Tiểu luận Phương pháp NIR và ứng dụng trong phân tích thực phẩm

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM TIỂU LUẬN MÔN PHÂN TÍCH THỰC PHẨM PHƯƠNG PHÁP NIR VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH THỰC PHẨM GVHD : NGUYỄN HÀ DIỆU TRANG LỚP : ĐHTP6CLT SVTH : TÔ HIẾU THIỆN 10304261 NGUYỄN CHÍ THỊNH 10307071 HOÀNG NGỌC QUỲNH 10371911 TRẦN THỊ NHŨ THIÊN 10321501 TP Hồ Chí Minh NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN GVHD NGUYỄN HÀ DIỆU TRANG 1. Quang phổ cận hồng ngoại 1.1. Giới thiệu Quang phổ cận hồng ngoại (NIR) được dựa trên sự hấp thụ bức xạ điện từ ở các bước sóng trong phạm vi 780 – 2500 nm. Ứng dụng điển hình bao gồm dược phẩm , chẩn đoán y tế (bao gồm xác định  lượng đường và đo oxy trong máu ), thực phẩm và kiểm soát chất lượng nông hoá, nghiên cứu quá trình đốt cháy, cũng như khoa học nghiên cứu thần kinh nhận thức. Nồng độ của các thành phần chất béo, nước, protein và carbohydrat có thể được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thu cổ điển.Tuy nhiên, đối với hầu hết các mẫu thực phẩm, thông tin hóa chất bị che khuất bởi những thay đổi trong quang phổ do tính chất vật lý như kích thước hạt. Quang phổ cận hồng ngoại được dựa trên sự kết hợp và rung động phân tử. Khác với phổ hồng ngoại, phổ cận hồng ngoại xuyên tương đối dễ dàng qua nước và các mô. Hơn nữa, thiết bị cận hồng ngoại luôn có sẵn và tương đối dễ sử dụng. Vì thế nhiều nỗ lực đã cố gắng để phát triển kỹ thuật quang phổ cận hồng ngoại Hạn chế chủ yếu của NIR trong phân tích thực phẩm là nó phụ thuộc vào các phương pháp tham khảo ít chính xác. 1.2. Lịch sử Herschel phát hiện ra năng lượng cận hồng ngoại vào thế kỷ 19, nhưng nó được ứng dụng trong công nghiệp lần đầu tiên vào những năm 1950. Trong các ứng dụng đầu tiên, NIR chỉ sử dụng như là một phần phụ của các thiết bị quang học sử dụng các bước sóng như tia cực tím (UV), ánh sáng khả vi (Vis), hoặc giữa hồng ngoại (MIR). Trong những năm 1980, NIR đựơc sử dụng độc lập, việc áp dụng các NIR đã được tập trung hơn vào phân tích hóa học. Cùng với sự đời sợi quang học vào giữa năm 1980 và ứng dụng ánh sáng đơn sắc vào đầu những năm 1990, phương pháp NIR đã trở thành một công cụ mạnh mẽ cho nghiên cứu khoa học, nhưng tiềm năng của nó chỉ được khai thác khoảng 30 năm gần đây; NIR bắt đầu được sử dụng như một công cụ y tế để theo dõi bệnh nhân. 2. Thiết bị đo đạc Để sử dụng có hiệu quả NIR phải lựa chọn đúng thiết bị 2.1 Ánh sáng đơn sắc Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có thể nhìn thấy được và sử dụng trong kĩ thuật đo lường và phổ NIR và có thể được sử dụng trong quá trình truyền hoặc phản xạ ánh sáng. Ánh sáng đơn sắc thường sử dụng trong quá trình nghiên cứu và nó có nhiều ứng dụng khác nhau. Có 3 loại detector: detector silicon có bước sóng đo vào khoảng 400 – 1100 nm , detector indium gallium arsenide có bước sóng đo vào khoảng 800 – 1700 nm và detector chì sulfide có bước sóng đo vào khoảng 1100 – 2500 nm . Nhiều thiết bị có cả 2 loại detector: silicon và chì sulfide (có bước sóng dài vào khoảng 400 – 2500 nm ) , một số máy chỉ có duy nhất detector chì sulfide . Các thiết bị sau này , còn bị rất hạn chế khi đo mẫu dạng bột hoặc mẫu dạng hạt do phản xạ khếch tán. Những loại ánh sáng đơn sắc được sử dụng trong thiết bị NIR là quang thể điểu chỉnh bộ lọc ( AOTF ) , AOTF bao gồm một tinh thể TeO2 ,khi chùm tia tới đi qua nó sóng âm được tạo ra. Vì những tinh thể bị nhiễu xạ theo chiều dọc với một chu kì bằng với bước sóng dài và chúng đi từ mặt bên này vật liệu sang mặt bên kia vật liệu . Ưu điểm chính của AOTF là sử dụng máy rất đơn giản và sự ổn định về bước sóng khi đo. 2.2 Diod quang phổ kế Diod quang phổ kế được sử dụng 1 thiết bị hồng ngoại phát xạ. Chúng mang cả 2 chức năng là nguồn sáng và có hệ thống lựa chọn bước sóng quang phổ thường có phạm vi đo vào khoảng 400 – 1700 nm. Chúng có ưu điểm là đo với tốc độ rất nhanh ( ước chừng 1 phổ/giây ) và không tác động đến vật mẫu . Những tính năng đặc biệt này được dùng khi hàm lượng mẫu nhiều hoặc sự cần thiết khi đo mẫu với thời gian ngắn . 2.3 Thiết bị lọc Các thiết bị lọc thường được dùng phổ biến nhất để ứng dụng trong thực phẩm. Các bộ lọc này được chọn để thể hiện sự hấp thu trong các ứng dụng phổ biến nhất. Ví dụ như protein , đạm và dầu trong các mẫu nông nghiệp .Thiết bị này được thiết kế để dùng trong 1 phạm vi phân tích giới hạn; trong phòng thí nghiệm hoặc trực tuyến . 2.4 Một số thiết bị phổ biến: Máy NIRQuest256: Bước sóng sủ dụng từ 900- 2050nm. NIRQuest dễ sủ dụng, hiểu quả ứng dụng của nó cao. Thiết kế nhỏ gọn. thiết kế hiệu chỉnh đa dạng được dùng trong chuẩn đoán y tế, phân tích dược phẩm,giám sát và kiểm soát chất lượng thực phẩm. Máy quang phổ SpectraStar Thiết bị quang phổ cận hồng ngoại SpectraStar cho kết quả có độ tin cậy cao. Dễ sử dụng và sửa chữa. The top window design of the SpectraStar provides total flexibility for sample handling. Của sổ của SpectraStar linh hoạt để xử lý tổng số mẫu Mẫu cũng có thể được phân tích thông qua một loạt các ống mẫu, đã Petri, cốc. The SpectraStar rotating top window system is available in four wavelength configurations to give complete coverage of the NIR region. Các hệ thống cửa sổ SpectraStar được thiết lập sẵn cấu hình bước sóng trong vùng cận hông ngoạiThe SpectraStar 2500-X and 2500 are research quality instruments that scan the NIR region up to 2500 nm. SpectraStar có bước sóng từ 1100 lên đến 2500 nm. Features Thiết bị cận hồng ngoại NIR Hãng sản xuất : BUCHI – Thụy Sỹ Dải phổ: 800 – 2500 nm, Độ chính xác sóng: ± 0.2 cm-1, Nhiệt độ làm việc: 5 – 350C Ứng dụng : Ứng dụng vào các ngành công nghiệp dược phẩm, thực phẩm và thức ăn chăn nuôi, công nghiệp Sơn và công nghiệp hóa chất. Thiết bị cung cấp nhiều đầu dò và vật chứ mẫu khác nhau mang đến nhiều lựa chọn cho khách hàng như : đầu dò đâm sâu vào bao bì nguyên liệu, đầu dò đâm vào dung dịch lỏng, các dạng chứa đĩa petri, chai vials, thuốc viên, bao bì, cuvet, ...Những ưu điểm của model NIRFlex N-500 : Kiểm tra nhanh trong vài giây cho kết quả chính xác. Công suất : là lựa chọn tối ưu cho những yêu cầu kiểm tra mẫu trên 20 mẫu/ ngày. 5 loại đầu dò khác nhau, kiểm tra hơn 10 chỉ tiêu khác nhau. Cho kết quả xác thực và đáng tin cậy. Được thiết kế kinh tế. Thích hợp cho môi trường - Không sử dụng hóa chất để xử lý mẫu. An toàn - không có phản ứng hóa học. Hiệu quả - khởi động 1 lần duy nhất trong ngày. Đa năng - đo lường cùng một lúc nhiều chỉ tiêu trên cùng một mẫu. 3.2. Phản xạ khuếch tán Đối với một bề mặt nhẵn như kính, hầu hết các bức xạ bị phản xạ từ bề mặt của gương và sự hấp thu không diễn ra. Trong phạm vi bước sóng 1100 - 2500 nm, số lượng tán xạ truyền qua qua 1 cm mẫu là không đáng kể. Hiện tượng này được gọi là phản xạ khuếch tán, bởi vì hầu hết các bức xạ bị phản xạ. Nếu bức xạ bị khuếch tán mà không thâm nhập vào mẫu thì giống như phản xạ gương không xảy ra sự hấp thụ. Tuy nhiên, nếu các bức xạ thâm nhập vào bề mặt khi nó đạt đến mức phân tử nó có thể bị phản xạ,hấp thụ, hay truyền đi. Một thử nghiệm NIR điển hình khuếch tán phản xạ được thể hiện trong hình 5. Hình 5. Phân tích phản xạ khuếch tán của một mẫu bột. Một mẫu bột được cho vào sâu 1 cm trong 1 cái gói, và được phủ bởi thạch anh. Các mẫu thử sau đó được đặt vào thiết, nơi nó được chiếu bức xạ NIR và các bức xạ phản xạ được đo bằng cách đặt các detector với góc nghiêng 45°. Các thử nghiệm phản xạ khuếch tán có thể được điều chỉnh để sử dụng với chất lỏng bằng cách đặt một miếng gốm bên dưới mẫu. Trong chế độ trình bày mẫu này, được gọi là transflectance, bức xạ được truyền qua mẫu, phản xạ từ gốm sau đó truyền trở lại trước khi thông qua các mẫu, cuối cùng đến các detector. Transflectance là một dạng kết hợp giữa truyền và phản xạ. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả cho nhiều loại mẫu như trái cây. 4.Ứng dụng: 4.1 Nước: Việc đo độ ẩm là một trong những ứng dụng chính của phương pháp 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. 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. 4.2 Protein : Các protein có đặc tính hấp thu các bước sóng đến 1523, 1600 nm, 2050 và 2180 nm. Các bước sóng tại 2180 nm thường được sử dụng trong phân tích protein. 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%. 4.3 Glucid: Glucid có tầm quan trọng lớn trong thức ăn động vật. Theo tính chất sinh hóa của nó, glucid có nhiều vai trò dinh dưỡng. 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 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. Phương pháp này có thể phân tích các thông số trên với độ chính xác cao. 5. Ứng dụng NIR trong phân tích thức ăn thô Nhu cầu về chất lượng thức ăn thô xanh đã và đang tăng lên đáng kể trong những năm gần đây vì một vài lý do. Các kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhưng theo lối kinh nghiệm để đo hàm lượng xơ của thức ăn thô xanh là tốn công sức và tốn kém thậm chí bằng các trang thiết bị tiêu hoá hiện đại, mất nhiều thời gian. Kỹ thuật vật lý, phi phá huỷ của kính quang phổ cận tia hồng ngoại (NIR) đã được xem là kỹ thuật phân tích  hiện hành và thực dụng nhất đáp ứng cho ngành nông nghiệp thực phẩm. Kỹ thuật cũng "xanh và sạch" vì không sử dụng hoá chất, không có vấn đề về sức khoẻ và an toàn. Kính quang phổ NIR đại diện cho một sự khởi điểm căn bản từ các phương pháp phân tích thông thường, ở đó toàn bộ mẫu thức ăn thô xanh được đặc trưng bởi sự thấp thụ vùng NIR chứ không phải các mẫu phụ riêng biệt được xử lý với nhiều hoá chất để phân tách các mẫu thành tố riền. Nhưng trở ngại chính của kính quang phổ NIR là chi phí ban đầu cao cho dụng cụ và độ tin cậy. 5.1 Đánh gía thức ăn thô xanh bởi kính quang phổ NIR: Sử dụng thành công NIR để đo các thành phần hữu cơ của thức ăn thô xanh đã được nhiều công nhân thực hiện, cũng như protein và xơ, các chất carbohydrate tan trong nước và các chất phi carbohydrate tổng số cũng được đo thành công bởi NIR. Các thiết bị NIR cũng đã cho phép phân tích thức ăn thô xanh tươi và không nhiễm (ví dụ: cỏ ủ và cỏ tươi). Nhiều tác giả (1994) , (1996) cho rằng kính quang phổ NIR có thể được sử dụng để đoán đặc tính lên men và các thông số sinh học trong ủ chua thức ăn xanh. Hạn chế chủ yếu trong việc sử dụng kính quang phổ NIR để phân tích thức ăn thô xanhh là không đủ các phương pháp tham khảo các phòng thí nghiệm cổ truyền. Muray (1988( khẳng định: "chúng ta đang sử dụng hoá học thế kỷ 19 để mức (chia độ, calibrate) công nghệ thế kỷ 20". 5.2  Vai trò của kính quang phổ NIR trong đánh giá thức ăn thô xanh Các công trình nghiên cứu của Lindgren (1983) và Robert (1986) cho thấy kính quang phổ NIR cho dự đoán tỷ lệ tiêu hoá tốt hơn so với các bước tiến hành trong phòng thí nghiệm cổ truyền. Barber (1990) cho thấy NIR có thể dự đoán tỷ lệ tiêu hoá chất hữu cơ (OMD) trong phòng thí nghiệm chính xác hơn so với phương pháp phòng thí nghiệm thông thường. Chia độ (cablication) NIR cũng đã thành công để đoán tỷ lệ tiêu hoá và hàm lượng năng lượng trao đổi (ME) của thức ăn thô xanh khác gồm cỏ và rơm ngũ cốc. Godon (1998) đã sử dụng việc ủ chua cỏ xanh để dự đoán OMD invivo và lượng ăn vào tự do. 5.3  Dự đoán khía cạnh mới về giá trị năng lượng thức ăn thô xanh Xác định năng lượng lên men có một tầm quan trọng vì nó đại diện cho phần năng lượng của khẩu phần cho tổng hợp protein. Trong tương lai NIR có vai trò dự đoán nồng độ của từng axit hoặc axit tổng số. Dự đoán axit lên lem ủ chua thể hiện tiếp cận để xác định hàm lượng năng lượng có khả năng lên men khác nhau. 5.4  Dự đoán những khía cạnh mới về giá trị protein thức ăn thô xanh Đối với gia súc nhai lại, chất lượng protein được miêu tả rõ bằng cách ước tính 3 khía cạnh tiêu hoá protein trong dạ cỏ: phần tan nhanh, phần không tan nhưng phân ly và tỷ lệ phân ly của phần có khả năng phân ly. Waters và Givens (1992) cho rằng có thể thực hiện được chia độ NIR cho giá trị nitơ phân ly. Vì trong ủ chua cỏ tỷ lệ nitơ cao nhưng biến động (0,45-0,75) là nitơ hoà tan trong nước và sau đó hoà tan trong dạ cỏ, khả năng dự đoán nitơ hoà tan bởi kính quang phổ NIR là một cải tiến quan tọng về dự đoán đơn giản tổng nitơ và hàm lượng protein thô, ví dụ: ước tính nitơ trong thức ăn ủ chua bởi kính quang phổ NIR như sau:  Nitơ Giá trị TB (g/kg sử dụng) Nitơ tổng số 9.55 Nitơ hoà tan 3.48 Nitơ không hoà tan 5.97 5.5 Sử dụng quang phổ NIR để theo dõi tiêu hoá thức ăn thô xanh Để biết được tỷ lệ tiêu hoá loại thức ăn này người ta dùng các bước sóng sau đây: Loại thức ăn thô xanh Dự đoán Bước sóng (nm) Đầu Sau Hỗn hợp thức ăn thô xanh DMD invivo 2266 1662 Cỏ ME 1668 1364 Cỏ ủ Lignin 1658 2286 Cỏ khô DMD invivo 1326 2266 Cỏ khô/cỏ ME 1666 1690 Cỏ ủ OMD invivo 2266 1662 Cỏ ME 1658 2280 Rơm ngũ cốc OMD invivo 1662 - Vùng quang phổ quanh 1650-1670 và 2260-2280nm là vùng liên quan đến tiêu hoá. Bước sóng đầu cùng vùng cho tỷ lệ tiêu hoá nằm giữa 1664 và 1696nm, ở rơm ngũ cốc, vùng 1650 và 2254nm liên quan đến phần không tiêu hoá thức ăn thô xanh, vùng này cũng quan trọng liên quan đến sự phân ly cỏ ủ chua, ngô ủ chua và cỏ xanh vùng này cũng liên quan đến lignin. 5.6  Kết luận Quang phổ NIR đã làm cuộc cách mạng phân tích và cách mạng trong việc biểu thị đặc trưng dinh dưỡng cho thức ăn thô xanh. Đây là một điều quan trọng vì sản xuất thực phẩm cho nhân loại toàn thế giới từ gia súc nhai lại là phụ thuộc nhiều vào việc sử dụng có hiệu quả của một phạm vi đa dạng nguồn thức ăn thô xanh. Sự phát triển quang phổ NIR đã cho phép đánh giá nhanh thức ăn thô xanh từ đó có cho phép ra các quyết định nhanh chóng chiến lược và kinh tế đối với việc bổ sung phù hợp hoặc nâng cấp thức ăn thô xanh. Hệ thống đánh giá hiện tại cho việc mô tả đặc điểm dinh dưỡng của thức ăn thô xanh và các thức ăn khác cho gia súc nhai lại đang trải qua những thay đổi rất quan trọng ở nhiều nơi trên thế giới, với trọng tâm là ước tính việc bổ sung dinh dưỡng cho gia súc hơn là ước tính các giá trị năng lượng và protein. Những tiếp cận này sẽ đòi hỏi các phương pháp tổ hợp hơn trong đánh giá và chúng sẽ áp dụng rộng rãi nếu chúng được dự đoán bởi kính quang phổ NIR.