Phân Tích Hàm Lượng Cà Phê và Caffeine Trong Cà Phê Rang Xay Bằng Phương Pháp UV-Vis

Chuyên khảo phân tích Phân tích hàm lượng cà phê và caffeine trong cà phê rang xay bằng phương pháp uv vis kết hợp phân, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên

• Tác giả: Phạm Võ Phương Duyên
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Ánh Mai
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh - Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Phân Tích
• Đề tài: Phân Tích Hàm Lượng Cà Phê Và Caffeine Trong Cà Phê Rang Xay Bằng Phương Pháp UV-Vis Kết Hợp Phân Tích Dữ Liệu Đa Biến
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• GIỚI THIỆU CHUNG
• A. DANH MỤC HÌNH ẢNH
• B. DANH MỤC BẢNG BIỂU
• C. TỔNG QUAN
• 1.1. Thành phần hóa học của cà phê
• 1.2. Các hợp chất tạo vị đắng – Caffeine và Trigonelline
• 1.3. Các hợp chất tạo vị béo – Lipid
• 1.4. Các hợp chất tạo vị ngọt – Carbohydrate và phản ứng Maillard
• 1.5. Các hợp chất tạo vị chua – Các acid hữu cơ
• 1.6. Phân loại cà phê
• 1.6.1. Phân biệt theo cảm quan
• 1.6.2. Phân biệt theo thành phần hóa học chính
• 1.7. Các phương pháp phân tích cà phê
• 1.7.1. Phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao HPLC-UV (theo TCVN 9723:2013)
• 1.7.2. Phương pháp sắc ký khí đầu dò ion hóa ngọn lửa GC-FID
• 1.7.3. Phương pháp NIR kết hợp với chemometrics
• 1.8. Giới thiệu phương pháp phân tích dữ liệu đa biến
• 1.8.1. Phương pháp thành phần chính PCA (Principal Component Analysis)
• 1.8.2. Phương pháp bình phương tối thiểu từng phần PLS (Projection to Latent Structures - Partial Least Square)
• 1.8.3. Các công cụ mô tả trong mô hình dữ liệu đa biến
• 1.9. Hiện trạng cà phê ở Việt Nam
• D. ỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT
• 2.1. Thiết bị, dụng cụ và phần mềm
• 2.2. Lấy mẫu, xử lí sơ bộ và bảo quản mẫu
• 2.3. Quy trình chiết mẫu
• 2.4. Quy trình chiết mẫu để đo trắc quang
• 2.5. Quy trình xử lý mẫu cho việc xác định caffeine phương pháp HPLC – UV
• 2.6. Quy trình thiết lập các mô hình PCA và PLS
• E. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
• 3.1. Mở rộng mô hình xác định hàm lượng cà phê bằng phương pháp trắc quang kết hợp với dữ liệu đa biến
• 3.2. Mô hình phân loại các mẫu đơn - mô hình thành phần chính PCA
• 3.3. Phương pháp định lượng - Mô hình bình phương tối thiểu từng phần PLS
• 3.4. Thiết lập mô hình xác định hàm lượng caffeine bằng phương pháp trắc quang kết hợp với dữ liệu đa biến
• 3.5. So sánh phương pháp chiết trong quy trình xác định hàm lượng caffeine bằng phương pháp HPLC-UV
• 3.6. Xác định hàm lượng caffeine bằng phương pháp HPLC-UV
• 3.7. Xây dựng mô hình PLS
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cà phê và vai trò của caffeine

Cà phê là một trong những thức uống phổ biến nhất trên thế giới, đặc biệt tại Việt Nam, nơi sản xuất cà phê lớn thứ hai toàn cầu. Cà phê không chỉ là một mặt hàng nông sản chủ lực mà còn đóng góp lớn vào nền kinh tế. Hai loại cà phê chính được trồng là cà phê Arabica và cà phê Robusta. Caffeine, một hợp chất quan trọng trong cà phê, không chỉ tạo ra vị đắng mà còn có nhiều tác động đến sức khỏe con người. Nghiên cứu về hàm lượng caffeine trong cà phê rang xay là cần thiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường.

1.1. Thành phần hóa học của cà phê

Cà phê chứa nhiều hợp chất hóa học như caffeine, trigonelline, và các hợp chất lipid, carbohydrate. Những hợp chất này không chỉ tạo nên hương vị đặc trưng mà còn ảnh hưởng đến chất lượng cà phê. Trong quá trình rang, các hợp chất này có thể thay đổi, dẫn đến sự hình thành các hương vị mới. Caffeine, mặc dù chỉ đóng góp một phần nhỏ vào vị đắng, vẫn là một yếu tố quan trọng trong việc xác định chất lượng cà phê.

II. Phương pháp phân tích hàm lượng caffeine

Phương pháp UV-Vis là một trong những kỹ thuật phổ biến để xác định hàm lượng caffeine trong cà phê rang xay. Phương pháp này cho phép đo lường nồng độ caffeine thông qua sự hấp thụ ánh sáng tại các bước sóng nhất định. Kết hợp với phân tích dữ liệu đa biến, phương pháp này có thể cung cấp thông tin chính xác về hàm lượng caffeine trong các mẫu cà phê khác nhau. Việc sử dụng phương pháp này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình phân tích.

2.1. Quy trình thực hiện phân tích

Quy trình phân tích bao gồm các bước như chiết xuất mẫu, đo lường bằng thiết bị UV-Vis và xử lý dữ liệu. Mẫu cà phê được chiết xuất bằng dung môi thích hợp, sau đó được đo lường để xác định nồng độ caffeine. Kết quả thu được sẽ được so sánh với các tiêu chuẩn đã được thiết lập để đảm bảo tính chính xác. Phương pháp này không chỉ áp dụng cho cà phê rang mà còn có thể được sử dụng cho các sản phẩm cà phê khác như cà phê hòa tan.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng caffeine trong các mẫu cà phê khác nhau có sự biến đổi đáng kể. Việc áp dụng phương pháp UV-Vis kết hợp với phân tích dữ liệu đa biến đã cho phép xác định chính xác hàm lượng caffeine trong các mẫu cà phê trộn lẫn. Điều này không chỉ giúp người tiêu dùng nhận biết được chất lượng cà phê mà còn hỗ trợ các nhà sản xuất trong việc cải thiện quy trình sản xuất. Sự phát triển của các phương pháp phân tích hiện đại như vậy là rất cần thiết trong bối cảnh thị trường cà phê ngày càng cạnh tranh.

3.1. Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin về hàm lượng caffeine mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phân tích chất lượng cà phê. Việc áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc kiểm tra chất lượng sản phẩm. Điều này có thể giúp bảo vệ người tiêu dùng khỏi các sản phẩm kém chất lượng và đồng thời thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành cà phê Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC BM. HÓA PHÂN TÍCH PHẠM VÕ PHƯƠNG DUYÊN PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG CÀ PHÊ VÀ CAFFEINE TRONG CÀ PHÊ RANG XAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP UV-VIS KẾT HỢP PHÂN TÍCH DỮ LIỆU ĐA BIẾN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC BM. HÓA PHÂN TÍCH PHẠM VÕ PHƯƠNG DUYÊN PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG CÀ PHÊ VÀ CAFFEINE TRONG CÀ PHÊ RANG XAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP UV-VIS KẾT HỢP PHÂN TÍCH DỮ LIỆU ĐA BIẾN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Nguyễn Ánh Mai HVCH.

Nguyễn Phúc Thịnh CN. Lê Văn Duy THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2019 LỜI CẢM ƠN Qua 4 năm học tập và rèn luyện tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên TPHCM, em gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô trong khoa Hóa học nói chung và bộ môn Hóa phân tích nói riêng về những kiến thức và kinh nghiệm mà thầy cô truyền đạt. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô PGS. Nguyễn Ánh Mai, một nhà giáo tận tụy, luôn hết lòng vì sinh viên.

Gửi lời cảm ơn đặc biệt đến chị Nguyễn Phúc Thịnh, anh Lê Văn Duy người trực tiếp hướng dẫn, cũng như giúp em giải quyết những thắc mắc và khó khăn trong quá trình làm đề tài và viết báo cáo. Cảm ơn thầy Nguyễn Hoàng Phú đã hỗ trợ em về mặt dụng cụ, hóa chất. Cảm ơn chị Nguyễn Thị Kim Hạnh người sáng lập công ty The Yellow Chair Specialty Coffee đã tư vấn cho em về kiến thức cà phê và cung cấp một số mẫu cà phê. Cảm ơn cô Hồ Thị Phước đã nhận lời phản biện và đưa ra những góp ý chân thành trong bài khóa luận của em.

Cảm ơn các bạn sinh viên chuyên ngành hóa phân tích, đã hỗ trợ mình trong quá trình thực hiện đề tài. Cuối cùng, con vô cùng biết ơn gia đình đã luôn quan tâm, động viên, là chỗ dựa tinh thần cững chắc để có điều kiện học tập một cách tốt nhất. Cảm ơn tất cả mọi người! Sinh viên Phạm Võ Phương Duyên GIỚI THIỆU CHUNG Cà phê là một trong những thức uống được tiêu dùng phổ biến nhất trên thế giới. Việt Nam là quốc gia xuất khẩu cà phê lớn thứ 2 thế giới sau Brazil, là thành viên trong Hiệp Hội Cà Phê Thế Giới (ICO).

Cà phê là mặt hàng nông sản chủ lực của Việt Nam, chỉ đứng thứ hai (sau mặt hàng gạo) về kim ngạch xuất khẩu. Chính vì thế ngành cà phê đã có một vai trò rất lớn trong nền kinh tế nước nhà. Theo lịch sử hình thành, cà phê được chia thành nhiều loại. Ngày nay, tính trên giá trị thương mại và điều kiện nuôi trồng, hai loại cà phê được trồng nhiều nhất là cà phê Arabica và cà phê Robusta.

Từ cây cà phê đến hạt cà phê rang trải qua nhiều giai đoạn và ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và thành phần hóa học của cà phê. Thị trường cà phê ở Việt Nam thường là Robusta vì đa phần người Việt Nam đều thích vị đắng của chúng, bên cạnh đó, giá thành của Robusta cũng thấp hơn Arabica (thường thấp hơn gấp hai lần). Tuy nhiên, thông thường để tăng hương vị đậm đà cho cà phê, hầu hết các nhà sản xuất cà phê rang thường cho thêm một số chất phụ gia vào trong quá trình rang. Việc thêm vào cà phê các chất phụ gia xuất phát từ nhu cầu thị trường tuy nhiên một số biến tướng của việc này xảy ra khi người sản xuất muốn hạ giá thành sản phẩm để tăng lợi nhuận.

Việc này làm xuất hiện tình trạng cà phê bẩn xuất hiện trên thị trường. Do đó nhu cầu tìm kiếm được giải pháp để phân biệt cà phê với các thành phần làm giả ra đời. Trong đề tài này, phương pháp phân tích trắc quang kết hợp với phân tích dữ liệu đa biến được thực hiện để xác định hàm lượng cà phê trong hỗn hợp trộn lẫn cà phê, bắp và đậu nành. Đồng thời phương pháp này còn sử dụng để xác định hàm lượng caffeine trong mẫu cà phê, hướng đến việc xác định nhanh hàm lượng caffeine trong mẫu thay thế cho phương pháp sắc ký lỏng truyền thống.

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH .A DANH MỤC BẢNG BIỂU. B DANH MỤC VIẾT TẮT. Thành phần hóa học của cà phê. Các hợp chất tạo vị đắng – Caffeine và Trigonelline.

Các hợp chất tạo vị béo – Lipid. Các hợp chất tạo vị ngọt – Carbohydrate và phản ứng Maillard. Các hợp chất tạo vị chua – Các acid hữu cơ. Phân loại cà phê.

Phân biệt theo cảm quan. Phân biệt theo thành phần hóa học chính. Các phương pháp phân tích cà phê. Phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao HPLC-UV (theo TCVN 9723:2013)12.

Phương pháp sắc ký khí đầu dò ion hóa ngọn lửa GC-FID13. Phương pháp NIR kết hợp với chemometrics11. Giới thiệu phương pháp phân tích dữ liệu đa biến .Phương pháp thành phần chính PCA (Principal Component Analysis). Phương pháp bình phương tối thiểu từng phần PLS (Projection to Latent Structures - Partial Least Square).

Các công cụ mô tả trong mô hình dữ liệu đa biến. Hiện trạng cà phê ở Việt Nam. Dụng cụ và hóa chất. Thiết bị, dụng cụ và phần mềm.

Lấy mẫu, xử lí sơ bộ và bảo quản mẫu. Quy trình chiết mẫu .Quy trình chiết mẫu để đo trắc quang .Quy trình xử lý mẫu cho việc xác định caffeine phương pháp HPLC – UV. Quy trình thiết lập các mô hình PCA và PLS. 20 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN.

Mở rộng mô hình xác định hàm lượng cà phê bằng phương pháp trắc quang kết hợp với dữ liệu đa biến .Mô hình phân loại các mẫu đơn - mô hình thành phần chính PCA .Phương pháp định lượng - Mô hình bình phương tối thiểu từng phần PLS. Thiết lập mô hình xác định hàm lượng caffeine bằng phương pháp trắc quang kết hợp với dữ liệu đa biến .So sánh phương pháp chiết trong quy trình xác định hàm lượng caffeine bằng phương pháp HPLC-UV.Xác định hàm lượng caffeine bằng phương pháp HPLC-UV .Xây dựng mô hình PLS. 34 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 40 Hướng phát triển.

D TÀI LIỆU THAM KHẢO. E ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Công thức cấu tạo của caffeine. Công thức cấu tạo của trigonelline (trái) and nicotinic acid (phải).

Công thức cấu tạo của triacylglycerol. Sự hình thành các phân tử Melanoidin trong quá trình rang8. Phản ứng phân hủy CGA trong quá trình rang. Phản ứng hình thành Chlorogenic lactone từ CGA.

Hình dạng hạt Arabica và Robusta. Quy trình phân tích caffeine bằng phương pháp HPLC-UV. Ba loại vấn đề phân tích dữ liệu khác nhau có thể được giải quyết bằng MVDA. Mô phỏng phương pháp chiếu trong mô hình PCA.

Mô phỏng cân bằng trung điểm. Hai giai đoạn của mô hình PLS. Sự đánh đổi giữa năng lực giải thích R2 và năng lực dự đoán Q2. Mô phỏng hiện tượng Overfitting.

Quy trình thiết kế mô hình MVDA. Quy trình xử lý mẫu bằng phương pháp trắc quang. Chương trình gradient dung môi. Quy trình xử lý mẫu theo TCVN 9723:2013.

Biểu đồ “Score” và “Loading” trong mô hình PCA được chồng lên nhau. Phân bố của các phổ hấp thu của mẫu cà phê. Phổ hấp thu của các mẫu bắp và đậu nành. Sự phân bố phổ hấp thu của các mẫu cà phê được chọn.

Đồ thị Hotelling’s T2Range. Biểu đồ “Overview” của mô hình. Đồ thị phân phối chuẩn (µ,σ)15. Sắc ký đồ mẫu cà phê được chiết theo 2 phương pháp.

Đường chuẩn caffeine được xây dựng từ phương pháp HPLC – UV. Giá trị VIP theo số sóng. Đồ thị Hotelling’s T2Range. Phổ hấp thu của các điểm mẫu cùng tính chất với "19R" và "31R".

Biều đồ “Overview” của mô hình xác định hàm lượng caffeine. 36 A DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Thành phần hóa học của hạt cà phê Arabica và Robusta xanh2. Thành phần caffeine và chlorogenic acid trong hạt cà phê rang10.

Một số công cụ mô tả cho mô hình MVDA. Thông số thiết bị UV-VIS hai chùm tia. Các điều kiện tối ưu của quy trình chiết mẫu cà phê. So sánh phân phối xác xuất của tổng phổ cà phê và phân phối chuẩn.

Bảng giá trị RMSEE và RMSEP của mô hình. So sánh giá trị RMSEE và RMSEP của hai mô hình. Kết quả dự đoán hàm lượng cà phê của bộ kiểm tra. Kết quả mô hình tính hàm lượng cà phê của các mẫu thị trường.

Hàm lượng phần trăm caffeine theo 2 phương pháp chiết. Khả năng dự đoán của 2 mô hình. R2Y và Q2 của các mô hình. Bộ kiểm tra của mô hình xác định hàm lượng caffeine.

Kết quả kiểm tra mẫu thi trường của mô hình xác định hàm lượng caffeine 38 B DANH MỤC VIẾT TẮT Kí hiệu Tên đầy đủ Ý nghĩa CGA, CAF Chlorogenic acid, Caffeine Các hợp chất có trong cà phê Distance to the Model in X Khoảng cách đến mô hình trong DmodX space không gian tọa độ các biến X. MVDA Multivariate Data Analysis Phân tích dữ liệu đa biến NIR Near Infrared Spectrometer Phổ hồng ngoại trường gần PC Principal Component Biến ngầm (Latent Variable) PCA Principal Component Analysis Phân tích thành phần chính Projections to Latent Structures Phân tích hồi quy tuyến tính từng PLS (Partial Least Square) phần Pred Prediction Giá trị dự đoán Root Mean Square Error of Căn bình phương trung bình sai số RMSEE Estimation ước tính RSD Relative Standard Deviation Độ lệch chuẩn tương đối Root Mean Square Error of Căn bình phương trung bình sai số RMSEP Prediction dự đoán Var Variable Giá trị thiết kế Variable Influence of Thông số biến ảnh hưởng đến mô VIP Projections hình C TỔNG QUAN 1. Thành phần hóa học của cà phê Cà phê chứa nhiều các hợp chất hóa học giúp tạo nên hương vị đặc trưng. Các hợp chất này có sự thay đổi lớn trong suốt quá trình rang.

Hạt cà phê tươi không chứa các hợp chất tạo hương nhưng chứa các tiền chất (saccarose, chlorogenic acid, protein, carbohydrate) đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành hương cà phê. Thành phần hóa học của hạt cà phê Arabica và Robusta xanh2 Hàm lượng* (g/100 g) Thành phần Cà phê Arabica Cà phê Robusta Carbohydrate/chất xơ Saccarose 6.0 Các hợp chất chứa Nitơ Protein/peptides 10.0 Amino acid tự do 0.8 Khoáng chất 3.5 Acid và ester Chlorogenic acid 4.4 (*)Hàm lượng thay đổi tuỳ theo giống cây trồng, cách thức canh tác, khí hậu, thành phần đất và phương pháp phân tích.