đề tài PHÂN TÍCH hàm LƯỢNG cà PHÊ và CAFFEINE TRONG cà PHÊ RANG XAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP UV VIS kết hợp PHÂN TÍCH dữ LIỆU đa BIẾN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC BM HĨA PHÂN TÍCH PHẠM VÕ PHƯƠNG DUN PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG CÀ PHÊ VÀ CAFFEINE TRONG CÀ PHÊ RANG XAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP UV-VIS KẾT HỢP PHÂN TÍCH DỮ LIỆU ĐA BIẾN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HĨA HỌC BM HĨA PHÂN TÍCH PHẠM VÕ PHƯƠNG DUN PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG CÀ PHÊ VÀ CAFFEINE TRONG CÀ PHÊ RANG XAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP UV-VIS KẾT HỢP PHÂN TÍCH DỮ LIỆU ĐA BIẾN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Ánh Mai HVCH Nguyễn Phúc Thịnh CN Lê Văn Duy THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2019 LỜI CẢM ƠN Qua năm học tập rèn luyện trường Đại học Khoa học Tự nhiên TPHCM, em gửi lời cảm ơn đến tất thầy cô khoa Hóa học nói chung mơn Hóa phân tích nói riêng kiến thức kinh nghiệm mà thầy cô truyền đạt Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô PGS.TS Nguyễn Ánh Mai, nhà giáo tận tụy, ln hết lịng sinh viên Gửi lời cảm ơn đặc biệt đến chị Nguyễn Phúc Thịnh, anh Lê Văn Duy người trực tiếp hướng dẫn, giúp em giải thắc mắc khó khăn q trình làm đề tài viết báo cáo Cảm ơn thầy Nguyễn Hoàng Phú hỗ trợ em mặt dụng cụ, hóa chất Cảm ơn chị Nguyễn Thị Kim Hạnh người sáng lập công ty The Yellow Chair Specialty Coffee tư vấn cho em kiến thức cà phê cung cấp số mẫu cà phê Cảm ơn cô Hồ Thị Phước nhận lời phản biện đưa góp ý chân thành khóa luận em Cảm ơn bạn sinh viên chun ngành hóa phân tích, hỗ trợ trình thực đề tài Cuối cùng, vơ biết ơn gia đình quan tâm, động viên, chỗ dựa tinh thần cững để có điều kiện học tập cách tốt Cảm ơn tất người! Sinh viên Phạm Võ Phương Duyên GIỚI THIỆU CHUNG Cà phê thức uống tiêu dùng phổ biến giới Việt Nam quốc gia xuất cà phê lớn thứ giới sau Brazil, thành viên Hiệp Hội Cà Phê Thế Giới (ICO) Cà phê mặt hàng nông sản chủ lực Việt Nam, đứng thứ hai (sau mặt hàng gạo) kim ngạch xuất Chính ngành cà phê có vai trị lớn kinh tế nước nhà Theo lịch sử hình thành, cà phê chia thành nhiều loại Ngày nay, tính giá trị thương mại điều kiện ni trồng, hai loại cà phê trồng nhiều cà phê Arabica cà phê Robusta Từ cà phê đến hạt cà phê rang trải qua nhiều giai đoạn ảnh hưởng lớn đến chất lượng thành phần hóa học cà phê Thị trường cà phê Việt Nam thường Robusta đa phần người Việt Nam thích vị đắng chúng, bên cạnh đó, giá thành Robusta thấp Arabica (thường thấp gấp hai lần) Tuy nhiên, thông thường để tăng hương vị đậm đà cho cà phê, hầu hết nhà sản xuất cà phê rang thường cho thêm số chất phụ gia vào trình rang Việc thêm vào cà phê chất phụ gia xuất phát từ nhu cầu thị trường nhiên số biến tướng việc xảy người sản xuất muốn hạ giá thành sản phẩm để tăng lợi nhuận Việc làm xuất tình trạng cà phê bẩn xuất thị trường Do nhu cầu tìm kiếm giải pháp để phân biệt cà phê với thành phần làm giả đời Trong đề tài này, phương pháp phân tích trắc quang kết hợp với phân tích liệu đa biến thực để xác định hàm lượng cà phê hỗn hợp trộn lẫn cà phê, bắp đậu nành Đồng thời phương pháp sử dụng để xác định hàm lượng caffeine mẫu cà phê, hướng đến việc xác định nhanh hàm lượng caffeine mẫu thay cho phương pháp sắc ký lỏng truyền thống MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH A DANH MỤC BẢNG BIỂU B DANH MỤC VIẾT TẮT C TỔNG QUAN 1 Thành phần hóa học cà phê 1.1 Các hợp chất tạo vị đắng – Caffeine Trigonelline 1.2 Các hợp chất tạo vị béo – Lipid 1.3 Các hợp chất tạo vị – Carbohydrate phản ứng Maillard 1.4 Các hợp chất tạo vị chua – Các acid hữu Phân loại cà phê 2.1 Phân biệt theo cảm quan 2.2 Phân biệt theo thành phần hóa học Các phương pháp phân tích cà phê 3.1 Phương pháp sắc kí lỏng hiệu cao HPLC-UV (theo TCVN 9723:2013)12 3.2 Phương pháp sắc ký khí đầu dị ion hóa lửa GC-FID13 3.3 Phương pháp NIR kết hợp với chemometrics11 Giới thiệu phương pháp phân tích liệu đa biến 4.1.Phương pháp thành phần PCA (Principal Component Analysis) 4.2 Phương pháp bình phương tối thiểu phần PLS (Projection to Latent Structures - Partial Least Square) 11 4.3 Các công cụ mô tả mơ hình liệu đa biến 12 Hiện trạng cà phê Việt Nam THỰC NGHIỆM Dụng cụ hóa chất 15 17 17 1.1 Thiết bị, dụng cụ phần mềm 17 i 1.2 Hóa chất 17 1.3 Lấy mẫu, xử lí sơ bảo quản mẫu 17 Quy trình chiết mẫu 2.1.Quy trình chiết mẫu để đo trắc quang 18 18 2.2.Quy trình xử lý mẫu cho việc xác định caffeine phương pháp HPLC – UV 19 Quy trình thiết lập mơ hình PCA PLS KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 22 Mở rộng mơ hình xác định hàm lượng cà phê phương pháp trắc quang kết hợp với liệu đa biến 20 22 1.1 Mơ hình phân loại mẫu đơn - mơ hình thành phần PCA 22 1.2 Phương pháp định lượng - Mơ hình bình phương tối thiểu phần PLS 24 Thiết lập mơ hình xác định hàm lượng caffeine phương pháp trắc quang kết hợp với liệu đa biến 32 2.1 So sánh phương pháp chiết quy trình xác định hàm lượng caffeine phương pháp HPLC-UV 32 2.2 Xác định hàm lượng caffeine phương pháp HPLC-UV 33 2.3 Xây dựng mơ hình PLS 34 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 40 Kết luận 40 Hướng phát triển 40 PHỤ LỤC D TÀI LIỆU THAM KHẢO E ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Cơng thức cấu tạo caffeine Hình Cơng thức cấu tạo trigonelline (trái) and nicotinic acid (phải) Hình Cơng thức cấu tạo triacylglycerol Hình Sự hình thành phân tử Melanoidin trình rang Hình Phản ứng phân hủy CGA trình rang Hình Phản ứng hình thành Chlorogenic lactone từ CGA Hình Hình dạng hạt Arabica Robusta Hình Quy trình phân tích caffeine phương pháp HPLC-UV Hình Ba loại vấn đề phân tích liệu khác giải MVDA Hình 10 Mơ phương pháp chiếu mơ hình PCA 10 Hình 11 Mơ cân trung điểm 10 Hình 12 Hai giai đoạn mơ hình PLS 12 2 Hình 13 Sự đánh đổi lực giải thích R lực dự đốn Q 12 Hình 14 Mơ tượng Overfitting 12 Hình 15 Quy trình thiết kế mơ hình MVDA 15 Hình 16 Quy trình xử lý mẫu phương pháp trắc quang 18 Hình 17 Chương trình gradient dung mơi 20 Hình 18 Quy trình xử lý mẫu theo TCVN 9723:2013 20 Hình 19 Biểu đồ “Score” “Loading” mơ hình PCA chồng lên 22 Hình 20 Phân bố phổ hấp thu mẫu cà phê 23 Hình 21 Phổ hấp thu mẫu bắp đậu nành 24 Hình 22 Sự phân bố phổ hấp thu mẫu cà phê chọn 25 Hình 23 Đồ thị Hotelling’s T2Range 26 Hình 24 Đồ thị DModX 26 Hình 25 Biểu đồ “Overview” mơ hình 27 15 Hình 26 Đồ thị phân phối chuẩn (µ,σ) 29 Hình 27 Sắc ký đồ mẫu cà phê chiết theo phương pháp 32 Hình 28 Đường chuẩn caffeine xây dựng từ phương pháp HPLC – UV 34 Hình 29 Giá trị VIP theo số sóng 34 Hình 30 Đồ thị Hotelling’s T2Range 35 Hình 31 Phổ hấp thu điểm mẫu tính chất với "19R" "31R" 36 Hình 32 Biều đồ “Overview” mơ hình xác định hàm lượng caffeine 36 A DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Thành phần hóa học hạt cà phê Arabica Robusta xanh Bảng Thành phần caffeine chlorogenic acid hạt cà phê rang 10 Bảng Một số công cụ mô tả cho mô hình MVDA 13 Bảng Thơng số thiết bị UV-VIS hai chùm tia 18 Bảng Các điều kiện tối ưu quy trình chiết mẫu cà phê 19 Bảng So sánh phân phối xác xuất tổng phổ cà phê phân phối chuẩn 23 Bảng Bảng giá trị RMSEE RMSEP mơ hình 27 Bảng So sánh giá trị RMSEE RMSEP hai mơ hình 28 Bảng Kết dự đốn hàm lượng cà phê kiểm tra 29 Bảng 10 Kết mơ hình tính hàm lượng cà phê mẫu thị trường 31 Bảng 11 Hàm lượng phần trăm caffeine theo phương pháp chiết 33 Bảng 12 Khả dự đốn mơ hình 35 Bảng 13 R2Y Q2 mơ hình 36 Bảng 14 Bộ kiểm tra mơ hình xác định hàm lượng caffeine 37 Bảng 15 Kết kiểm tra mẫu thi trường mơ hình xác định hàm lượng caffeine38 B Hình 32 Biều đồ “Overview” mơ hình xác định hàm lượng caffeine 36 2.3.3 Đánh giả khả dự đốn mơ hình thơng qua mẫu kiểm tra Bộ mẫu kiểm tra gồm 30 mẫu người thực tự trộn để có mẫu hỗn hợp thành phần cà phê, bắp đậu nành xác định hàm lượng caffeine phương pháp HPLC-UV Đồng thời dịch chiết mẫu đem quét phổ máy trắc quang để lấy phổ hấp thu đưa vào mơ hình Kết thu thể qua Bảng 14 Trong 30 mẫu kiểm tra có 21 mẫu có kết dự đốn hàm lượng caffeine tốt (RSD < %), mẫu có kết dự đốn khơng tốt (RSD ~ 6-7 %) mẫu có kết dự đốn (RSD ~ 10 %) Bảng 14 Bộ kiểm tra mơ hình xác định hàm lượng caffeine S T T CAF (%) CAF (%) xác định HPLCUV theo mơ hình PLS % RSD 0.455 0.442 2.8 0.750 0.757 0.9 1.285 1.318 2.6 0.201 0.198 1.8 0.636 0.638 0.4 1.116 1.268 13.6 1.332 1.331 0.1 0.841 0.865 2.8 1.593 1.528 4.1 10 1.612 1.619 0.4 11 1.676 1.523 9.2 12 0.160 0.170 6.6 13 0.454 0.435 4.3 14 1.441 1.288 10.6 15 1.362 1.278 6.2 16 0.529 0.548 3.5 17 0.858 0.885 3.2 18 1.373 1.377 0.3 19 1.522 1.612 6.0 37 20 0.338 0.337 0.2 21 0.838 0.832 0.7 22 0.644 0.555 13.8 23 1.092 1.043 4.5 24 2.040 2.138 4.8 25 0.569 0.609 7.1 26 0.954 0.957 0.2 27 1.516 1.538 1.5 28 1.750 1.885 7.7 29 1.350 1.352 0.1 30 1.494 1.538 2.9 Như vậy, kết dự đoán mơ hình có tốt ta nhận thấy sử dụng mơ hình để xác định hàm lượng caffeine mẫu cà phê thị trường Các mẫu thị trường (16 mẫu) kiểm tra hàm lượng caffeine phương pháp HPLC- UV sau liệu caffeine sử dụng để so sánh với kết mơ hình Bảng 15 Kết kiểm tra mẫu thi trường mơ hình xác định hàm lượng caffeine ST T Tên mẫu Hãng sản xuất CAF (%) CAF (%) (***) 1.793 6.6 % RSD Thunder No 1864 Café (**) 1.920 Thunder Culi Robusta 1864 Café 1.679 1.600 4.7 Sơn Tùng Robusta Sơn Tùng 1.288 1.187 7.8 Highlands Di sản 1.727 1.565 9.4 Chinh phục S Highlands Coffee Trung Nguyên 1.056 1.042 1.4 Sáng tạo Culi Robusta Trung Nguyên 0.799 0.871 9.0 Nes Việt nguyên chất NESCAFÉ 1.931 1.920 0.6 Nes Việt nguyên chất NESCAFÉ 2.098 2.046 2.5 Đức Thành Đức Thành 1.657 1.761 6.3 10 Cà phê Chocolate Phúc Long 1.963 1.940 1.2 38 11 Cà phê Buôn Mê Thuột Đ Phương Vy 0.835 0.784 12 Phương Vy Robusta Phương Vy 0.613 0.637 13 Bùi Văn Thọ Robusta Bùi Văn Ngọ 1.844 1.795 14 Bùi Văn Thọ Culi Bùi Văn Ngọ 1.864 1.812 15 Robusta Thượng Hạng Light Coffee 1.863 1.975 16 Robusta Đặc Biệt Light Coffee 1.744 1.874 (**)Xác định phương pháp HPLC-UV (***)Xác định từ mơ hình PLS Với mẫu cà phê thị trường cho kết dự đoán tốt (sai lệch