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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA HĨA HỌC
BM. HĨA 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

KHĨA 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 HĨA HỌC
BM. HĨA 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

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
GVHD: PGS.TS. 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 mơn 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.TS. Nguyễn Ánh Mai, một nhà giáo
tận tụy, ln hết lịng 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 q 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 chun ngành hóa phân tích, đã hỗ trợ mình trong quá
trình thực hiện đề tài.
Cuối cùng, con vơ cùng biết ơn gia đình đã ln 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 trị 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

C

TỔNG QUAN

1

1.

2.

3.

Thành phần hóa học của cà phê

1

1.1. Các hợp chất tạo vị đắng – Caffeine và Trigonelline

1

1.2. Các hợp chất tạo vị béo – Lipid

2

1.3. Các hợp chất tạo vị ngọt – Carbohydrate và phản ứng Maillard

3

1.4. Các hợp chất tạo vị chua – Các acid hữu cơ

4

Phân loại cà phê

5

2.1. Phân biệt theo cảm quan

5

2.2. Phân biệt theo thành phần hóa học chính

6

Các phương pháp phân tích cà phê

6

3.1. Phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao HPLC-UV (theo TCVN 9723:2013)12
.................................................................................................................................6

4.

3.2. Phương pháp sắc ký khí đầu dị ion hóa ngọn lửa GC-FID13

7

3.3. Phương pháp NIR kết hợp với chemometrics11

7

Giới thiệu phương pháp phân tích dữ liệu đa biến
4.1.Phương pháp thành phần chính PCA (Principal Component Analysis)

8
9

4.2. Phương pháp bình phương tối thiểu từng phần PLS (Projection to Latent

5.

Structures - Partial Least Square)

11

4.3. Các công cụ mô tả trong mơ hình dữ liệu đa biến.

12

Hiện trạng cà phê ở Việt Nam

THỰC NGHIỆM
1. Dụng cụ và hóa chất

15
17
17


1.1. Thiết bị, dụng cụ và phần mềm

17
i

2.

1.2. Hóa chất

17

1.3. Lấy mẫu, xử lí sơ bộ và bảo quản mẫu

17

Quy trình chiết mẫu
2.1.Quy trình chiết mẫu để đo trắc quang

18
18

2.2.Quy trình xử lý mẫu cho việc xác định caffeine phương pháp HPLC – UV 19
3.

Quy trình thiết lập các mơ hình PCA và PLS

KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
1.

22

Mở rộng mơ hình xác định hàm lượng cà phê bằng phương pháp trắc quang

kết hợp với dữ liệu đa biến

2.

20

22

1.1. Mơ hình phân loại các mẫu đơn - mơ hình thành phần chính PCA

22

1.2. Phương pháp định lượng - Mơ hình bình phương tối thiểu từng phần PLS

24

Thiết lập mơ hình xác định hàm lượng caffeine bằng phương pháp trắc

quang kết hợp với dữ liệu đa biến

32

2.1. So sánh phương pháp chiết trong quy trình xác định hàm lượng caffeine bằng

phương pháp HPLC-UV

32

2.2. Xác định hàm lượng caffeine bằng phương pháp HPLC-UV

33

2.3. Xây dựng mơ hình PLS

34

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

40

Kết luận

40

Hướng phát triển

40

PHỤ LỤC

D

TÀI LIỆU THAM KHẢO

E


ii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Cơng thức cấu tạo của caffeine
2
Hình 2. Cơng thức cấu tạo của trigonelline (trái) and nicotinic acid (phải)
2
Hình 3. Cơng thức cấu tạo của triacylglycerol
3
8
Hình 4. Sự hình thành các phân tử Melanoidin trong quá trình rang
4
Hình 5. Phản ứng phân hủy CGA trong quá trình rang
5
Hình 6. Phản ứng hình thành Chlorogenic lactone từ CGA
5
Hình 7. Hình dạng hạt Arabica và Robusta
5
Hình 8. Quy trình phân tích caffeine bằng phương pháp HPLC-UV
7
Hình 9. Ba loại vấn đề phân tích dữ liệu khác nhau có thể được giải quyết bằng MVDA 9
Hình 10. Mơ phỏng phương pháp chiếu trong mơ hình PCA
10
Hình 11. Mơ phỏng cân bằng trung điểm

10
Hình 12. Hai giai đoạn của mơ hình PLS
12
2
2
Hình 13. Sự đánh đổi giữa năng lực giải thích R và năng lực dự đốn Q
12
Hình 14. Mơ phỏng hiện tượng Overfitting
12
Hình 15. Quy trình thiết kế mơ hình MVDA
15
Hình 16. Quy trình xử lý mẫu bằng phương pháp trắc quang
18
Hình 17. Chương trình gradient dung mơi
20
Hình 18. Quy trình xử lý mẫu theo TCVN 9723:2013
20
Hình 19. Biểu đồ “Score” và “Loading” trong mơ hình PCA được chồng lên nhau 22
Hình 20. Phân bố của các phổ hấp thu của mẫu cà phê
23
Hình 21. Phổ hấp thu của các mẫu bắp và đậu nành
24
Hình 22. Sự phân bố phổ hấp thu của các mẫu cà phê được chọn
25
Hình 23. Đồ thị Hotelling’s T2Range
26
Hình 24. Đồ thị DModX
26
Hình 25. Biểu đồ “Overview” của mơ hình
27

15
Hình 26. Đồ thị phân phối chuẩn (µ,σ)
29
Hình 27. Sắc ký đồ mẫu cà phê được chiết theo 2 phương pháp
32
Hình 28. Đường chuẩn caffeine được xây dựng từ phương pháp HPLC – UV
34
Hình 29. Giá trị VIP theo số sóng
34
Hình 30. Đồ thị Hotelling’s T2Range
35
Hình 31. Phổ hấp thu của các điểm mẫu cùng tính chất với "19R" và "31R"
36
Hình 32. Biều đồ “Overview” của mơ 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 xanh 2

1

Bảng 2. Thành phần caffeine và chlorogenic acid trong hạt cà phê rang 10

6

Bảng 3. Một số công cụ mô tả cho mô hình MVDA

13

Bảng 4. Thơng số thiết bị UV-VIS hai chùm tia

18

Bảng 5. Các điều kiện tối ưu của quy trình chiết mẫu cà phê

19

Bảng 6. So sánh phân phối xác xuất của tổng phổ cà phê và phân phối chuẩn

23

Bảng 7. Bảng giá trị RMSEE và RMSEP của mơ hình

27

Bảng 8. So sánh giá trị RMSEE và RMSEP của hai mơ hình

28

Bảng 9. Kết quả dự đốn hàm lượng cà phê của bộ kiểm tra

29

Bảng 10. Kết quả mơ hình tính hàm lượng cà phê của các mẫu thị trường

31

Bảng 11. Hàm lượng phần trăm caffeine theo 2 phương pháp chiết

33

Bảng 12. Khả năng dự đốn của 2 mơ hình

35

Bảng 13. R2Y và Q2 của các mơ hình

36

Bảng 14. Bộ kiểm tra của mơ hình xác định hàm lượng caffeine

37

Bảng 15. Kết quả kiểm tra mẫu thi trường của mô hình xác định hàm lượng caffeine38


B


DANH MỤC VIẾT TẮT
Kí hiệu
CGA,
CAF

Tên đầy đủ

Ý

nghĩa

Chlorogenic acid, Caffeine

Các hợp chất có trong cà phê

Distance to the Model in X

Khoảng cách đến mơ hình trong

space

khơng gian tọa độ các biến X.

MVDA

Multivariate Data Analysis

Phân tích dữ liệu đa biến

N
IR
P
C
PCA

Near Infrared Spectrometer

Phổ hồng ngoại trường gần

Principal Component

Biến ngầm (Latent Variable)

Principal Component Analysis

Phân tích thành phần chính

Projections to Latent
Structures

Phân tích hồi quy tuyến tính từng

DmodX

P
L
S
Pred
RMSEE
RSD
RMSEP
V
ar
V
IP

phần

(Partial Least Square)

Prediction

Giá trị dự đốn

Root Mean Square Error of

Căn bình phương trung bình sai
số

Estimation
Relative Standard Deviation
Root Mean Square Error of
Prediction

ước tính
Độ lệch chuẩn tương đối
Căn bình phương trung bình sai
số

Variable

dự đốn
Giá trị thiết kế

Variable Influence of

Thơng số biến ảnh hưởng đến mơ

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 trị quan trọng trong việc hình thành hương cà phê. 1
Bảng 1. Thành phần hóa học của hạt cà phê Arabica và Robusta xanh2
Thành phần

Hàm lượng* (g/100 g)
Cà phê
Arabica

Cà phê
Robusta

Saccarose

6.0-9.0

0.9-4.0

Đường khử

0.1

0.4

34-44

48-55

Lignin

3.0

3.0

Pectin

2.0

2.0

Protein/peptides

10.0-11.0

11.0-15.0

Amino acid tự do

0.5

0.8-1.0

Caffeine

0.9-1.3

1.5-2.5

Trigonelline

0.6-2.0

0.6-0.7

15.0-17.0

7.0-10.0

0.5-1.2

0.2-0.8

3.0-4.2

4.4-4.5

4.1-7.9

6.1-11.3

Aliphatic acid

1.0

1.0

Quinic acid

0.1

0.4

Carbohydrate/chất xơ

Polysaccharides

Các hợp chất chứa Nitơ

Lipid
Dầu (triglycerides, sterol,
tocopherol)
Diterpene (tự do và dạng ester)
Khoáng chất
Acid và ester
Chlorogenic acid

(*)Hàm lượng thay đổi tuỳ theo giống cây trồng, cách thức canh tác, khí hậu, thành phần đất và phương pháp
phân tích.

1.1. Các hợp chất tạo vị đắng – Caffeine và Trigonelline
Caffeine (cịn được gọi là methylxanthine),

là hợp chất thuộc nhóm alkaloid


(Hình 1). Caffeine được biết là hợp chất tạo nên vị đắng cho cà phê, nhưng thực chất
1


sự đóng góp của caffeine vào vị đắng của cà phê khơng nhiều (thấp hơn 10 %) 3. Caffeine
có nhiệt độ thăng hoa là 178 °C, nhiệt độ nóng chảy là 238 °C do đó q trình rang có thể
làm mất đi một lượng nhỏ caffeine.4
O

CH3

N

N

CH3
N
O

H
C

Hình 1. Cơng thức cấu tạo của caffeine

Trigonelline là một hợp chất thuộc nhóm alkaloid có đóng góp lớn hơn vào vị đắng
của cà phê. Trong quá trình rang, trigonelline phân hủy một phần tạo thành pyridine và
nicotinic acid (còn được gọi là vitamin B) 5 (Hình 2). Hàm lượng nicotinic acid tạo thành
trong cà phê phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ rang và phần trăm phân hủy của
trigonelline.6
O

OH
N
O-

O

N+
Hình 2. Cơng thức cấu tạo của trigonelline (trái) and nicotinic acid (phải)

1.2. Các hợp chất tạo vị béo – Lipid
Các hợp chất lipid tạo nên vị béo cho cà phê, bao gồm các thành phần chính là:
triacylglycerol (chiếm phần lớn, ~ 75%), acid béo tự do, sterol, tocopherol và diterpene
(gồm kaweol và cafestol).7
Trong quá trình rang, triacylglycerol không thay đổi, tạo thành chất mang giữ lấy các
hợp chất vòng thơm dễ bay hơi trong cà phê.3 (Hình 3)


2

O
H2C

O

C
O

R

HC

O

C
O

R

H2C

O

C

R

Hình 3. Cơng thức cấu tạo của triacylglycerol

1.3. Các hợp chất tạo vị ngọt – Carbohydrate và phản ứng Maillard

Carbohydrate là thành phần chính trong cà phê (chiếm ít nhất 50% khối lượng cà
phê). Carbohydrate góp phần tạo nên mùi hương cho cà phê sau khi trải qua những thay
đổi phức tạp (phản ứng với các acid amin, tức là phản ứng Maillard) trong quá trình rang. 8
Các phân tử đường khử tương tác với các sulfur amino acid, cystine, cysteine và
methionine trong phân tử protein hình thành phản ứng Maillard tạo thành sản phẩm ở
dạng đại phân tử polymer, màu nâu đặc trưng của cà phê - melanoidin.8


3


Hình 4. Sự hình thành các phân tử Melanoidin trong quá trình rang8

1.4. Các hợp chất tạo vị chua – Các acid hữu cơ
Chlorogenic acid (CGA) bao gồm một nhóm các hợp chất phenolic, là các ester hòa
tan trong nước giữa trans-cinnamic acid (như cafeic, ferulic và p-coumaric) và (-) quinic
acid.7
Ngồi bản chất acid đóng góp vị chua cho cà phê, CGA cịn tham gia vào hình thành
q trình tạo hợp chất có vị đắng cho cà phê. Trong quá trình rang, một phần CGA bị
phân hủy và chuyển thành cafeic acid và quinic acid, cấu trúc quinic acid chuyển vị hình
thành chlorogenic lactone (quinine) là sản phẩm gây ra vị đắng chủ yếu của cà phê. Một
phần quinine tham gia vào phản ứng Maillard.8


4


Hình 5. Phản ứng phân hủy CGA trong quá trình rang

Hình 6. Phản ứng hình thành Chlorogenic lactone từ CGA

2.

Phân loại cà phê
Cà phê chủ yếu được phân loại thành 2 dòng đặc trưng là Arabica và Robusta. Sự

khác biệt giữa Arabica và Robusta là do thành phần hóa học của chúng. Các hợp chất tạo
hương thơm chính trong Arabica là 3-mercapto-3-methylbutylformate, sotolon, abhexon,
2-methyl-3-furanthiol,

3-mercapto-3-furanthiol,

phenylacetaldehyde,

2-/3-

methylbutanoic acid và linalool, tạo cho loại cà phê này có mùi caramel và vị ngọt dịu.
Đối với Robusta, các hợp chất tạo hương chiếm ưu thế là 2,3-diethyl-5- methylpyrazine,
4-ethylguaiacol, 3-methyl-2-buten-1-thiol có mùi hơi cay và mùi đất.9
2.1. Phân biệt theo cảm quan

Hình 7. Hình dạng hạt Arabica và Robusta


5


Về hình dạng, hạt cà phê Arabica có hình dang bầu dục, rãnh sâu, rãnh có hình chữ S
trong khi đó hạt cà phê Robusta có hình hơi trịn, khơng dài, rãnh thẳng.
Về vị giác, vị của Arabica hơi chua, đây cũng được xem như một đặc điểm cảm quan

của loại cà phê này. Vị của Robusta nằm trong khoảng từ trung tính cho đến đắng gắt.
Về tính chất sau khi rang, Robusta nở nhiều hơn, tính chất nguyên hạt của Robusta
mềm hơn. Arabica cứng hơn Robusta sau khi rang, độ nở kém hơn.
2.2. Phân biệt theo thành phần hóa học chính
Một trong các chỉ tiêu phổ biến nhất để phân biệt hai giống Arabica và Robusta là
caffeine và chlorogenic acid. Arabica thường có ít caffeine và chlorogenic acid hơn
Robusta.
Bảng 2. Thành phần caffeine và chlorogenic acid trong hạt cà phê rang10

Thành phần %
Caffeine

Chlorogenic acid

3.

Arabica
1
.
2
5.5 – 8.0

Robusta
2
.
2
7.0 – 10.0

Các phương pháp phân tích cà phê
Hiện nay việc đánh giá cà phê rang xay tại Việt Nam chủ yếu dựa trên hàm lượng

caffeine, có thể được thực hiện bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao với đầu dò
UV (HPLC-UV) hoặc sắc ký khí bằng đầu dị ion hóa ngọn lửa (GC-FID). Ngoài ra, phép
đo phổ NIR kết hợp với chemometrics có thể trực tiếp xác định bán định lượng cà phê ở
dạng bột mà không cần xử lý mẫu.11
3.1. Phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao HPLC-UV (theo TCVN 9723:2013)12
Đối tượng áp dụng: cà phê nhân; cà phê rang; cà phê hịa tan, loại thơng thường và
loại đã tách caffeine; các sản phẩm cà phê hòa tan hỗn hợp (ví dụ: hỗn hợp cà phê/chicory
(rễ rau diếp xoăn) hoặc đồ uống từ cà phê kiểu capuccino).
Nguyên tắc: dựa trên hàm lượng caffeine để xác định hàm lượng cà phê trong hỗn
hợp.


6