Статья опубликована в рамках: XII Международной научно-практической конференции «Научные достижения биологии, химии, физики» (Россия, г. Новосибирск, 07 ноября 2012 г.)
Наука: Биология
Секция: Физико-химическая биология
Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции
- Условия публикаций
- Все статьи конференции
дипломов
электрохимичесКИЙ импеданс клубней овощей
Голев Игорь Михайлович
д-р. физ.-мат. наук, доцент, 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
Обеспечение высокого качества продукции растительного происхождения, в частности овощной, при производстве и хранении возможно лишь при использовании эффективного технологического и санитарно-гигиенического контроля с применением инструментальных методов анализа.
Одним из методов, который позволяет решать такие задачи, является метод электрохимической импедансной спектроскопии. Суть метода заключается в исследовании зависимости полного электрического сопротивления (импеданса) биологического объекта от частоты электрического сигнала [4, с. 150]. Если к исследуемому объекту приложить переменное электрическое напряжение u(t) , изменяющееся по гармоническому закону,
,
где Um и ω — амплитуда и частота сигнала, то через его объём будет протекать ток .
Отношение этих величин
и будет являться полным электрическим сопротивлением или электрическим импедансом, причем и — действительная (активная) и мнимая (реактивная) части, а величина j — фазовый сдвиг между переменным напряжением и током.
Известно, что активное сопротивление — это сопротивление электрической цепи биологического объекта, 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 в основном благодаря свойствам плазматических мембран клеток. Следовательно, измеряя для биологического объекта величины и , можно получать количественную информацию о физико-химических свойствах как клеток, так и межклеточной или внутриклеточной жидкостях [1, с. 117; 3, с. 211]. В конечном итоге это позволяет делать выводы о качестве продукта. В процессе измерений регистрируются реальная и мнимая составляющие сигнала-отклика, которые соответствуют величине импеданса и фазового сдвига.
В исследованиях использовались следующие овощи: клубнеплоды (картофель), корнеплоды (морковь красная), луковые (лук). Использовались свежеприготовленные образцы с характерным размером(40´10´4) мм3, размещенные в герметизированном контейнере. В экспериментах измерялись зависимости полного сопротивления Z и фазового сдвига между током и напряжением φ от частоты тока . Измерения проводились при комнатной температуре методом вольтметра-амперметра с применением позолоченных электродов диаметром 1,0 мм и длиной 10 мм, которые вводились в объем образца. Измерения вольт-амперных характеристик образцов и амплитуд гармоник измерительного сигнала показали, что при плотностях переменного тока в диапазоне от 0,2×10-5 до 0,2 А/м2 образцы обладают линейными свойствами. В работе представлены результаты только для клубней картофеля, так как полученные зависимости и для всех овощей качественно хорошо совпадают. Проводились изучение свежеприготовленных образцов клубней картофеля состоящих из живых клеток и образцов подвигнутых тепловой обработке в сверхвысокочастотном поле частотой 2450 МГц, при плотности мощности излучения 50—100 мВт/см2. Такой способ нагрева обеспечивал равномерное тепловое воздействие по всему объему. Время нагрева выбиралось в пределах от 30 до 600 секунд, что позволяло контролировать температуру нагрева объема продукта и, соответственно, величину деструкции клеточных стенок клубней.
Результаты в виде зависимостей удельного электрического импеданса r и фазового сдвига j от частоты напряжения, приложенного к образцу, представлены на рис. 1. Как видно, при низких частотах (до 1000 Гц) импеданс не зависит от частоты и фазовый сдвиг равен нулю. При частотах более 103—2×103 Гц величина r начинает уменьшаться. Изменение количества живых клеток должно влиять на величину импеданса. Действительно, при кратковременной термической обработке продуктов, в течение 30 секунд, наблюдается снижение как электрического сопротивления при низких частотах, так и величины фазового сдвига при высоких частотах. В случае длительной термической обработки (более 180 с), происходит деструкция всех клеток и характер изменения r(f) и j(f) существенно меняется. Электрическое сопротивление существенно уменьшается и во всем диапазоне частот фазовый сдвиг равен нулю.
Биологический объект, с целью анализа его импеданса, удобно представить в виде эквивалентной электрической схемы [2, с. 1980]. На рис. 2 представлена наиболее часто используемая схема, которая содержит два сопротивления R1, R2 и электрическую емкость С1. Проведенное численное моделирование позволило вычислить значения этих элементов (см. табл. 1).
Таблица 1.
Расчетные значения элементов эквивалентной схемы
|
Образец клубня картофеля |
R1, Ом×м |
R2, Ом×м |
C1, Ф×м |
1 |
Свежеприготовленный |
30 |
0,04 |
6×10-6 |
2 |
Нагретый до 60 °С в течение 30 с |
10 |
0,003 |
3×10-6 |
3 |
Нагретый до 80 °С в течение 180 с |
0,5 |
0,5 |
10-7 |
Рисунок 1. Частотная зависимость удельного электрического импеданса и фазового сдвига для клубня картофеля
—исходный образец; q — нагрев до 60°С в течение 30 с; ¢ — нагрев до 80°С в течение 180 с; пунктирные линии — теоретический расчет в соответствии с эквивалентной схемой (рис. 2).
Рисунок 2. Эквивалентная схема
Видно, что на низких частотах совпадение экспериментальных и теоретических зависимостей хорошее, а на высоких — имеют место значительные различия, причем в большей степени для свежеприготовленного образца. Это можно объяснить, предположив, что происходит уменьшение поляризации клеток с ростом частоты [3, с. 218], приводящее к уменьшению электрической емкости объема клубней картофеля.
Таким образом, такие электрические параметры овощей как электрический импеданс и фазовый сдвиг между переменным напряжением и током, могут являться количественной мерой физико-химических свойств овощей, связанных с состоянием их клеточной структуры. Инструментальное измерение этих параметров может служить объективной характеристикой их качества.
Список литературы:
1.Антонов В.Ф. Коржуев А.В. Физика и биофизика, ГЭОТАР — Медиа, 2007, — 240 с.
2.Графов Б.М., Укше Е.А. Электрохимические процессы в переменном токе/ Успехи химии. — 1975, т. 44, вып. 11. С. 1979—1986.
3.Губанов Н.И., Утенбергеров А.А. Медицинская биофизика. М.: Медицина, 1978. С. 211—230.
4.Электроаналитические методы. Теория и практика / Под. ред. Ф. Шольца; Пер. с анг. под ред. В.Н. Майстенко. — М.:БИНОМ, 2010. — 326 с.
дипломов
Оставить комментарий