Телефон: 8-800-350-22-65
WhatsApp: 8-800-350-22-65
Telegram: sibac
Прием заявок круглосуточно
График работы офиса: с 9.00 до 18.00 Нск (5.00 - 14.00 Мск)

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

Библиографическое описание:
Бобкина Е.Ю. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ИМПЕДАНС КЛУБНЕЙ ОВОЩЕЙ // Научные достижения биологии, химии, физики: сб. ст. по матер. XII междунар. науч.-практ. конф. – Новосибирск: СибАК, 2012.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

 

 

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-mailkatya-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.


 

Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом
CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.