Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển phương pháp đo phổ trở kháng điện nhằm xác định sự có mặt của kali nitrat có trong thịt lợn thăn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:95

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu phát triển phương pháp đo phổ trở kháng điện nhằm xác định sự có mặt của kali nitrat có trong thịt lợn thăn" trình bày cải tiến mô hình tương đương của mô sinh học nhằm nâng cao độ chính xác phép đo phổ trở kháng điện cho thịt lợn; Thiết kế hệ thống đo hai kênh nhằm tăng tốc độ đo và phân tích, xử lý dữ liệu trở kháng phức của các mẫu thịt.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển phương pháp đo phổ trở kháng điện nhằm xác định sự có mặt của kali nitrat có trong thịt lợn thăn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đặng Thành Trung NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP ĐO PHỔ TRỞ KHÁNG ĐIỆN NHẰM XÁC ĐỊNH SỰ CÓ MẶT CỦA KALI NITRAT CÓ TRONG THỊT LỢN THĂN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đặng Thành Trung NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP ĐO PHỔ TRỞ KHÁNG ĐIỆN NHẰM XÁC ĐỊNH SỰ CÓ MẶT CỦA KALI NITRAT CÓ TRONG THỊT LỢN THĂN Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGUYỄN PHAN KIÊN 2. TS. NGUYỄN NAM QUÂN Hà Nội - 2022
1 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tác giả, không sao chép của bất kỳ người nào. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố bởi bất kỳ ai. Hà Nội ngày 29 tháng 9 năm 2022 Giảng viên hướng dẫn Tác giả luận án TS. Nguyễn Phan Kiên TS. Nguyễn Nam Quân NCS. Đặng Thành Trung
2 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình tới hai thầy hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Phan Kiên và TS. Nguyễn Nam Quân. Hai thầy đã định hướng cho tôi triển khai các ý tưởng khoa học, luôn tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy cô ở Bộ môn Kỹ thuật Y Sinh đã tạo điều kiện, định hướng, giúp đỡ và động viên để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Đặc biệt tôi xin cảm ơn Ban QLDA hỗ trợ Y tế vùng Duyên Hải Nam Trung Bộ, Bộ Y tế, Công ty TNHH Tư vấn và phát triển công nghệ Trung Thành, đã giúp đỡ tôi rất nhiều về cơ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu và các góp ý định hướng nghiên cứu để tôi hoàn thành tốt công trình nghiên cứu của mình. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo và Viện Điện, trường Điện- Điện tử, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những bạn bè, người thân, luôn động viên về tinh thần, thời gian và vật chất để tôi có động lực trong công việc và nghiên cứu khoa học.
3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... 2 MỤC LỤC ................................................................................................................. 3 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................... 5 DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... 6 DANH SÁCH HÌNH VẼ .......................................................................................... 7 MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 10 Chương 1. CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ............................... 15 1.1. Tổng quan các phương pháp đánh giá chất lượng thịt ........................ 15 1.1.1. Phương pháp cơ học .................................................................. 15 1.1.2. Phương pháp quang học............................................................. 16 1.1.3. Các phép đo sử dụng tia X ......................................................... 17 1.1.4. Phương pháp đánh giá chất lượng thịt dựa trên công nghệ phổ trở kháng điện .............................................................................................. 18 1.2. Cơ sở lý thuyết đo phổ trở kháng điện sinh học ................................. 19 1.2.1. Mô hình mạch tương đương của Fricke .................................... 19 1.2.2. Lý thuyết phân tán của Schwan ................................................. 20 1.2.3. Lý thuyết Cole-Cole................................................................... 21 1.3. Kỹ thuật đánh giá kết quả thực nghiệm và tính toán .......................... 25 1.3.1. Kỹ thuật CNLS .......................................................................... 25 1.3.2. Thuật toán Levenberg–Marquardt ............................................. 26 1.3.3. Hệ số trọng số ............................................................................ 29 1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................... 30 Chương 2. CẢI TIẾN MÔ HÌNH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MÔ SINH HỌC NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHÉP ĐO PHỔ TRỞ KHÁNG ĐIỆN CHO THỊT LỢN .................................................................................................... 31
4 2.1. Mô phỏng mạch đo trở kháng phức dựa trên nguyên lý phát hiện điện áp đỉnh ........................................................................................................ 33 2.1.1. Khảo sát trở kháng phức với mô hình Fricke ............................ 36 2.1.2. Khảo sát trở kháng phức với mô hình Cole-Cole ...................... 38 2.2. Phát triển phần cứng đo trở kháng phức khảo sát thịt lợn trước và sau khi xử lý bằng KNO3 ................................................................................. 39 2.3. Đề xuất cải tiến mô hình Fricke và Cole Cole .................................... 42 2.3.1. Mô hình cải tiến ......................................................................... 42 2.3.2. Phần cứng thu thập dữ liệu và đánh giá dữ liệu thu được trên cơ sở mô hình đề xuất ................................................................................. 43 2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................... 52 Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO HAI KÊNH NHẰM TĂNG TỐC ĐỘ ĐO VÀ PHÂN TÍCH, XỬ LÝ DỮ LIỆU TRỞ KHÁNG PHỨC CỦA CÁC MẪU THỊT ............................................................................................................. 53 3.1. Xây dựng hệ thống đo, phân tích, xử lý dữ liệu trở kháng phức dựa trên mạch đo hai kênh ....................................................................................... 53 3.2. Thực nghiệm đo và đánh giá kết quả .................................................. 54 3.2.1. Thực nghiệm 1 ........................................................................... 55 3.2.2. Thực nghiệm 2 ........................................................................... 67 3.2.3. Thực nghiệm 3 ........................................................................... 73 3.3. Kết luận chương 3 ............................................................................... 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 82 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............... 93
5 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CNLS Complex Nonlinear Least Squares Fitting CPE Constant Phase Element DFD Dark, Firm, and Dry EC Electrical conductivity ECF Extracellular Fluids EI Electrical impedance EIS Electrical impedance spectroscopy ICF Intracellular Fluids MWT Modulus Weighting NMR Nuclear magnetic resonance PSE Pale Soft Exudative WBSF Warner-Bratzler shear force RFN Red, Firm, and Non-exudative
6 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Thống kê của mô hình cải tiến Fricke ............................................ 48 Bảng 2.2. Các tham số của mô hình cải tiến Fricke........................................ 49 Bảng 2.3. Thống kê của mô hình Cole-Cole ................................................... 50 Bảng 2.4. Các tham số của mô hình Cole-Cole .............................................. 50 Bảng 3.1. Các nghiên cứu về sự biến đổi thịt theo thời gian .......................... 66
7 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1. Mô hình mạch tương đương của Fricke [47] .................................. 19 Hình 1.2. Ba mức phân tán trong hệ thống sinh học (𝛼𝛼, 𝛽𝛽, 𝛾𝛾) [49, 50] .......... 20 Hình 1.3. Mô hình trở kháng Cole-Cole [60] ................................................. 23 Hình 1.4. Đồ thị trở biểu diễn trở kháng phức theo của mô hình Cole-Cole với các giá trị n khác nhau [60] ............................................................. 24 Hình 2.1. Mô hình tương đương khảo sát trạng thái thịt gà và bò trong vòng 14 ngày [21] .................................................................................... 31 Hình 2.2. Sơ đồ khối của mạch đo dựa trên nguyên lí phát hiện điện áp đỉnh [70] ....33 Hình 2.3. Mạch dò đỉnh sóng .......................................................................... 34 Hình 2.4. Quá trình thu nhận giá trị điện áp Vφ ............................................. 35 Hình 2.5. Mạch lọc thông thấp bậc hai ........................................................... 36 Hình 2.6. Sơ đồ mạch chi tiết mô phỏng trên proteus để xác định trở kháng phức ..................................................................................... 36 Hình 2.7. Kết quả mô phỏng giá trị đo của mô hình Fricke số ....................... 37 Hình 2.8. Kết quả mô phỏng mô hình Cole-Cole ........................................... 38 Hình 2.9. Sơ đồ mạch đo trở kháng phức sử dụng khuếch đại đảo [78] ........ 40 Hình 2.10. Thịt tươi để sau 120 tiếng bị mốc trắng, bốc mùi và hình ảnh cuối cùng chỉ ra miếng thịt đã được rửa bằng KNO3. ............................ 40 Hình 2.11. Kết quả đo thực nghiệm với sự thay đổi biên độ theo các tần số khác nhau [78]................................................................................. 41 Hình 2.12. Kết quả khảo sát sự biến đổi trở kháng theo thời gian [78] .......... 42 Hình 2.13. Các mô hình cải tiến...................................................................... 43 Hình 2.14. Sơ đồ khối hệ thống của hệ thống phân tích phổ trở kháng điện [79]... 44 Hình 2.15. Hệ thống mạch đo thực tế ............................................................. 45 Hình 2.16. Phổ trở kháng của một số mẫu thịt đặc trưng trong dải tần số 50Hz - 1MHz ............................................................................................ 45 Hình 2.17. Giao diện phần mềm EIS Spectrum Analyser .............................. 46 Hình 2.18. Phổ trở kháng và đồ thị phần dư của phần thực, phần ảo ............. 47
8 Hình 2.19. Biên độ trở kháng theo tần số và đồ thị phần dư tương ứng......... 47 Hình 2.20. Đồ thị pha theo tần số và đồ thị phần dư tương ứng ..................... 48 Hình 2.21. Phổ trở kháng và đồ thị phần dư của phần thực, phần ảo ............. 49 Hình 2.22. Biên độ trở kháng theo tần số và đồ thị phần dư tương ứng......... 49 Hình 2.23. Đồ thị pha theo tần số và đồ thị phần dư tương ứng ..................... 50 Hình 3.1. Sơ đồ khối của mạch đo phổ trở kháng điện 2 kênh ....................... 53 Hình 3.2. Mạch đo phổ trở kháng điện hai kênh............................................. 54 Hình 3.3. Điện cực sử dụng trong quá trình đo............................................... 56 Hình 3.4. Mẫu thịt và cách bảo quản mẫu trong quá trình đo ........................ 56 Hình 3.5. Đồ thị biên độ trở kháng theo tần số mẫu 1 .................................... 57 Hình 3.6. Đồ thị biên độ pha theo tần số mẫu 1.............................................. 58 Hình 3.7. Đồ thị biên độ trở kháng theo tần số mẫu 2 .................................... 58 Hình 3.8. Đồ thị biên độ pha theo tần số mẫu 2.............................................. 59 Hình 3.9. Đồ thị biên độ trở kháng theo tần số mẫu 3 .................................... 59 Hình 3.10. Đồ thị biên độ pha theo tần số mẫu 3............................................ 60 Hình 3.11. Dạng phổ trở kháng (đồ thị phần thực, phần ảo) của các mẫu thịt lợn ............................................................................................ 61 Hình 3.12. Giá trị trở kháng nội bào theo thời gian mẫu 1 ............................. 61 Hình 3.13. Giá trị trở kháng ngoại bào theo thời gian mẫu 1 ......................... 62 Hình 3.14. Giá trị điện dung màng sinh chất mẫu 1 ....................................... 62 Hình 3.15. Giá trị trở kháng nội bào theo thời gian mẫu 2 ............................. 62 Hình 3.16. Giá trị trở kháng ngoại bào theo thời gian mẫu 2 ......................... 63 Hình 3.17. Giá trị điện dung của màng sinh chất mẫu 2................................. 63 Hình 3.18. Giá trị trở kháng nội bào theo thời gian mẫu 3 ............................. 63 Hình 3.19. Giá trị trở kháng ngoại bào theo thời gian mẫu 3 ......................... 64 Hình 3.20. Giá trị điện dung của màng sinh chất mẫu 3................................. 64 Hình 3.21. Tương quan biên độ trở kháng theo tần số tại ba thời điểm đo của mẫu 1 ............................................................................................... 68 Hình 3.22. Tương quan biên độ pha theo tần số tại ba thời điểm đo của mẫu 1 ... 69
9 Hình 3.23. Tương quan biên độ trở kháng theo tần số tại ba thời điểm đo của mẫu 2 ............................................................................................... 69 Hình 3.24. Tương quan biên độ pha theo tần số tại ba thời điểm đo của mẫu 2 ... 69 Hình 3.25. Tương quan biên độ trở kháng theo tần số tại ba thời điểm đo của mẫu 3 ............................................................................................... 70 Hình 3.26. Tương quan biên độ pha theo tần số tại ba thời điểm đo của mẫu 3 ... 70 Hình 3.27. Tương quan biên độ trở kháng theo tần số tại ba thời điểm đo của mẫu 4 ............................................................................................... 71 Hình 3.28. Tương quan biên độ pha theo tần số tại ba thời điểm đo của mẫu 4 ... 71 Hình 3.29. Tương quan biên độ trở kháng theo tần số tại ba thời điểm đo của mẫu 5 ............................................................................................... 71 Hình 3.30. Tương quan biên độ pha theo tần số tại ba thời điểm đo của mẫu 5 ... 72 Hình 3.31. So sánh mẫu thịt chưa qua xử lí KNO3 và đã qua xử lí bằng KNO3 sau 24 giờ ........................................................................................ 72 Hình 3.32. Các mẫu đo phản ứng với chất chỉ thị màu Diphenylamin........... 73 Hình 3.33. Phổ biên độ trở kháng của mẫu thịt sạch và thịt được xử lí bằng KNO3 trong 24 giờ lấy dữ liệu ....................................................... 74 Hình 3.34. Phổ biên độ pha của mẫu thịt sạch và thịt được xử lí bằng KNO3 sau 24 giờ ........................................................................................ 75 Hình 3.35. Phổ biên độ trở kháng của mẫu thịt sạch và thịt được xử lí bằng KNO3 sau 24 giờ ............................................................................ 75 Hình 3.36. Phổ biên độ pha của mẫu thịt sạch và thịt được xử lí bằng KNO3 sau 24 giờ ........................................................................................ 76 Hình 3.37. Phổ biên độ trở kháng của mẫu thịt sạch và thịt được xử lí bằng KNO3 sau 24 giờ ............................................................................ 76 Hình 3.38. Phổ biên độ pha của mẫu thịt sạch và thịt được xử lí bằng KNO3 sau 24 giờ ........................................................................................ 77
10 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu An toàn vệ sinh thực phẩm đang trở thành vấn đề ngày càng quan trọng ở Việt Nam và hiện đang được Chính phủ cũng như người dân xem là một trong những ưu tiên hàng đầu. Người tiêu dùng từ lâu vẫn luôn lo ngại về độ an toàn của thực phẩm cả nội địa và nhập khẩu. Trong khi các ưu tiên cho các nghiên cứu liên quan đến tổ chức sản xuất theo chuỗi, có thể truy xuất nguồn gốc sản xuất chưa được triển khai hiệu quả thì việc người tiêu dùng tự xác định chất lượng thực phẩm nói chung và thịt lợn nói riêng là bài toán có tính cấp thiết. Thịt lợn chiếm hơn 70% lượng thịt tiêu thụ ở Việt Nam, các kết quả khảo sát cho thấy thịt lợn là thực phẩm nguồn động vật được ăn phổ biến nhất ở Việt Nam (khoảng 24,7kg/người/năm), được hơn 95% dân số ở các độ tuổi và giới tính tiêu thụ [1]. Một hộ gia đình chi khoảng 30USD hàng tháng cho thịt lợn, chiếm 13% tổng chi tiêu cho thực phẩm. Trong khi đó, các loại thịt khác dường như là sản phẩm thay thế tạm thời cho thịt lợn. Trong khi người tiêu dùng lựa chọn các cửa hàng bán thịt lợn trên thị trường dựa trên lòng tin vào nguồn hàng, thịt lợn bán ra không có dịch bệnh, nên phần lớn vẫn mua thịt ở các chợ truyền thống. Điều này, đồng nghĩa với việc chất lượng thịt không thể truy xuất được trong chuỗi cung ứng [1]. Vấn nạn sử dụng muối Săm pết- Kali Nitrat (KNO3) biến thịt lợn ôi thành thịt lợn tươi ở Việt Nam: Săm pết là từ phiên âm, đọc chệch đi của từ salpêtre (tiếng Pháp) hay sanpet (tiếng Anh). Đây là một loại muối kali nitrat (hay còn gọi là potassium nitrate - KNO3) được sử dụng trong công nghiệp và nông nghiệp. Thực tế KNO3 không phải là chất bị cấm sử dụng trong thực phẩm, nó được sử dụng với những liều lượng nhất định như một chất phụ gia bảo quản. Tuy nhiên, do mặt trái của nó, nên chất này được xem như một tiêu
11 chuẩn cần phải kiểm nghiệm trước khi lưu hành hàng hóa. Tổ chức Y tế thế giới (WHO) và Cộng đồng kinh tế châu Âu (EC) đã đưa ra giới hạn hàm lượng nitrat rất cụ thể. Rất nhiều công trình nghiên cứu đã đề cập đến hàm lượng các chất có gốc Nitrat trong thực phẩm, nước uống ảnh hưởng đến sức khỏe con người nói chung và theo từng độ tuổi, giới tính nói riêng [2-7]. Một thực trạng đáng báo động ở Việt Nam là lợi dụng vào đặc tính biến đổi hóa học nhờ KNO3 để biến thịt ôi, thiu thành thịt có bề ngoài tươi ngon đang khá phổ biến ở các chợ dân sinh. Thông thường, thịt lợn vừa mới được giết mổ sẽ có thành phần Hemoglobin vẫn còn, do đó thịt có màu đỏ tươi. Sau một thời gian Hemoglobin tiếp xúc với oxi thành Memogrobin, màu đỏ của thịt chuyển sang màu thâm đen. Thành phần NO3 trong KNO3 sẽ biến Memogrobin thành Hemoglobin, màu thâm của thịt thành thịt đỏ. Người tiêu dùng nếu chỉ nhìn bên ngoài sẽ rất khó phân biệt đâu là thịt tươi, đâu là thịt đã bị ôi thiu đã qua xử lý với hàm lượng KNO3 bất định. Chính vì thế, nghiên cứu này tập trung phát triển phương pháp phát hiện thịt ôi được xử lý bằng KNO3. Điều này giúp cho người tiêu dùng: Tránh mua phải thịt ôi thiu kém chất lượng, hạn chế việc sử dụng thực phẩm thịt lợn có sử dụng muối KNO3. Trong các phương pháp đánh giá chất lượng thực phẩm, có thể nói phương pháp sử dụng phân tích phổ trở kháng điện (EIS- Electrical impedance spectroscopy) là phương pháp đơn giản và hiệu quả đã được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để phân tích các đặc trưng y sinh. Đây phương pháp phân tích đặc tính trở kháng bằng cách cung cấp dòng xoay chiều quét ở các tần số khác nhau để tạo ra phổ trở kháng của đối tượng cần nghiên cứu [8]. EIS đã được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu sinh học. Theo các đối tượng sinh học, ứng dụng của EIS có thể được chia thành ba khía cạnh: chụp cắt lớp trở kháng điện trong tạo ảnh y tế [10–11]; đánh giá chất lượng và an
12 toàn trong công nghiệp thực phẩm và sinh lý thực vật trong nông học [12–14]. Đối tượng nghiên cứu và mục tiêu của EIS ứng dụng trong thực phẩm rất phong phú, trong đó có thể kể đến: nghiên cứu về hàm lượng chất khô của sầu riêng [15] và quá trình chín của chuối [16]; sự thay đổi của các mô khoai tây và rau bina trong hoặc sau khi gia nhiệt [17, 18]; độ ẩm của lát cà rốt trong quá trình sấy [19]; chất lượng thịt lợn trong quá trình bảo quản [20]; biến đổi của thịt bò theo thời gian [21]; phân biệt cơ ức gà tươi và đông lạnh sau rã đông [22]; xác định độ ẩm và độ mặn của cá hồi vân ướp muối [23]; ước tính độ tươi của cá chép [24]; phát hiện thời gian tạo tạp chất trong sữa bò [25]; xác định hàm lượng chất gây nghiện trong nước trái cây tự nhiên [26]; quá trình lên men của bột bánh mì [27]; và đánh giá chất lượng của dầu ăn [28]. Tuy được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thực phẩm, song chưa có các nghiên cứu cho thấy ứng dụng EIS để phát hiện thịt ôi thiu đặc biệt là thịt được xử lý qua KNO3. Mục đích nghiên cứu của luận án là: - Mục tiêu chung: Nghiên cứu phương pháp hiệu quả nhằm phát hiện sự tồn tại hay không KNO3 trong thịt lợn. - Mục tiêu cụ thể: + Đề xuất cải tiến mô hình tương đương về mô hình sinh học nhằm xác định trở kháng phức của thịt lợn qua đó xác định sự tồn tại hay không KNO3. + Trên cơ sở mô hình cải tiến, phát triển mạch đo trở kháng phức nhằm xác định có hay không sự tồn tại KNO3 trong thịt. 2. Phương pháp nghiên cứu của luận án Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các mô hình kinh điển về đo phổ trở kháng từ đó phát triển mô hình cải tiến tiếp cận theo hướng đo và phân tích phổ trở kháng phức bao gồm cả thành phần pha và biên độ theo tần số nhằm phát hiện sự có mặt của KNO3 trong thịt lợn.
13 Nghiên cứu thực nghiệm: Trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết, luận án thiết kế, chế tạo hệ thống mạch đo, thu thập dữ liệu từ các mẫu thịt thực tế nhằm kiểm chứng, đối sánh với kết quả mô phỏng, tính toán lý thuyết. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu: Luận văn tập trung vào xây dựng, cải tiến mô hình mạch đo trở kháng phức của thịt lợn. Phạm vi nghiên cứu: Do trong cơ thể lợn có rất nhiều các phân vùng thịt với chất lượng và cấu trúc khác nhau. Do đó, luận án tập trung nghiên cứu hai nội dung chính: - Công nghệ đo, phân tích phổ trở kháng điện; - Xác định có hay không sự có mặt của KNO3 trên thịt lợn nạc thăn. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Luận án phát triển mô hình phân tích phổ trở kháng điện để xác định sự có mặt của thành phần KNO3 trong thịt lợn. Đây chính là một đóng góp có ý nghĩa về mặt khoa học, đề xuất phương pháp phân tích thịt bằng công nghệ phân tích phổ trở kháng điện. Ý nghĩa thực tiễn: Tình trạng sử dụng muối KNO3 tràn làn, không định lượng để bảo quản thịt ở các chợ dân sinh, từ các tiểu thương đang trở thành vấn đề được xã hội đặc biệt quan tâm. Chính vì vậy, phương pháp phát hiện nhanh sự tồn tại của KNO3 có trong thịt lợn giúp cho người tiêu dùng: Tránh mua phải thịt ôi thiu kém chất lượng, hạn chế được tần suất sử dụng thực phẩm thịt lợn có sử dụng muối Kali nitrat có ý nghĩa thực tiễn và tính cấp thiết xã hội. 5. Các đóng góp chính của luận án Luận án có hai đóng góp chính: 1. Đề xuất phương pháp đo phổ trở kháng điện của thịt lợn thăn dựa trên việc cải tiến hai mô hình tương đương truyền thống (mô hình Fricke và mô hình Cole-Cole).
14 2. Thiết kế, phát triển mạch đo phổ trở kháng điện cho thịt lợn thăn nhằm xác định sự có mặt của KNO3. 6. Bố cục của luận án Bố cục của luận án gồm các phần sau: - Chương 1: Các cơ sở nghiên cứu của luận án. Chương 1 trình bày tổng quan các phương pháp đánh giá chất lượng thực phẩm nói chung và thịt lợn nói riêng. - Chương 2: Cải tiến mô hình tương đương của mô sinh học nhằm nâng cao độ chính xác phép đo phổ trở kháng điện cho thịt lợn. Trên cơ sở các mô hình tương đương cho mô sinh học của Fricke và Cole-Cole, kết hợp các dữ liệu đo thực tế, luận án đề xuất các cải tiến cho hai mô hình trên nhằm nâng cao độ chính xác đo trở kháng phức của thịt. - Chương 3: Thiết kế hệ thống đo hai kênh nhằm tăng tốc độ đo và phân tích, xử lý dữ liệu trở kháng phức của các mẫu thịt. Để tăng tốc độ thu thập và xử lý dữ liệu, luận án đề xuất một mô 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. Với sự hỗ trợ hệ thống tự động đo này, luận án tiến hành các thực nghiệm với gần 300 mẫu thịt và bàn luận kết quả đo.
15 Chương 1 CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1.1. Tổng quan các phương pháp đánh giá chất lượng thịt 1.1.1. Phương pháp cơ học 1.1.1.1. Đánh giá chất lượng thịt dựa vào các phép đo xâm lấn Một trong những phương pháp được sử dụng từ rất sớm đó là phương pháp Warner-Bratzler (WBSF), sử dụng thiết bị Warner-Bratzler để đo lực cắt tối đa. Độ mềm của thịt là một trong những đặc điểm đánh giá chất lượng cao nhất đối với các loại thịt đỏ. Các tiêu chuẩn kiểm tra lực cắt đã được thiết lập để xác định độ mềm thịt tốt nhất cho các loại thịt khác nhau. Phương pháp phân tích kết cấu phổ biến nhất cho độ mềm là thử nghiệm Warner Bratzler. Warner-Bratzler Fixtures đo lực cần thiết để cắt qua một miếng thịt. Tham số được xem xét là lực cắt lớn nhất tính bằng đơn vị lực [29]. Phương pháp này đơn giản và nhanh để đánh giá chất lượng thịt tuy nhiên lại có hạn chế lớn là không thể xác định được thịt có còn tươi và có sử dụng chất bảo quản hay không [hạn chế 1]. 1.1.1.2. Sử dụng sóng siêu âm Phân tích các thông số âm học của sóng truyền trong một môi trường giúp xác định các đặc tính của môi trường truyền. Hai phương pháp sử dụng siêu âm có thể được sử dụng trong đánh giá chất lượng của thực phẩm: phân tích quang phổ siêu âm [30, 31] và siêu âm đàn hồi [32]. Các thông số âm học được tính đến bao gồm vận tốc của sóng truyền và các thông số phổ như độ suy giảm và hệ số tán xạ ngược trong môi trường. Sự truyền sóng siêu âm trong thịt không chỉ phụ thuộc vào thành phần (ví dụ, hàm lượng nước và lipid) mà còn cả cấu trúc (ví dụ, định hướng của các sợi cơ, tổ chức của mô liên kết). Hàm lượng chất béo đã được báo cáo có tương quan với tốc độ truyền sóng siêu âm, với chất béo và nạc thể hiện sự phụ thuộc nhiệt độ ngược
16 lại vào vận tốc âm thanh [33]. Theo báo cáo của [34] các phép đo siêu âm đưa ra dự đoán tốt về kết cấu thịt trên động vật sống và toàn bộ thân thịt, đồng thời không tốn kém và không xâm lấn, tuy nhiên thiết bị tương đối phức tạp, giá thành cao [hạn chế 2]. Từ các đặc điểm trên, có thể thấy phương pháp cơ học cho thấy được ưu điểm của nó trong việc đánh giá chất lượng thịt một cách nhanh chóng nhưng hạn chế còn quá lớn do các phương pháp sử dụng đơn giản, chưa đánh giá tổng quan được chất lượng thịt về hàm lượng, cũng như thịt tươi hay không [hạn chế 3]. 1.1.2. Phương pháp quang học 1.1.2.1. Quang phổ hồng ngoại Quang phổ hồng ngoại (IR) là một phương pháp quang phổ xử lý vùng hồng ngoại của phổ điện từ (từ khoảng 800 đến 2500 nm). IR thường được sử dụng trong các ứng dụng dược phẩm, chẩn đoán y tế, kiểm tra chất lượng thực phẩm và hóa chất nông nghiệp. Quang phổ hồng ngoại dựa trên nguyên tắc các liên kết hóa học trong phân tử hữu cơ hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng hồng ngoại khi trạng thái dao động của chúng thay đổi. Quang phổ phản xạ cung cấp giải pháp thay thế hầu như luôn được sử dụng trong các nghiên cứu về thịt và cơ, và nó đã được nghiên cứu rộng rãi như một phương tiện đo gián tiếp cấu trúc thịt. Quang phổ IR, với tốc độ, tính dễ sử dụng và tính linh hoạt, có thể trở thành một trong những kỹ thuật phân tích mạnh mẽ giúp đánh giá các sản phẩm thịt [35]. Ngoài ra, các kỹ thuật khác liên quan đến quang phổ như quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) cũng đã được phát triển với ưu điểm vượt trội FTIR [36]. Tuy phương pháp quang phổ hồng ngoại có những ưu điểm riêng xong hầu hết các thiết bị này đều được sử dụng ở trong phòng thí nghiệm [37, 38].
17 1.1.2.2. Quang phổ Raman Quang phổ Raman cũng là một kỹ thuật quang phổ dao động được sử dụng trong vật lý vật chất ngưng tụ, các ứng dụng y sinh và hóa học để nghiên cứu các chế độ dao động, các chế độ tần số thấp khác trong một hệ thống, dựa trên sự tán xạ của ánh sáng đơn sắc, thường là từ tia laser trong phổ khả kiến, hồng ngoại hoặc gần UV. Phổ Raman cung cấp thông tin tương tự nhưng bổ sung cho quang phổ IR. Ứng dụng của quang phổ Raman cho thấy phương pháp khá hữu dụng trong việc đánh giá thịt về mặt hóa học [39, 40]. 1.1.2.3. Quang phổ nhìn thấy được và phép đo màu Nhiều đặc điểm chất lượng của thịt lợn có liên quan đến các đặc điểm dễ nhận thấy điển hình là màu sắc. Nghiên cứu [41] phát triển một hệ thống không xâm lấn để đánh giá chất lượng của thịt lợn tươi. Bốn chất lượng khác nhau của thịt được xem xét là RFN (red, firm and non-exudative), RSE (red, soft and exudative), PFN (pale, firm and non-exudative pale) và PSE (pale, soft and exudative). Dữ liệu nghiên cứu trong [41] cho thấy có thể phân biệt thịt nhạt khỏi thịt đỏ. Ngoài ra, thịt PFN có thể phân biệt được với thịt PSE. 1.1.2.4. Quang phổ huỳnh quang Các ứng dụng của quang phổ huỳnh quang được đánh giá là phương pháp nhanh, không phá hủy so với các kỹ thuật truyền thống để đánh giá chất lượng cá và thịt [42]. Tuy được xem là phương pháp có nhiều ưu điểm đánh giá chất lượng thịt, song phương pháp quang học cần có các thiết bị phức tạp, thường phù hợp trong phòng thí nghiệm [hạn chế 4]. 1.1.3. Các phép đo sử dụng tia X Tia X từ lâu đã được sử dụng trong y học và các lĩnh vực khác. Nguyên tắc là để có được một phép đo sự suy giảm của năng lượng xuyên qua. Các vật liệu khác nhau có các đặc tính suy giảm khác nhau, và do đó tùy thuộc vào mức năng lượng xuyên qua, có thể có được các phép đo định lượng, đặc biệt
18 đối với xương, thịt nạc và mỡ. Nhiều công cụ công nghệ sử dụng chùm tia X ở các mức năng lượng khác nhau đã được phát triển, giúp phân biệt mỡ, xương và thịt nạc theo mức suy giảm năng lượng đo được. Các nghiên cứu [43, 44] thực hiện những thí nghiệm đánh giá chất lượng thịt dựa theo kỹ thuật này. Tuy nhiên, phương pháp này chi phí khá tốn kém và hệ thống đo đạc cồng kềnh [hạn chế 5]. Các kỹ thuật được trình bày ở trên cho thấy những lợi thế trong việc đánh giá chất lượng thịt song cũng bộc lộ những hạn chế như: độ phức tạp của thiết bị, yêu cầu về vận hành, tính kinh tế,… 1.1.4. Phương pháp đánh giá chất lượng thịt dựa trên công nghệ phổ trở kháng điện Trong các phương pháp đánh giá chất lượng thực phẩm, có thể nói phương pháp sử dụng phân tích phổ trở kháng điện (EIS) là phương pháp đơn giản và hiệu quả được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để phân tích chất lượng thịt. EIS là một phương pháp phân tích các đặc tính điện của vật liệu và hệ thống bằng cách cho các tín hiệu điện xoay chiều ở các tần số khác nhau vào đối tượng và đo các tín hiệu phản hồi [8]. Đối tượng nghiên cứu và mục tiêu của EIS ứng dụng trong thực phẩm rất phong phú, trong đó có thể kể đến: nghiên cứu về hàm lượng chất khô của sầu riêng [15] và quá trình chín của chuối [16]; sự thay đổi của các mô khoai tây và rau bina trong hoặc sau khi gia nhiệt [17, 18]; độ ẩm của lát cà rốt trong quá trình sấy [19]; chất lượng thịt lợn trong quá trình bảo quản [20]; biến đổi của thịt bò theo thời gian [21]; phân biệt cơ ức gà tươi và đông lạnh sau rã đông [22]; xác định độ ẩm và độ mặn của cá hồi vân ướp muối [23]; ước tính độ tươi của cá chép [24]. Về nguyên lý hoạt động có thể thấy rằng các thiết bị EIS khá đơn giản, giá rẻ, không yêu cầu phức tạp về vận hành. Từ những đánh giá ở trên có thể thấy các hạn chế là những hạn chế cố hữu của phương pháp: có cấu trúc thiết bị phức tạp, giá thành cao, đòi hỏi