降，相位角逐渐趋近于0°。CRediT作者贡献声明：张波涛：可视化、数据整理。杨坤豪：调查研究、数据整理。王树琪：撰写初稿、方法论、数据整理、概念构思。胡金有：概念构思。张晓栓：指导、经费获取。郭相云：调查研究。未引用文献：李等，2025；张等，2024。利益冲突声明：作者声明不存在利益冲突。利益冲突声明：? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文所报告的工作。致谢：本研究由中国国家自然科学基金资助（项目编号：62276267）。王树琪 | 杨坤豪 | 张波涛 | 郭相云 | 张晓栓 | 胡金有，中国农业大学工程学院，北京，100083，中国。