d. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI:
4.3.7 Phân tích định lượng:
Khả năng ứng dụng phổ hồng ngoại như là một ngành của phân tích định lượng phụ thuộc trang thiết bị và trình độ của các phòng thí nghiệm. Ngày nay, sự ra đời của các máy quang phổ hồng ngoại hiện đại, sự tăng tỷ lệ tín hiệu/nhiễu làm cho việc phân
tích định lượng càng thêm chính xác và do đó mở rộng được phạm vi phân tích định lượng.
Về nguyên tắc, việc phân tích định ượng theo phương pháp phổ hồng ngoại dựa vào định luật cơ bản của Lambert – Beer:
A=lg(Io/I)=abc
• A: Độ hấp thụ tia IR
• Io: Cường độ bức xạ trước khi qua mẫu, I: cường độ bức xạ sau khi qua mẫu.
• a: Hệ số hấp thụ, b: bề dày của mẫu.
• c: Nồng độ chất nghiên cứu.
Thực tế, người ta chỉ xác định nồng độ của một trong các nhóm chức của hợp chất cần phân tích.
Ví dụ: có thể xác định nồng độ của hexanol theo độ hấp thụ của liên kiết O-H. Về thực nghiệm, có 2 cách xác định độ hấp thụ A.
a. Phương pháp đường chuẩn:
Ví dụ: Xác định một chất ở dạng dung dịch.Chọn số sóng thích hợp, cho dung dịch cần đo vào cuvét. Chỉ số độ đo trên máy tỷ lệ với I. Lại cho dung môi nguyên chất vào Cuvet. Lần này chỉ số đo được tỷ lệ với Io.Theo hệ thức trên, xác định được A tương ứng với nồng độ C. Ở những máy hiện đại, giá trị A được tính và ghi trực tiếp. Từ các nồng độ khác nhau đã biết, đo các giá trị A tương ứng, vẽ đồ thị A - C.Sau đó với nồng độ cần xác định, cũng đo A như trên rồi theo đồ thị chuẩn mà tìm C.
b. Phương pháp đường nền:
Có khi giá trị A cho trực tiếp trên máy.Nếu hỗn hợp có nhiều thành phần có các đám phổ xen phủ nhau thì để tìm nồng độ của từng thành phần phải giải hệ phương trình nhiêu ẩn (tương tự như ở phương pháp phổ điện tử).
Kết quả thu được theo phương pháp phổ hồng ngoại bị những hạn chế sau:
- Cuvet đựng mẫu thường làm bằng NaCl, KBr rất mềm, dễ bị biến dạng, do đó bề dày của mẫu (giá trị b) có thể thay đổi từ mẫu này sang mẫu khác. Cuvét cũng có thể bị tác động hoá học của dung môi. Do đó dẫn đến sai số trong phép đo. Sai số của phép đo cũng còn do những nguyên nhân khác.
- Do hiệu ứng tập hợp của các phân tử chất hoà tan có thể dẫn đến sự thay đổi tần số hấp thụ, hình dáng, cường độ hấp thụ.
- Do máy quang phổ hồng ngoại không đủ độ phân giải cần thiết nên không đủ khả năng đo được những đám phổ có tần số rất hẹp.
Mặc dù phương pháp phổ dao động là một trong những phương pháp hữu hiệu nhất để xác định các chất về định tính cũng như định lượng, được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học cũng như trong kiểm tra công nghiệp, phương pháp này cũng có những hạn chế nhất định:
- Bằng phương pháp phổ hồng ngoại không cho biết phân tử lượng (trừ trường hợp
đặc biệt).
- Nói chung phổ hồng ngoại không cung cấp thông tin về các vị trí tương đối của các nhóm chức khác nhau trên một phân tử.
- Chỉ riêng phổ hồng ngoại thì đôi khi chưa thể biết đó là chất nguyên chất hay chất hỗn hợp vì có trường hợp 2 chất có phổ hồng ngoại giống nhau.
e. ỨNG DỤNG PHỔ HỒNG NGOẠI TRONG THỰC PHẨM:
Quang phổ hồng ngoại (IR) đã được xem là kỹ thuật phân tích được ứng dụng nhiều trong phân tích thực phẩm. Kỹ thuật này được coi là sạch và tốt vì không sử dụng hoá chất, không có vấn đề về sức khoẻ và an toàn.
IR phân tích dư lượng axit amin trong protein, đánh giá chất lượng của chất béo, protein thành phần của các sản phẩm sữa và hạt. Phân biệt giữa bột cá, bột thịt, bột đậu nành có trong mẫu. phân tích thành phần hóa học các sản phẩm thực phẩm như phomat, ngũ cốc, bánh kẹo, thịt bò.
Phương pháp quang phổ IR dễ dàng thực hiện và rất hữu ích trong việc loại bỏ các nguyên liệu, sản phẩm thực phẩm mà ta nghĩ ngờ không đạt chất lượng.
PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH
Phần lớn các ứng dụng của IR bao gồm các phân tích các thành phần chính như nước, protein, chất béo hoặc đường.
5.1 Nước:
Việc đo độ ẩm có thể là một trong những ứng dụng chính của pp NIR.
Nước tinh khiết có dải hấp thụ mạnh tại 970, 1190, 1440 và 1940 nm . Sóng dao động mãnh liệt, cao nhất tại 1940 nm. Nó là sự kết hợp rung động của các sóng có tần số cao thấp khác nhau. Các sóng tại 970 và 760 nm tương ứng là những dao động thứ hai và thứ ba của các rung động kéo dài.
Vị trí và hình dạng của các dải hấp thụ nước bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: nhiệt độ, nồng độ chất tan và hạt kích thước của mẫu. Tính chất của liên kết hydro có một tác động đến hình dạng của quang phổ trong khu vực phổ 1400-1500 nm.
Trong bột mì, lúa mì, hàm lượng nước tỷ lệ với sự khác biệt giữa hấp thụ ở 940 và tại 2310 nm (Osborne et al 1993). Tuy nhiên, nó thường cần thiết để áp dụng phương trình hiệu chỉnh phức tạp hơn dự đoán, lượng nước trong thực phẩm. Việc đo độ ẩm bằng phương pháp IR có thể chính xác như là phương pháp tham khảo. đối với hầu hết các sản phẩm đồng nhất, chẳng hạn như bột, nhưng có thể thay đổi tùy theo sản phẩm không đồng nhất được đem đi nghiên cứu.
Các kết quả khi đo từng nguyên liệu riêng chính xác hơn so với hỗn hợp phức tạp. Độ ẩm đo được có thể bị sai lệch 0,15-0,8% tùy thuộc vào thực phẩm đem phân tích.
5.2 Protein :
Phổ IR của các protein là phức tạp và khó để giải thích. Người ta sử dụng phương pháp cận hồng ngoại (NIR)
Các protein có đặc tính hấp thu các bước sóng đến 1523, 1600 nm, 2050 và 2180 nm. Các bứoc sóng tại 2180 nm thường được sử dụng trong phân tích protein. ( Osborne và cộng sự (1993)).
Ví dụ : về phương trình dự đoán protein trong bột mì: %pr = 12,68 + 493,7*A2180 - 323,1*A2100 - 243,4*A1680 A2180 là độ hấp thụ tại 2180 nm.
323,1 * A2100 là yếu tố cần thiết cho phản ánh quang phổ của tinh bột, có thể bao gồm các dải hấp thụ của protein đến 2180 nm.
Việc hấp thụ ở 1680 nm như một cơ sở tham chiếu của quang phổ.
Phân tích các sản phẩm protein đơn giản như bột là rất chính xác. Tuy nhiên đối với các chất không đồng nhất và thức ăn với các thành phần hỗn hợp nó có sai lệch 0,16-0,45%.
5.3 Lipid:
Lipid cho quang phổ đơn giản trong đó chủ yếu là đại diện của hydrocarbon chuỗi axit béo.
Các dải hấp thụ chính xuất hiện đến 1734, 1765, 2304 và 2348 nm.
Các chất béo được phân tích bởi IR trong nhiều sản phẩm, với chi tiết khác nhau. Tùy sản phẩm có mức độ chất béo cao hay thấp hơn, nhiều sản phẩm thô có hàm lượng lipid thấp. Trong trường hợp này độ nhạy và độ chính xác của phương pháp có thể không đủ tin cậy.
5.4 Glucid:
Glucid có tầm quan trọng lớn trong thức ăn động vật.
Theo tính chất sinh hóa của nó, glucid có vai trò dinh dưỡng rất khác nhau. Các vùng quang phổ hấp thụ mạnh nhất là giữa 2070 và 2110 nm, nơi carbohydrate có dải hấp thụ mạnh do sóng kéo dài rung động của nhóm CO và OH
Khu vực này có thể phân biệt các loại đường đơn giản trong các polyme của chúng. saccharose được phân tích trong nhiều loại thực phẩm dành cho con người và động vật, với sai số từ 0,2 đến 1%.
Nó giúp xác định dễ dàng lượng saccharose thêm vào thực phẩm dựa vào kết quả phân tích đường ở dạng tự nhiên.
5.5 Chất xơ :
Phương pháp Van Soest là một phương pháp nổi tiếng để xác định hàm lượng chất xơ. phương pháp đo lường NDF (Neutral Detergent Fibre) và ADF (Acid chất tẩy rửa chất xơ).
NDF tổng hàm lượng hemixenluloza, cellulose và lignin, trong khi ADF chỉ xác định hàm lượng cellulose và lignin.
Phương pháp này có thể phân tích các thông số trên với độ chính xác cao.
5.6 một số ứng dụng khác: - trong thực phẩm:
+ Xác định hàm lượng tro, béo, xơ, đạm, ẩm, phospho trong bột cá và thức ăn gia súc.
+ Xác định hàm lượng béo trong chocolate và kem, sữa chua.
+ Xác định hàm lượng béo, đạm, nước, acid béo bão hòa, acid béo không bão hòa trong sữa.
+ Xác định hàm lượng béo, đạm, ẩm trong thịt, thịt bò, thịt bê, thịt heo, thịt gà, ... + Xác định hàm lượng tro, béo, ẩm, đạm và thành phần amylose trong gạo. - Công nghiệp dược phẩm :
+ Xác định mức độ este hóa của acid acetic trong benzyl alcohol. + Xác định hàm lượng nước còn dư sau khi sấy khô lạnh
+ Xác định hàm lượng nước trong dung môi
+ Xác định hàm lượng acid nitric trong dẫn xuất pyridine - Công nghiệp Hóa chất :
+ Xác định hàm lượng chất keo trong hỗn hợp dung môi (40-50%) + Xác định hàm lượng nước trong polymer phân tán
+ Xác định mức độ este hóa trong hóa chất công nghiệp + Xác định hàm lượng cyanamide trong dung môi (10-60%)
• Dinh dưỡng:
phương pháp IR thường xác định được các giá trị dinh dưỡng tiêu chuẩn của thực phẩm như tiêu hóa chất hữu cơ hoặc năng lượng .
Dự đoán các hàm lượng sử dụng là tuyến tính và được dựa trên phương trình có dạng: Giá trị dinh dưỡng = hằng số + α [protein] + β [lipid] + δ [carbohydrates] +....
Trong đó α, β, δ ... là các hệ số
Từ IR để xác định các thành phần riêng lẻ, có thể sử dụng phương pháp phân tích để đánh giá giá trị dinh dưỡng của nguyên vật liệu hoặc hỗn hợp nghiên cứu.
Một số nghiên cứu công bố đã được thực hiện đầu tiên để dự đoán mỗi thành phần sau đó áp dụng một mô hình tuyến tính mới để xác định giá trị dinh dưỡng của thực phẩm.
Một cách khác là dự đoán trực tiếp giá trị dinh dưỡng từ pp NIR. Tuy nhiên, phương pháp, tài liệu tham khảo để đo lường giá trị dinh dưỡng thực phẩm là rất dài để thực hiện và rất tốn kém. Các vấn đề chính là phải có đủ số lượng mẫu phân tích hiệu chỉnh quang phổ IR.