ỨNG DỤNG QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI (FTIR) KẾT HỢP VỚI PHÂN TÍCH THỐNG KÊ ĐA BIẾN TRONG VIỆC PHÂN LOẠI CÁC SẢN PHẨM HỒ TIÊU VIỆT NAM APPLICATION OF ATR-FTIR AND MULTIVARIATE STATISTICS ANALYSIS ON CLASSIFICATION OF PEPPER PRODUCTS IN VIET NAM Nguyễn Quang Trung (*), Bùi Quang Minh, Lê Việt Anh, Trương Ngọc Minh Trung tâm Nghiên cứu Chuyển giao Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Email: nqt79@yahoo.com Điện thoại: +84912141580 ABSTRACT: Chemometrics, particularly Multivariate Statistics Analysis techniques including Principle Components Analysis (PCA) and Linear Discriminate Analysis (LDA) were employed to process spectral data, in order to classify Pepper products in Vietnamese commercial market 14 peppercorns (Piper nigrum) samples (black and white), corresponding to 07 different trademarks were collected in supermarkets, local markets and food suppliers within Hanoi and then analyzed directly by ATR-FTIR instrument Spectral information was simplified by peak selection, before being processed by MSA techniques In comparison with other conventional spectroscopy methodologies, ATR-FTIR is considered a rapid and convenient method due to its non-wasting time of sample preparation Results obtained have confirmed the success of trademark identification and classification of pepper products An obvious separation between trademark groups was presented on LDA observation although there was still certain overlapping occurred on the graph; while with PCA, classification between the two sorts of peppercorn is still an issue that needs further study Key words: Pepper, ATR-FTIR, PCA, LDA MỞ ĐẦU Được coi loại gia vị hàng đầu thực phẩm, hồ tiêu (Piper nigrum) gia vị quan trọng sử dụng nhiều giới Có nhiều quốc gia vùng nhiệt đới sử dụng hồ tiêu canh tác trọng điểm phục vụ phát triển kinh tế, đó, Ấn Độ, Việt Nam Indonesia quốc gia sản xuất hồ tiêu giới [1] Hiện thị trường, hồ tiêu nguyên hạt tìm thấy dạng chính: hồ tiêu trắng hồ tiêu đen Cùng có nguồn gốc từ hồ tiêu, phụ thuộc vào quy trình chế biến, hồ tiêu đen cịn xanh vàng (chưa chín), phơi nắng sau hái khiến vỏ săn lại chuyển thành màu đen; hồ tiêu trắng thật chín, ngâm nước cho mềm loại bỏ phần vỏ trước đem phơi nắng [2] Ở Việt Nam, hồ tiêu cơng nghiệp có giá trị kinh tế cao, đem lại nhiều lợi nhuận cho người trồng trọt canh tác chủ yêu vùng Tây Nguyên Năm 2017, theo Dương Thị Oanh Nguyễn Quang Ngọc – Trung tâm nghiên cứu Phát triển hồ tiêu (PRDC), kim ngạch xuất hồ tiêu năm đạt 1.117 triệu USD, đưa Việt Nam trở thành quốc gia hàng đầu giới sản xuất xuất hồ tiêu [3] Với uy tín chất lượng hồ tiêu giá trị kinh tế mà đẹm lại, có khơng sở sản xuất lợi dụng lợi để làm giả hồ tiêu phục vụ mục đích kinh tế Tại Việt Nam, tinh bôt bắp, bột gạo nếp loại tinh bột không rõ nguồn gốc chế biến pha trộn với hạt tiêu lép nhằm tạo sản phẩm hạt tiêu chắc, có trọng lượng nặng màu sắc đen [4] Cũng có báo cáo khoa học việc làm giả hồ tiêu giới Dhanya, Syamkumar, & Sasikumar nhờ vào giống hình kích thước, giá thành rẻ nguồn nguyên liệu dồi dào, hạt đu đủ (Carica papaya L.) sản phẩm sử dụng làm hồ tiêu đen giả nhiều [5] Thêm vào đó, hạt kê (Pennisetum glaucum) lúa mạch đen (Fagopyrum esculentum) tìm thấy dạng thực phẩm dùng để pha trộn vào hồ tiêu [6] Chính vậy, hồ tiêu đánh giá loại thực phẩm dễ pha trộn làm giả trình chế biến khó nhận biết mắt thường [1] Dưới thực trạng hồ tiêu giả nói riêng vấn đề an tồn thực phẩm nói chung, đặt nguy ảnh hưởng tiêu cực tới sức khỏe người tiêu dùng, việc phát triển phương pháp để đánh giá chất lượng phân loại xác hồ tiêu điểu cần thiết Các tổ chức quốc tế uy tín Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (ISO), Hiệp hội Thương mại gia vị Mỹ (ASTA) hay Hiệp hội nhà Hóa học phân tích thống (AOAC) công bố nghiên cứu, ứng dụng quang phổ việc xác định Piperine – hợp chất tạo nên vị cay hồ tiêu xanh – sử dụng UV-Vis đo độ hấp thụ quang Piperine cao 343 nm [7] Tuy nhiên, phương pháp kể cần phải sử dụng dung mơi phân tích thường tốn thời gian Bên cạnh đó, có nhiều phương pháp đưa nhằm phân loại mẫu hạt tiêu đen xay, phương pháp tốn nhiều chi phí thời gian (Aurich, 2009) [8] Mặt khác, phương pháp quang phổ hồng ngoại Fourier (FTIR) kỹ thuật ứng dụng nhiều thành công để phân loại xác thưc mẫu cà phê nguyên [9-11] Lợi lớn phương pháp đo phổ kết hợp với hóa tin (chemometrics) nằm điểm sở liệu thiết lập phương thức phân tích liệu phù hợp xác định, mẫu phân tích quét vài phút Do vậy, mục tiêu nghiên cứu báo tập trung vào việc ứng dụng sử dụng FTIR nhằm xác định phân loại hồ tiêu Việt Nam, thực trạng hồ tiêu chất lượng có nguy phân phối rộng thị trường Qua đó, kết phân tích dùng để nhận dạng phân biệt hồ tiêu thống, có thương hiệu cung cấp sở liệu cho việc thẩm định chất lượng hồ tiêu Việt Nam THỰC NGHIỆM 2.1 Thu thập xử lý mẫu 14 mẫu hạt tiêu (cả trắng đen), bao gồm ác thương hiệu khác nhau, thu thập chợ địa phương siêu thị phạm vi quận Cầu Giấy quận Ba Đình, thành phố Hà Nội Các mẫu chia thành 07 thương hiệu khác Trong đó, sản phẩm mua siêu thị đóng gói có thương hiệu rõ ràng, sản phẩm lại, tên địa điểm bán hàng coi thương hiệu riêng biệt Thông tin 14 mẫu hạt tiêu trình bày cụ thể bảng Bảng Thông tin thương hiệu ký hiệu 14 mẫu hạt tiêu Thương hiệu Vipep Choice L Vinmart GOOD Chợ 800A Chợ Nghĩa Tân Q1 Các loại sản phẩm Trắng Đen T1 D1 T2 D2 T3 D3 T4 D4 T5 D5 T6 - Chợ Nghĩa Tân Q3 Chợ Linh Lang T7 D7 - D8 Các mẫu tiêu dạng hạt nghiền nhỏ đồng hóa máy xay mẫu thực phẩm khô (Sunhouse) trước sấy khô nhiệt độ 45°C vòng 2h đồng hồ tủ sấy (Memmert UN110) Sau mẫu đo trực tiếp thiết bị quang phổ 2.2 Phân tích quang phổ hồng ngoại Sau công đoạn xay nhỏ sấy khô, mẫu hạt tiêu bột phân tích trực tiếp thiết bị ATR-FTIR (Nicolet™ iS50, Thermo Scientific, Mỹ) Khoảng mg tiêu bột đặt bề mặt tinh thể kim cương-ZnSe Để tăng diện tích tiếp xúc mẫu cảm biến đảm bảo thiết bị cho tín hiệu dải phổ tốt nhất, cơng cụ nén mẫu tích hợp thiết bị sử dụng để áp dụng lực định lên mẫu khơ Tín hiệu phổ thu phần mềm OMNIC cài máy tính, có dải bước sóng nằm khoảng từ 4000-400 cm-1, bao gồm 70 lần quét mẫu có độ phân giải cm-1 Mẫu phân tích lặp lại lần nhằm xác định độ lặp lại độ tin cậy 2.3 Kỹ thuật thống kê đa biến Dữ liệu phổ thu được hiệu chỉnh đường sở (baseline) chuyển hóa thành dạng liệu số Excel qua cơng cụ The Unscrambler® X 10.4 Các thơng tin dải phổ sàng lọc rút gọn dựa đỉnh peak khác nhau, tạo nên tệp liệu Dựa tảng thống kê XLSTAT 2016.02.28451, phép phân tích PCA – Phân tích thành phần LDA – Phân tích phân biệt tiến hành tệp liệu mới: (1) PCA công cụ tốn học phát triển nhằm trích xuất đặc điểm từ tệp liệu đa chiều chuyển hóa chúng thành tệp liệu chiều hơn, xếp theo thứ tự giảm độ biến thiên hay phương sai Qua đó, từ tệp liệu gốc đa chiều ban đầu, thông qua kết hợp tuyến tính, tệp liệu tạo ra, có kích thước nhỏ gọn mà đảm bảo thơng tin cần thiết [12] (2) Trong PCA cơng cụ trích xuất, chuyển đổi nén liệu, LDA trích xuất thông tin khác biệt liệu kết hợp tuyến tính thơng tin đó, cung cấp giá trị trung bình khác biệt lớn tệp liệu Trong nghiên cứu này, phương pháp nêu khảo sát so sánh để tìm phương pháp tối ưu cho việc phân loại mẫu hồ tiêu KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát phân tán PCA 14 mẫu hồ tiêu Kỹ thuật phân tích thành phần (PCA) thực để xem xét tác động nguồn gốc tính phân biệt 14 mẫu hạt tiêu Các biến tệp số liệu gốc thông thường tương quan với nhau, mức độ lớn thấp hơn; PCA loại bỏ dư thừa cách chuyển đổi tuyến tính số liệu gốc thành tệp mới, biến không tương quan gọi điểm thành phần (PC) Do vậy, số liệu xếp lại, điểm thành phần đại diện để mô tả phần lớn thơng tin có nhiều biến gốc Số điểm PC có nghĩa ln ln số lượng biểu thị, phương pháp đa biến thực [10] Khảo sát phân tán mơ hình PCA phần lớn bước sóng đóng góp vào phân tách mẫu cà phê PC Tuy nhiên cần tiến hành lược bỏ vài bước sóng để mẫu hồ tiêu phân biệt rõ ràng (Hình 1) 3.2 Phân tích phổ hồng ngoại Hình 1: Khảo sát phân tán PCA 14 mẫu hồ tiêu Dữ liệu phổ 14 mẫu hat tiêu diễn giải phổ đồ (Hình 1), bao gồm phổ đồ đại diện biểu diễn cho mẫu hạt tiêu phổ đồ tổng hợp đỉnh peak (đã hiệu chỉnh đường sở) tất mẫu hạt tiêu (bao gồm lần đo lặp lại) Đặc điểm biểu diễn “vùng vân tay” - finger-print dải phổ dao động Hình 2: Đỉnh peak tổng hợp dải phổ 14 mẫu hạt tiêu nhóm =CO‐C điểm 1194 cm-1 1252 cm-1 CH2 điểm 996 cm-1 có Oleoresin [13] – loại tinh dầu tạo nên vị cay hạt tiêu loại gia vị có tính cay khác Sự dao động tương ứng với tín hiệu đặc trưng dải phổ vị trí 1633 cm-1, 1446 cm-1, 1252 cm-1 996 cm-1 Có thể thấy dựa vào thông tin dải phổ qua phân tích FTIR, khó nhận biết khác loại hat tiêu, cho dù khác có tồn Do vậy, kết hợp liệu phổ thô với phép phân tích hóa tin (chemometrics) để tiến hành xác định phân loại hồ tiêu hồn tồn có sở [14] 3.3 Ứng dụng phân tích thành phần Hình miêu tả sơ đồ sàng lọc, minh họa số biến thành phần (PCs/F) nằm giữ sơ đồ PCA, miêu tả phân nhóm hai loại hồ tiêu đen trắng Có thể thấy rằng, hai thành phần (F1 F2) nắm giữ phần lớn thông tin liệu mẫu, chiếm 88,62% lượng thơng tin chính; đó, nói rằng, kết phân loại hồ tiêu đồ thị PCA đáng tin cậy Kết nhận dạng hồ tiêu dựa chủng loại khó nhận biết hoàn toàn hai loại trắng đen qua phương pháp PCA Tuy nhiên, tách nhóm hai loại phần nhận biết dựa phân bố mẫu hạt tiêu biểu đồ PCA Sự tương đồng thành phần có hai loại hạt tiêu cho nguyên nhân giải thích tượng Ngồi việc xác định nhận biết chủng loại hồ tiêu, PCA dùng để phân biệt thương hiệu loại hồ tiêu Cho dù hai PC hai biểu đồ (Hình 4a 4b) diễn giải phần lớn thông tin mẫu, 91.51% 89.13%, phân nhóm thương hiệu hai loại hồ tiêu trắng đen không rõ ràng Sự phân bố điểm tương ứng với loại thương hiệu rải rác không tập trung Duy có nhóm tiêu trắng có thương hiệu Nghĩa Tân Q1’ nằm tách biệt với nhóm thương hiệu cịn lại (Hình 4b) Điều chứng tỏ thành phần hóa học loại hạt tiêu có thương hiệu nêu có khác biệt so với thương hiệu chủng loại khác phân biệt thương hiệu hai chủng loại mẫu (Hình 4) chủng loại mẫu (Hình 5) để có đánh giá tổng quan xác Qua đó, quan sát thấy phân nhóm thương hiệu biểu thị rõ biểu đồ LDA Hạt tiêu thu mua thương hiệu 800A, Nghĩa Tân Q1 Vinmart Good có tương đồng định thành phần hóa học (Hình 4) Đối với hạt tiêu đen (Hình 5a), có xảy trùng lặp khoảng tin cậy (Confidence ellipse) thương hiệu 800A thương hiệu Nghĩa Tân Q1 Điều biểu thị biểu đồ LDA mẫu hạt tiêu trắng (Hình 5b) ba thương hiệu Nghĩa Tân Q1, Nghĩa Tân Q3 Vinmart Good Hình 3: Áp dụng PCA cho việc phân loại hồ tiêu Hình 4: Áp dụng PCA nhận dạng thương hiệu hồ tiêu: (a)-Hồ tiêu đen; (b)Hồ tiêu trắng Các kết thu cho thấy hiệu phương pháp phân tích thành phần – PCA chưa rõ ràng Chứng minh cho điều phân bố rải rác trùng lặp thông tin biểu thị biểu đồ PCA 3.4 Ứng dụng phân tích phân biệt Với phép phân tích phân biệt tuyến tính – LDA, biểu đồ phân biệt cho kết rõ ràng so với PCA Chúng tơi tiến hành Hình 4: Nhận diện thương hiệu chủng loại hồ tiêu, sử dụng mơ hình LDA Hình 5: Nhận diện thương hiệu hồ tiêu đen (a) hồ tiêu trắng (b) KẾT LUẬN Kết nghiên cứu cho thấy việc áp dụng Quang phổ hồng ngoại (ATR-FTIR) kết hợp với kỹ thuật thống kê đa biến bao gồm Phân tích thành phần (PCA) Phân tích phân biệt (LDA) nhằm phân loại nhận biết sản phẩm hồ tiêu khả thi Qua việc khảo sát đánh giá phương pháp thống kê đa biến khác nhau, khẳng định LDA phương pháp hiệu dùng để nhận biết thương hiệu sản phẩm hồ tiêu Kết nhận dạng thương hiệu thể rõ ràng biểu đồ LDA, PCA, phân nhóm khơng rõ ràng cần phải có kỹ thuật tốt phân biệt rõ khác chủng loại hồ tiêu Nhìn chung, mục tiêu đề hồn thành; nhiên, cần phải có nghiên cứu xa để làm rõ tối ưu hóa phương pháp thực nghiệm Cảm ơn: Nghiên cứu Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tài trợ, mã số: TĐNDTP.01 / 19-21 số cấp: QTCZ01.01 / 20-21 TÀI LIỆU THAM KHẢO A S Wilde, S A Haughey, P G King & C T Elliott The feasibility of applying NIR and FTIR fingerprinting to detect adulteration in black pepper Food Control, 2019, 100, 1-7 Hạt tiêu cô Điểm khác biệt hạt tiêu đen hạt tiêu trắng gì, 2016 https://hattieu.vn/diem-khac-biet-giua-hat-tieuden-va-hat-tieu-trang-la-gi.html D.T Oanh, N.Q Ngoc Đơi nét thực trạng sản xuất hồ tiêu Tây Ngun nay, 2019 http://wasi.org.vn/doi-net-ve-thuc-trang-sanxuat-ho-tieu-tai-tay-nguyen-hien-nay Cơng An Kinh hồng 'công nghệ' biến hạt tiêu lép thành hạt tạp chất, 2017 http://congan.com.vn/vu-an/kinh-hoang-congnghe-bien-hat-tieu-lep-thanh-chac-hat-bangtap-chat_34958.html K Dhanya, S Syamkumar and B Sasikumar Development and application of SCAR marker for the detection of papaya seed adulteration in traded black pepper powder Food Biotechnology, 2009 23(2), 97–106 C M McGoverin, D J F September, P Geladia and M Manley Near infrared and mid‐infrared spectroscopy for the quantification of adulterants in ground black pepper Journal of Near Infrared Spectroscopy, 2012, 20(5), 521– 528 H Schulz, M Baranska, R Quilitzsch, W Schütze and G Lösing Characterization of peppercorn, pepper oil, and pepper oleoresin by vibrational spectroscopy methods Journal of agricultural and food chemistry, 2005, 53(9), 3358–3363 S Aurich NIR‐spektrometrische Methoden‐ Entwicklung zur Qualitätsbewertung von Gewürzen und Kräutern, 2009 http://hss.ulb.uni-bonn.de/2010/2123/2123.pdf J Wang, S Jun, H C Bittenbender, L Gautz and Q X Li Fourier transform infrared spectroscopy for Kona coffee authentication Journal of food science, 2009, 74(5), C385–C391 10 E.K Kemsley, S Ruault, R.H Wilson Discrimination between Coffea arabica and Coffea canephora variant robusta beans using infrared spectroscopy Food Chemistry, 1995, 54(3), 321-326 11 D J Lyman, R Benck, S Dell, S Merle and M W Jacqueline FTIR-ATR Analysis of Brewed Coffee: Effect of Roasting Conditions Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2003, 51(11), 3268-3272 12 X Wu, B Wu, J Sun, M Li and H Du Discrimination of Apples Using Near Infrared Spectroscopy and Sorting Discriminant Analysis, International Journal of Food Properties, 2016, 19(5), 1016-1028 13 H Schulz, M Baranska, R Quilitzsch, W Schütze and G Lösing Characterization of peppercorn, pepper oil, and pepper oleoresin by vibrational spectroscopy methods Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2005, 53(9), 3358–3363 14 B Stuart Infrared Spectroscopy Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 2005 Liên hệ: Nguyễn Quang Trung Trung tâm Nghiên cứu Chuyển giao Cơng nghệ Tầng 6, Tịa nhà A28, Số 18B Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội Email: nqt79@yahoo.com Điện thoại: +84912141580 ... nghiên cứu cho thấy việc áp dụng Quang phổ hồng ngoại (ATR-FTIR) kết hợp với kỹ thuật thống kê đa biến bao gồm Phân tích thành phần (PCA) Phân tích phân biệt (LDA) nhằm phân loại nhận biết sản phẩm... ràng Chứng minh cho điều phân bố rải rác trùng lặp thông tin biểu thị biểu đồ PCA 3.4 Ứng dụng phân tích phân biệt Với phép phân tích phân biệt tuyến tính – LDA, biểu đồ phân biệt cho kết rõ... khác, phương pháp quang phổ hồng ngoại Fourier (FTIR) kỹ thuật ứng dụng nhiều thành công để phân loại xác thưc mẫu cà phê nguyên [9-11] Lợi lớn phương pháp đo phổ kết hợp với hóa tin (chemometrics)