Luận văn thạc sĩ Công nghệ thực phẩm: Ứng dụng phổ quang học để xác thực nguồn gốc cà phê nhân

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: Phó giáo sư Tiến sĩ Lại Quốc Đạt

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: Phó giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Dũng

Cán bộ chấm nhận xét 1: Phó giáo sư Tiến sĩ Tôn Nữ Minh Nguyệt

Cán bộ chấm nhận xét 2: Tiến sĩ Nguyễn Hoài Hương Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM Ngày 13 tháng 07 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch hội đồng: Phó Giáo Sư Tiến Sĩ Hoàng Kim Anh 2 Phản biện 1: Phó giáo sư Tiến sĩ Tôn Nữ Minh Nguyệt 3 Phản biện 2: Tiến sĩ Nguyễn Hoài Hương

4 Ủy viên: Phó giáo sư Tiến sĩ Lại Quốc Đạt 5 Thư ký: Tiến sĩ Nguyễn Quốc Cường

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 06/11/1988 Nơi sinh: Bình Định

GỐC CÀ PHÊ NHÂN (COMBINING OPTICAL SPECTRA WITH DATA MINING FOR AUTHENTICITY OF GREEN COFFEE BEEN)

 Thu thập và ghi nhận thông tin của các mẫu cà phê nhân từ 5 tỉnh thuộc vùng Tây Nguyên

 Sử dụng phép đo phân tích chính xác để xác định tính chất vật lý, thành phần hoá học của mẫu

 Tiến hành quét phổ cận hồng ngoại, phổ tử ngoại-khả kiến các mẫu ở 2 dạng nguyên hạt và dạng bột

 Khai phá dữ liệu, xây dựng mô hình dự đoán chỉ dẫn địa lý

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/09/2021

1) Phó giáo sư, Tiến sĩ Lại Quốc Đạt

2) Phó giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Dũng

─ i ─

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể quý thầy cô ở Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, cũng như tập thể giảng viên ở bộ môn Công nghệ thực phẩm đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và hỗ trợ tận tâm cho chúng em rất nhiều trong suốt quá trình em theo học tại trường

Đặc biệt hơn hết, em xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn là

Phó giáo sư Tiến sĩ Lại Quốc Đạt, Phó giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Dũng đã luôn

quan tâm, hướng dẫn, hỗ trợ tận tình và động viên trong suốt quá trình hoàn thiện luận văn Bên cạnh đó, em cũng xin cảm ơn quý Thầy Cô quản lý các phòng thí nghiệm bộ môn Công nghệ Thực Phẩm đã luôn tạo điều kiện tốt nhất cho em được làm việc tại phòng thí nghiệm Cũng như sự hỗ trợ rất nhiều từ các bạn sinh viên của trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã luôn đồng hành cùng em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí

Minh (ĐHQG TP.HCM) theo số tài trợ C2019–20–30 Ngoài ra, em xin dành lòng trân

trọng đối với sự hỗ trợ tận tâm từ các đơn vị, cá nhân đã giúp đỡ em trong quá trình thu nhận 124 mẫu cà phê từ các tỉnh Tây Nguyên phục vụ cho quá trình nghiên cứu

Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô phản biện và quý Thầy Cô trong Hội đồng chấm luận văn đã dành thời gian quý báu để xem xét và đóng góp ý kiến cho luận văn hoàn thiện hơn Dù đã tận lực, nhưng với kinh nghiệm còn hạn chế, những khuyết điểm và sai sót là điều không thể tránh khỏi, em rất mong nhận được những lời nhận xét cũng như chỉ dẫn để em hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn này dành cho gia đình, bạn bè và anh chị đồng nghiệp đã luôn đồng hành, động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để em tham gia học tập và hoàn thành tốt đề tài luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn và gửi lời chúc sức khỏe

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2022

Học viên thực hiện

─ ii ─

TÓM TẮT

Cà phê là một trong những thức uống phổ biến nhất trên thế giới và theo sự phát triển của xã hội, nhu cầu thưởng thức cà phê đặc sản ngày càng tăng, điều này góp phần làm tăng giá trị kinh tế đối với các cùng cà phê có chỉ dẫn địa lý Việt Nam lại là nước sản xuất, xuất khẩu cà phê Robusta lớn nhất thế giới, và Tây Nguyên là vùng trọng điểm cà phê Robusta của cả nước Chính vì những lợi thế kinh tế trên mà cà phê có chỉ dẫn địa lý Buôn Ma Thuột đã được nhà nước đăng bạ bảo hộ năm 2006 và hướng tới bảo hộ quốc tế Để đạt được điều này, một bộ dữ liệu các tính tính chất đặc trưng của cà phê thuộc khu vực này cần được nghiên cứu và hình thành bản đồ phân vùng dựa theo chỉ dẫn địa lý của các đặc trưng trên Song song với bộ dữ liệu thu thập được, sử dụng phổ quang học của cà phê nhân kết hợp với các phương pháp phân tích dữ liệu để xây dựng mô hình phù hợp nhằm nhận diện cà phê Robusta có chỉ dẫn địa lý Buôn Ma Thuột tại hiện trường một cách nhanh chóng, ít liên đới đến phòng thí nghiệm, giảm thiểu quy trình chuẩn bị mẫu Hai giải pháp trên sẽ mang lại tính minh bạch trong hoạt động giao thương và tăng cường hiệu quả các giao dịch diễn ra, ngăn ngừa rủi ro giả mạo hàng hoá, và tăng giá trị thặng dư đối với hạt cà phê

Nghiên cứu là sẽ bao gồm hai mục tiêu chính là xây dựng bộ dữ liệu (tính chất vật lý và thành phần hoá học) của cà phê nhân khu vực Tây Nguyên và xây dựng mô hình phù hợp nhằm nhận diện cà phê Robusta có chỉ dẫn địa lý Buôn Ma Thuột để phát triển phương pháp xác thực nhanh nguồn gốc của cà phê nhân Kế hoạch nghiên cứu cho giải pháp trên sẽ bao gồm 4 giai đoạn chính:

Giai đoạn 1: Thu thập và bảo quản mẫu

Giai đoạn 2: Tiến hành các thí nghiệm phân tích trên bộ mẫu đã thu thập

Giai đoạn 3: Quét phổ cận hồng ngoại (NIR) và phổ tử ngoại – khả kiến (UV–VIS) trên

─ iii ─

quá trình thu nhận mẫu ở Giai đoạn 1, Giai đoạn 2 sẽ được triển khai để xây dựng bộ

dữ liệu về cà phê nhân Tây Nguyên, Việt Nam Bộ dữ liệu cung cấp thông tin về các tính chất vật lý gồm: kích thước ba chiều, khối lượng, tỉ trọng hạt, diện tích bề mặt, tỉ lệ

kích thước, và số liệu màu sắc (thang đo L*a*b*) của hạt Bên cạnh đó, dữ liệu là các

thành phần hoá học gồm: tổng hàm lượng chất khô hoà tan, hàm lượng caffeine, hàm lượng polyphenol tổng, hoạt tính chống oxy hoá, hàm lượng lipid, hàm lượng đường

khử cũng được phân tích và thu nhận Giai đoạn 3 sẽ quét phổ NIR hạt cà phê nhân sử

dụng thiết bị cầm tay bước sóng từ 900 – 1700nm; và thu nhận phổ UV–VIS của dịch trích cà phê nhân sử dụng hệ thống thiết bị để bàn ở vùng bước sóng từ 200 – 700nm

Giai đoạn 4 sẽ sử dụng phần mềm xử lý số liệu để:

(a) Xây dựng đặc trưng tính chất vật lý và thành phần hoá học

(b) Xây dựng mô hình dự đoán cà phê có chỉ dẫn địa lý hạt cà phê nhân

(c) Lựa chọn mô hình đã xây dựng có khả năng ứng dụng cao nhất cho từng mục đích

Kết quả từ Giai đoạn 1 và 2 là bộ gồm 124 mẫu cà phê nhân, trong đó có 24 mẫu

có chỉ dẫn địa lý Buôn Ma Thuột (Y) và 100 mẫu không có chỉ dẫn địa lý (N) từ 5 tỉnh, 37 huyện/ thành phố thuộc khu vực Tây Nguyên Qua phân tích, các đặc trưng vật lý và hoá học của các mẫu Robusta theo chỉ dẫn địa lý chưa thể hiện rõ sự khác biệt, song có

một điểm tích cực là có thể nhận diện theo hàm lượng caffein Ở giai đoạn 3, mô hình

xây dựng từ phổ NIR cho thấy khả năng dự đoán các mẫu cà phê có chỉ dẫn địa lý; tương tự mô hình xây dựng từ phổ UV–VIS cũng cho thấy khả năng dự đoán tốt các mẫu cà phê có chỉ dẫn địa lý Buôn Ma Thuột và nhóm không có chỉ dẫn địa lý

─ iv ─

ABSTRACT

Coffee is one of the most popular consumed beverages around and with the development of society, the demand for enjoying specialty coffee is increasing, which contributes to the increase of economic value for the same coffees coffee with geographical indication Vietnam is the world's largest producer and exporter of Robusta coffee, and the Central Highlands is the country's key Robusta coffee region Because of the above economic advantages, coffee with geographical indication Buon Ma Thuot was registered for protection by the state in 2006 and is aiming for international protection To achieve this, a data set of characteristic properties of coffee in this region needs to be studied and a zoning map is formed based on the geographical indications of the above characteristics In parallel with the collected data set, using optical spectrum of green coffee combined with data analysis methods to build a suitable model to identify Robusta coffee with geographical indication in Buon Ma Thuot quickly in the field, with less laboratory involvement, and reduced sample preparation processes The above two solutions will bring transparency in trading activities, increase and enhance the efficiency of transactions taking place, prevent the risk of counterfeit goods, and increase the surplus value for coffee beans

The research includes two main goals: building a data set (physical properties and chemical composition) of Tay Nguyen area green coffee and building a suitable model to identify Robusta coffee with Protected Geographical Indications (PGI) Buon Ma Thuot to develop a method to quickly verify the origin of green coffee Research plan is composed by four phases:

Phase 1: Collecting and preserving samples

Phase 2: Conducting instrumental and wet analysis on collected samples

Phase 3: Applying spectroscopy techniques namely near – infrared (NIR) and

ultraviolet – visible (UV–VIS) spectroscopy on collected samples

Phase 4: Mining data and building prediction models using multivariate data analysis

software

─ v ─ Green coffee is the primary research materials, the materials are collected from 5 provinces of the Tay Nguyen area For each province, the collection is diversified to

the administrative unit which is the commune Then, Phase 2 is conducted using these

samples to measure physical properties: three–dimension figures, weight, density,

surface area, size ratio, and colour determination (L*a*b* color space); as well as the

chemical composition: total soluble solids, caffeine content, total polyphenol content,

antioxidant acitivy, lipid content, and reducing sugar content Phase 3 mainly involves

in spectroscopy techniques that are the NIR spectroscopy scaning two type of sample preparation (whole bean and powder) by a portable device in the wavelength range of 900 – 1700nm; and the UV–VIS spectroscopy scaning the aqueous extraction from green coffee by a spectroscopy system in the wavelength range of 200 – 700nm The scaning processes record data expressed by reflectance (or absorbance) of sample under

various wavelength throughout the whole wave frame Phase 4 uses analysis software

to:

(a) Characterization of physical properties and chemical composition; (b) Development of a coffee predictive model for green coffee beans (c) Selecting models with the best performances for practical application

The results from Phases 1 and 2 are a collection of 124 samples, of which 24 samples have GI in Buon Ma Thuot (Y) and 100 samples without GI (N) from 5 provinces, 37 district/city in the Central Highlands region and complete data set of physical properties and chemical composition

Through analysis, the physical and chemical characteristics of Robusta samples according to the geographical indications have not clearly shown the difference, but there is a positive point that can be identified by caffeine content Model built from data at Stage 3 For the prediction of the geographical indication of Robusta coffee, the model built from the NIR spectrum showed the ability to effectively predict coffee samples from certified samples only Geographical Indication Buon Ma Thuot and the rest; The model built from the UV–VIS spectrum shows good predictive ability of coffee samples with geographical indications

─ vi ─

LỜI CAM KẾT

Em xin cam kết số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn thạc sĩ “Ứng dụng

phổ quang học để xác thực nguồn gốc cà phê nhân” dưới sự hướng dẫn của cán bộ

hướng dẫn 1: Phó giáo sư Tiến sĩ Lại Quốc Đạt và cán bộ hướng dẫn 2: Phó giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Dũng, là trung thực và không có bất kỳ sự sao chép nào Đề tài,

nội dung báo cáo trong luận văn là kết quả mà em đã nỗ lực nghiên cứu trong quá trình học tập tại trường Trong bài báo cáo có sử dụng một số nguồn tài liệu tham khảo đã được trích dẫn nguồn và chú thích rõ ràng Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước bộ môn, khoa và nhà trường về lời cam kết này

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2022

Học viên thực hiện

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Tổng quan nghiên cứu 5

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 6

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7

1.5 Phương pháp nghiên cứu 7

Chương 2 Tổng quan đề tài 8

2.1 Tổng quan về cà phê [8, 9, 10] 8

2.1.1 Phân bố cà phê Robusta tại Việt Nam 8

2.1.2 Đặc tính sinh học của cây cà phê Robusta 10

2.1.3 Tính chất vật lý của cà phê nhân 11

2.1.4 Thành phần hoá học của cà phê nhân 12

─ viii ─

2.4.1 Phân tích cấu trúc dữ liệu 42

2.4.2 Các mô hình xử lý dữ liệu 44

2.4.3 Đánh giá và lựa chọn mô hình 46

2.4.4 Các phép tiền xử lý ứng dụng vào phổ quang học 47

Chương 3 Phương pháp nghiên cứu 52

3.1 Nội dung nghiên cứu 52

3.1 Nguyên liệu 53

3.2 Hóa chất nghiên cứu 54

3.3 Phương pháp nghiên cứu 54

3.3.1 Phương pháp lấy mẫu 54

3.3.2 Phân tích các đặc trưng vật lý, hoá học của các mẫu cà phê 55

3.3.3 Quét phổ NIR bằng thiết bị quang phổ NIR cầm tay 56

3.3.4 Thu nhận phổ UV–VIS bằng máy đo quang phổ UV–VIS 56

3.3.5 Xử lý dữ liệu 57

3.3.6 Đánh giá mô hình 59

Chương 4 Kết quả và bàn luận 60

4.1 Tính chất vật lý và thành phần hóa học của cà phê 60

4.1.1 Tính chất vật lý 60

4.1.2 Thành phần hoá học 66

4.1.3 Phân tích số liệu về tính chất vật lý và thành phần hoá học theo chỉ dẫn địa lý của cà phê 72

4.2 Phổ NIR của cà phê nhân 73

4.2.1 Thư viện phổ NIR 73

4.2.2 Phân tích số liệu phổ NIR để truy xuất nguồn gốc địa lý của cà phê nhân 73

4.3 Phổ UV–VIS của cà phê nhân 78

4.3.1 Thư viện phổ thu được 78

4.3.2 Phân tích số liệu phổ UV–VIS truy xuất chỉ dẫn địa lý của cà phê nhân- Mô hình PLS–DA 79

─ ix ─

4.4 Đánh giá mô hình phân tích số liệu phổ 84

Chương 5 Kết luận và kiến nghị 85

2 Phân hạng cà phê nhân theo kích thước sàng 103

3 Khối lượng của 100 hạt cà phê và mật độ khối 104

4 Xác định độ ẩm của bột cà phê nhân 104

5 Xác định tổng hàm lượng chất khô hoà tan 105

6 Xác định độ pH của dịch trích cà phê nhân 106

7 Xác định hàm lượng caffeine 107

8 Xác định hàm lượng polyphenol tan trong nước 109

9 Xác định hoạt tính kháng oxy hoá 111

10 Xác định hàm lượng lipid tổng 113

11 Xác định hàm lượng đường khử 115

Phụ lục C Kết quả thí nghiệm 118

1 Tính chất vật lý của các mẫu cà phê nhân 118

2 Xây dựng đường chuẩn 129

3 Thành phần hoá học của các mẫu cà phê nhân 135

4 Phân sàng cà phê nhân 136

─ x ─

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2 1 Diện tích canh tác cà phê Việt Nam (năm 2014) 9

Bảng 2 2 Thành phần khối lượng của quả cà phê (% w/w) [10] 11

Bảng 2 3 Các đặc trưng của sàng thử nghiệm bằng kim loại lỗ tròn 11

Bảng 2 4 Thành phần hoá học của cà phê nhân [10] 13

Bảng 2 5 Các loại CGA trong cà phê 17

Bảng 2 6 Sự chuyển mức năng lượng của các electron trong orbital phân tử [24] 29

Bảng 2 7 Các cặp màu phụ nhau [15] 30

Bảng 3 1 Hoá chất phân tích dùng trong nghiên cứu 54

Bảng 4 1 Kết quả áp dụng các phép phân tích tiền xử lý cho mô hình PLS–DA để truy xuất chỉ dẫn địa lý cà phê từ phổ NIR 74

Bảng 4 2 Giá trị độ nhạy, độ đặc hiệu và độ chính xác và diện tích dưới đường cong của các biến định tính 76

Bảng 4 3 Kết quả áp dụng các phép phân tích tiền xử lý cho mô hình KNN để truy xuất chỉ dẫn địa lý cà phê từ phổ NIR 78

Bảng 4 4 Kết quả áp dụng các phép phân tích tiền xử lý cho mô hình PLS–DA để truy xuất chỉ dẫn địa lý cà phê từ phổ UV–VIS 80

Bảng 4 5 Giá trị độ nhạy, độ đặc hiệu và độ chính xác của các biến định tính 83

─ xi ─

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Logo PGI Cà phê Buôn Ma Thuột 2

Hình 1 2 Phương pháp chế biến sau thu hoạch của cà phê nhân theo PGI 4

Hình 1 3 Bản đồ phân hoá cà phê trên Brazil 5

Hình 2 1 Phân bố khu vực trồng cà phê tại Việt Nam 8

Hình 2 2 Cấu tạo sinh học của quả cà phê 10

Hình 2 3 Biểu đồ thế năng của dao động điều hoà 20

Hình 2 4 Biểu đồ thế năng của dao động điều hoà (Harmonic) so với dao động không điều hoà (Morse) 20

Hình 2 5 Bước sóng hấp thụ đặc trưng của một số nhóm chức và một số thành phần chính được tìm thấy trong cà phê 22

Hình 2 6 Module thiết bị cầm tay quang phổ cận hồng ngoại 26

Hình 2 7 Cấu tạo thiết bị cầm tay quang phổ cận hồng ngoại 26

Hình 2 8 Đường đi của ánh sáng trong thiết bị cầm tay 27

Hình 2 9 Sơ đồ sự hấp thu ánh sáng của một dung dịch 31

Hình 2 10 Dạng chung của phổ hấp thu trong trường hợp đơn giản 34

Hình 2 11 Ảnh hưởng của bước sóng (a) đến sự tuyến tính của đường chuẩn theo định luật Beer (b) 35

Hình 2 12 Dung môi được sử dụng trong các vùng bước sóng 36

Hình 2 13 Đường chuẩn tuyến tính (a) và không tuyến tính (b) thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ chất và độ hấp thu 37

Hình 2 14 Đường chuẩn của phương pháp đường chuẩn  và phương pháp thêm chuẩn  [17] 38

Hình 2 15 Phân loại máy đo quang phổ 39

Hình 2 16 Hệ quang học của máy quang phổ Shimadzu UV–2600i 41

Hình 2 17 Phương pháp KNN sử dụng K = 3 45

Hình 2 18 Phổ đo ở các điểm rời rạc [28] 48

Hình 3 1 Sơ đồ tiến trình nghiên cứu 52

Hình 3 2 Bản đồ thu nhận mẫu tại Tây Nguyên 53

─ xii ─

Hình 3 3 Vị trí lấy mẫu 55

Hình 3 4 Sơ đồ tóm tắt phương pháp xử lý dữ liệu 58

Hinh 4 1 Boxplot kích thước ba chiều hạt cà phê nhân theo chỉ dẫn địa lý 61

Hinh 4 2 Phân hạng theo số sàng của cà phê Robusta có chỉ dẫn địa lý và không có chỉ dẫn địa lý 63

Hinh 4 3 Boxplot các tính chất về khối lượng 100 hạt, mật độ khối hạt cà phê nhân theo chỉ dẫn địa lý 64

Hinh 4 4 Boxplot các tính chất về màu sắc của hạt cà phê nhân theo chỉ dẫn địa lý 65

Hinh 4 5 Boxplot độ ẩm cà phê nhân theo chỉ dẫn địa lý 66

Hinh 4 6 Boxplot hàm lượng chất khô hoà tan cà phê nhân theo chỉ dẫn địa lý 67

Hinh 4 7 Boxplot độ pH dịch trích cà phê nhân theo chỉ dẫn địa lý 68

Hinh 4 8 Boxplot hàm lượng caffeine trong cà phê nhântheo chỉ dẫn địa lý 69

Hinh 4 9 Boxplot hàm lượng polypheol tổng phân nhóm theo chỉ dẫn địa lý 69

Hinh 4 10 Boxplot oạt tính kháng oxy hoá cà phê nhân phân nhóm theo chỉ dẫn địa lý 70

Hinh 4 11 Boxplot hàm lượng lipid tổng trong cà phê nhân theo chỉ dẫn địa lý 71

Hinh 4 12 Boxplot hàm lượng đường khử trong cà phê nhân theo chỉ dẫn địa lý 71

Hinh 4 13 Biểu đồ biplot và loadings của biến định tính theo chỉ dẫn địa lý 72

Hinh 4 14 Phổ NIR của hạt cà phê nhân theo chỉ dẫn địa lý (phổ chưa qua xử lý) 73

Hinh 4 15 Loadings của 3 LVs đầu (a) và Loading sử dụng tất cả LV (b) của mô hình PLS–DA để truy xuất chỉ dẫn địa lý của hạt cà phê từ phổ NIR 75

Hinh 4 16 Loadings tất cả 3 LVs 76

Hinh 4 17 Đường ROC và giá trị AUC có chỉ dẫn địa lý (a) và không có chỉ dẫn địa lý (b) của mô hình PLS–DA từ phổ NIR 77

Hinh 4 18 Dữ liệu phổ UV–VIS của cà phê nhân theo chỉ dẫn địa lý 79

Hinh 4 19 Biểu đồ score của LV1 với LV2 (a) và LV1 với LV3 (b) của mô hình PLS–DA để truy xuất chỉ dẫn địa lý cà phê từ phổ UV–VIS 81

Hinh 4 20 Biểu đồ loadings của 7 biến LV của mô hình PLS–DA để truy xuất chỉ dẫn địa lý cà phê từ phổ UV–VIS 82

Hinh 4 21 Đường ROC của biến định tính mô hình PLS–DA từ phổ UV–VIS 83

─ xiii ─

DANH MỤC VIẾT TẮT Viết tắt &

kí hiệu

Ý nghĩa

đỏ trong không gian màu CIELab AA Antioxidant acitivity Hoạt tính kháng oxy hoá/ Hàm

lượng các hợp chất có hoạt tính kháng oxy hoá

ANOVA Analysis Of Variance Phân tích phương sai AOAC Association of Official Analytical

AUC Area under the curve Diện tích dưới đường cong

dương tới vàng trong không gian màu CIELab

CD Coefficient of Determination Hệ số xác định CGA Chlorogenic acid

CV Cross–validation Kiểm định chéo

D&S Derivatve and Smoothing Savitzky–Golay

Đạo hàm và làm mịn mịn bằng phương pháp Savitzky–Golay

─ xiv ─

Viết tắt & kí hiệu

Savitzky–Golay

Đạo hàm bậc 2 và làm mịn bằng phương pháp Savitzky–Golay GAE Gallic acid equivalent Đương lượng gallic acid

KNN K–Nearest Neighbor

không gian màu CIELab

LDA Linear Discriminant Analysis Phân tích biệt thức tuyến tính

MARDI Malaysian Agricultural Research and Development Institute

Viện Nghiên cứu và Phát triển Nông nghiệp Malaysia

MC Mean Centering Chuẩn hóa trung bình

MSC Multiplicative Scatter Correction Phương pháp hiệu chỉnh phân tán nhiều lần

Buôn Ma Thuột NIR Near Infrared Phổ cận hồng ngoại

PCA Principal Component Analysis Phân tích thành phần chính PC Principal Component Thành phần chính

─ xv ─

Viết tắt & kí hiệu

Ý nghĩa

PGI Protected Geographical Indications Bảo hộ chỉ dẫn địa lý

PLS Partial Least Square Bình phương tối thiểu một phần PLS–DA Partial Least Square with

Discriminant Analysis

Bình phương tối thiểu một phần phân biệt

R2 Coefficient of Determination Hệ số tương quan

RMSE Root Mean Square Error Căn bậc hai sai số bình phương trung bình

RMSEC Root Mean Square of Error Calibration

Sai số căn bậc hai hiệu chỉnh

RMSECV Root Mean Square of Error Cross –

Validation Sai số căn bậc hai kiểm chứng chéo

ROC Receiver Operating Characteristic

RS Reducing sugar content Hàm lượng đường khử SNV Standard Normal Variate

SW Semi–wet processing Chế biến bán ướt

TE Trolox equivalent Đương lượng trolox

TPC Total phenolic content Hàm lượng các hợp chất phenolic tổng

TSS Total soluble solids Hàm lượng chất khô hoà tan UV–VIS Ultraviolet – visible Phổ tử ngoại khả kiến

lý Buôn Ma Thuột

─ xvi ─

Viết tắt & kí hiệu

Ý nghĩa

W100 Weight of 100 beans Khối lượng 100 hạt cà phê nhân

ρbBulk density Mật độ khối cà phê nhân

1

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Cà phê là một trong những loại thức uống được tiêu thụ phổ biến nhất trên thế giới Không giống những loại thực phẩm khác, những người thưởng thức cà phê thường không quan tâm nhiều đến giá trị dinh dưỡng của nó mà thường quan tâm đến giá trị cảm quan của sản phẩm, hoặc có thể nói họ tìm đến cà phê với mục đích tiêu khiển bên cạnh một số dược tính mà cà phê mang lại Nhiều khách hàng quan tâm nhiều đến các loại cà phê đặc sản đến từ nhiều vùng miền khác nhau bởi mỗi loại sẽ mang đến những hương vị độc đáo, và do đó, giá trị của mỗi loại cà phê cũng khác nhau giữa các giống và các vùng lãnh thổ

Nhu cầu sử dụng sản phẩm cà phê chất lượng cao đang ngày càng tăng, đặc biệt là nhu cầu thưởng thức cà phê đặc sản ở các thị trường cao cấp khó tính như Mỹ, Úc, Ý…Các loại cà phê đặc sản cũng sẽ có giá trị thương mại cao hơn hẳn các loại cà phê thông thường Trong khi đó, Việt Nam lại là nước sản xuất, xuất khẩu cà phê lớn thứ nhì thế giới và đứng thứ nhất về cà phê Robusta Đặc biệt, các vùng trồng cà phê ở Việt Nam có điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng khác nhau nên tiềm năng phát triển cà phê đặc sản rất lớn

Chỉ dẫn địa lý (Geographical Indications, GIs) ngày càng được quan tâm và được xem như một công cụ phân biệt giá trị sản phẩm trong lĩnh vực cà phê đặc sản Tương tự như rượu vang ở Pháp và Ý, ngày càng nhiều quốc gia sản xuất cà phê cố gắng thiết lập hệ thống tên gọi cho cà phê cho quốc gia của họ Trong khi một số quốc gia và khu vực như Colombia hoặc Jamaica đã bảo hộ hợp pháp GIs cho cà phê, hầu hết GIs cà phê vẫn còn không chính thức, nghĩa là cho đến nay chưa có biện pháp bảo hộ hợp pháp nào Nhưng sự chấp nhận gần đây của thuật ngữ Café de Colombia như một Chỉ dẫn Địa lý được Bảo hộ (Protected Geographical Indication, PGI) ở Liên minh Châu Âu và Ethiopian Trademark Initiative cho thấy sự tham gia ngày càng tăng của các nước sản xuất cà phê để đạt được sự bảo vệ pháp lý cho GIs sản phẩm của họ Từ quan điểm kinh tế, dữ liệu từ các cửa hàng bán lẻ trực tuyến của Hoa Kỳ chỉ ra rằng cà phê có nguồn

2

gốc duy nhất nhận được giá bán lẻ cao hơn đáng kể, trong đó cà phê Kona 100% từ Hawaii và cà phê Blue Mountain của Jamaica là những loại đắt nhất Hơn nữa, kết quả từ mô hình định giá theo chủ nghĩa khoái lạc dựa trên dữ liệu đấu giá trên Internet cho cà phê xác định nguồn gốc chứng minh rằng quốc gia và khu vực xuất xứ đã là một yếu tố định giá quan trọng trong thị trường cà phê đặc sản [1]

Đăk Lăk được mệnh danh là thủ phủ cà phê của Việt Nam, với diện tích trồng trọt trên 200 ngàn hecta Nhận thức được vị thế chiến lược, lợi thế cạnh tranh của ngành cà phê với phát triển kinh tế xã hội của tỉnh cũng như nhu cầu cấp thiết bảo hộ tài sản trí tuệ địa phương nên Uỷ Ban Nhân Dân tỉnh Đắk Lắk đã đứng tên đăng bạ chỉ dẫn địa

lý “Cà phê Buôn Ma Thuột” (tên giao dịch Tiếng Anh: Buon Ma Thuot Coffee) cho cà phê Robusta để bảo hộ trong nước và tiến tới bảo hộ quốc tế Chỉ dẫn địa lý “Cà phê Buôn Ma Thuột” được đăng bạ theo quyết định số 896 QĐ–SHTT ngày 14/10/2005 của

cục sở hữu trí tuệ Đăng bạ này có giá trị bảo hộ trên toàn lãnh thổ Việt Nam Đây là mốc lịch sử đáng nhớ trong chặng đường phát triển đầy thử thách của ngành cà phê địa phương Địa phận bảo hộ chỉ dẫn địa lý (Protected Geographical Indications, PGI) cà phê Buôn Ma Thuột (BMT) thuộc các huyện của tỉnh Đắk Lắk gồm: Cư M’gar, Ea H’leo, Krông Ana, Cư Kuin, Krông Búk, Thị xã Buôn Hồ, Krông Năng, Krông Pắk, thành phố Buôn Ma Thuột theo quy định PGI Buôn Ma Thuột với tổng diện tích 107.505ha [2] Cà phê muốn đạt chứng nhận PGI phải được trồng tại các địa phận được công nhận và trồng trọt, chế biến tuân thủ quy trình được quy định đối với PGI cà phê Buôn Ma Thuột

Hình 1 1 Logo PGI Cà phê Buôn Ma Thuột

3

Thương hiệu cà phê Buôn Ma Thuột giúp quảng bá danh tiếng cà phê Buôn Ma

Thuột Do đó, bao bì và nhãn mác của PGI cà phê Buôn Ma Thuột (Hình 1.1) góp phần

vào chất lượng đối ngoại của cà phê Nhiều doanh nghiệp cà phê trên địa bàn tỉnh đã sử dụng hệ thống nhận diện sản phẩm có logo PGI cà phê Buôn Ma Thuột trên bao bì, hợp đồng, sổ sách, tài liệu cà phê và thu được lợi nhuận thương mại như Coffee 15, Simexco, Dakman Việt Nam [2]

Đặc điểm cà phê PGI Buôn Ma Thuột [2]

Theo quy định về quản lý và sử dụng PGI đối với cà phê Buôn Ma Thuột, chất lượng hạt cà phê được mô tả như sau:

- Màu sắc: xanh xám, xanh lục hoặc xám xanh

- Kích thước hạt: dài 10–11 mm, rộng 6–7 mm, dày 3–4 mm

- Mùi: mùi đặc trưng của cà phê ở thời gian và nhiệt độ rang thích hợp - Vị: cà phê uống có vị đắng nhẹ, không gắt (đặc trưng)

Khu vực địa lý của cà phê PGI Buôn Ma Thuột

Đặc điểm riêng của cà phê PGI Buôn Ma Thuột được hình thành từ vị trí địa lý đặc thù và điều kiện tự nhiên của đất đỏ bazan, độ cao, độ dốc, nhiệt độ, ánh sáng mặt trời và lượng mưa Lãnh thổ cà phê PGI Buôn Ma Thuột nằm trên các huyện khác nhau của tỉnh Đắk Lắk: Cư M'gar, Ea H'leo, Krông Ana, Cư Kuin, Krông Buk, Thị xã Buôn

bao gồm 2 phương pháp là chế biến khô và chế biến ướt (Hình 1.2)

Hình 1 2 Phương pháp chế biến sau thu hoạch của cà phê nhân theo PGI

5

Tuy nhiên, việc quản lý chỉ dẫn địa lý cho cà phê BMT là một thách thức lớn khi các dấu hiện nhận diện hiện nay của cà phê có chỉ dẫn địa lý (GIs) vẫn dựa vào khai báo và đặc điểm mô tả của cà phê BMT vẫn còn chung chung Do đó nhu cầu xây dựng đặc trưng cũng như dấu hiệu để nhận diện cà phê Robusta có chỉ dẫn địa lý BMT là hết sức cần thiết Bên cạnh bộ dữ liệu thu thập được, xây dựng phương pháp ứng dụng on–line công nghệ phổ quang học để xác thực nguồn gốc có chỉ dẫn địa lý BMT tại hiện trường một cách nhanh chóng Góp phần minh bạch trong hoạt động giao thương từ nó năng cao giá trị của cà phê có chỉ dẫn địa lý

Cũng như Brazil đã thành công trong việc hoàn thiện bản đồ phân hoá cà phê trên

lãnh thổ của họ (Hình 1.3), nghiên cứu này là nền tảng để xây dựng một bản đồ phân

hoá cà phê cho Việt Nam với mục đích truy xuất nguồn gốc theo chỉ dẫn địa lý Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm phân biệt cà phê đến từ các vùng khác nhau dựa vào sự khác biệt từ tính chất hoá học hoặc thông tin từ quang phổ học nhờ các phương pháp phân tích số liệu đa chiều

Hình 1 3 Bản đồ phân hoá cà phê trên Brazil

Nguồn: Brazil Specialty Coffee Assocation

Nhiều nghiên cứu cũng dựa vào các thành phần hoá học của cà phê như CGA, caffeine, trigonelline, dịch trích, amino acids, polyphenols để phân biệt cà phê Arabica

6

và Robusta [3, 4] Tại Việt Nam, dựa vào amino acid và acid béo trong cà phê nhân tại 3 tỉnh Đắk Lắk, Kon Tum, Sơn La kết hợp với PCA và HCA (Hierarchical Cluster Analysis) có thể truy xuất được nguồn gốc của cà phê [5]

A Giraudo và cộng sự [6] thực hiện quét phổ hồng ngoại cho 191 mẫu cà phê từ vùng Trung – Nam Mỹ và các quốc gia Châu Á kết hợp phân tích dữ liệu đa biến bằng phương pháp PLS–DA (Partial Least Square – Discrimination Analysis) Kết quả cho mô hình có thể phân biệt được hơn 98% dựa trên lục địa, 100% trong số đó được dự đoán chính xác dựa trên quốc gia ở độ tin cậy 95%

Diding Suhandy và Meinilwita Yulia [7] đã đánh giá tiền năng phân nhóm cà phê rang xay từ 3 vùng tại Indonesia bằng phổ tử ngoại – khả kiến (UV–VIS) kết hợp phương pháp phân tích dữ liệu PLS–DA và nhận thấy nghiên cứu này có thể phân biệt được cà phê từ các vùng với độ nhạy cao

Đối với những nghiên cứu đó, họ dùng máy quang phổ trong phòng thí nghiệm, điều này có thể không thực tế đối với việc áp dụng vào thực tiễn tại hiện trường Nhưng những lo ngại về ứng dụng này đối với cà phê nhân Việt Nam và nguồn gốc địa lý của nó, đặc biệt là cà phê nhân Robusta, vẫn chưa có điều kiện nghiên cứu vì hầu hết các nghiên cứu đều được thực hiện bằng cách sử dụng cà phê nhân từ Brazil hoặc từ nhiều nước với số lượng mẫu nhỏ Sự hiểu biết rõ ràng về việc áp dụng NIRS, UV- VIS đối với cà phê nhân Việt Nam có thể đóng một phần quan trọng trong việc cải thiện không chỉ xác thực chỉ dẫn địa lý cà phê, cung cấp công cụ kiểm tra nhanh chóng và đáng tin cậy để xác minh các đặc tính của sản phẩm thúc đẩy các hoạt động mua bán trong tình hình thực tiễn

Với mục tiêu chung là xây dựng một “bản đồ” phân hoá cà phê Việt Nam, nghiên cứu gồm 2 mục tiêu chính là:

1.3.1 Xây dựng bộ dữ liệu cà phê gồm thông tin về tính chất vật lý và các thành phần

hoá học chính, kết hợp với các phương pháp phân tích dữ liệu để xác định đặc trưng cà phê Robusta vùng có chỉ dẫn địa lý Buôn Ma Thuột với các vùng địa lý khác

7

1.3.2 Sử dụng phổ UV–VIS và NIR của cà phê nhân kết hợp với các phương pháp phân

tích dữ liệu để xây dựng mô hình phù hợp nhằm nhận diện cà phê Robusta có chỉ dẫn địa lý Buôn Ma Thuột để phát triển phương pháp xác thực nhanh nguồn gốc của cà phê nhân

Nghiên cứu được thực hiện trên 124 mẫu cà phê nhân Robusta từ 5 tỉnh thuộc Tây Nguyên (Việt Nam) gồm: Kon Tum, Gia Lai, Đắk Lắk, Đắk Nông và Lâm Đồng

(Phụ lục A) Trong đó có 24 mẫu có chỉ dẫn địa lý Buôn Ma Thuột (Y) và 100 mẫu

không có chỉ dẫn địa lý BMT (N)

Đối với mục tiêu xây dựng bộ dữ liệu các thông tin về tính chất vật lý và thành phần hoá học của cà phê nhân, tiến hành các phương pháp đo kích thước hạt cũng như tỉ trọng hạt; phân tích định lượng để xác định hàm lượng các hợp chất caffeine, polyphenols, lipid, chất khô hoà tan, độ ẩm, độ pH, đường khử tổng Phương pháp quét phổ vừa có ý nghĩa định tính, vừa có thể định lượng Kết luận cuối cùng của nghiên cứu được rút ra khi tiến hành các phương pháp phân tích các số liệu thí nghiệm thu được

8

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2.1 TỔNG QUAN VỀ CÀ PHÊ [8, 9, 10]

2.1.1 Phân bố cà phê Robusta tại Việt Nam

Tại Việt Nam, cà phê Arabica chủ yếu tập trung ở vùng núi phía Bắc như Sơn La, Lai Châu; vùng trung du Bắc Bộ như Yên Bái, Hà Giang, Phú Thọ, Tuyên Quang, Lạng Sơn, Cao Bằng đến khu vực miền Trung như Quảng Trị Các khu vực từ Tây Nguyên về phía đồng bằng Sông Cửu Long trồng cà phê Robusta là chính, chỉ có Lâm

Đồng có cà phê Arabica Cầu Đất (Hình 2.1) Các tỉnh trồng cà phê Robusta phổ biến

nhất gồm có Đăklăk, Đăk Nông, Lâm đồng, Gia Lai với diện tích lên đến 90% trên tổng diện tích canh tác cà phê

Hình 2 1 Phân bố khu vực trồng cà phê tại Việt Nam

9

Dù cà phê được trồng trải dài khắp đất nước, nhưng khu vực Tây Nguyên có diện tích canh tác cà phê đứng đầu và cũng là nơi có nhiều loại cà phê đặc sản (tập trung ở

Đắk Lắk và Lâm Đồng) (Bảng 2.1) Đắk Lắk được ví như “thủ đô của cây cà phê Việt

Nam” với sản lượng cà phê chiếm khoảng 60% tổng sản lượng cà phê cả nước và được bảo hộ chỉ dẫn địa lý (Protected Geographical Indications, PGI) Theo sau đó là Lâm Đồng cũng có diện tích canh tác cà phê tương đối lớn, dù diện tích canh tác ít hơn nhưng chủng loại cà phê lại đa dạng hơn Đắk Lắk do điều kiện khí hậu thuận lợi Theo sau đó là Đắk Nông, Gia Lai cũng chiếm diện tích canh tác đáng kể Kon Tum thuộc Tây Nguyên nhưng diện tích trồng cà phê chỉ ở mức trung bình Nhìn chung, có thể xem cà phê Tây Nguyên như một đại diện tiêu biểu cho cà phê Việt Nam

Bảng 2 1 Diện tích canh tác cà phê Việt Nam (năm 2014)

Tỉnh thành Diện tích canh tác (ha) Độ cao (m)

2.1.3.2 Cấu tạo của quả cà phê

Cấu tạo của quả cà phê gồm một số thành phần chính được mô tả trong Hình 2.2 và Bảng 2.2

Vỏ quả là lớp bỏ ngoài cùng của trái cà phê, có chức năng bao bọc và bảo vệ các

phần bên trong Khi chưa chín, vỏ cà phê sẽ có màu xanh lá cây và khi chín sẽ chuyển

dần sang màu đỏ hoặc vàng tùy giống cà phê

a) Núm quả b) Vỏ quả c) Vỏ thịt d) Lớp vỏ trấu e) Lớp vỏ lụa f) Nhân cà phêg) Phôi

Hình 2 2 Cấu tạo sinh học của quả cà phê

Vỏ thịt cà phê có vị ngọt nhẹ, có thể ăn được Trước khi chín, đây là các mô cứng

gắn liền với vỏ quả Khi trưởng thành, các enzyme pectolytic sẽ phá vỡ các chuỗi pectic tạo thành các hợp chất đường và pectin làm nên một cấu trúc mềm, mọng nước có độ nhớt cao nên thường được gọi là chất nhầy

11

Lớp vỏ trấu là lớp vỏ khá cứng sau khi được phơi khô để bảo vệ nhân cà phê Sau

khi thu hoạch cà phê, người ta sẽ loại bỏ đi vỏ ngoài, vỏ thịt và phần chất nhờn, chỉ còn vỏ trấu và hạt bên trong

Lớp vỏ lụa là phần rất mỏng và mềm bao bọc chung quanh nhân cà phê Lớp vỏ

này rất mỏng và có thể được bóc ra khỏi nhân trong quá trình đánh bóng hạt

Nhân cà phê là thành phần tạo nên giá trị cho cây cà phê Nhân cà phê được chia

thành 2 phần: phần ngoài cứng gồm những tế bào nhỏ chứa chất dầu, phần trong có những tế bào lớn và tương đối mềm Ngoại trừ những trường hợp như cà phê bị chỉ có 1 nhân, hoặc hi hữu là 3 nhân, thì đa số mỗi hạt cà phê đều có 2 phần bằng nhau Thành phần hoá học trong nội nhũ là tiền chất tạo nên hương vị cho cà phê sau khi rang

Bảng 2 2 Thành phần khối lượng của quả cà phê (% w/w) [10]

2.1.3 Tính chất vật lý của cà phê nhân

Trong sản xuất công nghiệp, cà phê nhân được phân hạng dựa vào các tính chất vật lý như kích thước, khối lượng, màu sắc của hạt

2.1.4.1 Kích thước cà phê nhân

Kích thước cà phê nhân là một tiêu chí quan trọng trong việc phân hạng cà phê dựa trên số sàng cũng như đánh giá chất lượng của nguyên liệu Kích thước của hạt cà

phê nhân bao gồm chiều dài (L), chiều rộng (W) và bề dày (T) Theo TCVN 4807–2013, người ta dựa vào đường kính lỗ danh nghĩa (W) của hạt cà phê nhân để xác định kích

thước sàng thử nghiệm bằng kim loại lỗ tròn

Bảng 2 3 Các đặc trưng của sàng thử nghiệm bằng kim loại lỗ tròn

2.1.4.2 Khối lượng 100 hạt

Khối lượng cà phê là một dấu hiệu quan trọng để tính toán khối lượng riêng cà phê và đánh giá chất lượng Khối lượng 100 hạt cà phê được xác định bằng cách cân 100 hạt cà phê

2.1.4.3 Mật độ khối cà phê nhân

Vì tỉ trọng cho biết có bao nhiêu nguyên liệu theo khối lượng trong một thể tích nhất định, nên việc xác định tỉ trọng cà phê là rất quan trọng đối với quá trình đóng gói, bảo quản và vận chuyển, đặc biệt là quá trình chế biến cà phê rang [11]

2.1.4 Thành phần hoá học của cà phê nhân

Cà phê nhân là một sản phẩm tự nhiên có thành phần hoá học tương đối phức tạp

và đặc trưng Bảng 2.4 tóm tắt một số thành phần hoá học của cà phê nhân

2.1.5.2 Chất khoáng

Như nhiều nguyên liệu loại thực vật khác, chất khoáng tồn tại trong cà phê ở hàm lượng rất thấp Khi tiến hành phân hủy nhiệt cà phê nhân, hàm lượng tro oxide chiếm khoảng 4%db, trong đó, K chiếm khoảng 40%

2.1.5.3 Carbohydrates

Cà phê nhân chứa nhiều loại carbohydrates, thường được chia thành carbohydrate mạch ngắn (tri–, di– và monosaccharides) và polysaccharides Ngoài ra, người ta còn phân loại đường trong cà phê nhân thành đường khử và đường không khử

a) Đường phân tử khối thấp

Sucrose là loại đường chính chiếm tỉ lệ cao nhất trong cà phê Đường khử trong dịch trích cà phê nhân được nghiên cứu và nhận thấy chiếm một tỉ lệ khá nhỏ Các loại đường khử chỉ được tìm thấy ở dạng vết bao gồm stachyose, raffinose, arabinose,

14

mannose, galactose, ribose và rhamnose Đường fructose và glucose chiếm tỉ lệ cao nhất trong nhóm đường khử của cà phê nhân Hàm lượng đường khử tổng của cà phê Robusta khoảng 0,5%db

Hàm lượng đường cụ thể phụ thuộc nhiều vào loài và nguồn gốc của cà phê, phương pháp chế biến sau thu hoạch, phương pháp bảo quản và độ chín của quả

b) Polysaccharides

Polysaccharides chiếm 40 – 50%db trong cà phê nhân, là một thành phần có vai trò quan trọng trong việc tạo cấu trúc của hạt Wolform và các cộng sự của mình đã nhiều lần thực hiện các nghiên cứu về polysaccharides của cà phê nhân từ năm 1960, khi tiến hành thủy phân và nhận thấy polysaccharides trong cà phê nhân được tạo thành từ các monosaccharides là mannose, arabinose, galactose và glucose nhưng không xác định được chính xác loại polysaccharide Năm 1961, khi họ tiến hành phân lập mannan từ cà phê nhân khử béo Santos và thủy phân mannan thì nhận thấy mannan được tạo thành từ 94% D–mannose và 2% galactose Năm 1964, Wolform cùng Patin tách chiết cellulose, một loạiβ–D–(l→4) glucan Năm 1965, họ tiếp tục tách chiết và thủy phân arabinogalactan thu được L–arabinose và D–galactose với tỉ lệ 2:5 Hầu như không có phát hiện về tinh bột hay araban đơn giản trong cà phê nhân Họ đánh giá mannan là hợp chất polysaccharide quan trọng chiếm tỉ lệ cao nhất trong cà phê nhân góp phần làm tăng độ cứng của hạt

2.1.5.4 Hợp chất chứa Nitrogen

Hợp chất chứa Nitrogen trong cà phê nhân là tên gọi chung cho tất cả hợp chất hoá học hữu cơ hay vô cơ có chứa Nitrogen Trong cà phê nói riêng, các hợp chất chứa Nitrogen thường được chú ý là caffeine, trigonelline, nicotinic acid, amino acid và protein Ngoài ra còn có một số hợp chất chứa Nitrogen là các chất thơm hay các chất thuộc nhóm lipid

a) Caffeine

Caffeine có bản chất là alkaloid, thể rắn, màu trắng, nóng chảy ở 236oC, có 2 dạng α và β (nhiệt độ khoảng 140 oC thì dạng α chuyển sang dạng β) Chúng có thể tồn tại ở dạng hydrate (1 phân tử caffeine, 0,8 phân tử nước), tan ít trong một số dung môi hữu cơ Caffeine không cung cấp mùi nhưng đóng góp vào 10% vị đắng cà phê

15

Về tính chất hoá học, caffeine là một base yếu, bền trong dung dịch acid hoặc kiềm nhưng có thể tạo hợp chất với các thành phần khác trong cà phê (chlorogenic acid, polynuclear aromatic)

Trong cà phê nhân Robusta, caffeine chiếm 2,2%db và ít tổn thất khi rang do áp suất bên trong hạt tăng, tốc độ khuếch tán chậm, tạo muối Yếu tố môi trường và yếu tố nông nghiệp thường ít tác động đến sự biến đổi hàm lượng caffeine Phân bón chứa K, P, Mg, Ca cũng ít ảnh hưởng đến hàm lượng caffeine hay chlorogenic acid

Trong vùng UV, caffeine có bước sóng hấp thu cực đại trong khoảng 250 – 280nm [13], thông thường bước sóng hấp thu cực đại của caffeine trong nước tại 272nm và trong dung môi dichloromethane tại 275nm

b) Trigonelline

Trigonelline có dạng tinh thể hút ẩm, monohydric, không màu (nóng chảy ở 130℃) khi kết tinh trong hỗn hợp etanol trong nước Nó cũng có thể thu được ở dạng khan khi nhiệt phân (khoảng 218℃) Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, trigonelline bị nhiệt phân tạo thành nicotic acid (tiền vitamin PP) Nó rất dễ hòa tan trong nước, nhưng chỉ hòa tan rất ít trong các dung môi hữu cơ, chẳng hạn như chloroform hoặc dichloromethane Trigonelline chiếm hàm lượng rất thấp và ít ảnh hưởng đến chất lượng cà phê Vị đắng của nó chỉ bằng ¼ vị đắng của caffeine Tuy nhiên các sản phẩm nhiệt phân của trigonelline lại có ảnh hưởng lớn trong các quá trình công nghệ nên đây được xem là một hợp chất quan trọng trong cà phê

c) Nicotinic acid

Nicotic acid trong cà phê nhân có tỉ lệ rất thấp (1,6 – 4,4 mg/100g) Nicotinic acid là tiền vitamin PP có vai trò quan trọng trong khẩu phần của con người Hàm lượng nicotinic acid phụ thuộc vào quá trình chế biến sau thu hoạch, quá trình rang và các đặc tính của hạt (kích thước, hình dạng )

d) Protein và các amino acid

Protein trong cà phê nhân gồm protein tan trong nước (albumin) chiếm gần 50% tổng lượng protein; và protein không tan trong nước Hàm lượng protein trong cà phê không cao, dao động trong khoảng 10% nhưng lại vô cùng đa dạng Chúng đóng vai trò

16

quan trọng trong quá trình hình thành hương vị của sản phẩm Trong cà phê, các amino acid tự do đa dạng, có hàm lượng thấp (0,15 – 0,25%db) và có vai trò tạo màu mùi đặc trưng khi rang, tùy thuộc mức độ rang và phản ứng Maillard Bằng phương pháp thủy phân, người ta nhận thấy trong thành phần protein có những amino acid sau: cystein, alanine, phenylalanine, histidine, leucine, lysine, derine

2.1.5.5 Chlorogenic acid (CGA)

Quinic acid tự do hiện diện với hàm lượng rất nhỏ trong cà phê nhân Một lượng lớn các quinic acid tồn tại dưới dạng ester gọi là chlorogenic acid (CGA) Đây là một dạng polyphenol đặc trưng của cà phê, tạo nên 90% vị đắng cho cà phê Nó góp phần tạo nên màu xanh của cà phê nhân khi kết hợp với ferric chloride (FeCl3)

Năm 1844, Rochleder nhận thấy caffeine trong cà phê nhân có sự tương tác với một loại acid tạo kết tủa với muối chì Cho kết tủa này tác dụng với H2SO4 để tái tạo acid và thêm dung dịch ammonia tạo thành hợp chất màu vàng Hai năm sau đó, Rochleder tiếp tục nghiên cứu và nhận thấy dung dịch từ màu vàng chuyển sang màu xanh khi tiếp xúc với Oxygen Sau đó, Payen phân tách được tinh thể potassium caffeine chlorogenate chiếm 3,5 – 5% trong cà phê nhân Đây cũng là lần đầu tiên “chlorogenic acid” được đặt tên và được mô tả là một sản phẩm của quá trình oxy hoá kiềm Theo Gorter, caffeic acid kết hợp với quinic acid tạo ra hemichlorogenic acid, hai phân tử này kết hợp với nhau sau khi mất đi một phân tử nước, hình thành chlorogenic acid Nhiều năm sau, nhờ sự kết hợp của các phương pháp cổ điển và sắc kí hay phổ, người ta đã tìm ra nhiều hợp chất trong nhóm CGA CGA thường tan tốt trong cồn hay hỗn hợp cồn – nước và không tan trong benzene, chloroform, ligroin Phổ hồng ngoại của CGA tương đối đơn giản Trong vùng UV, bước sóng có độ hấp thu cực đại của đa số CGA trong khoảng 300 – 350nm [13]

Hàm lượng CGA không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố: giống, sâu bệnh, điều kiện bón phân và tưới tiêu Nhờ vậy, CGA có thể được xem là yếu tố chỉ định nguồn gốc nhờ giải mã DNA Trong cà phê nhân, CGA chiếm từ 6 – 9%db và giảm dần khi bảo quản cà phê nhân trong điều kiện độ ẩm 80%RH, ở 30℃ hoặc 50℃ Cụ thể, chúng bị biến đổi do chuyển nhóm, thủy phân, oxy hoá, vỡ cấu trúc, polymer hoá, các phản ứng liên quan đến protein biến tính

2.1.5.6 Lipid

Các chất béo của hạt cà phê nhân chủ yếu có trong nội nhũ và một lượng nhỏ được gọi là sáp cà phê nằm ở các lớp ngoài của hạt cà phê Lipid trong cà phê không chỉ có triglyceride, mà còn chứa một tỉ lệ đáng kể các thành phần lipid khác Lipid cà phê chủ yếu tồn tại ở dạng dầu và sáp Trong đó sáp là chất béo bề mặt giúp hạn chế oxy hoá, chủ yếu là phenolic, còn lại là dầu chiếm khoảng 90% (bao gồm acid béo tự do, acid béo tổng, tocopherol, sterol ) Trong các hợp chất nhóm lipid, có hai hợp chất thuộc nhóm diterpene đáng chú ý là kahweol và cafestol Hai hợp chất này có bước sóng hấp thu cực đại trong khoảng 220 – 230nm đối với cafestol và 280 – 290nm đối với kahweol [14, 15] tuỳ thuộc vào dung môi sử dụng

2.1.5.7 Các chất hương

Các hợp chất hương trong cà phê nhân gồm furan, thiophenes, sulphides, aldehydes và ketones Possion đã phát hiện các chất thơm trong cà phê nhân là pyridines, quinolines, pyrazines, pyrroles, arylamines and polyamines Amorim tìm ra 3 loại polyamine trong cà phê nhân gồm putrescine, spermine và spermidine Chúng mang lại mùi không mong muốn cho sản phẩm

2.1.5.8 Carboxylic acid

Các carboxylic acid cũng góp phần tạo vị và hương cho cà phê Trong quá trình bảo quản, độ acid tăng dần do hoạt động của enzyme thủy phân lipid trong hạt Acid béo

Các phương pháp phân tích quang phổ là những kỹ thuật phân tích hoá lý hiện đại đang được sử dụng và phát triển trên thế giới, ứng dụng trong nhiều ngành khoa học về vật lý, hoá học, sinh học trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, thực phẩm, môi trường… [18]

2.3.1 Phổ cận hồng ngoại

2.3.1.1 Giới thiệu

Quang phổ cận hồng ngoại (Near Infrared Spectrocopy, NIR) đã khẳng định

được vị trí của nó trong số các công cụ quang phổ khác, đặc biệt là để xác định các đặc tính hoá học và vật lý của thực phẩm và sản phẩm thực phẩm Bao phủ vùng nhỏ của phổ điện từ 800 –2500nm, đây là vùng quang phổ tồn tại cuối tia đỏ trong vùng quang phổ khả kiến và bắt đầu vùng hồng ngoại giữa, quang phổ NIR đã có đã có sự phát triển phi thường trong lịch sử ngắn ngủi của nó từ năm 1905 đến hiện tại Nó có độ nhạy với sự hấp thụ của các liên kết –C–H, –N–H và –O–H liên quan đến thành phần hoá học thực phẩm, thời gian phản hồi nhanh, và sự đơn giản trong việc chuẩn bị mẫu, trong thực tế đây là phép đo không phá huỷ mẫu và chi phí thiết bị thấp so với các thiết bị quang phổ khác, bao gồm quang phổ tử ngoại – khả kiến, quang phổ trung hồng ngoại, phổ Raman [19]

Công nghệ ứng dụng quang phổ cận hồng ngoại đã được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực, bao gồm ngành nông nghiệp, dệt may, dược phẩm, mỹ phẩm và nhiều ngành công nghiệp khác Kỹ thuật này kết hợp với sự phát triển của kỹ thuật chemometrics và

19

đã trở thành công cụ phân tích hiệu quả, nhanh chóng, đáng tin cậy và không phá hủy mẫu cả về định tính và định lượng trong các vật liệu hữu cơ

2.3.1.2 Nguyên lý dao động phân tử trong quang phổ cận hồng ngoại

Kỹ thuật quang phổ hồng ngoại dựa trên hiệu ứng đơn giản là các hợp chất hóa học có khả năng hấp thu chọn lọc các bức xạ hồng ngoại Khi các phân tử hấp thụ năng lượng từ tia sáng vùng hồng ngoại có thể dẫn đến quá trình quay, dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó Tùy theo năng lượng kích thích lớn hay nhỏ có thể xảy ra quá trình quay, dao động hay cả quay và dao động đồng thời Sau khi hấp thu các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hợp chất hóa học dao động với nhiều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ hồng ngoại [20]

a) Sự xuất hiện của quang phổ dao động

Dao động của phân tử gồm hai nguyên tử là dao động giãn và nén dọc theo trục liên kết của hai nguyên tử, được gọi là dao động giãn Kết quả của dao động này là làm thay đổi độ dài liên kết của các nguyên tử trong phân tử [20]

Xét một phân tử AB gồm hai nguyên tử A và nguyên tử B với khối lượng mỗi nguyên tử là mA và mB, và khoảng cách giữa 2 tâm là vị trí cân bằng ro Nếu cố định một nguyên tử, và ép nguyên tử còn lại rồi bỏ ra thì nguyên tử còn lại sẽ dao động quanh vị

trí cân bằng ban đầu với một độ lệch là Δr Trong hệ sẽ xuất hiện một lực luôn có khuynh hướng kéo chúng về vị trí cân bằng gọi là lực phục hồi F [20]

b) Dao động điều hoà và không điều hoà

Lực phục hồi F tỉ lệ với biên độ Δr theo công thức F = –kΔr, trong đó k là hệ số tỉ lệ, dấu trừ cho biết lực F hướng ngược với chiều chuyển động Theo quá trình tính

toán cơ học, người ta có thể chứng minh được dao động điều hoà có tần số dao động là:

12

20

Biểu thức trên cho thấy dao động có tần số càng cao thì hệ số tỉ lệ k càng cao và

khối lượng thu gọn μ càng nhỏ Mặt khác, khi các phân tử thực hiện dao động, dưới tác

dụng của lực phục hồi F thì nó có thế năng Er:

Trong đó, Er là thế năng ứng với một sự dịch chuyển nào đó khỏi hệ cân bằng và

Eo là thế năng tại vị trí cân bằng, hay thế năng cực tiểu [20]

Biểu thức trên còn giúp ta hình dung đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc thế năng của

phân tử hai nguyên tử trong dao động điều hoà vào khoảng cách r giữa hai nguyên tử

Đó là một parabol có trục đối xứng là đường thẳng đứng đi qua điểm cực tiểu của thế

dao động không điều hoà (Morse)

Trong thực tế, dao động của phân tử không phải là dao động điều hoà vì khi hai nguyên tử tiến lại gần nhau thì lực tương tác giữa chúng lớn hơn khi chúng ở cách xa

nhau Do đó đường biểu diễn theo thế năng theo khoảng cách r không phải là một hình

parabol mà là một đường cong không đối xứng với khoảng cách các năng lượng không

đều nhau (khi số lượng tử n càng tăng, các mức năng lượng càng sít vào nhau gần) (Hình

21

2.4) Dao động không điều hoà không tuân theo quy tắc chọn lọc, tức Δν = ±1 mà mọi

sự chuyển động năng lượng đều có thể xảy ra (±2, ±3…) Tuy nhiên, khi |ν| càng tăng thì xác suất chuyển sẽ càng giảm, dẫn tới cường độ vân hấp thụ càng yếu Phổ dao động của phân tử hai nguyên tử không phải chỉ gồm một vạch duy nhất mà là tập hợp nhiều dãy vạch, mỗi dãy vạch tương ứng với sự dịch chuyển của phân tử từ một mức dao động xác định đến những mức khác Vạch hấp thu tương ứng với sự chuyển mức (0 → 1) gọi là vạch cơ bản, tương ứng với sự chuyển mức (0 → 2) gọi là vạch âm bội thứ nhất (có số sóng ≈ 2 số sóng vạch cơ bản), tương ứng với sự chuyển mức (0 → 3) gọi là vạch âm bội thứ hai (có số sóng ≈ 3 số sóng vạch cơ bản) [20, 21]

Vùng phổ cận hồng ngoại còn xuất hiện vân kết hợp (combination bands) khi nhiều hơn hai hoặc nhiều dao động cơ bản được kích thích đồng thời Các vân này thường là các vân yếu, có số sóng bằng tổng hoặc hiệu số sóng của hai dao động cơ bản do năng lượng của bức xạ có khả năng kích thích hai dao động cơ bản [20]

Như vậy, quang phổ cận hồng ngoại dựa trên âm bội phân tử và các vân kết hợp có thể rất hữu ích trong việc thăm dò vật liệu dạng khối với việc chuẩn bị mẫu đơn giản hoặc không cần chuẩn bị mẫu Độ nhạy của phép đo quang phổ phụ thuộc vào cường độ dải Thông tin phổ được lặp lại trong suốt các âm bội liên tiếp và các vùng kết hợp; tuy nhiên, tín hiệu của các dải liên quan trở nên yếu hơn dải tần số tăng dần Các vạch âm bội thứ ba gặp ở bước sóng ngắn hơn như vùng khả kiến (400 – 800nm) có cường độ dải yếu hơn đáng kể khi so sánh với âm bội thứ hai và thứ nhất trong vùng NIR (800 – 1800nm) [22]

c) Dao động quay

Khi phân tử hấp thu bức xạ hồng ngoại thì phổ thu được không chỉ là phổ dao động không điều hoà mà còn là phổ dao động quay, do khi năng lượng bức xạ đủ lớn để kích thích trạng thái dao động thì nó cũng làm thay đổi cả trạng thái quay Kết quả là vạch hấp thu phổ ứng với quá trình dao động không phải là vạch duy nhất mà bao gồm nhiều vạch nhỏ có tần số ν = νdd + νq [20]