Ứng dụng kỹ thuật GC o (gas chromatography olfactometry trong phân tích thực phẩm

MỞ ĐẦU Thực phẩm phần tất yếu sống người nên yếu tố cảm quan đóng vai trò quan trọng Xã hội phát triển khiến nhu cầu biến đổi từ “ăn no, mặc ấm” sang “ăn ngon, mặc đẹp” Vậy ăn ngon, phải đảm bảo có hình dạng, mầu sắc đẹp, mùi vị hấp dẫn đăc trưng cho sản phẩm Vì vậy, mùi đóng vai trò to lớn tạo nên chất lượng cho sản phẩm thực phẩm Tuy nhiên việc nghiên cứu mùi gặp nhiều khó khăn Phương pháp nghiên cứu dùng phổ biến phân tích cảm quan, đưa miêu tả mùi sản phẩm không đưa mùi thành phần sản phẩm Rất nhiều sản phẩm có mùi không tốt ta xác định nguyên nhân Hệ thống GC-O Hệ thống đưa miêu tả mùi cho cấu tử sản phẩm, đồng thời định tính định lượng xác thành phần hóa học tạo mùi GC-O (Gas Chromatography Olfactometry) Lịch sử GCO Năm 1952, máy sắc kí khí GC đời chủ trì giáo sư Keulemann, cộng tác viên Không lâu sau đó, nhà hoá học quan tâm đến việc nghiên cứu mối tương quan mùi thông số định tính định lượng thành phần sản phẩm việc sử dụng GC Năm 1964 Fuller, Steltenkamp, Tisserand thông báo miêu tả hệ thống GC thay đổi cho mục đích Năm 1972 phiên GC-O (Gas chromatography-Olfaction) đời với thiết bị tạo không khí ẩm giúp tăng khả cảm nhận mùi Trong 40 năm qua, phương pháp GCO ngày hoàn thiện đóng góp quan vào việc tạo mối liên kết số liệu hoá học sản phẩm với người tiêu dung Thiết bị GCO có mặt nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu mùi vị giới đặc biệt Mĩ, Pháp, Nhật Một kết tiêu biểu thu nhận nhờ sử dụng GCO Flavornet Đây sở liệu biên soạn Terry Acree & Heinrich Arn trường đai học Cornell, Geneva, NY 14456, Mĩ , bao gồm 500 thành phần mùi hoạt tính, hữu ích lĩnh vực nghiên cứu mùi Ngoài ra, cần phải nói đến nhiều nghiên cứu khoa học tinh dầu, rươu vang, sữa… tiến hành với GCO ví dụ như: Năm 2002, PGS.Tiến sĩ Nguyễn Thị Minh Tú với đồng nghiệp trường đại học Kochi, Nhật Bản có nghiên cứu thành phần mùi đặc trưng của tinh dầu lấy từ vỏ loại chanh vùng Tanaka (Mochiyu), Nhật Bản theo phương pháp ép lạnh việc sử dụng GCO Năm 2003, PA Clausen đồng nghiệp sử dụng GCO để xác định mùi phát từ sản phẩn chứa tinh dầu lanh Indoor Environment Group, Copenhagen, Đan Mạch… Hay vừa nhất, năm 2007 Beata Plutowska Waldemar Wardencki thuộc Technical University Gdan´sk, Hà Lan có nghiên cứu đăng trang: www.sciencedirect.com tạp chí sinh học công nghệ Science Direct việc áp dụng GCO phân tích đánh giá chất lượng nước uống có ga Cũng năm này, David Obenland, Sue Collin, James Sievert, Kent Fjeld, JulieDoctor , Mary LuArpaia trung tâm SanJoaquinValley Agricultural Sciences Center, KearneyAgricultural Center, SunkistGrowers, Mĩ tiến hành nghiên cứu thay đổi mùi thơm mát hương vị việc bao gói bảo quản cam Ở Việt Nam, phương pháp mẻ Đặc biệt, chưa có thiết bị phân tích GCO dùng cho phương pháp phân tích Cấu tạo nguyên tắc hoạt động GC-O Phân tích phương pháp GCO kĩ thuật phân tích tổng hợp từ hai cách thức phân tích khác nhau: phân tích sắc kí khí dùng để phân tách thành phần bay hỗn hợp phân tích cảm quan cách sử dụng quan cảm giác thính giác để ngửi thành phần bay tách nhờ phân tách sắc kí 2.1 Sắc kí khí (GC) Sắc kí họ kĩ thuật hóa học phân tích dùng để tách chất hỗn hợp Nó bao gồm việc cho mẫu chứa chất cần phân tích "pha động", di chuyển qua "pha tĩnh." Pha tĩnh trì hoãn di chuyển thành phần mẫu Khi thành phần di chuyển qua hệ thống với tốc độ khác nhau, chúng tách khỏi theo thời gian Một cách lí tưởng, thành phần qua hệ thống khoảng thời gian riêng biệt, gọi "thời gian lưu " Sắc kí khí kĩ thuật sắc kí hỗn hợp phân tích chuyên chở chất khí thành phần tách phân bố khác chất tan chúng chảy qua pha tĩnh Sắc kí khí phương pháp tách chất hỗn hợp sử dụng nhiều Nó giúp phân tích nhanh đạt hiệu cao mặt phân tách Nó cho phép xác định cách định tính định lượng thành phần hỗn hợp khí phức tạp hỗn hợp hoá không bị phân huỷ Dựa khác lực pha tĩnh pha động thể hiển hai trình hấp thụ giải hấp thụ xảy liên tục hai pha: pha động (là khí: heli, nitơ, hydro, argon) pha tĩnh (thường rắn lỏng) Sự định tính dựa thời gian lưu định lượng dựa vào chiều cao pic diện tích pic Khi pha động chứa phần tử chất cần phân tích A cho chảy qua cột chứa pha tĩnh chất cần phân tích phân bố hai pha Kd sau: Kd = [ A] t = [ A] s [ A] d [ A] m Trong [A]s nồng độ chất A pha tĩnh thời điểm cột [A] m nồng độ chất A pha động A chuyển cột pha động Nói cách khác, Kd lớn chất A chủ yếu pha tĩnh bị giải hấp chậm Muốn biết chất cần phân tích giải hấp nhanh chậm sao, ta cần biết tỷ lệ thời gian mà pha động Nguyên tắc hoạt động máy sắc ký khí GC Sơ đồ thu gọn thiết bị sắc ký khí mô tả theo hình: Hai phận quan trọng thiết bị sắc ký khí hệ thống cột tách đêtêctơ Nhờ có khí mang chứa bơm khí, mẫu từ buồng bay dẫn vào cột tách buồng điều nhiệt Quá trình sắc ký xảy Sau rời khỏi cột tách thời điểm khác nhau, cấu tử vào đêtêctơ, chúng chuyển thành tín hiệu điện Tín hiệu khuyếch đại chuyển sang ghi, tích phân kế máy vi tính Các tín hiệu xử lý chuyển sang phận in lưu kết Trên sắc đồ nhận được, có tín hiệu ứng với cấu tử tách gọi pic Thời gian lưu pic đại lượng đặc trưng (định tính) cho chất cần tách Còn diện tích pic thước đo định lượng cho chất hỗn hợp cần nghiên cứu Cấu tạo máy sắc kí khí Nguồn cung cấp khí mang Khí mang phải không tương tác với mẫu mang mẫu qua cột Nói cách khác hệ số phân bố phải không phụ thuộc vào chất khí mang mà phụ thuộc vào chất pha tĩnh Nhiều khí sử dụng GC gồm: heli, nitơ, hydro, argon hay không khí oxy Heli khí mang phổ biến nhất, đặc biệt Mỹ, nơi mà heli không đắt Heli khí trơ hóa học thích hợp cho sắc kí khí nhiệt độ cao Khí hydro thương mại thường đạt đủ tiêu chuẩn cho sắc kí Tuy nhiên, hydro phản ứng với chất phân tich có vấn đề nghiêm trọng an toàn Argon khí trơ khác, Argon sở hoạt tính hóa học dùng cho sắc kí khí nhiệt độ cao Khí argon ngày sử dụng nhiều làm khí mang Khí nitơ không nguy hiểm, giá rẻ dễ dàng làm tinh khiết nên nitơ sử dụng nhiều sắc kí khí Không khí oxy: độ tinh khiết oxy thương mại đạt yêu cầu cho sắc kí khí, cần phải sấy khô dễ lẫn nước bom đựng khí Khi lựa chọn khí mang cần để ý đến detector sử dụng, độ tinh khiết khí mang yêu cầu tách, sử dụng phối hợp với phương thức khác Với detector độ dẫn (TCD) detector dây đốt nóng detector dẫn nhiệt cần phải sử dụng khí mang có độ dẫn cao hydro, heli Detector ion hoá lửa (FID) vận hành với tất khí vô làm khí mang trừ ôxi Detector cộng kết điện tử (ECD) vận hành với tất khí mang khác nhau, làm việc theo kiểu dòng chiều dùng nitơ, vận hành theo kiểu xung dùng argon bổ sung 5% metan cho kết tốt Với phận cung cấp khí mang cần có hệ thống điều khiển áp suất tốc độ dòng khí mang, điều khiển điện tử Buồng bơm mẫu Trước vào cột tách thông thường mẫu vào buồng bay dùng dòng khí mang đưa vào cột Tuy mẫu mang qua cột dạng pha khí mẫu thực cần phân tích khí lỏng rắn yêu cầu mẫu phải có đủ áp suất để làm bay phòng mẫu, nhiệt độ phòng mẫu cao nhiệt độ cột để trình làm bay thực dễ dàng Mẫu đưa vào cột theo hình thức: - Gián tiếp chia dòng - Gián tiếp không chia dòng - Trực tiếp Lò (buồng điều nhiệt) Là nơi đặt hệ thống cột tách, có vai trò điều chỉnh, ổn định nhiệt độ, áp suất cột tách cho phù hợp với chế độ nhiệt mẫu cần phân tích Có hệ thống đốt nóng, quạt điều nhiệt, lớp bao thuỷ tinh để giữ nhiệt Buồng điều nhiệt Hệ thống cột tách Trong thực tế có nhiều dạng cột tách nhằm thoả mãn mục đích nghiên cứu khác Nói chung, cột tách sắc ký cần đạt yêu cầu sau đây: - Đảm bảo trao đổi chất tốt pha động pha tĩnh, nhờ việc tối ưu hóa thông số phương trình vandemter - Độ thấm cao, tức độ giảm áp suất nhỏ với tốc độ khí mang định - Khả tải trọng cột tách, khả hoà tan cấu tử pha tĩnh chọn (chính hệ số phân bố cấu tử pha tĩnh cho) Hình dạng đường phân bố đẳng nhiệt (trong trường hợp lý tưởng đường thẳng qua gốc toạ độ) đóng vai trò quan trọng đến khả tải trọng - Phải có khoảng nhiệt độ sử dụng lớn, làm việc nhiệt độ cao Người ta chia làm hai loại cột tách cột nhồi cột mao quản Tùy theo loại mẫu, độ phức tạp mẫu tùy loại máy sắc kí mà chọn cột nhồi hay cột mao quản  Cột nhồi thường làm thép không gỉ, thủy tinh, có đường kính từ - mm chiều dài cột thông thường -20 m kéo dài tuỳ ý cột độ chênh lệch áp suất đầu cuối cột tăng tỷ lệ thuận với chiều dài cột  Cột mao quản, thường làm vật liệu fused silica có tính bền mặt vật lý cao trơ mặt hóa học Cột mao quản thường có đường kính khoảng 0,53mm - 0,1mm, chiều dài thường từ 10 - 30 m, có lên tới 100 -150 m thành cột tẩm pha tĩnh So với cột nhồi cột mao quản có ưu điểm sau: - Các hỗn hợp phức tạp tách với hiệu suất cao hẳn - Tách tất chất có cấu trúc hoá học gần - Độ tin cậy cao việc nhận biết cấu tử - Độ nhạy phát lớn - Giảm thời gian phân tích - Cho phép nối trực tiếp với khối phổ kế mà không cần tách Yêu cầu chung cho pha tĩnh dùng cho cột sắc kí: - Ít bay - Bền nhiệt - Trơ mặt hóa học - Thường pha tĩnh chọn phân tích dựa độ phân cực Pha tĩnh cột chất phân tích cần có độ phân cực tương tự tách tốt (các chất giống hòa tan tốt vào nhau) Detector Detector có nhiệm vụ chuyển hoá đại lượng không điện (trong trường hợp nồng độ chất tách khỏi cột sắc ký) thành đại lượng điện Ngày nay, có khoảng 30 loại detector khác nhau, loại phổ biến là: detector dẫn nhiệt (TCD) , detector ion hoá lửa (FID) detector cộng kết điện tử (ECD)… Hệ thống ghi nhận xử lý tín hiệu Hệ thống dùng để thu thập tính toán kết Một số dạng peak sắc kí khí:  Dạng đối xứng: dạng lý tưởng, thường thu trình phân bố chất hai pha động tĩnh xảy nhanh, không phụ thuộc vào nhiệt độ Nếu lượng mẫu tiêm vào không vượt dung lượng cho phép cột thời gian lưu không phụ thuộc vào lượng mẫu tiêm vào  Dạng không đối xứng: gồm dạng kéo đuôi (talling) dạng thu nhỏ (leading hay fronting) Hiện tượng xảy khi: nồng độ chất phân tích lớn (thường xảy dạng kéo đuôi); có hấp phụ chất phân tích mạnh, chất phân tích pha tĩnh (cả dạng) Thời gian lưu thay đổi tùy lượng mẫu bơm Để nâng cao hiệu suất tách có thể: - Lựa chọn pha tĩnh, chiều dài cột, đường kính cột, phù hợp với loại mẫu, lượng mẫu, lựa chọn chương trình nhiệt độ phù hợp - Ghép nối hai hay nhiều cột có pha tĩnh khác - Với mẫu có thành phần phức tạp việc ghép nối cột thường sử dụng - Những cột có đường kính không khác nhiều ghép nối với - Nếu kết hợp với van chuyển cột tự động cho phép tự động chuyển cột trình phân tích 2.2 GC-O (Gas Chromatography Olfactometry) Phân tích phương pháp GCO kĩ thuật phân tích tổng hợp từ hai cách thức phân tích khác nhau: phân tích sắc kí khí dùng để phân tách thành phần bay hỗn hợp phân tích cảm quan cách sử dụng quan cảm giác thính giác để ngửi thành phần bay tách nhờ phân tách sắc kí Cấu tạo thiết bị GCO GCO lắp giáp đặc biệt máy sắc kí với ngửi (Olfactory Detector Port) Tính độc đáo GCO kết hợp khả phân tích sắc kí nhạy cảm quan khứu giác người Nguyên tắc hoạt động Mẫu dùng để phân tích bơm vào cột sắc kí khí Ở đầu cột, phần dẫn đến đầu dò tín hiệu, phần lại hướng trực tiếp tới mũi người đánh giá cảm quan qua ngửi Khi mùi nhận biết người ngửi, miêu tả mùi thông báo tới người thứ hai, người ghi lại đưa thời gian lưu tương ứng đồng thời Tập hợp miêu tả thời gian lưu chúng cho phép ta đưa biểu đồ mùi Dựa vào biểu đồ này, mùi hay vùng chất mùi tương ứng với mùi xác định xác Việc xác định cấu trúc phân tử chất chúng thực nhờ máy phân tích khối phổ GCMS Những vết pic thu nhận được so sánh với thư viện phổ Cấu tạo GCO có cấu tạo gồm phận máy phân tích sắc kí thông thường : Nguồn cung cấp khí, buồng tiêm mẫu, cột phân tích, đầu dò có kết nối với thiết bị ghi tín hiệu Ngoài GCO có số phận đặc biệt tạo nên khác biệt với máy GC ngửi thiết bị tạo ẩm thiết kế đặc biệt Các phận máy có thiết kế khác chúng có mục đích: - Cột không chứa pha tĩnh: không gây tượng lưu giữ sắc kí đồ với cấu tử mang mùi môi trường không khí - Bộ ngửi: có tác dụng chủ yếu tạo môi trường nhiệt độ giúp cho thành phần bay không bị ngưng tụ lại bên cột pha tĩnh từ bên lò nơi có nhiệt độ cao môi trường không khí có nhiệt độ thấp - Bộ tạo ẩm: hỗ trợ khả nhận biết mùi Vai trò - chức GCO - Xác định cấu tử hay nhóm cấu tử tạo lên mùi đặc trưng sản phẩm thực phẩm - Xác định ngưỡng cảm nhận chất tạo mùi quan khứu giác Liên kết người tiêu dùng với thông số hóa học sản phẩm TÀI LIỆU THAM KHẢO John H Kenedy (Hoàng Minh Châu dịch) Cơ sở hóa học phân tích Phương pháp sắc kí, 1996 Phạm Hùng Viêt Sắc Kí Khí Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Hà Nội, 2005 Phạm Hùng Viêt Cơ Sở Lý Thuyết Của Phương Pháp Sắc Kí Khí Nhà xuất Khoa Học Và Kĩ Thuật, 2003 HEWLETT PACKARD HP 5890 SERIES II Gas Chromatograph Service Manual, Edition 1, March 199, Print in U.S.A Operation Manual - Olfactory Detector Port ODP 2, Lasersan Hà Duyên Tư Kĩ Thuật Phân Tích Cảm Quan Thực Phẩm, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kĩ Thuật, 2001 N T Minh Tu, Y Onishi, U S Son,E.Ogawa, H Ukeda and M Sawamura Characteristic odour components of Citrus inflata Hort Ex Tanaka (Mochiyu) cold-pressed peel oil Flavour and Fragrance Journal 2003; 18: 454-459 http://gc-o.com http://chem.agilent.com 10 www.restekcorp.com 11 www.flavornet.com ... t o nguyên tắc hoạt động GC- O Phân tích phương pháp GCO kĩ thuật phân tích tổng hợp từ hai cách thức phân tích khác nhau: phân tích sắc kí khí dùng để phân tách thành phần bay hỗn hợp phân tích. .. Thuật Phân Tích Cảm Quan Thực Phẩm, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kĩ Thuật, 2001 N T Minh Tu, Y Onishi, U S Son,E.Ogawa, H Ukeda and M Sawamura Characteristic odour components of Citrus inflata Hort... ngửi thành phần bay tách nhờ phân tách sắc kí Cấu t o thiết bị GCO GCO lắp giáp đặc biệt máy sắc kí với ngửi (Olfactory Detector Port) Tính độc đ o GCO kết hợp khả phân tích sắc kí nhạy cảm quan