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

Nghiên cứu phát triển phương pháp đo phổ trở kháng điện để xác định kali nitrat trong thịt lợn thăn, nâng cao chất lượng thực phẩm.

• 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: Phương Pháp Đo Phổ Trở Kháng Điện Xác Định Kali Nitrat Trong Thịt Lợn Thăn
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH SÁCH HÌNH VẼ
• 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
• 1.1.2. Phương pháp quang học
• 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
• 1.2. Cơ sở lý thuyết đo phổ trở kháng điện sinh học
• 1.2.1. Mô hình mạch tương đương của Fricke
• 1.2.2. Lý thuyết phân tán của Schwan
• 1.2.3. Lý thuyết Cole-Cole
• 1.3. Kỹ thuật đánh giá kết quả thực nghiệm và tính toán
• 1.3.1. Kỹ thuật CNLS
• 1.3.2. Thuật toán Levenberg–Marquardt
• 1.3.3. Hệ số trọng số
• 1.4. 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
• 2.1.1. Khảo sát trở kháng phức với mô hình Fricke
• 2.1.2. Khảo sát trở kháng phức với mô hình Cole-Cole
• 2.2. Phát triển phần cứng đo trở kháng phức khảo sát thịt lợn trước và sau khi xử lý bằng KNO3
• 2.3. Đề xuất cải tiến mô hình Fricke và Cole Cole
• 2.3.1. Mô hình cải tiến
• 2.3.2. Phần cứng thu thập dữ liệu và đánh giá dữ liệu thu được trên cơ sở mô hình đề xuất
• 2.4. 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
• 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 Về Phương Pháp Đo Phổ Trở Kháng Điện

Phương pháp đo phổ trở kháng điện là một kỹ thuật hiện đại được sử dụng để xác định các thành phần hóa học trong thực phẩm, đặc biệt là trong thịt lợn thăn. Kỹ thuật này cho phép phân tích nhanh chóng và chính xác sự có mặt của các chất như kali nitrat (KNO3) trong thịt. Việc áp dụng phương pháp này không chỉ giúp nâng cao chất lượng thực phẩm mà còn đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng.

1.1. Đặc Điểm Của Phương Pháp Đo Phổ Trở Kháng Điện

Phương pháp đo phổ trở kháng điện sử dụng dòng điện xoay chiều để xác định trở kháng của mẫu thịt. Kỹ thuật này có khả năng phân tích các đặc tính sinh học của thịt, từ đó giúp phát hiện sự có mặt của kali nitrat một cách hiệu quả.

1.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng Phương Pháp Này

Việc áp dụng phương pháp đo phổ trở kháng điện mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng phát hiện nhanh chóng các chất bảo quản trong thịt, từ đó giúp người tiêu dùng tránh xa các sản phẩm kém chất lượng.

II. Vấn Đề An Toàn Thực Phẩm Liên Quan Đến Kali Nitrat

Sự hiện diện của kali nitrat trong thịt lợn thăn đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong ngành thực phẩm. Nhiều người tiêu dùng lo ngại về việc sử dụng chất này để bảo quản thịt, dẫn đến những rủi ro về sức khỏe. Việc phát hiện và kiểm soát hàm lượng kali nitrat trong thực phẩm là rất cần thiết.

2.1. Tác Động Của Kali Nitrat Đến Sức Khỏe

Kali nitrat có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nếu được sử dụng quá mức. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tiêu thụ thực phẩm chứa hàm lượng nitrat cao có thể dẫn đến các bệnh lý nghiêm trọng.

2.2. Thách Thức Trong Việc Kiểm Soát Kali Nitrat

Việc kiểm soát hàm lượng kali nitrat trong thịt lợn gặp nhiều khó khăn do sự thiếu hụt các phương pháp kiểm tra hiệu quả. Điều này đòi hỏi sự phát triển các phương pháp mới như đo phổ trở kháng điện.

III. Phương Pháp Đo Phổ Trở Kháng Điện Để Phát Hiện Kali Nitrat

Phương pháp đo phổ trở kháng điện đã được chứng minh là một công cụ hiệu quả trong việc phát hiện kali nitrat trong thịt lợn thăn. Kỹ thuật này không chỉ đơn giản mà còn cho kết quả chính xác, giúp người tiêu dùng yên tâm hơn khi lựa chọn thực phẩm.

3.1. Quy Trình Thực Hiện Đo Phổ Trở Kháng

Quy trình thực hiện đo phổ trở kháng bao gồm việc chuẩn bị mẫu thịt, thiết lập thiết bị đo và tiến hành thu thập dữ liệu. Các thông số như tần số và biên độ được điều chỉnh để tối ưu hóa kết quả.

3.2. Kết Quả Đo Và Phân Tích

Kết quả đo phổ trở kháng cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa mẫu thịt có chứa kali nitrat và mẫu thịt tươi. Phân tích dữ liệu giúp xác định chính xác hàm lượng kali nitrat trong từng mẫu.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Phương Pháp Đo Phổ Trở Kháng Điện

Phương pháp đo phổ trở kháng điện không chỉ được áp dụng trong nghiên cứu mà còn có thể được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm. Việc phát hiện nhanh chóng kali nitrat trong thịt lợn thăn giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

4.1. Ứng Dụng Trong Kiểm Soát Chất Lượng Thịt

Phương pháp này có thể được áp dụng để kiểm soát chất lượng thịt trong các cơ sở chế biến thực phẩm, đảm bảo rằng sản phẩm đến tay người tiêu dùng là an toàn và chất lượng.

4.2. Tương Lai Của Phương Pháp Đo Phổ Trở Kháng

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, phương pháp đo phổ trở kháng điện hứa hẹn sẽ trở thành tiêu chuẩn trong việc kiểm tra chất lượng thực phẩm, đặc biệt là trong ngành thịt.

V. Kết Luận Về Phương Pháp Đo Phổ Trở Kháng Điện

Phương pháp đo phổ trở kháng điện là một giải pháp hiệu quả trong việc phát hiện kali nitrat trong thịt lợn thăn. Kỹ thuật này không chỉ giúp nâng cao chất lượng thực phẩm mà còn bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng. Việc áp dụng phương pháp này trong thực tiễn sẽ góp phần giảm thiểu rủi ro liên quan đến an toàn thực phẩm.

5.1. Tóm Tắt Những Lợi Ích Của Phương Pháp

Phương pháp đo phổ trở kháng điện mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng phát hiện nhanh chóng và chính xác các chất bảo quản trong thực phẩm, từ đó giúp người tiêu dùng lựa chọn sản phẩm an toàn.

5.2. Định Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc cải tiến kỹ thuật đo và mở rộng ứng dụng của phương pháp này trong các lĩnh vực khác nhau của ngành thực phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Vấn đề an toàn vệ sinh thực phẩm tại Việt Nam đang là mối quan tâm hàng đầu của xã hội và các cơ quan quản lý. Trong cơ cấu tiêu thụ thực phẩm nguồn gốc động vật, thịt lợn chiếm hơn 70% tổng lượng thịt tiêu thụ tại Việt Nam, đạt mức trung bình khoảng 24,7 kg/người/năm và được hơn 95% dân số ở mọi độ tuổi, giới tính sử dụng thường xuyên [1]. Chi phí chi trả cho thịt lợn của một hộ gia đình trung bình khoảng 30 USD mỗi tháng, tương đương 13% tổng chi tiêu cho thực phẩm. Tuy nhiên, phần lớn giao dịch mua bán thịt lợn vẫn diễn ra tại các chợ dân sinh, chợ truyền thống dựa trên lòng tin vào người bán mà không thể truy xuất được nguồn gốc xuất xứ trong chuỗi cung ứng [1].

Thực trạng thương lái sử dụng muối Săm pết (từ phiên âm của salpêtre trong tiếng Pháp hoặc sanpet trong tiếng Anh, bản chất hóa học là muối Kali Nitrat - $\text{KNO}_3$) để xử lý thịt ôi thiu biến thành thịt có bề ngoài tươi đỏ đang diễn ra phức tạp. Về mặt hóa sinh, thịt lợn mới giết mổ giữ màu đỏ tươi nhờ thành phần Hemoglobin; sau một thời gian tiếp xúc với oxy, Hemoglobin chuyển hóa thành Metmyoglobin (trong văn bản ghi nhận là Memogrobin) khiến thịt chuyển sang màu thâm đen. Gốc $\text{NO}_3^-$ trong $\text{KNO}_3$ có tính oxy hóa-khử làm biến đổi ngược Metmyoglobin thành Hemoglobin, khôi phục màu đỏ tươi đánh lừa cảm quan người tiêu dùng. Dù $\text{KNO}_3$ được phép sử dụng ở liều lượng kiểm soát làm phụ gia bảo quản theo tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Cộng đồng Kinh tế Châu Âu (EC) [2-7], việc lạm dụng hóa chất này không qua định lượng trên thịt ôi thiu gây nguy cơ trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng.

Phương pháp đo phổ trở kháng điện (Electrical Impedance Spectroscopy - EIS) đã được áp dụng rộng rãi trên nhiều đối tượng sinh học, nhưng chưa có nghiên cứu chuyên biệt nào sử dụng EIS để phát hiện thịt lợn ôi thiu được xử lý bằng $\text{KNO}_3$. Do đó, luận án tiến hành giải quyết khoảng trống này với các mục tiêu cụ thể:

• Mục tiêu chung: Nghiên cứu phương pháp hiệu quả nhằm phát hiện sự tồn tại của $\text{KNO}_3$ trong thịt lợn.

• Mục tiêu cụ thể:

  1. Đề xuất cải tiến mô hình tương đương về mô sinh học nhằm xác định trở kháng phức của thịt lợn, qua đó xác định sự tồn tại của $\text{KNO}_3$.
  2. Trên cơ sở mô hình cải tiến, phát triển phần cứng mạch đo trở kháng phức nhằm xác định có hay không sự tồn tại của $\text{KNO}_3$ trong thịt lợn.

• Đối tượng nghiên cứu: Xây dựng, cải tiến mô hình mạch đo trở kháng phức của thịt lợn.

• Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung vào công nghệ đo, phân tích phổ trở kháng điện và giới hạn thực nghiệm trên đối tượng thịt lợn nạc thăn.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tiến hành tổng thuật các nhóm phương pháp đánh giá chất lượng thịt đang tồn tại trong khoa học thực phẩm:

1. Phương pháp cơ học:

   • Đo lực cắt Warner-Bratzler (WBSF) [29]: Xác định lực cắt tối đa để đánh giá độ mềm của thịt đỏ. Hạn chế là phương pháp phá hủy mẫu và không thể xác định độ tươi hay sự hiện diện của hóa chất bảo quản.
   • Phương pháp sóng siêu âm [30-33]: Gồm phân tích quang phổ siêu âm và siêu âm đàn hồi, dựa vào vận tốc truyền sóng, độ suy giảm và hệ số tán xạ ngược có tương quan với hàm lượng chất béo, nước và cấu trúc sợi cơ. Hạn chế là chỉ phản ánh tính chất cơ lý sơ bộ, chưa phân tích được bản chất hóa học và độ tươi của thịt.

2. Phương pháp quang học:

   • Quang phổ hồng ngoại (IR) (vùng bước sóng 800–2500 nm) [35] và Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) [36]: Phân tích dao động liên kết hóa học nhưng thiết bị phức tạp, vận hành chủ yếu trong phòng thí nghiệm [37, 38].
   • Quang phổ Raman [39, 40]: Đánh giá thành phần hóa học dựa trên tán xạ ánh sáng đơn sắc.
   • Quang phổ khả kiến và phép đo màu [41]: Phân loại 4 trạng thái chất lượng thịt lợn gồm RFN (Red, Firm, Non-exudative), RSE (Red, Soft, Exudative), PFN (Pale, Firm, Non-exudative) và PSE (Pale, Soft, Exudative).
   • Quang phổ huỳnh quang [42]: Phương pháp đo nhanh không phá hủy nhưng chi phí thiết bị cao.

3. Phương pháp sử dụng tia X:

   • Nghiên cứu suy giảm năng lượng truyền qua của chùm tia X [43, 44] để phân biệt tỷ lệ mô mỡ, xương và thịt nạc; hệ thống đo cồng kềnh, chi phí lớn.

4. Phương pháp phổ trở kháng điện (EIS):

   • EIS khảo sát đặc tính điện môi bằng cách kích thích dòng điện xoay chiều biến thiên tần số và thu nhận đáp ứng trở kháng [8]. Trong thực phẩm và sinh học, EIS đã được ứng dụng trong chụp cắt lớp trở kháng điện y tế [10, 11]; đánh giá chất khô của sầu riêng [15]; quá trình chín của chuối [16]; biến đổi mô khoai tây và rau bina khi gia nhiệt [17, 18]; độ ẩm cà rốt khi sấy [19]; biến đổi chất lượng thịt lợn khi bảo quản [20]; sự biến đổi của thịt bò theo thời gian qua mô hình tương đương của Guermazi [21]; phân biệt ức gà tươi và đông lạnh [22]; độ ẩm và độ mặn cá hồi [23]; ước tính độ tươi cá chép [24]; phát hiện tạp chất trong sữa bò [25]; chất gây nghiện trong nước ép [26]; lên men bột bánh mì [27]; chất lượng dầu ăn [28].

Khoảng trống nghiên cứu: Mặc dù kỹ thuật EIS có ưu điểm chi phí thấp, tốc độ đo nhanh, thiết bị có khả năng thu nhỏ và không đòi hỏi quy trình thao tác phòng thí nghiệm phức tạp, song chưa có nghiên cứu nào ứng dụng EIS kết hợp cải tiến mô hình mạch tương đương để nhận diện thịt lợn ôi thiu xử lý hóa chất $\text{KNO}_3$. Luận án chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách thiết kế hệ thống phần cứng đo trở kháng phức và tối ưu hóa mô hình mạch tương đương phù hợp với cấu trúc thịt lợn thăn.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên ba nền tảng lý thuyết điện sinh học và các kỹ thuật xử lý dữ liệu phi tuyến:

1. Mô hình mạch tương đương Fricke [45-47]: Mô phỏng tế bào sinh học gồm điện trở dịch ngoại bào $R_e$ mắc song song với nhánh nối tiếp gồm điện trở dịch nội bào $R_i$ và điện dung màng tế bào $C_m$. Mô hình kinh điển này chỉ phản ánh trạng thái lý tưởng của tế bào đơn giản (như ngưng kết hồng cầu [55]) mà chưa bao quát được tính phân tán phức tạp của mô thịt khối.

2. Lý thuyết phân tán Schwan [48-50, 52, 54]: Mô tả đáp ứng điện môi của hệ thống sinh học qua 3 dải tần số đặc trưng:

   • Phân tán $\alpha$ (vài Hz đến vài kHz): Hiện tượng phân cực trong lớp điện tích kép và trạng thái nghỉ của các lưỡng cực bên ngoài hình thành khi các hạt tích điện di chuyển dọc màng tế bào [56].
   • Phân tán $\beta$ (vài kHz đến MHz): Hiệu ứng Maxwell-Wagner do phân cực mặt tiếp giáp giữa các môi trường dẫn điện khác nhau; liên quan trực tiếp đến tính toàn vẹn, độ xốp và hiện tượng oxy hóa lớp phospholipid của màng tế bào thịt trong quá trình lão hóa [56, 64].
   • Phân tán $\gamma$ (>100 MHz): Sự giãn lưỡng cực vĩnh viễn của các phân tử nước tự do trong mô [49, 56]. Dải $\alpha$ và $\beta$ là hai dải tần số thích hợp nhất để khảo sát trạng thái mô thịt.

3. Lý thuyết Cole-Cole [57-61]: Mở rộng phương trình Debye để mô tả chất điện môi có tính không đồng nhất:

$$\epsilon^* = \epsilon_\infty + \frac{\epsilon_0 - \epsilon_\infty}{1 + (i\omega\tau_0)^{1-\alpha}}$$

Mô hình trở kháng Cole-Cole tích hợp phần tử pha không đổi (Constant Phase Element - CPE) với trở kháng $Z_{CPE} = \frac{1}{P(i\omega)^n}$ (khi $n \approx 0$ CPE hoạt động như điện trở, khi $n \approx 1$ CPE hoạt động như tụ điện $P = C$) và phương trình trở kháng phức:

$$Z^* = R_\infty + \frac{R_0 - R_\infty}{1 + (i\omega\tau)^\alpha} = Z' + iZ''$$

Trong đó $R_0$ là trở kháng tại tần số thấp ($R_0 \approx R_e$), $R_\infty$ là trở kháng tại tần số vô hạn ($R_\infty \approx R_i$), $\tau$ là hằng số thời gian đặc trưng, $\alpha$ đại diện cho tính không đồng nhất của mô ($0 < \alpha < 1$).

4. Kỹ thuật khớp phi tuyến CNLS và thuật toán Levenberg-Marquardt (LMA):
   • Kỹ thuật CNLS (Macdonald và Garber, 1977 [65, 66]) tối thiểu hóa hàm mục tiêu tổng bình phương sai lệch:

$$S = \sum_{i=1}^M \left[ (Z'i - Z'{i,calc})^2 w'_i + (Z''i - Z''{i,calc})^2 w''_i \right]$$

• Thuật toán Levenberg-Marquardt [67, 68] giải bài toán tối ưu phi tuyến qua phương trình ma trận lặp:

$$\left[ J^T J + \lambda \cdot \text{diag}(J^T J) \right] \delta = J^T \left[ y - f(\beta) \right]$$

• Hệ số trọng số mô-đun (Modulus Weighting - MWT) [53, 70, 71] được sử dụng để cân bằng độ nhạy giữa phần thực và phần ảo:

$$w_i = \frac{1}{(Z'_i)^2 + (Z''_i)^2}$$

5. Phương pháp thực nghiệm và thu thập dữ liệu:
   • Thiết kế mạch đo phát hiện điện áp đỉnh và đo pha bằng mạch so sánh kết hợp cổng logic XOR đưa qua bộ lọc thông thấp tích cực bậc hai ($R_1 = R_2 = 10\text{ k}\Omega$, $C_1 = C_2 = 47\ \mu\text{F}$, tần số cắt $f_c = 0,33\text{ Hz}$).
   • Mạch đo trở kháng phức theo cấu trúc khuếch đại đảo với mẫu thịt đặt ở nhánh hồi tiếp:

$$Z_x = - \frac{V_{out}}{V_{in}} R_{in}$$

• Hệ thống tự động phát tần số quét từ 50 Hz đến 1 MHz dùng vi điều khiển điều khiển IC AD9850 (công nghệ DDS), tín hiệu qua tầng đệm, tầng khuếch đại đảo và thu thập dữ liệu tự động bằng máy hiện sóng Oscilloscope truyền về máy tính.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Các cơ sở nghiên cứu của luận án

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về các phương pháp kiểm tra chất lượng thịt hiện hành (cơ học, quang phổ IR, Raman, huỳnh quang, tia X) và làm rõ ưu thế của phương pháp phổ trở kháng điện (EIS). Chương này trình bày chi tiết toán học của mô hình Fricke, lý thuyết ba vùng phân tán Schwan ($\alpha, \beta, \gamma$), mô hình Cole-Cole với phần tử CPE, cùng các công cụ toán học xử lý dữ liệu thực nghiệm gồm kỹ thuật CNLS, thuật toán tối ưu Levenberg-Marquardt và trọng số MWT. Đây là nền tảng giải thuật để phân tích và khớp dữ liệu trở kháng sinh học của thịt lợn.

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 việc mô phỏng, thiết kế mạch đo và đề xuất cấu trúc mô hình tương đương cải tiến phù hợp với phép đo trên thịt lợn nạc thăn sử dụng điện cực kim y tế:

• Đề xuất cải tiến mô hình: Do màng tế bào thịt không phải là tụ điện lý tưởng, điện dung $C_m$ trong mô hình Fricke được thay thế bằng phần tử pha không đổi $\text{CPE}{P1, n1}$. Đồng thời, do hiện tượng phân cực và tạo màng mỏng tại mặt tiếp xúc giữa điện cực kim và mô thịt khi có dòng điện xoay chiều, luận án bổ sung phần tử $\text{CPE}{P2, n2}$ vào cả hai mô hình Fricke và Cole-Cole.
• Mô phỏng mạch đo: Tiến hành mô phỏng trên phần mềm Proteus với dải tần số 10 kHz đến 1 MHz, biên độ tín hiệu vào 2V. Kết quả mô phỏng kiểm chứng: mô hình Fricke có sai số giữa mô phỏng và lý thuyết nhỏ hơn 1,5%; mô hình Cole-Cole có sai số nhỏ hơn 1%.
• Khảo sát thực nghiệm sơ bộ: Đo trở kháng mẫu thịt tươi kéo dài 120 giờ trong điều kiện tự nhiên đến khi mốc trắng, chảy nước, bốc mùi và sau đó rửa lại bằng dung dịch $\text{KNO}_3$. Kết quả xác nhận trở kháng của thịt giảm dần theo thời gian bảo quản và giảm khi tần số đo tăng lên.
• Đánh giá mô hình cải tiến qua phần mềm EIS Spectrum Analyser: Tiến hành khớp dữ liệu thực nghiệm 42 điểm tần số ($M=42$) với mô hình Fricke cải tiến gồm 6 tham số ($N=6$). Kết quả thống kê khớp mô hình tại thời điểm ban đầu đạt độ chính xác cao:

Tham số thống kê mô hình Fricke cải tiến	Giá trị thực nghiệm
Sai số chuẩn hóa ($r^2$)	0,00035579
Tổng phần dư phần thực	6,52%
Tổng phần dư phần ảo	2,09%
Tổng phần dư biên độ trở kháng	-2,32%
Tổng phần dư pha	2,20%

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 triển khai hoàn thiện phần cứng hệ thống đo đa kênh (hệ thống 2 kênh) nhằm tối ưu hóa thời gian thực nghiệm:

• Hệ thống đo hai kênh: Cho phép đo đồng thời nhiều mẫu thịt, tự động quét dải tần số và thu thập dữ liệu pha, biên độ, truyền trực tiếp lên máy tính để xử lý.
• Thực nghiệm diện rộng: Thực hiện đo đạc và phân tích trên gần 300 mẫu thịt lợn nạc thăn thực tế.
• Đánh giá các tham số sinh học: Theo dõi sự suy giảm của trở kháng ngoại bào ($R_e$), trở kháng nội bào ($R_i$) và điện dung màng tế bào qua các mốc thời gian lưu trữ.
• Đối sánh thịt sạch và thịt xử lý $\text{KNO}_3$: Tiến hành so sánh phổ biên độ trở kháng và phổ pha giữa mẫu thịt sạch tự nhiên và mẫu thịt ôi được xử lý bằng $\text{KNO}_3$ sau 24 giờ. Kiểm chứng song song bằng phản ứng hóa học với chất chỉ thị màu Diphenylamin để khẳng định sự hiện diện của gốc nitrat. Dữ liệu phổ trở kháng phức cho thấy sự khác biệt rõ rệt về đặc tuyến biên độ và pha theo tần số giữa thịt tươi tự nhiên và thịt ôi đã qua xử lý $\text{KNO}_3$.

---

Kết quả và những đóng góp mới

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

   • Đề xuất mô hình mạch tương đương cải tiến từ mô hình Fricke và Cole-Cole bằng cách thay thế tụ điện màng tế bào bằng phần tử pha không đổi $\text{CPE}{P1, n1}$ và bổ sung phần tử $\text{CPE}{P2, n2}$ để mô hình hóa lớp tiếp xúc điện cực kim - mô sinh học.
   • Ứng dụng thành công thuật toán Levenberg-Marquardt kết hợp hệ số trọng số mô-đun (MWT) trong kỹ thuật CNLS để trích xuất chính xác các tham số trở kháng sinh học của thịt lợn thăn với sai số chuẩn hóa $r^2$ đạt $0,00035579$.

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

   • Thiết kế, chế tạo thành công hệ thống phần cứng đo phổ trở kháng điện 2 kênh tự động dựa trên nguyên lý mạch khuếch đại đảo và bộ phát tần số số trực tiếp DDS AD9850, làm việc trong dải tần số từ 50 Hz đến 1 MHz.
   • Xây dựng quy trình thực nghiệm và cơ sở dữ liệu phổ trở kháng phức trên gần 300 mẫu thịt lợn thăn, chứng minh khả năng phát hiện sự có mặt của muối Kali Nitrat ($\text{KNO}_3$) trong thịt lợn ôi thiu qua sự sai khác của đặc tuyến phổ biên độ và phổ pha, được đối chứng độc lập bằng thuốc thử Diphenylamin.

3. Kiến nghị:

   • Ứng dụng giải pháp đo phổ trở kháng điện vào việc phát triển các thiết bị kiểm tra nhanh cầm tay phục vụ người tiêu dùng và cơ quan kiểm soát an toàn thực phẩm tại các chợ truyền thống.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Luận án tập trung khảo sát trên loại thịt lợn nạc thăn với dạng hình học và cấu trúc mô cơ đồng nhất tương đối; sử dụng cố định loại điện cực kim y tế. Nghiên cứu chưa mở rộng khảo sát các phần thịt khác có cấu trúc mỡ và mô liên kết phức tạp hơn (như thịt ba chỉ, thịt mông) hoặc các chất bảo quản khác ngoài $\text{KNO}_3$.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu áp dụng mô hình trở kháng cải tiến và hệ thống đo đa kênh cho các loại mô thịt gia súc, gia cầm khác; tích hợp phần cứng đo thành thiết bị di động nhỏ gọn có khả năng phân tích trực tiếp tại hiện trường.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện tử và Kỹ thuật Y sinh: Tham khảo phương pháp mô hình hóa mạch tương đương cho mô sinh học, kỹ thuật đo trở kháng phức, kỹ thuật tách đỉnh sóng, mạch đo pha và giải thuật khớp dữ liệu phi tuyến CNLS/LMA.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu trong ngành Công nghệ Thực phẩm: Tham khảo quy trình ứng dụng công nghệ phổ trở kháng điện (EIS) trong đánh giá độ tươi và phát hiện gian lận thương mại thực phẩm bằng hóa chất.
• Kỹ sư thiết kế phần cứng đo lường: Tham khảo thiết kế mạch phát sóng DDS AD9850, mạch lọc thông thấp tích cực bậc hai và kiến trúc hệ thống thu thập dữ liệu đa kênh tự động.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao muối $\text{KNO}_3$ (Săm pết) có thể làm thịt ôi thiu đổi màu thành thịt tươi đỏ?
Thịt mới giết mổ có màu đỏ tươi nhờ Hemoglobin. Khi để lâu, Hemoglobin bị oxy hóa thành Metmyoglobin làm thịt chuyển sang màu thâm đen. Thành phần $\text{NO}_3^-$ trong $\text{KNO}_3$ phản ứng chuyển hóa Metmyoglobin trở lại thành Hemoglobin, tái tạo màu đỏ tươi bên ngoài của miếng thịt dù bên trong đã bị ôi thiu.

2. Luận án đã cải tiến mô hình Fricke và Cole-Cole như thế nào?
Luận án thay thế tụ điện màng tế bào $C_m$ trong mô hình Fricke bằng phần tử pha không đổi $\text{CPE}{P1, n1}$ do màng tế bào không mang đặc tính của tụ điện lý tưởng. Đồng thời, bổ sung phần tử $\text{CPE}{P2, n2}$ cho cả hai mô hình Fricke và Cole-Cole để đặc trưng cho lớp tiếp xúc điện cực kim - mô thịt hình thành khi có dòng điện xoay chiều chạy qua.

3. Mạch lọc thông thấp bậc hai trong khối đo pha có thông số thiết kế như thế nào?
Mạch lọc sử dụng cấu hình op-amp không đảo có độ lợi bằng 1 với hai mắt lọc RC gồm $R_1 = R_2 = 10\text{ k}\Omega$ và $C_1 = C_2 = 47\ \mu\text{F}$. Tần số cắt được tính toán theo công thức $f_c = \frac{1}{2\pi \sqrt{R_1 R_2 C_1 C_2}} = 0,33\text{ Hz}$.

4. Dải tần số quét và kết quả kiểm chứng mô phỏng của mạch đo là bao nhiêu?
Mạch mô phỏng đo trở kháng phức trên Proteus hoạt động trong dải tần 10 kHz đến 1 MHz với tín hiệu vào 2V, cho sai số so với lý thuyết dưới 1,5% đối với mô hình Fricke và dưới 1% đối với mô hình Cole-Cole. Hệ thống phần cứng thực tế sử dụng module DDS AD9850 quét trong dải tần số từ 50 Hz đến 1 MHz.

5. Luận án sử dụng phương pháp hóa học nào để kiểm chứng đối chứng sự có mặt của $\text{KNO}_3$?
Luận án sử dụng phản ứng hóa học tạo màu với chất chỉ thị màu Diphenylamin để kiểm tra sự có mặt của ion nitrat trên các mẫu thịt thực nghiệm, đối sánh trực tiếp với kết quả phân tích phổ trở kháng điện.

---

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Đặng Thành Trung đã phát triển thành công phương pháp đo và phân tích phổ trở kháng điện (EIS) để nhận diện sự có mặt của muối Kali Nitrat ($\text{KNO}_3$) trong thịt lợn nạc thăn. Bằng việc cải tiến hai mô hình tương đương kinh điển Fricke và Cole-Cole kết hợp phần tử CPE phản ánh lớp tiếp xúc điện cực - mô, luận án đã nâng cao độ chính xác trích xuất tham số điện môi với sai số chuẩn hóa $r^2$ đạt $0,00035579$. Hệ thống phần cứng đo tự động 2 kênh được chế tạo hoàn chỉnh và kiểm chứng trên gần 300 mẫu thịt thực nghiệm, khẳng định tính khả thi trong việc phát hiện thịt ôi xử lý hóa chất bảo quản, đóng góp giải pháp kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn cho công tác kiểm soát an toàn thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 CÁC 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 16 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 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 nhạt khỏi thịt đỏ. 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 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. 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 19 điều kiện môi trường thực nghiệm (trong phòng thí nghiệm). Phương pháp EIS có 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. Ở tần số trên 1MHz, màng tế bào không còn thể hiện tính cản trở dòng điện và các thành phần hóa học có thể dịch chuyển qua môi trường bên trong và ngoài tế bào [48, 52]. Để cụ thể hóa sự thay đổi trở kháng của mô sinh học theo các tần số khác nhau, Schwan đã xây dựng một hình dạng chung cho phổ biên độ trở kháng phân chia theo ba dải tần số 𝛼𝛼, 𝛽𝛽 và 𝛾𝛾 [49, 50, 54] như Hình 1.

Biên độ Tần số (Hz) Hình 1. Ba mức phân tán trong hệ thống sinh học (𝛼𝛼, 𝛽𝛽, 𝛾𝛾) [49, 50] Phân tán 𝛼𝛼, từ vài Hz đến vài KHz gây ra bởi hiện tượng phân cực trong lớp điện tích kép của mô và là trạng thái nghỉ của các lưỡng cực bên ngoài (đây là các lưỡng cực không có trong bản chất của mô, không được hình thành trong mô), được hình thành trong quá trình các hạt di chuyển tự do dọc theo màng cách điện của tế bào [56].