[10,23,57,65]
Hiện nay có 2 phương pháp phổ biến sử dụng nguyên lý trên, đó là Solid-phase microextraction (SPME) và Stir bar sorptive extraction (SBSE).
Nguyên lý tách dựa vào khả năng hấp phụ, cũng như trích ly bằng dung môi dựa vào hệ số phân bố của cấu tử cần tách trong pha trích:pha nước. Pha trích trong trường hợp này là các chất hấp phụ rắn. Chất hấp phụ thường sử dụng nhất là
Polydimethylsilosane (PDMS). Tỉ lệ thu hồi cấu tử cần phân tích được tính theo công thức sau: β β / 1 / 0 PDMS PDMS PDMS k k m m + = Trong đó:
mPDMS: khối lượng của cấu tử cần phân tích trong pha trích kPDMS: hệ số phân bố của cấu tử trong pha trích và pha ưa nước. m0 : tổng khối lượng của cấu tử trong hệ ban đầu.
β : tỉ lệ pha (Vnước / Vpha chiết )
Hiệu quả trích có thể dự đoán qua hệ số phân bố của cấu tử trong octanol:nước. Công thức trên cho thấy không chỉ có Log P mà tỉ lệ pha β cũng ảnh hưởng đến hiệu quả trích ly của cấu tử cần phân tích. Giá trị của β càng lớn thì tỉ lệ thu hồi của cấu tử cần phân tích càng lớn. Với phương pháp SPME thì vấn đề lớn nhất chính là tỉ lệ pha còn thấp, với cột PDMS 100µm mà thể tích pha chỉ đạt đến 0,5 µl. Điều này sẽ làm cho tỉ lệ thu hồi là không cao với những cấu tử có kow <10000. Ngoài ra, tỉ lệ
pha thấp sẽ dẫn đến khả năng trích ly của các cấu tử không phân cực thay đổi rất nhiều do các phản ứng cạnh tranh giữa cột hấp phụ, pha ưa nước và chính cánh khuấy mẫu. Phương pháp SBSE có bề mặt hấp phụ lớn hơn nên sẽ có hiệu quả hơn phương pháp SPME. Hiệu suất trích ly theo lý thuyết sẽ đạt 100% với các cấu tử có kow >500. Theo bảng 2.1 ở trên thì rất nhiều cấu tử có hệ số phân bố thấp (<500) và chúng sẽ thích hợp với phương pháp SBSE hơn là SPME.
2.2.3 Tách dựa vào khả năng bay hơi [23]
Nói đến khả năng bay hơi của các cấu tử hương là nói đến tỉ lệ của cấu tử trong pha khí và trong thực phẩm khi đạt trạng thái cân bằng (phương pháp Static headspace isolation) hoặc ở điều kiện không cân bằng (phương pháp Dynamic headspace
isolation). Cả hai phương pháp trên đều dựa trên cùng một nguyên lý là các cấu tử hương sẽ tồn tại một tỉ lệ hàm lượng trong pha khí và ta sẽ dựa vào hàm lượng trong pha khí để phân tích.
a.Trong điều kiện cân bằng
Khối lượng cấu tử hương trong pha khí được xác định bằng hệ số phân bố (là tỉ lệ của cấu tử trong pha khí và trong thực phẩm) kgf. Hệ số này xác định theo công thức:
kgf = cg/cf
cg, cf: lần lượt là nồng độ của cấu tử trong pha khí và trong mẫu thực phẩm ban đầu.
Vì thực phẩm chứa rất nhiều các chất hòa tan khác nhau (đường đơn, lipid, protein, nước, khoáng) nên việc xác định hệ số phân bố là rất phức tạp. Ta có thể dự đoán nồng của của cấu tử hương trong pha khí ở điều kiện cân bằng khi coi thực phẩm là hệ nhũ tương đơn giản dầu và nước. Nồng độ của cấu tử trong pha khí có thể tính:
cg= kgc cc [(1-φd) +φdkdc] Trong đó:
kgc: hệ số phân bố của cấu tử trong pha khí và pha liên tục ở điều kiện cân bằng.
cc: nồng độ của cấu tử trong pha liên tục.
d
φ : tỉ lệ thể tích của pha phân tán
kdc: hệ số phân bố của cấu tử trong pha phân tán và pha liên tục.
Công thức thức trên cho thấy với những cấu tử hương có hệ số phân bố trong pha khí thấp (khả năng hòa tan cao, hoặc áp suất hơi thấp, khối lượng phân tử lớn) thì sẽ không thích hợp với phương pháp sử dụng cân bằng khí lỏng này.
Vấn đề sẽ trở nên phức tạp hơn nữa khi có sự tương tác (liên kết) giữa các cấu tử hương với các cấu tử khác trong thực phẩm. Trong các trường hợp đó, rất khó dự đoán cg. Đồng thời, các cấu tử hương đều có kgc và kdc rất khác nhau, điều đó có nghĩa là mối liên hệ của các cấu tử trong thực phẩm và trong pha khí là rất phức tạp và gần như không thể dự đoán.
b. Tách trong điều kiện không cân bằng (nonequilibrium isolation)
Khác với điều kiện cân bằng, trong trường hợp này, tỉ lệ cấu tử hương trong pha khí sẽ thay đổi. Với phương pháp này, người ta sử dụng một dòng khí đi qua mẫu thực phẩm và lôi cuốn các cấu tử hương vào trong pha khí. Đây là quá trình truyền khối qua bề mặt tiếp xúc pha lỏng khí.
Phương trình sau biểu thị quá trình truyền khối của cấu tử hương: )) ( ) ( ( )) ( ) ( ( ) / ( 2 D t 1/2A c t c t h A c t c t dt dm e i e gc D e i e gc e e − = − = π Trong đó: HD: hệ số truyền khối
dm/dt : tốc độ truyền khối vào pha khí
De : hệ số khuếch tán của cấu tử tự do trong nhũ tương Agc : diện tích bề mặt tiếp xúc pha.
cei(t) và ce(t) : nồng độ cấu tử trên bề mặt tiếp xúc pha và trong hệ nhũ thực phẩm.
Những trở ngại chính của nguyên lý tách này là sự có mặt của nước trong mẫu thực phẩm. Trong hầu hết hệ thực phẩm, các cấu tử hương thường tồn tại không quá 300 ppm, còn nước thì ngay cả các thực phẩm khô, hàm ẩm cũng trên 2%. Nhiệt độ sôi cao của nước sẽ gây khó khăn cho quá trình làm tăng nồng độ và phân tích vì các cấu tử hương sẽ bị tổn thất (do nồng độ thấp và dễ bay hơi hơn nước). Chính vì vậy, hầu hết các phương pháp tách trong điều kiện không có cân bằng sẽ có sự kết hợp thêm các phương pháp loại bỏ nước khỏi thực phẩm trong quá trình tách.