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.