Nghiên Cứu Phát Triển Phương Pháp Đo Phổ Trở Kháng Điện Nhằm Xác Định Kali Nitrat Trong Thịt Lợn

An toàn vệ sinh thực phẩm, đặc biệt là chất lượng thịt lợn, đang là mối quan tâm hàng đầu tại Việt Nam. 97 trang · Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội · 2023.

• Tác giả: Đặng Thành Trung
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phan Kiên
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Đo Phổ Trở Kháng Điện Xác Định Kali Nitrat Trong Thịt Lợn
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. 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
• 1.1.1.2. Sử dụng sóng siêu âm
• 1.1.2. Phương pháp quang học
• 1.1.2.1. Quang phổ hồng ngoại
• 1.1.2.2. Quang phổ Raman
• 1.1.2.3. Quang phổ nhìn thấy được và phép đo màu
• 1.1.3. Các phép đo sử dụng tia X
• 1.1.4. Phương pháp đánh giá chất lượng thịt dựa trên công nghệ phổ trở kháng điện
• 1.1.4.1. Cơ sở lý thuyết đo phổ trở kháng điện sinh học
• 1.1.4.2. Mô hình mạch tương đương của Fricke
• 1.1.4.3. Lý thuyết phân tán của Schwan
• 1.1.4.4. Lý thuyết Cole-Cole
• 1.1.5. Kỹ thuật đánh giá kết quả thực nghiệm và tính toán
• 1.1.5.1. Kỹ thuật CNLS
• 1.1.5.2. Thuật toán Levenberg–Marquardt
• 1.1.5.3. Hệ số trọng số
• 1.1.6. Kết luận chương 1
• 2. 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
• 2.1. Mô phỏng mạch đo trở kháng phức dựa trên nguyên lý phát hiện điện áp đỉnh
• 2.2. Khảo sát trở kháng phức với mô hình Fricke
• 2.3. Khảo sát trở kháng phức với mô hình Cole-Cole
• 2.4. Phát triển phần cứng đo trở kháng phức khảo sát thịt lợn trước và sau khi xử lý bằng KNO3
• 2.5. Đề xuất cải tiến mô hình Fricke và Cole Cole
• 2.6. Mô hình cải tiến
• 2.7. Phần cứng thu thập dữ liệu và đánh giá dữ liệu thu được trên cơ sở mô hình đề xuất
• 2.8. Kết luận chương 2
• 3. 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
• 3.1. Xây dựng hệ thống đo, phân tích, xử lý dữ liệu trở kháng phức dựa trên mạch đo hai kênh
• 3.2. Thực nghiệm đo và đánh giá kết quả
• 3.3. Kết luận chương 3
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

Tóm tắt

I. Tổng Quan Đo Phổ Trở Kháng Điện Thịt Lợn KNO3

An toàn vệ sinh thực phẩm, đặc biệt là chất lượng thịt lợn, đang là mối quan tâm hàng đầu tại Việt Nam. Người tiêu dùng lo ngại về thực phẩm bẩn, đặc biệt là tình trạng sử dụng kali nitrat (KNO3) để biến thịt ôi thành tươi. Kali nitrat không bị cấm hoàn toàn, nhưng việc lạm dụng gây nguy hại cho sức khỏe. Nghiên cứu này tập trung vào phát triển phương pháp phát hiện nhanh thịt lợn bị xử lý bằng KNO3, giúp người tiêu dùng tránh mua phải thực phẩm kém chất lượng. Phương pháp đo phổ trở kháng điện (EIS) là một giải pháp tiềm năng, đã được ứng dụng rộng rãi trong phân tích y sinh và phân tích thực phẩm. Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu về ứng dụng EIS để phát hiện thịt lợn xử lý KNO3.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Kiểm Nghiệm Thịt Lợn

Thịt lợn chiếm hơn 70% lượng thịt tiêu thụ tại Việt Nam, là nguồn thực phẩm quan trọng trong bữa ăn hàng ngày. Tuy nhiên, chất lượng thịt không được kiểm soát chặt chẽ, đặc biệt tại các chợ truyền thống. Việc sử dụng chất bảo quản thực phẩm như kali nitrat (KNO3) để kéo dài thời gian bảo quản và cải thiện màu sắc thịt là một vấn đề nhức nhối. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về các phương pháp kiểm nghiệm thực phẩm nhanh chóng và chính xác để bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

1.2. Giới Thiệu Phương Pháp Đo Phổ Trở Kháng Điện EIS

Đo phổ trở kháng điện (EIS) là kỹ thuật phân tích đặc tính trở kháng của vật liệu bằng cách sử dụng dòng điện xoay chiều ở nhiều tần số khác nhau. EIS đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm y sinh, phân tích thực phẩm, và khoa học vật liệu. Trong lĩnh vực phân tích thực phẩm, EIS có thể được sử dụng để đánh giá chất lượng, độ tươi, và phát hiện các chất phụ gia hoặc thực phẩm bẩn. Ưu điểm của EIS là nhanh chóng, không phá hủy mẫu, và có thể thực hiện tại chỗ.

II. Vấn Nạn Kali Nitrat Ảnh Hưởng Đến An Toàn Thịt Lợn

Việc sử dụng kali nitrat (KNO3) để biến thịt ôi thành tươi là một vấn nạn tại Việt Nam. KNO3 không bị cấm, nhưng lạm dụng gây hại. Nó biến Memogrobin (thịt thâm đen) thành Hemoglobin (thịt đỏ tươi), đánh lừa người tiêu dùng. WHO và EC đã đưa ra giới hạn hàm lượng nitrat cụ thể. Nghiên cứu tập trung phát triển phương pháp phát hiện nhanh thịt ôi xử lý KNO3, giúp người tiêu dùng tránh thực phẩm kém chất lượng. Điều này có ý nghĩa thực tiễn và tính cấp thiết xã hội.

2.1. Cơ Chế Biến Đổi Màu Thịt Của Kali Nitrat

Kali nitrat (KNO3) có khả năng biến đổi màu sắc của thịt ôi thiu trở nên tươi ngon hơn. Thịt tươi có màu đỏ tươi do chứa Hemoglobin. Khi thịt bị ôi, Hemoglobin chuyển thành Methemoglobin, làm thịt có màu thâm đen. KNO3 có khả năng chuyển Methemoglobin trở lại Hemoglobin, làm thịt trở nên đỏ tươi trở lại. Quá trình này đánh lừa thị giác của người tiêu dùng, khiến họ khó phân biệt được thịt tươi và thịt đã bị ôi thiu.

2.2. Nguy Cơ Sức Khỏe Từ Thịt Lợn Chứa Kali Nitrat

Việc tiêu thụ thịt lợn chứa kali nitrat (KNO3) vượt quá giới hạn cho phép có thể gây ra nhiều nguy cơ cho sức khỏe. Nitrat có thể chuyển hóa thành nitrit trong cơ thể, gây ra các vấn đề về máu, đặc biệt là ở trẻ em. Ngoài ra, nitrit có thể kết hợp với các amin trong thực phẩm tạo thành nitrosamin, một chất gây ung thư. Do đó, việc kiểm soát hàm lượng KNO3 trong thịt lợn là rất quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

III. Phương Pháp Đo Phổ Trở Kháng Điện Xác Định KNO3

Luận án tập trung vào phát triển phương pháp đo phổ trở kháng điện (EIS) để xác định hàm lượng KNO3 trong thịt lợn. Mục tiêu là cải tiến mô hình tương đương của mô hình sinh học để xác định trở kháng phức của thịt lợn, từ đó xác định sự tồn tại của KNO3. Trên cơ sở mô hình cải tiến, phát triển mạch đo trở kháng phức để xác định sự tồn tại của KNO3 trong thịt. Phương pháp tiếp cận theo hướng đo và phân tích phổ trở kháng phức bao gồm cả thành phần pha và biên độ theo tần số.

3.1. Cơ Sở Lý Thuyết Của Đo Phổ Trở Kháng Điện

Đo phổ trở kháng điện (EIS) dựa trên việc phân tích đáp ứng của vật liệu khi chịu tác động của dòng điện xoay chiều ở các tần số khác nhau. Trở kháng là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện xoay chiều của vật liệu. Phổ trở kháng là biểu đồ biểu diễn sự thay đổi của trở kháng theo tần số. Bằng cách phân tích phổ trở kháng, có thể thu được thông tin về cấu trúc, thành phần, và tính chất của vật liệu.

3.2. Ứng Dụng EIS Trong Phân Tích Thực Phẩm

EIS đã được ứng dụng rộng rãi trong phân tích thực phẩm để đánh giá chất lượng, độ tươi, và phát hiện các chất phụ gia hoặc thực phẩm bẩn. Ví dụ, EIS có thể được sử dụng để xác định độ ẩm, độ mặn, hàm lượng chất béo, và phát hiện các chất bảo quản trong thực phẩm. Ưu điểm của EIS là nhanh chóng, không phá hủy mẫu, và có thể thực hiện tại chỗ, phù hợp cho việc kiểm nghiệm thực phẩm tại các cơ sở sản xuất và kinh doanh.

IV. Cải Tiến Mô Hình Đo Trở Kháng Điện Cho Thịt Lợn

Luận án đề xuất cải tiến hai mô hình tương đương truyền thống: mô hình Fricke và mô hình Cole-Cole. Các cải tiến này nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo phổ trở kháng điện cho thịt lợn. Mô hình cải tiến kết hợp các dữ liệu đo thực tế để đưa ra kết quả chính xác hơn. Mạch đo trở kháng điện được thiết kế và phát triển để xác định sự có mặt của kali nitrat (KNO3).

4.1. Mô Hình Fricke Cải Tiến Để Đo Trở Kháng Thịt Lợn

Mô hình Fricke là một mô hình mạch tương đương đơn giản được sử dụng để mô tả trở kháng của các mô sinh học. Tuy nhiên, mô hình Fricke có một số hạn chế khi áp dụng cho thịt lợn, do cấu trúc phức tạp của thịt. Luận án đề xuất cải tiến mô hình Fricke bằng cách bổ sung thêm các thành phần mạch để mô tả chính xác hơn các đặc tính điện của thịt lợn.

4.2. Mô Hình Cole Cole Cải Tiến Để Phân Tích Thịt Lợn

Mô hình Cole-Cole là một mô hình mạch tương đương khác được sử dụng để mô tả trở kháng của các mô sinh học. Mô hình Cole-Cole có khả năng mô tả sự phân tán của trở kháng theo tần số tốt hơn so với mô hình Fricke. Luận án đề xuất cải tiến mô hình Cole-Cole bằng cách điều chỉnh các tham số của mô hình để phù hợp với đặc tính điện của thịt lợn.

V. Thiết Kế Hệ Thống Đo Hai Kênh Tăng Tốc Phân Tích Mẫu

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. Hệ thống đo hai kênh giúp tăng hiệu quả phân tích định lượng và đánh giá chất lượng thịt lợn.

5.1. Ưu Điểm Của Hệ Thống Đo Hai Kênh Trong EIS

Hệ thống đo hai kênh cho phép đo đồng thời hai mẫu thịt khác nhau, giúp giảm thời gian đo và tăng hiệu quả phân tích. Ngoài ra, hệ thống đo hai kênh còn giúp giảm sai số do sự thay đổi của điều kiện môi trường trong quá trình đo. Hệ thống này đặc biệt hữu ích khi cần phân tích một lượng lớn mẫu thịt.

5.2. Xử Lý Dữ Liệu Trở Kháng Phức Từ Hệ Thống Đo

Dữ liệu trở kháng phức thu được từ hệ thống đo hai kênh cần được xử lý để loại bỏ nhiễu và trích xuất các thông tin quan trọng. Các phương pháp xử lý dữ liệu bao gồm lọc nhiễu, hiệu chỉnh sai số, và phân tích hồi quy. Kết quả xử lý dữ liệu được sử dụng để xác định hàm lượng kali nitrat (KNO3) trong thịt lợn.

VI. Kết Luận Tiềm Năng Ứng Dụng Phương Pháp Đo EIS

Luận án đã phát triển mô hình phân tích phổ trở kháng điện để xác định sự có mặt của kali nitrat (KNO3) trong thịt lợn. Đây 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. 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.

6.1. Đóng Góp Của Luận Án Về Phương Pháp Đo EIS

Luận án đã 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). Thiết kế, phát triển mạch đo phổ trở kháng điện cho thịt lợn thăn nhằm xác định sự có mặt của KNO3.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Đo Trở Kháng Điện

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa hệ thống đo, mở rộng phạm vi ứng dụng cho các loại thực phẩm khác, và phát triển các phương pháp phân tích dữ liệu tiên tiến hơn. Ngoài ra, cần có các nghiên cứu về độ tin cậy và độ chính xác của phương pháp trong điều kiện thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Vấn đề an toàn vệ sinh thực phẩm tại Việt Nam là một trong những ưu tiên xã hội hàng đầu trước mối lo ngại kéo dài của người tiêu dùng về chất lượng thực phẩm nội địa và nhập khẩu. Thịt lợn là nguồn thực phẩm động vật phổ biến nhất tại Việt Nam, chiếm hơn 70% tổng sản lượng thịt tiêu thụ, trung bình đạt khoảng 24,7 kg/người/năm và được hơn 95% dân số tiêu thụ ở mọi độ tuổi, giới tính. Chi tiêu cho thịt lợn chiếm khoảng 13% tổng chi tiêu thực phẩm của một hộ gia đình (khoảng 30 USD/tháng). Mặc dù vậy, đa số người tiêu dùng vẫn mua thịt tại các chợ dân sinh truyền thống dựa trên cảm quan và niềm tin vào nguồn cung, trong khi hệ thống tổ chức sản xuất theo chuỗi và truy xuất nguồn gốc chưa được triển khai hiệu quả.

Thực trạng đáng báo động là việc lạm dụng muối Săm pết (Kali Nitrat - $\text{KNO}_3$, gốc từ tiếng Pháp salpêtre hoặc tiếng Anh sanpet) để biến thịt lợn ôi thiu thành thịt có bề ngoài đỏ tươi. Khi thịt lợn mới giết mổ, thành phần Hemoglobin tạo nên màu đỏ tươi đặc trưng; theo thời gian bảo quản tự nhiên, Hemoglobin bị oxy hóa thành Metmyoglobin (trong văn bản ghi là Memogrobin) khiến thịt chuyển sang màu thâm đen. Hoạt chất $\text{NO}_3^-$ trong $\text{KNO}_3$ có tính chất hóa học làm biến đổi Memogrobin trở lại thành Hemoglobin, khôi phục màu đỏ tươi đánh lừa thị giác người tiêu dùng. Dù $\text{KNO}_3$ được phép dùng làm phụ gia bảo quản với hàm lượng kiểm soát nghiêm ngặt theo khuyến cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Cộng đồng Kinh tế Châu Âu (EC), việc tiểu thương ngâm tẩm tùy tiện với liều lượng bất định gây rủi ro trực tiếp cho sức khỏe. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là chưa có phương pháp phân tích phổ trở kháng điện (EIS) nào được công bố nhằm phát hiện tình trạng xử lý $\text{KNO}_3$ trên thịt lợn thăn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể:

1. Mục tiêu chung: Nghiên cứu phương pháp hiệu quả nhằm phát hiện sự tồn tại hay không của $\text{KNO}_3$ trong thịt lợn.
2. Mục tiêu cụ thể:
   • Đề xuất cải tiến mô hình tương đương của mô sinh học nhằm xác định trở kháng phức của thịt lợn, qua đó xác định sự tồn tại hay không của $\text{KNO}_3$.
   • Trên cơ sở mô hình cải tiến, phát triển mạch đo trở kháng phức nhằm xác định có hay không sự tồn tại của $\text{KNO}_3$ trong thịt.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Xây dựng và cải tiến mô hình mạch đo trở kháng phức của thịt lợn.
• Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào công nghệ đo, phân tích phổ trở kháng điện (EIS) và xác định sự có mặt của $\text{KNO}_3$ trên đối tượng thịt lợn nạc thăn.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan các kỹ thuật đánh giá chất lượng thịt hiện hành thông qua bốn nhóm phương pháp chính:

Nhóm phương pháp	Kỹ thuật cụ thể và công trình tiêu biểu	Nguyên lý hoạt động	Hạn chế cố hữu được chỉ ra
Cơ học	- Lực cắt Warner-Bratzler (WBSF) [29] - Quang phổ siêu âm [30, 31] - Siêu âm đàn hồi [32, 33]	Đo lực cắt cơ học tối đa để xác định độ mềm; đo vận tốc truyền sóng, độ suy giảm và hệ số tán xạ ngược của sóng âm liên quan đến hàm lượng lipid và mô liên kết.	Phương pháp xâm lấn gây phá hủy mẫu; không đánh giá được độ tươi tổng thể và không phát hiện được chất bảo quản hóa học.
Quang học	- Quang phổ hồng ngoại IR (800–2500 nm) [35] - Quang phổ FTIR [36] - Quang phổ Raman [39, 40] - Phép đo màu phân loại RFN, RSE, PFN, PSE [41] - Quang phổ huỳnh quang [42]	Dựa trên sự hấp thụ, phát xạ dao động của liên kết phân tử hữu cơ, tán xạ ánh sáng đơn sắc laser hoặc huỳnh quang để nhận biết cấu trúc hóa học và biến đổi sắc tố bề mặt.	Thiết bị đắt tiền, cấu trúc phức tạp, đòi hỏi điều kiện vận hành nghiêm ngặt, chủ yếu phù hợp trong môi trường phòng thí nghiệm.
Tia X	- Phép đo suy giảm năng lượng chùm tia X [43, 44]	Đo mức độ suy giảm năng lượng bức xạ xuyên qua mẫu để phân biệt định lượng xương, mỡ và nạc.	Hệ thống cồng kềnh, chi phí đầu tư và vận hành tốn kém, không phù hợp cho kiểm tra nhanh diện rộng.
Phổ trở kháng điện (EIS)	- Đo dòng xoay chiều quét đa tần số [8] - Các nghiên cứu trên sầu riêng [15], chuối [16], khoai tây/rau bina [17, 18], cà rốt [19], thịt lợn [20], thịt bò [21], cơ ức gà [22], cá hồi [23], cá chép [24], sữa [25], nước trái cây [26], bánh mì [27], dầu ăn [28]	Đưa tín hiệu xoay chiều quét qua các tần số khác nhau vào mô sinh học để thu nhận phản ứng dòng điện/điện áp, phản ánh cấu trúc tế bào và đặc tính điện môi.	Chưa từng được nghiên cứu để giải quyết bài toán nhận diện dư lượng $\text{KNO}_3$ trên mô thịt động vật.

Khoảng trống học thuật mà luận án lựa chọn giải quyết là tận dụng ưu thế của công nghệ EIS (thiết bị nhỏ gọn, chi phí thấp, cho kết quả nhanh, không yêu cầu chuyên môn vận hành phức tạp) để thiết kế hệ thống phần cứng và thuật toán chuyên biệt nhằm phát hiện thịt lợn thăn bị ngâm tẩm $\text{KNO}_3$, đồng thời hiệu chỉnh các mô hình mạch tương đương kinh điển nhằm phản ánh chính xác tương tác tiếp xúc giữa điện cực kim loại và mô sinh học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng nền tảng trên ba trụ cột lý thuyết kinh điển về trở kháng sinh học:

1. Mô hình mạch tương đương Fricke [45–47]: Mô phỏng tế bào gồm điện trở ngoại bào $R_e$, điện trở nội bào $R_i$ và điện dung màng tế bào $C_m$. Khi tần số $f \to 0$, tụ $C_m$ cách điện hoàn toàn ($R_0 = R_e$); khi tần số $f \to \infty$, tụ $C_m$ dẫn điện hoàn toàn ($R_\infty \approx R_i$ do $R_e \gg R_i$).
2. Lý thuyết phân tán Schwan [48–50, 54]: Phân chia phổ trở kháng mô sinh học thành ba vùng phân tán:
   • Vùng $\alpha$ (vài Hz đến vài kHz): Hiện tượng phân cực lớp điện tích kép và trạng thái nghỉ của các lưỡng cực bên ngoài hình thành dọc màng cách điện.
   • Vùng $\beta$ (vài kHz đến MHz): Hiệu ứng Maxwell-Wagner do phân cực giao diện giữa màng tế bào và chất điện phân nội/ngoại bào; phản ánh tính toàn vẹn và mức độ thoái hóa của màng tế bào.
   • Vùng $\gamma$ (trên 100 MHz): Sự giãn lưỡng cực vĩnh viễn của các phân tử nước trong mô.
3. Lý thuyết Cole-Cole [57–60]: Mô tả hằng số điện môi phức $\varepsilon^$ và trở kháng phức $Z^$ theo phương trình thực nghiệm: $$Z^* = R_\infty + \frac{R_0 - R_\infty}{1 + (i\omega\tau)^\alpha} = Z' + iZ''$$ Bổ sung phần tử pha không đổi (CPE - Constant Phase Element) với trở kháng $Z_{CPE} = \frac{1}{P(i\omega)^n}$, trong đó $n \approx 0$ biểu thị tính thuần trở và $n \approx 1$ biểu thị tính thuần dung ($P = C$).

Phương pháp xử lý dữ liệu và thuật toán:

• Sử dụng kỹ thuật bình phương cực tiểu phi tuyến phức (CNLS - Complex Nonlinear Least Squares Fitting) do Macdonald và Garber đề xuất (1977) để khớp dữ liệu thực nghiệm gồm phần thực $Z'_i$ và phần ảo $Z''_i$ với mô hình lý thuyết.
• Áp dụng thuật toán Levenberg-Marquardt (LMA) kết hợp ma trận Jacobi $J$ và hệ số suy giảm $\lambda$ để tìm cực tiểu tuyệt đối của hàm mục tiêu tổng bình phương sai số: $$S = \sum_{i=1}^M \left[ (Z'i - Z'{i,calc})^2 w'_i + (Z''i - Z''{i,calc})^2 w''_i \right]$$
• Trọng số thống kê được lựa chọn là trọng số mô-đun (Modulus Weighting - MWT): $$w_i = \frac{1}{(Z'_i)^2 + (Z''_i)^2}$$

Nguồn dữ liệu và công cụ thực nghiệm:

• Dữ liệu thu thập từ các mẫu thịt lợn nạc thăn tươi trong các điều kiện bảo quản tự nhiên kéo dài đến 120 giờ và các mẫu thịt sau 120 giờ được xử lý ngâm rửa bằng dung dịch $\text{KNO}_3$.
• Sử dụng phần mềm Proteus để mô phỏng mạch điện tử; phần mềm EIS Spectrum Analyser để thực hiện khớp tham số mô hình; máy hiện sóng (Oscilloscope) và module vi điều khiển điều khiển bộ tổng hợp tần số trực tiếp DDS AD9850; thuốc thử hóa học Diphenylamin làm chất chỉ thị màu để xác nhận sự có mặt của ion nitrat.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở nghiên cứu của luận án

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về các phương pháp kiểm tra chất lượng thực phẩm và các mô hình vật lý - toán học của phổ trở kháng điện sinh học. Tác giả phân tích chi tiết ưu nhược điểm của các phương pháp cơ học (lực cắt WBSF, sóng siêu âm), quang học (hồng ngoại IR, FTIR, tán xạ Raman, huỳnh quang, đo màu phân loại RFN/PSE) và tia X. Chương này làm rõ bản chất dẫn điện của mô sinh học qua mô hình Fricke, sự phân tán điện môi Schwan tại các dải $\alpha, \beta, \gamma$, phương trình Debye và Cole-Cole. Đồng thời, chương 1 thiết lập khung toán học xử lý dữ liệu thực nghiệm thông qua kỹ thuật CNLS, thuật toán Levenberg-Marquardt và chứng minh tính ưu việt của trọng số mô-đun MWT trong việc tối ưu hóa đồng thời cả phần thực và phần ảo của trở kháng phức.

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

Chương 2 tập trung vào nghiên cứu mô phỏng, đề xuất cấu trúc mô hình tương đương mới và xây dựng phần cứng đo tự động:

1. Mô phỏng mạch đo trở kháng phức theo nguyên lý phát hiện điện áp đỉnh:
   • Thiết kế mạch phát hiện điện áp đỉnh sử dụng hai bộ khuếch đại thuật toán, điốt $D_1, D_2$, điện trở $R_1$ và tụ giữ $C_1, C_2$ để đo biên độ $V_z$ và $V_r$.
   • Thiết kế mạch đo độ lệch pha $\varphi$: Tín hiệu điện áp được chuyển thành xung vuông qua bộ so sánh, đưa vào cổng logic XOR để tạo điện áp xung $V_\varphi$, sau đó đi qua bộ lọc thông thấp bậc hai cấu hình op-amp không đảo ($R_1 = R_2 = 10\text{ k}\Omega$, $C_1 = C_2 = 47\ \mu\text{F}$, tần số cắt $f_c = 0,33\text{ Hz}$) để lấy điện áp một chiều trung bình $V_{out}$, tính pha theo công thức: $$\varphi = \frac{V_{out}}{V_{dd}} \times \pi\text{ (rad)}$$
   • Kết quả mô phỏng Proteus trong dải tần 10 kHz đến 1 MHz cho thấy: Với mô hình Fricke ($R_e = 2000\ \Omega, R_i = 1000\ \Omega, C_m = 1\text{ nF}$), sai số giữa mô phỏng và lý thuyết nhỏ hơn 1,5%; với mô hình Cole-Cole, sai số nhỏ hơn 1,0%.
2. Khảo sát thực nghiệm với mạch khuếch đại đảo:
   • Mẫu thịt được đặt tại nhánh hồi tiếp của mạch khuếch đại đảo, trở kháng xác định bởi $Z_x = - \frac{V_{out}}{V_{in}} R_{in}$.
   • Khảo sát mẫu thịt tươi để tự nhiên trong 120 giờ (xuất hiện mốc trắng, chảy nước, bốc mùi) và mẫu thịt sau 120 giờ được rửa bằng $\text{KNO}_3$. Kết quả xác nhận tại một tần số cố định, trở kháng giảm dần theo thời gian bảo quản và giảm khi tần số quét tăng lên.
3. Đề xuất cải tiến mô hình mạch tương đương:
   • Nhận thấy màng tế bào thịt thăn không phải là tụ điện lý tưởng, tác giả thay thế tụ $C_m$ bằng phần tử pha không đổi $CPE_{P1, n1}$ trong mô hình Fricke.
   • Do sự hình thành lớp màng mỏng phân cách giữa bề mặt điện cực kim y tế và mô thịt khi có dòng xoay chiều đi qua (mặt giao tiếp điện cực - mô), tác giả bổ sung thêm phần tử $CPE_{P2, n2}$ mắc nối tiếp ở đầu vào cho cả mô hình Fricke và Cole-Cole.
4. Hệ thống phần cứng đo tự động đơn kênh:
   • Tích hợp vi điều khiển giao tiếp máy tính qua cổng nối tiếp (Serial Port), điều khiển module DDS AD9850 quét sóng sin dải tần từ 50 Hz đến 1 MHz tại 24 mốc thời gian thiết lập tự động, đo tín hiệu qua Oscilloscope.
   • Khớp dữ liệu thực nghiệm bằng phần mềm EIS Spectrum Analyser, trích xuất các tham số mạch và đồ thị phần dư xác nhận độ phù hợp cao của mô hình cải tiến.

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

Chương 3 mở rộng giải pháp phần cứng và triển khai thực nghiệm quy mô lớn:

• Phát triển cấu trúc hệ thống đo phổ trở kháng điện 2 kênh độc lập cho phép đo đồng thời nhiều mẫu thịt trong cùng điều kiện môi trường, rút ngắn thời gian thực nghiệm và loại bỏ sai số do biến thiên nhiệt độ phòng giữa các lần đo riêng lẻ.
• Sử dụng điện cực kim y tế cắm trực tiếp vào các mẫu thịt lợn nạc thăn với quy trình cố định khoảng cách và độ sâu tiếp xúc.
• Thực hiện đo đạc và phân tích phổ trở kháng trên tập dữ liệu gồm gần 300 mẫu thịt.
• So sánh đối chứng đặc tính phổ biên độ và phổ pha giữa mẫu thịt sạch tự nhiên và mẫu thịt xử lý bằng $\text{KNO}_3$ sau 24 giờ.
• Sử dụng thuốc thử Diphenylamin tạo phản ứng đổi màu đặc trưng với ion nitrat để đối chiếu, kiểm chứng tính chính xác của phương pháp đo phổ trở kháng điện trong việc nhận diện thịt có xử lý $\text{KNO}_3$.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận khoa học và giải pháp thực tiễn của luận án gồm:

1. Đóng góp về lý luận và mô hình hóa:

   • Đề xuất mô hình mạch tương đương cải tiến cho mô sinh học dựa trên hai mô hình cổ điển Fricke và Cole-Cole.
   • Luận chứng việc thay thế điện dung màng tế bào $C_m$ bằng phần tử $CPE_{P1, n1}$ và bổ sung phần tử $CPE_{P2, n2}$ nối tiếp nhằm phản ánh chính xác hiệu ứng phân cực tại mặt giao tiếp điện cực kim y tế - mô thịt lợn thăn khi quét dòng xoay chiều.
   • Ứng dụng thành công thuật toán Levenberg-Marquardt với hàm trọng số mô-đun MWT trong phần mềm EIS Spectrum Analyser để trích xuất chính xác các thông số đặc trưng ($R_e, R_i, P_1, n_1, P_2, n_2$).

2. Đóng góp về mặt kỹ thuật và thực tiễn:

   • Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống mạch đo phổ trở kháng điện tự động (phiên bản đơn kênh và mở rộng hai kênh) kết hợp vi điều khiển và module phát tần số trực tiếp DDS AD9850 trong dải tần 50 Hz – 1 MHz.
   • Xây dựng phương pháp phát hiện sự có mặt của $\text{KNO}_3$ trong thịt lợn thăn dựa trên sự sai khác về phổ biên độ và phổ pha trở kháng, được kiểm chứng thực nghiệm trên gần 300 mẫu thịt và đối chứng với chất chỉ thị màu Diphenylamin.
   • Đề xuất giải pháp kỹ thuật có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, tốc độ đo nhanh, mở ra khả năng chế tạo các thiết bị kiểm tra nhanh chất lượng thịt phục vụ người tiêu dùng và cơ quan quản lý an toàn thực phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án (dựa trên phạm vi và đối tượng nghiên cứu được công bố):

• Nghiên cứu mới tập trung thực nghiệm trên một phân vùng duy nhất là thịt lợn nạc thăn; chưa khảo sát trên các mô thịt khác có cấu trúc mỡ, gân hoặc liên kết phức tạp hơn.
• Phép đo sử dụng điện cực kim xâm lấn trực tiếp, đòi hỏi duy trì độ ổn định tiếp xúc cơ học trong suốt quá trình đo.
• Mức độ khảo sát $\text{KNO}_3$ chủ yếu dừng ở việc phân biệt định tính sự có mặt hay không có mặt của chất xử lý trên bề mặt sau thời gian bảo quản, chưa xây dựng thang đo tương quan định lượng nồng độ $\text{KNO}_3$ chi tiết.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Mở rộng thuật toán và cấu trúc mạch đo cho nhiều loại thực phẩm khác như thịt bò, thịt gia cầm hoặc thủy hải sản.
• Phát triển hệ thống đo đa kênh quy mô lớn hơn hoặc tích hợp toàn bộ phần cứng thành thiết bị đo cầm tay nhỏ gọn phục vụ kiểm tra tại chỗ tại các chợ truyền thống.
• Nghiên cứu mô hình toán học định lượng chính xác hàm lượng $\text{KNO}_3$ hấp thụ trong mô thịt.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng cho các đối tượng sau:

• Nghiên cứu sinh, học viên chuyên ngành Kỹ thuật điện tử và Kỹ thuật y sinh: Tham khảo phương pháp thiết kế mạch đo biên độ/pha (mạch tách đỉnh, bộ so sánh, lọc thông thấp bậc hai, điều khiển DDS AD9850) và kỹ thuật khớp dữ liệu phổ trở kháng phức CNLS sử dụng trọng số mô-đun MWT.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu công nghệ thực phẩm: Sử dụng dữ liệu thực nghiệm về sự biến đổi trở kháng tế bào theo thời gian bảo quản và tương tác điện môi của thịt khi tiếp xúc với muối nitrat làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu.
• Kỹ sư phát triển thiết bị đo lường và cán bộ kiểm định an toàn thực phẩm: Tham khảo sơ đồ nguyên lý mạch đo 2 kênh và quy trình kiểm thử mẫu thực tế để phát triển các dòng máy kiểm tra nhanh dư lượng phụ gia thực phẩm giá thành thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Muối Săm pết ($\text{KNO}_3$) làm thay đổi màu sắc thịt lợn ôi thiu theo cơ chế hóa học nào? Thịt lợn tươi mới giết mổ có sắc đỏ nhờ thành phần Hemoglobin. Khi để lâu ngoài môi trường tự nhiên, Hemoglobin tiếp xúc với oxy bị oxy hóa chuyển thành Metmyoglobin (Memogrobin) làm thịt thâm đen. Thành phần gốc $\text{NO}_3^-$ trong muối $\text{KNO}_3$ phản ứng hoàn nguyên Memogrobin trở lại thành Hemoglobin, khiến miếng thịt ôi phục hồi màu đỏ tươi bề ngoài dù cấu trúc mô đã bị phân hủy.

2. Vì sao luận án phải bổ sung các phần tử CPE vào mô hình Fricke và Cole-Cole truyền thống? Trong thực tế đo trở kháng thịt lợn thăn bằng điện cực kim y tế, màng tế bào sinh học không hoạt động như một tụ điện lý tưởng $C_m$, do đó cần thay thế bằng phần tử pha không đổi $CPE_{P1, n1}$. Đồng thời, sự xuất hiện của lớp màng mỏng phân cách giữa bề mặt điện cực kim loại và mô thịt khi có dòng xoay chiều chạy qua (mặt giao tiếp điện cực - mô) đòi hỏi phải bổ sung thêm phần tử $CPE_{P2, n2}$ mắc nối tiếp để đảm bảo độ chính xác khi khớp dữ liệu thực nghiệm.

3. Mạch đo góc pha dựa trên nguyên lý phát hiện điện áp đỉnh trong luận án hoạt động như thế nào? Tín hiệu điện áp xoay chiều trên mẫu và điện áp trên điện trở chuẩn được đưa qua các bộ so sánh để chuyển thành tín hiệu xung vuông. Hai tín hiệu này được đưa vào hai ngõ vào của cổng logic XOR, tạo ra điện áp đầu ra $V_\varphi$ có độ rộng xung tỷ lệ thuận với độ lệch pha. Tín hiệu $V_\varphi$ tiếp tục đi qua bộ lọc thông thấp bậc hai op-amp không đảo ($R_1 = R_2 = 10\text{ k}\Omega, C_1 = C_2 = 47\ \mu\text{F}, f_c = 0,33\text{ Hz}$) để lấy giá trị điện áp trung bình $V_{out}$, từ đó suy ra góc pha theo hệ thức $\varphi = \frac{V_{out}}{V_{dd}} \times \pi\text{ (rad)}$.

4. Dải tần số quét và cấu hình phát sóng trong hệ thống đo tự động được thiết kế ra sao? Hệ thống sử dụng module vi điều khiển điều khiển IC phát sóng trực tiếp DDS AD9850 (khả năng tạo dao động 0–40 MHz) kết hợp bộ lọc thông thấp đầu ra. Hệ thống thực hiện quét tín hiệu hình sin tự động trong dải tần số từ 50 Hz đến 1 MHz tại 24 thời điểm đo khác nhau, tín hiệu phản hồi được đo đạc qua Oscilloscope và truyền lên máy tính qua giao tiếp Serial Port.

5. Luận án sử dụng phương pháp hóa học nào để đối chứng sự có mặt của $\text{KNO}_3$ trên mẫu thịt? Tác giả sử dụng thuốc thử chỉ thị màu Diphenylamin. Khi tiếp xúc với các mẫu thịt có chứa gốc nitrat từ $\text{KNO}_3$, Diphenylamin sẽ xảy ra phản ứng oxy hóa - khử tạo màu đặc trưng, đóng vai trò làm phép thử đối chứng tiêu chuẩn để xác nhận kết quả phân tích từ phổ trở kháng điện.

Kết luận

Luận án của tác giả Đặng Thành Trung đã nghiên cứu và phát triển thành công phương pháp đo phổ trở kháng điện (EIS) phục vụ việc nhận diện sự có mặt của muối Kali Nitrat ($\text{KNO}_3$) trong thịt lợn nạc thăn. Bằng cách cải tiến các mô hình mạch tương đương Fricke và Cole-Cole thông qua việc tích hợp các phần tử pha không đổi (CPE) mô tả màng tế bào và giao diện điện cực - mô, công trình đã nâng cao độ chính xác trong phân tích trở kháng phức. Hệ thống phần cứng đo tự động đơn kênh và hai kênh sử dụng module DDS AD9850 quét dải tần 50 Hz – 1 MHz đã được chế tạo, vận hành thực nghiệm trên gần 300 mẫu thịt và kiểm chứng thành công với chất chỉ thị màu Diphenylamin, mang lại giải pháp kỹ thuật hữu ích và khả thi cho công tác kiểm soát an toàn thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1. Tổng quan các phương pháp đánh giá chất lượng thịt 1.

Phương pháp cơ học 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].

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 lại vào vận tốc âm thanh [33]. 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]. Phương pháp quang học 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]. 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 18 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]. 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 có màu đỏ nhạt và có thịt đỏ đậm. Ngoài ra, thịt PFN có thể phân biệt được với thịt PSE. 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].

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 đối với xương, thịt nạc và mỡ. Nhiều công cụ công nghệ sử dụng chùm tia X ở các mức 19 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. 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 điều kiện môi trường thực nghiệm (trong phòng thí nghiệm).

Phương pháp EIS có 20 thể bù đắp lại được yếu điểm này: cho kết quả nhanh, thiết bị đơn giản, gọn, giá rẻ, khả thi đối với người sử dụng mà không đòi hỏi có chuyên môn, phù hợp nhu cầu thực tiễn. Đây là lý do để luận án lựa chọn phương án giải quyết bài toán đặt ra ở phần Mở đầu. Cơ sở lý thuyết đo phổ trở kháng điện sinh học Ba cở sở lý thuyết quan trọng nhất làm nền tảng phát triển các hệ thống EIS là: Mô hình mạch tương đương về mô sinh học Fricke [45-47], lý thuyết phân tán của Schwan [48-50], lý thuyết Cole-Cole [50, 57]. Mô hình mạch tương đương của Fricke Mô hình Fricke, thể hiện trong Hình 1.1 [45-47] mô phỏng hệ thống sinh học ở cấp độ tế bào bằng các thành phần điện tử.

Trong đó, Re là trở kháng ngoại bào, Ri là trở kháng nội bào và Cm là điện dung màng sinh chất tế bào (màng tế bào). Mô hình mạch tương đương của Fricke [47] Mặc dù, Fricke đã đưa ra được mô hình phù hợp với nghiên cứu “tính dẫn điện” của quá trình “ngưng kết các tế bào hồng cầu” [55], tuy nhiên, đối với các mô khác thì mô hình trên còn chưa thỏa đáng hay nói cách khác tính dẫn điện của chúng phức tạp hơn. Điều này dẫn đến cần phải đưa ra một mô hình phức tạp hơn để phù hợp với “tính dẫn điện” của nhiều loại mô sinh học khác nhau. Lý thuyết phân tán của Schwan Khả năng cách điện của màng tế bào sẽ giảm khi tần số tăng lên và khi đó dòng điện có thể chạy qua tế bào.