ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА ПАРЕНХИМНЫХ ТКАНЕЙ ОВОЩЕЙ

Голев Игорь Михайлович

доцент, док. физ.-мат. наук Российский государственный торгово-экономический университет, Воронежский филиал,

 г. Воронеж

Бобкина Екатерина Юрьевна

студентка Российский государственный торгово-экономический университет, Воронежский филиал,

 г. Воронеж

Е-mail: katya-vrn@rambler.ru

Исследования электрофизических свойств паренхимных тканей свежих овощей и фруктов позволяют получать важную информацию об их структуре и физико-химических свойствах. С помощью измерения электропроводности этих объектов на переменном токе изучают их структуру, в частности, состояние клеток и межклеточного пространства. Это представляет большую практическую ценность для оценки качества овощей, так как подобные исследования позволяют исследовать процессы, протекающие в живых тканях при изменении их состояния с течением времени при воздействии внешних факторов (температуры, излучения, газового состава среды и т. п.).

Обеспечение высокого качество растительной продукции (овощной продукции) при хранении и производстве возможно с применением инструментальных методов анализа. Одним из методов инструментального контроля за оценкой качества пищевых продуктов является метод электрохимической импедансной спектроскопии, когда биологический объект характеризуется электрическим импедансом [6, с. 148].

,

где:  и  — действительная (активная) и мнимая (реактивная) части, а величина j — фазовый сдвиг между переменным напряжением  и током .

Для паренхимной ткани активное сопротивление — это сопротивление его части объема, обусловленное необратимыми превращениями электрической энергии в тепловую энергию (нагрев). Эти процессы в основном происходят в межклеточной и внутриклеточной жидкости и определяются ее свойствами. Реактивное сопротивление определяется обратимой передачей энергии переменного тока электрическому полю. Это происходит из-за поляризации внутриклеточных компартментов и инерционности макромолекул клеток [5, c. 251].

Следовательно, измеряя для биологического объекта величины  и  можно получать количественную информацию о физико-химических свойствах, как клеток, так и внутриклеточной или межклеточной жидкостях. В экспериментах проводят измерения модуля импеданса

или фазовый сдвиг j, который может определяться из соотношения

 .

В исследованиях проводятся измерения частотных зависимостей (дисперсии)  и  [4]. Данные зависимости достаточно подробно характеризуют состояние клеток овощей, степень их деструкции [2, 3].

Для исследований влияния температуры на величину деструкции клеток в работе измерялась температурная зависимость электрического импеданса овощей. В качестве объектов исследований были выбраны следующие овощи: клубнеплоды (картофель), корнеплоды (морковь красная). Для измерений изготавливались образцы свежих овощей из основной (паренхимной) ткани с характерным размером (40´10´10) мм³, которые помещались в контейнер. В экспериментах измерялись частотные зависимости  и .

Рисунок 1. Частотные зависимости модуля удельного сопротивления  и сдвига фазы .
p — морковь; � — картофель; ¢ — яблоко; Т=20°С

Измерения проводились при комнатной температуре измерителем импеданса Е7-20 с применением позолоченных электродов диаметром 1,0 мм и длиной 10 мм, которые вводились в объем образцов [1]. Характерные зависимости  и  для диапазона частот 10—10⁶ Гц представлены на рис. 1.

Как видно, при частоте напряжения 25 Гц модуль комплексного сопротивления у картофеля, моркови и яблока разный, величина  отличается более чем 32 %. В этом случае можно уверенно по величине удельного сопротивления идентифицировать продукт.

С ростом частоты характер изменения у всех образцов одинаковый. При  Гц происходит резкое уменьшение величины , например для моркови более чем в 30 раз ( Гц).

Характер изменения фазового сдвига для исследуемых тканей растительного происхождения также одинаковый. С ростом частоты происходит изменение величины j от нуля до 40¸60 градусов. На частоте 55 кГц на зависимостях j(f) наблюдается минимум, после которого величина фазового сдвига 20¸30 градусов при частоте  Гц.

Для исследования влияние температуры образцы подвергались нагреву с помощью горячего воздуха до температур +70ºС со скоростью 1,5 град/мин. Измерение температуры проводилось с помощью термопара, которая была размещена в центре объема образца. Полученные результаты представлены на рис. 2. Исследования температурной зависимости импеданса Z проводились на частоте 10⁴ Гц, так как в области частот от 10³ до 10⁵ Гц импеданс овощей наиболее сильно зависит от частоты.

Из рисунка видно, что с ростом температуры происходит монотонное уменьшение модуля импеданса, причем при температурах выше 45ºС скорость изменения существенно возрастает. При охлаждении (обратный ход кривой) величина |Z| практически не меняется и при комнатной температуре оказывается существенно ниже исходного значения.

Рисунок 2. Температурные зависимости модуля удельного сопротивления  и сдвига фазы .
p — морковь; � — картофель; Т=20°С

Это свидетельствует о том, что с ростом температуры происходит необратимая деструкция клеток. На кривых φ(Т) как на прямом, так и на обратном ходе, также наблюдаются характерные изменения с ростом температуры.

Таким образом, результаты исследований показали, что величина электрического импеданса существенно зависит от температурных воздействий на паренхимные ткани овощей. Соответственно метод электрохимической импедансной спектроскопии может быть исполь­зован для оценки степени влияния температуры на овощи и возникающих при этом необратимых изменениях в их тканях.

Список литературы:

1.Голев И.М., Бобкина Е.Ю. Применение метода электрохимической импедансной спектроскопии для определения качества овощной продукции // сб. I межд. заоч. научно-практическая конф. «Потребительский рынок Евразии: современное состояние, теория и практика»: Екатеринбург: УГЭУ, 2012. С. 92—97.

2.Голев И.М., Бобкина Е.Ю. Применение метода электрохимической импедансной спектроскопии для определения качества овощной продукции // сб. I межд. заоч. научно-практическая конф. «Потребительский рынок Евразии: современное состояние, теория и практика»: Екатеринбург: УГЭУ, 2012. С. 92—97.

3.Голев И.М., Бобкина Е.Ю. Электрохимический импеданс клубней овощей // межд. заоч. научно — практическая конф. «Научные достижения биологии, химии, физики»: Новосибирск: НП «Сибирская ассоциация консультантов», 2012. С. 36—41.

4.Графов Б.М., Укше Е.А. Электрохимические процессы в переменном токе / Успехи химии. — 1975, т. 44, вып. 11. С. 1979—1986.

5.Самойлов В.О. Медицинская биофизика: Учебник/ В.О. Самойлов. — СПб.: СпецЛит, 2004.—496 с.: ил.

6.Электроаналитические методы. Теория и практика / Под. ред. Ф. Шольца; Пер. с анг. под ред. В.Н. Майстенко. — М.:БИНОМ, 2010. — 326 с.