Tham số Giá trị tính tốn Sai sốtương đối (%)
Re 1287.7 1.2295 Ri 83.164 2.0576 P2 91.24E-06 5.1942 n2 0.48364 1.3316 P1 0.329E-06 1.7670 n1 0.71648 0.17738
Từ kết quả thực hiện khớp dữ liệu thực nghiệm vào hai mơ hình, có thể thấy sai số giữa hai mơ hình là khơng đáng kể hay nói cách khác hai mơ hình sau cải tiến là tương đương nhau khi thực hiện khớp dữ liệu trở kháng thịt lợn trong dải tần số 50Hz - 1MHz. Từ kết quả khi khớp dữ liệu vào mơ hình tương đương, ta có được sự biến đổi các tham số trong mô theo thời gian, đó chính là sự biến đổi của các thành phần đặc trưng của thịt theo thời gian.
Với giá trị trở kháng ngoại bào và trở kháng nội bào hồn tồn có thể xác định trực tiếp từ mơ hình nhưng giá trị điện dung màng tế bào phải xác định gián tiếp qua CPE. Bởi vì CPE không mang ý nghĩa vật lý cụ thể, tức là các tham số P hay n khơng có ý nghĩa vật lý, CPE không phải là điện trở và cũng không phải là tụ điện lý tưởng.
Như vậy, CPE không liên quan đến quá trình biến đổi thịt theo thời gian sau giết mổ mà sẽ chuyển thành giá trịđiện dung “thực” theo cơng thức:
𝐶 =𝑃. (𝜔′′)𝑛−1 (2.12)
Trong đó, 𝜔′′ là tần số góc mà tại đó phần ảo của trởkháng đạt cực đại.
Đối với mơ hình Cole-Cole sửa đổi (Hình 2.13b) thì phương trình (2.12) trở thành:
𝐶 =𝑅𝑒1−𝑛𝑛11.𝑃1𝑛11 (2.13) Còn đối với mơ hình Fricke sửa đổi (Hình 2.13a) cơng thức chuyển đổi từ CPE sang giá trị điện dung là:
𝐶 =𝑃1𝑛11. (𝑅𝑒 +𝑅𝑖)1−𝑛𝑛11 (2.14)
Công thức 2.12, 2.14 là cơ sở để thực hiện khớp dữ liệu trên các mẫu thịt lợn khác nhau nhằm đánh giá sự biến đổi của ba thành phần: trở kháng ngoại bào (Re), trở kháng nội bào (Ri) và điện dung màng tế bào (Cm) theo thời gian.
2.4. Kết luận chương 2
Mơ hình mạch tương đương đóng một vai trị quan trọng trong phân tích EIS, trên cơ sở hai mơ hình kinh điển là Fricke và Cole-Cole, nhiều mơ hình mạch hiệu quả hơn đã được nghiên cứu, phát triển để đánh giá chính xác các yếu tố thực tiễn nhằm đáp ứng yêu cầu cao hơn trong lĩnh vực giám sát chất lượng thực phẩm. Chương 2 của luận án đã thực hiện: Mô phỏng mạch đo trở kháng phức theo cả hai mơ hình Fricke và Cole-Cole [công bố số 1]; chế tạo mạch đo thủ công, đo đạc và ghi lại dữ liệu bằng tay để xác định sự thay đổi phổ trở kháng thịt lợn khi có và khơng có KNO3 trong thịt [cơng bố số 2]; trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm, sử dụng kỹ thuật CNLS làm cơ sở để đề xuất cải tiến mạch điện tương đương của mơ hình Fricke và Cole-Cole [cơng bố số 3]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, mơ hình cải tiến Fricke và Cole- Cole phù hợp để nghiên cứu quá trình thay đổi trở kháng điện của thịt lợn thăn là đối tượng nghiên cứu trong luận án.
Chương 3
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO HAI KÊNH NHẰM TĂNG TỐC ĐỘĐO
VÀ PHÂN TÍCH, XỬ LÝ DỮ LIỆU TRỞ KHÁNG PHỨC CỦA CÁC MẪU THỊT
3.1. Xây dựng hệ thống đo, phân tích, xử lý dữ liệu trở kháng phức dựa trên mạch đo hai kênh trên mạch đo hai kênh
Chương 2 đã đề xuất hệ thống đo và phân tích phổ trở kháng [79], tuy nhiên đối với thiết kế này, tại một thời điểm chỉ cho phép thực hiện một phép đo duy nhất. Rõ ràng là với bài toán nghiên cứu dữ liệu thực tiễn như luận án, đây là một trở ngại không nhỏ khi số lượng mẫu thịt rất lớn được đo và theo dõi trong thời gian dài (24 tiếng). Hơn nữa sau khoảng thời gian 24 tiếng, thịt tiếp tục được ngâm rửa bằng KNO3 và quá trình đo lặp lại như pha đầu. Để tăng tốc độ thu thập và xử lý dữ liệu, luận án đề xuất một mơ hình mở có hai hoặc nhiều kênh cho phép đo cùng một lúc nhiều mẫu thịt giúp giảm đáng kể thời gian thực nghiệm, khảo sát. Các kết quả nghiên cứu làm nền tảng công nghệ tiến tới hoàn thiện thiết bị xác định thịt bị ôi, thiu đã được xử lý qua KNO3. Sơ đồ khối của hệ thống được chỉ ra trong Hình 3.1 [80,81].
Về cơ bản, nguyên lý hoạt động của hệ thống tương tự như mơ hình một kênh đã trình bày ở chương trước, điểm khác biệt là mạch đo sẽ tích hợp hai bộ khuếch đại giống nhau. Để có thể đo được đồng thời hai mẫu thịt cùng một lúc, tín hiệu sẽ được điều phối tới hai bộ khuếch đại này thông qua bộ chuyển mạch kênh. Dữ liệu sau đó cũng được lưu trên máy tính. Mơ tả chi tiết hệ thống hai kênh đo trình bày trong [80, 81]. Mạch đo hồn thiện như trên Hình 3.2. Sử dụng hệ thống dựa trên mạch đo hai kênh ở trên đã giảm đáng kể thời gian khảo sát các mẫu thịt tại các thời điểm khác nhau.
Hình 3.2. Mạch đo phổ trở kháng điện hai kênh
3.2. Thực nghiệm đo và đánh giá kết quả
Sau khi hoàn thiện hệ thống đo 2 kênh, luận án tiếp tục khảo sát, lấy dữ liệu trở kháng thịt lợn thăn. Mục này sẽ mô tả chi tiết quá trình thực nghiệm, bàn luận và đánh giá dữ liệu trở kháng thịt theo thời gian cũng như đáng giá, so sánh dữ liệu trởkháng này trong trường hợp thịt nguyên trạng và thịt được xử lý qua KNO3.
- Thực nghiệm 1: Sử dụng hệ thống đo để xác định trở kháng phức của
mẫu thịt. Mục tiêu là đánh giá, quan sát quá trình thay đổi của trở kháng theo thời gian. Bản chất của thực nghiệm này giống như đã thực hiện với hệ thống đo một kênh ở chương 1.
- Thực nghiệm 2: Đo trở kháng của mẫu thịt trước và sau khi rửa bằng KNO3, quy trình đo gồm các pha sau:
+ Pha thứ nhất: Đo trở kháng của mẫu thịt lần thứ nhất.
+ Pha thứ hai: Mẫu thịt được ngâm trong dung dịch KNO3 nồng độ 1,5ML trong thời gian 1 tiếng, sau đó được rửa sạch và thực hiện đo lần thứ 2.
+ Pha thứ ba: Mẫu thịt sau khi rửa sạch sẽ được tiếp tục đưa vào vị trí cũ để tiếp tục đo và lấy dữ liệu nhằm đánh giá trở kháng thịt sau khi rửa KNO3. Các mẫu đo trước và sau khi xử lí bằng KNO3 cũng được kiểm tra xem có gốc -NO3 khơng bằng dung dịch Diphenylamin trong H2SO4 đặc. Trong thực nghiệm 2 này, việc thực hiện đo sẽ thực hiện theo hai kịch bản. Một mẫu sẽ được đo với sự điều chỉnh tần số tăng từ 100Hz đến 1MHz và một mẫu sẽ được thực hiện đo với tần số điều chỉnh giảm từ 1MHz xuống 100Hz nhằm đánh giá sự tác động của việc đo tăng hay giảm của tần số tới dữ liệu đo.
- Thực nghiệm 3: Đo mẫu thịt liên tục trong 24 giờ sau đó ngâm mẫu
thịt trong dung dịch KNO3 1.5M trong thời gian 1 tiếng, rửa sạch mẫu thịt và tiếp tục đo với hệ thống trong 24 tiếng tiếp theo.
3.2.1. Thực nghiệm 1
Mục đích của thực nghiệm này là sử dụng hệ thống đo để ghi lại quá trình biến đổi biên độ và pha của trở kháng phức theo thời gian và tần số.
3.2.1.1. Quy trình thực nghiệm
Chuẩn bị mẫu đo: Mẫu thịt là thịt nạc thăn được cắt ra thành mẫu nhỏ có kích thước bằng nhau (dài 5cm, rộng 3cm, cao 2.5cm). Nếu coi mẫu thịt
vừa được cắt có dạng hình hộp chữ nhật thì thớ dọc của thịt sẽ ở 2 mặt nhỏ (chiều rộng, chiều cao) của hình hộp chữ nhật. Điện cực được sử dụng trong quá trình đo được tạo từ một cặp kim y tế (Hình 3.3) bằng thép khơng gỉ loại 4B-3, kích thước 0.9x36 mm, chuẩn CSN 85 59 36. Hai điện cực đặt song song cách nhau 2cm được gắn vào một tấm mica trong làm đế với chiều dài kim cắm vào mẫu thịt là 2.3cm. Sau khi chuẩn bị xong, mẫu được đưa vào hộp có kích thước 50x30x25 mm3 (chiều dài x chiều rộng x chiều cao) như trên Hình 3.4.
Hình 3.3. Điện cực sử dụng trong quá trình đo
Hình 3.4. Mẫu thịt và cách bảo quản mẫu trong quá trình đo
Thời gian và thời điểm đo: Thời gian đo kéo dài 23 tiếng, mỗi lần đo các nhau 1 tiếng.
3.2.1.2. Khởi động hệ thống đo
Khởi động hệ thống đo bằng cách chạy chương trình trên Matlab. Dữ liệu thơ thu được sau quá trình đo sẽ được xử lý thơng qua một chương trình phần mềm. Dữ liệu thơ sau q trình tính tốn thu được giá trị pha, tần số, trở kháng phức. Dựa vào đó, nghiên cứu sẽ đánh giá được phổ trở kháng và phổ pha đặc trưng của mẫu đo. Dữ liệu đồ thịdưới đây mô tả một số kết quả thực nghiệm điển hình. Số thứ tự mẫu đo chỉ mang tính biểu trưng.
a) Mẫu 1
Kết quả đo của lần thực nghiệm thứ nhất đo trong 23 giờ với mẫu đo 1 được mơ tả trong Hình 3.5 và 3.6. Sau khi để qua 24 giờ nhận thấy, mẫu thịt bốc mùi hôi, chảy nước, màu sắc bắt đầu nhạt hơn so với thời điểm ban đầu.
Hình 3.5. Đồ thị biên độ trở kháng theo tần số mẫu 1
Tần số (Hz) Tr ở khá ng ( Oh m )
Hình 3.6. Đồ thị biên độ pha theo tần số mẫu 1 b) Mẫu 2 b) Mẫu 2
Kết quả đo của lần thực nghiệm thứ nhất đo trong 23 giờ với mẫu đo 2 được mô tả trong Hình 3.7 và 3.8. Sau khi để qua 24 giờ nhận thấy, mẫu thịt bốc mùi hơi do có sự phân hủy, mẫu thịt có chảy nước, màu sắc cũng bị nhạt hơn so với lúc đầu.
Hình 3.7. Đồ thị biên độ trở kháng theo tần số mẫu 2
Tần số (Hz) Ph a ( rad ian ) Tần số (Hz) Tr ở khá ng ( O h m)
Hình 3.8. Đồ thị biên độ pha theo tần số mẫu 2 c) Mẫu 3 c) Mẫu 3
Kết quả đo của lần thực nghiệm thứ nhất đo trong 23 giờ với mẫu đo 3 được mơ tả trong hình 3.9 và 3.10. Sau khi đo, mẫu thịt có dấu hiệu phân hủy, bốc mùi, hôi thối, chảy nước, màu thịt nhạt dần so với ban đầu.
Hình 3.9. Đồ thị biên độ trở kháng theo tần số mẫu 3
Tần số (Hz) Ph a ( R ad ian ) Tần số (Hz) Tr ở khá ng ( O hm )
Hình 3.10. Đồ thị biên độ pha theo tần số mẫu 3 d) Phổ trở kháng d) Phổ trở kháng
Trên hình 3.11 là dạng phổ trở kháng (đồ thị phần thực, phần ảo) của các mẫu thịt lợn đặc trưng trong dải tần số 100Hz - 1MHz. Giống như kết quả đo trong chương 2, sự khác biệt lớn nhất trên các đồ thị là ở các thành phần tần số thấp tại các thời điểm khác nhau.
Từ kết quả khi “fit” dữ liệu vào mơ hình tương đương, có thể thấy sự biến đổi các tham số trong mơ theo thời gian chính là sự biến đổi của các thành phần đặc trưng của thịt như trở kháng ngoại bào, trở kháng nội bào và điện dung màng tế sinh chất ( màng tế bào) theo thời gian.
Tần số (Hz) P h a ( R ad ian )
Hình 3.11. Dạng phổ trở kháng (đồ thị phần thực, phần ảo) của các mẫu thịt lợn e) Trở kháng ngoại bào (Re), trở kháng nội bào (Ri) và điện dung màng sinh chất (Cm) theo thời gian
Dựa trên công thức 2.13 và mơ hình Cole-Cole cải tiến, luận án tính tốn các giá trị Ri (trở kháng nội bào), Re (trở kháng ngoại bào) và Cm (điện dung màng sinh chất) theo thời gian như biểu diễn trên hình từ 3.12 đến 3.20.
ị trở kháng nội bào theo thời gian mẫu 1
a) Mẫu 1 b) Mẫu 2 c) Mẫu 3 Thời gian (h) R i ( Oh m )
Hình 3.13. Giá trị trở kháng ngoại bào theo thời gian mẫu 1
Hình 3.14. Giá trị điện dung màng sinh chất mẫu 1
Hình 3.15. Giá trị trở kháng nội bào theo thời gian mẫu 2
Thời gian (h) R e (O h m ) Thời gian (h) Cm (F ) Thời gian (h) R i ( O h m)
Hình 3.16. Giá trị trở kháng ngoại bào theo thời gian mẫu 2
Hình 3.17. Giá trị điện dung của màng sinh chất mẫu 2
Hình 3.18. Giá trị trở kháng nội bào theo thời gian mẫu 3
Thời gian (h) Re (O hm ) Thời gian (h) Cm (F ) Ri (O hm ) Thời gian (h)
Hình 3.19. Giá trị trở kháng ngoại bào theo thời gian mẫu 3
Hình 3.20. Giá trị điện dung của màng sinh chất mẫu 3
Nhận xét: Do sự chênh lệch giữa thời điểm bắt đầu đo thực nghiệm và bản chất của mỗi mẫu thịt lợn, dẫn đến sự chênh lệch giá trị trở kháng ở thời điểm ban đầu và hình dạng của đồ thị khác nhau. Ví dụ, mẫu 2 và mẫu 3 có trở kháng ngoại bào tại thời điểm ban đầu thấp hơn các mẫu 1. Tuy nhiên, về mặt tổng thể, trở kháng ngoại bào giảm theo thời gian; trở kháng nội bào có xu hướng không thay đổi hoặc tăng không đáng kể; giá trị điện dung màng sinh chất có xu hướng giảm trong khoảng 5 giờ đầu, trong các giờ tiếp theo giá trị điện dung khơng có xu hướng tăng.
Thời gian (h) Re (O hm ) Thời gian (h) Cm (F )
3.2.1.3. Kết luận từ thực nghiệm
Các mẫu đo còn lại đều có kết quả tương tự như trong 3 mẫu đo trên. Trong đó, giá trị trở kháng đều có xu hướng giảm dần từ khoảng 1000 Ohm xuống còn khoảng 100 Ohm ứng với các giá trị tần số từ 1MHz xuống 50Hz. Biên độ pha theo tần số đều có xu hướng tăng từ dải biên độ từ 100Hz đến 1000Hz và dải biên từ 100KHz đến 1MHz, cùng với đó, biên độ pha đều có xu hướng giảm từ 1KHZ đến 100KHz.
Từ đồ thị giá trị biên độ trở kháng và pha thu được từ thực nghiệm, có thể kết luận, đây là phổ trở kháng và phổ pha đặc trưng của một mẫu thịt được coi là sạch khi đo bằng hệ thống. Các mẫu đo sau 24 giờ đều có hiện tượng chảy nước, bốc mùi và có màu nhạt hơn so với ban đầu.
Q trình phân tích dữ liệu đo cùng với việc fit mơ hình Cole-Cole sửa đổi cho thấy cái nhìn khách quan về các thơng số của mơ hình.
Do sự chênh lệch giữa thời điểm bắt đầu đo thực nghiệm và bản chất của mỗi mẫu thịt lợn, dẫn đến sự chênh lệch giá trị trở kháng ở thời điểm ban đầu và hình dạng của đồ thị khác nhau. Ví dụ, mẫu 2 và mẫu 3 có trở kháng ngoại bào tại thời điểm ban đầu thấp hơn các mẫu 1. Tuy nhiên, nhìn chung trở kháng ngoại bào giảm theo thời gian. Trở kháng nội bào có xu hướng khơng thay đổi hoặc có tăng nhưng tăng ít. Giá trị điện dung màng sinh chất có xu hướng giảm trong khoảng 5 giờ đầu, trong các giờ tiếp theo giá trị điện dung khơng có xu hướng tăng.
Dựa vào các bài báo và các nghiên cứu trước đây, sự biến đổi các thành phần theo thời gian có thể được giải thích như sau: Sau khi giết mổ thì màng tế bào bị phân hủy và oxy hóa làm cho màng trở nên xốp (nghĩa là trên màng sẽ xuất hiện các lỗ thủng). Điều này làm mất tính tồn vẹn của tế bào, làm giảm khảnăng tích điện cũng như khảnăng cách điện của màng, dẫn đến giá trị điện dung của màng sẽ giảm theo thời gian sau giết mổ. Đồng thời với sự oxy hóa
của màng là sự “nối liền” giữa chất lỏng nội bào và chất lỏng ngoại bào, điều này làm tăng lượng chất lỏng ngoại bào do chênh lệch nồng độ ion giữa môi trường nội bào và ngoại bào, dẫn tới tăng độ dẫn điện của chất lỏng ngoại bào vì chúng đều là các ion tự do, có nghĩa là trở kháng ngoại bào giảm theo thời gian sau giết mổ. Sự gia tăng lượng chất lỏng ngoại bào đồng thời là sự mất đi của lượng chất lỏng nội bào, điều này dẫn đến trở kháng nội bào tăng lên sau giết mổ. Tuy nhiên trong nghiên cứu này, trở kháng nội bào có sự biến đổi