Ứng dụng kỹ thuật GC o (gas chromatography olfactometry trong phân tích thực phẩm

MỞ ĐẦU
Thực phẩm là một phần tất yếu trong cuộc sống của con người nên yếu tố cảm
quan đóng vai trò quan trọng. Xã hội phát triển khiến nhu cầu biến đổi từ “ăn no,
mặc ấm” sang “ăn ngon, mặc đẹp”. Vậy thế nào là ăn ngon, đó là phải đảm bảo có
hình dạng, mầu sắc đẹp, mùi vị hấp dẫn đăc trưng cho sản phẩm. Vì vậy, mùi đóng
vai trò to lớn tạo nên chất lượng cho sản phẩm thực phẩm.
Tuy nhiên việc nghiên cứu về mùi gặp rất nhiều khó khăn. Phương pháp nghiên
cứu được dùng phổ biến là phân tích cảm quan, nhưng chỉ đưa ra được những
miêu tả về mùi của sản phẩm chứ không đưa ra được mùi của từng thành phần
trong sản phẩm. Rất nhiều sản phẩm có mùi không tốt nhưng ta không thể xác
định được nguyên nhân.
Hệ thống GC-O. Hệ thống đưa ra miêu tả mùi cho từng cấu tử trong sản phẩm,
đồng thời định tính định lượng được chính xác thành phần hóa học tạo ra mùi


GC-O (Gas Chromatography Olfactometry)
1. Lịch sử GCO
Năm 1952, máy sắc kí khí GC đầu tiên được ra đời dưới sự chủ trì của giáo
sư Keulemann, và các cộng tác viên. Không lâu sau đó, các nhà hoá học đã quan
tâm đến việc nghiên cứu mối tương quan giữa mùi và những thông số định tính và
định lượng của các thành phần trong sản phẩm bằng việc sử dụng GC. Năm 1964
Fuller, Steltenkamp, và Tisserand đã thông báo những miêu tả đầu tiên của hệ
thống GC đã được thay đổi cho mục đích này. Năm 1972 phiên bản GC-O (Gas
chromatography-Olfaction) đầu tiên đã được ra đời với một thiết bị tạo không khí
ẩm giúp tăng khả năng cảm nhận mùi.
Trong hơn 40 năm qua, phương pháp GCO ngày càng hoàn thiện và đóng
góp quan trong vào việc tạo ra mối liên kết giữa các số liệu hoá học của sản phẩm
với người tiêu dung.
Thiết bị GCO đã có mặt trong rất nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu về
mùi vị trên thế giới đặc biệt ở Mĩ, Pháp, Nhật.....Một trong những kết quả tiêu biểu
thu nhận được nhờ sử dụng GCO là Flavornet. Đây là một cơ sở dữ liệu được biên

soạn bởi Terry Acree & Heinrich Arn trường đai học Cornell, Geneva, NY 14456,
Mĩ , bao gồm hơn 500 thành phần mùi hoạt tính, rất hữu ích trong lĩnh vực nghiên
cứu về mùi .
Ngoài ra, cũng cần phải nói đến rất nhiều các nghiên cứu khoa học về tinh
dầu, rươu vang, sữa… đã được tiến hành cùng với GCO ví dụ như:
Năm 2002, PGS.Tiến sĩ. Nguyễn Thị Minh Tú cùng với các đồng nghiệp tại
trường đại học Kochi, Nhật Bản đã có nghiên cứu về thành phần mùi đặc trưng
của của tinh dầu lấy từ vỏ của một loại chanh của vùng Tanaka (Mochiyu), Nhật
Bản theo phương pháp ép lạnh bằng việc sử dụng GCO. Năm 2003, PA Clausen
và các đồng nghiệp đã sử dụng GCO để xác định mùi phát ra từ các sản phẩn chứa
tinh dầu lanh tại Indoor Environment Group, Copenhagen, Đan Mạch…. Hay vừa


mới đây nhất, năm 2007 Beata Plutowska và Waldemar Wardencki thuộc
Technical University của Gdan´sk, Hà Lan đã có nghiên cứu đăng trên trang:
www.sciencedirect.com của tạp chí sinh học và công nghệ Science Direct về việc
áp dụng GCO trong phân tích và đánh giá chất lượng của nước uống có ga .Cũng
trong năm này, David Obenland, Sue Collin, James Sievert, Kent Fjeld,
JulieDoctor , Mary LuArpaia của trung tâm SanJoaquinValley Agricultural
Sciences Center, KearneyAgricultural Center, SunkistGrowers, Mĩ đã cùng tiến
hành nghiên cứu sự thay đổi của mùi thơm và sự mất mát hương vị do việc bao
gói và bảo quản của cam .
Ở Việt Nam, phương pháp này còn khá mới mẻ. Đặc biệt, chúng ta chưa có
một thiết bị phân tích GCO dùng cho phương pháp phân tích này .
2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động GC-O.
Phân tích bằng phương pháp GCO là một kĩ thuật phân tích được tổng hợp từ hai
cách thức phân tích khác nhau: đó là phân tích sắc kí khí dùng để phân tách những
thành phần bay hơi của một hỗn hợp và phân tích cảm quan bằng cách sử dụng cơ
quan cảm giác thính giác để ngửi những thành phần bay hơi được tách ra nhờ sự
phân tách sắc kí trên.

2.1. Sắc kí khí (GC)
Sắc kí là một họ các kĩ thuật hóa học phân tích dùng để tách các chất trong một
hỗn hợp. Nó bao gồm việc cho mẫu chứa chất cần phân tích trong "pha động", di
chuyển qua "pha tĩnh." Pha tĩnh trì hoãn sự di chuyển của các thành phần trong
mẫu. Khi các thành phần này di chuyển qua hệ thống với tốc độ khác nhau, chúng
sẽ được tách khỏi nhau theo thời gian. Một cách lí tưởng, mỗi thành phần đi qua
hệ thống trong một khoảng thời gian riêng biệt, gọi là "thời gian lưu ".
Sắc kí khí là một trong các kĩ thuật sắc kí trong đó hỗn hợp phân tích được chuyên
chở trong chất khí và các thành phần của nó được tách ra do sự phân bố khác nhau
của các chất tan khi chúng chảy qua pha tĩnh.


Sắc kí khí là một trong những phương pháp tách các chất trong một hỗn hợp được
sử dụng nhiều nhất. Nó giúp phân tích nhanh và đạt hiệu quả cao về mặt phân
tách. Nó cho phép xác định một cách định tính và định lượng các thành phần trong
hỗn hợp khí phức tạp hoặc của hỗn hợp có thể hoá hơi nhưng không bị phân huỷ.
Dựa trên sự khác nhau về ái lực giữa pha tĩnh và pha động được thể hiển trong hai
quá trình hấp thụ và giải hấp thụ xảy ra liên tục giữa hai pha: pha động (là khí:
heli, nitơ, hydro, argon) và pha tĩnh (thường là rắn hoặc lỏng). Sự định tính dựa
trên thời gian lưu và định lượng dựa vào chiều cao của pic hoặc diện tích pic. Khi
pha động chứa một phần tử chất cần phân tích A được cho chảy qua cột chứa pha
tĩnh thì chất cần phân tích sẽ được phân bố giữa hai pha Kd như sau:
Kd =

[ A] t = [ A] s
[ A] d [ A] m

Trong đó [A]s là nồng độ chất A trong pha tĩnh tại thời điểm này trong cột và [A] m
là nồng độ chất A trong pha động.
A chỉ có thể chuyển trong cột khi nó ở pha động. Nói cách khác, nếu Kd rất lớn thì

chất A sẽ chủ yếu ở pha tĩnh và sẽ bị giải hấp rất chậm. Muốn biết một chất cần
phân tích sẽ được giải hấp nhanh chậm ra sao, ta cần biết tỷ lệ thời gian mà nó sẽ ở
pha động.
Nguyên tắc hoạt động của máy sắc ký khí GC
Sơ đồ thu gọn của thiết bị sắc ký khí được mô tả theo hình:


Hai bộ phận quan trọng nhất của thiết bị sắc ký khí là hệ thống cột tách và đêtêctơ.
Nhờ có khí mang chứa trong bơm khí, mẫu từ buồng bay hơi được dẫn vào cột
tách trong buồng điều nhiệt. Quá trình sắc ký xảy ra tại đây. Sau khi rời khỏi cột
tách tại các thời điểm khác nhau, các cấu tử lần lượt đi vào đêtêctơ, tại đó chúng
chuyển thành tín hiệu điện. Tín hiệu này được khuyếch đại rồi chuyển sang bộ ghi,
tích phân kế hoặc máy vi tính. Các tín hiệu được xử lý ở đó rồi chuyển sang bộ
phận in và lưu kết quả. Trên sắc đồ nhận được, sẽ có các tín hiệu ứng với các cấu
tử được tách gọi là pic. Thời gian lưu của pic là đại lượng đặc trưng (định tính)
cho chất cần tách. Còn diện tích của pic là thước đo định lượng cho từng chất
trong hỗn hợp cần nghiên cứu.
Cấu tạo của máy sắc kí khí
Nguồn cung cấp khí mang
Khí mang phải không được tương tác với mẫu và chỉ mang mẫu đi qua cột. Nói
cách khác hệ số phân bố phải không phụ thuộc vào bản chất của khí mang mà chỉ
phụ thuộc vào bản chất của pha tĩnh. Nhiều khí đã được sử dụng trong GC gồm:
heli, nitơ, hydro, argon hay không khí và oxy. Heli là khí mang phổ biến nhất, đặc
biệt ở Mỹ, nơi mà heli không quá đắt. Heli là khí trơ hóa học rất thích hợp cho sắc
kí khí nhiệt độ cao. Khí hydro thương mại thường đạt đủ tiêu chuẩn cho sắc kí.


Tuy nhiên, hydro có thể phản ứng với chất phân tich và có vấn đề nghiêm trọng về
an toàn. Argon cũng như các khí trơ khác, Argon trên cơ sở không có hoạt tính
hóa học được dùng cho sắc kí khí ở nhiệt độ cao. Khí argon ngày càng được sử

dụng nhiều làm khí mang. Khí nitơ do không nguy hiểm, giá rẻ và dễ dàng làm
tinh khiết nên nitơ được sử dụng rất nhiều trong sắc kí khí. Không khí và oxy: độ
tinh khiết của oxy thương mại cũng đạt yêu cầu cho sắc kí khí, nhưng cần phải sấy
khô vì rất dễ lẫn nước trong bom đựng khí.
Khi lựa chọn khí mang cần để ý đến detector sử dụng, độ tinh khiết của khí
mang và yêu cầu tách, sử dụng phối hợp với các phương thức khác. Với detector
độ dẫn (TCD) cũng như detector dây đốt nóng và detector dẫn nhiệt cần phải sử
dụng khí mang có độ dẫn cao như hydro, heli. Detector ion hoá ngọn lửa (FID) có
thể vận hành với tất cả các khí vô cơ làm khí mang trừ ôxi. Detector cộng kết điện
tử (ECD) có thể vận hành với tất cả các khí mang khác nhau, khi làm việc theo
kiểu dòng một chiều có thể dùng nitơ, vận hành theo kiểu xung có thể dùng argon
bổ sung 5% metan sẽ cho kết quả tốt hơn.
Với mỗi bộ phận cung cấp khí mang cần có hệ thống điều khiển áp suất hoặc tốc
độ dòng khí mang, điều khiển bằng cơ hoặc điện tử.
Buồng bơm mẫu
Trước khi vào cột tách thông thường mẫu được đi vào buồng bay hơi rồi dùng
dòng khí mang đưa vào cột. Tuy mẫu được mang qua cột dưới dạng pha khí nhưng
mẫu thực cần phân tích có thể là khí lỏng hoặc rắn yêu cầu duy nhất là mẫu phải
có đủ áp suất hơi để có thể được làm bay hơi trong phòng mẫu, nhiệt độ của phòng
mẫu có thể cao hơn nhiệt độ của cột để quá trình làm bay hơi được thực hiện dễ
dàng.
Mẫu có thể được đưa vào cột theo các hình thức:
-

Gián tiếp và chia dòng

-

Gián tiếp và không chia dòng

-

Trực tiếp

Lò (buồng điều nhiệt)
Là nơi đặt hệ thống cột tách, có vai trò điều chỉnh, ổn định nhiệt độ, áp suất cột
tách sao cho phù hợp với chế độ nhiệt của mỗi mẫu cần phân tích. Có hệ thống đốt
nóng, quạt điều nhiệt, và lớp bao bông thuỷ tinh để giữ nhiệt.

Buồng điều nhiệt
Hệ thống cột tách
Trong thực tế có nhiều dạng cột tách nhằm thoả mãn các mục đích nghiên cứu
khác nhau. Nói chung, cột tách sắc ký cần đạt các yêu cầu sau đây:
-

Đảm bảo trao đổi chất tốt giữa pha động và pha tĩnh, nhờ việc tối ưu


hóa các thông số của phương trình vandemter
-

Độ thấm cao, tức là độ giảm áp suất nhỏ với một tốc độ khí mang nhất
định

-

Khả năng tải trọng của cột tách, khả năng hoà tan của cấu tử trong pha
tĩnh được chọn (chính là hệ số phân bố của cấu tử đó trong pha tĩnh đã
cho). Hình dạng của đường phân bố đẳng nhiệt (trong trường hợp lý

tưởng là đường thẳng qua gốc toạ độ) cũng đóng vai trò quan trọng đến
khả năng tải trọng

-

Phải có khoảng nhiệt độ sử dụng lớn, làm việc được ở nhiệt độ cao

Người ta chia ra làm hai loại cột tách chính là cột nhồi và cột mao quản. Tùy theo
loại mẫu, độ phức tạp của mẫu và tùy loại máy sắc kí mà chọn cột nhồi hay cột
mao quản.


Cột nhồi thường làm bằng thép không gỉ, thủy tinh, có đường kính từ 3
- 6 mm chiều dài cột thông thường là 5 -20 m nhưng không thể kéo dài
tuỳ ý cột vì độ chênh lệch áp suất giữa đầu và cuối cột tăng tỷ lệ thuận
với chiều dài cột.



Cột mao quản, thường được làm bằng vật liệu fused silica có tính bền
về mặt vật lý rất cao và trơ về mặt hóa học. Cột mao quản thường có
đường kính trong khoảng 0,53mm - 0,1mm, chiều dài thường từ 10 - 30
m, có khi lên tới 100 -150 m và thành trong của cột được tẩm pha tĩnh.
So với cột nhồi cột mao quản có những ưu điểm sau:
-

Các hỗn hợp phức tạp được tách với hiệu suất cao hơn hẳn

-

Tách được tất cả các chất có cấu trúc hoá học rất gần nhau

-

Độ tin cậy cao hơn trong việc nhận biết các cấu tử

-

Độ nhạy phát hiện lớn hơn

-

Giảm thời gian phân tích


-

Cho phép nối trực tiếp với khối phổ kế mà không cần bộ tách

Yêu cầu chung cho pha tĩnh dùng cho cột sắc kí:
-

Ít bay hơi

-

Bền nhiệt

-

Trơ về mặt hóa học

-

Thường pha tĩnh được chọn trong phân tích dựa trên độ phân cực

Pha tĩnh của cột và các chất phân tích cần có độ phân cực tương tự thì mới tách tốt
(các chất giống nhau hòa tan tốt vào nhau).
Detector
Detector có nhiệm vụ chuyển hoá một đại lượng không điện (trong trường hợp này
là nồng độ của các chất được tách khỏi cột sắc ký) thành đại lượng điện. Ngày
nay, đã có khoảng 30 loại detector khác nhau, trong đó 3 loại phổ biến nhất là:
detector dẫn nhiệt (TCD) , detector ion hoá ngọn lửa (FID) và detector cộng kết
điện tử (ECD)…
Hệ thống ghi nhận và xử lý tín hiệu
Hệ thống này dùng để thu thập và tính toán các kết quả.
Một số dạng peak trong sắc kí khí:


Dạng đối xứng: đây là dạng lý tưởng, thường thu được khi quá trình phân
bố chất giữa hai pha động và tĩnh xảy ra nhanh, ít hoặc không phụ thuộc
vào nhiệt độ. Nếu lượng mẫu tiêm vào không vượt quá dung lượng cho
phép của cột thì thời gian lưu không phụ thuộc vào lượng mẫu tiêm vào.



Dạng không đối xứng: gồm 2 dạng kéo đuôi (talling) và dạng thu nhỏ
(leading hay fronting). Hiện tượng này xảy ra khi: nồng độ chất phân tích
quá lớn (thường xảy ra dạng kéo đuôi); có sự hấp phụ chất phân tích quá
mạnh, chất phân tích trên pha tĩnh (cả 2 dạng). Thời gian lưu sẽ thay đổi

tùy lượng mẫu bơm.
Để nâng cao hiệu suất tách có thể:
-

Lựa chọn pha tĩnh, chiều dài cột, đường kính cột,.. phù hợp với loại mẫu,
lượng mẫu, lựa chọn chương trình nhiệt độ phù hợp.

-

Ghép nối hai hay nhiều cột có pha tĩnh khác nhau

-

Với những mẫu có thành phần phức tạp việc ghép nối cột thường được sử
dụng

-

Những cột có đường kính không khác nhau nhiều có thể ghép nối với nhau

-

Nếu kết hợp với van chuyển cột tự động cho phép tự động chuyển cột
trong quá trình phân tích.

2.2. GC-O (Gas Chromatography Olfactometry)
Phân tích bằng phương pháp GCO là một kĩ thuật phân tích được tổng hợp từ hai
cách thức phân tích khác nhau: đó là phân tích sắc kí khí dùng để phân tách những

thành phần bay hơi của một hỗn hợp và phân tích cảm quan bằng cách sử dụng cơ
quan cảm giác thính giác để ngửi những thành phần bay hơi được tách ra nhờ sự
phân tách sắc kí trên.
Cấu tạo của thiết bị GCO
GCO là sự lắp giáp đặc biệt giữa máy sắc kí với một bộ ngửi (Olfactory Detector
Port). Tính độc đáo của GCO chính là sự kết hợp khả năng phân tích sắc kí và sự
nhạy cảm của cơ quan khứu giác của con người.
Nguyên tắc hoạt động
Mẫu dùng để phân tích được bơm vào cột sắc kí khí. Ở đầu ra của cột, một
phần được dẫn đến đầu dò tín hiệu, phần còn lại được hướng trực tiếp tới mũi của
người đánh giá cảm quan qua bộ ngửi. Khi một mùi được nhận biết bởi người
ngửi, các miêu tả về mùi sẽ được thông báo tới người thứ hai, người này sẽ ghi lại
và đưa ra một thời gian lưu tương ứng và đồng thời. Tập hợp của những miêu tả


và thời gian lưu của chúng cho phép ta đưa ra một biểu đồ về mùi. Dựa vào biểu
đồ này, một mùi hay một vùng chất mùi tương ứng với một mùi sẽ được xác định
chính xác.
Việc xác định cấu trúc của phân tử và bản chất của chúng được thực hiện
nhờ máy phân tích khối phổ GCMS. Những vết của pic thu nhận được được so
sánh với một thư viện phổ.
Cấu tạo
GCO có cấu tạo gồm các bộ phận cơ bản như của một máy phân tích sắc kí thông
thường : Nguồn cung cấp khí, một buồng tiêm mẫu, cột phân tích, đầu dò có kết
nối với một thiết bị ghi tín hiệu. Ngoài ra GCO còn có một số bộ phận đặc biệt tạo
nên sự khác biệt với một máy GC đó là một bộ ngửi và một thiết bị tạo ẩm được
thiết kế đặc biệt. Các bộ phận này ở mỗi máy có thiết kế khác nhau nhưng chúng
đều có mục đích:
-

Cột không chứa pha tĩnh: không gây ra hiện tượng lưu giữ sắc kí đồ với các
cấu tử mang mùi khi đi ra ngoài môi trường không khí.

-

Bộ ngửi: có tác dụng chủ yếu là tạo ra môi trường nhiệt độ giúp cho các
thành phần bay hơi không bị ngưng tụ lại bên trong cột không có pha tĩnh
khi đi từ bên ngoài lò nơi có nhiệt độ cao ra ngoài môi trường không khí có
nhiệt độ thấp hơn.

-

Bộ tạo ẩm: hỗ trợ khả năng nhận biết mùi.

Vai trò - chức năng của GCO
-

Xác định một cấu tử hay một nhóm các cấu tử tạo lên mùi đặc trưng của
một sản phẩm thực phẩm.

-

Xác định ngưỡng cảm nhận của một chất tạo mùi của cơ quan khứu giác
Liên kết giữa người tiêu dùng với các thông số hóa học của một sản phẩm


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

John H. Kenedy (Hoàng Minh Châu dịch). Cơ sở hóa học phân tích Phương pháp sắc kí, 1996

2.

Phạm Hùng Viêt. Sắc Kí Khí. Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội,
2005.

3.

Phạm Hùng Viêt. Cơ Sở Lý Thuyết Của Phương Pháp Sắc Kí Khí. Nhà
xuất bản Khoa Học Và Kĩ Thuật, 2003.

4.

HEWLETT PACKARD. HP 5890 SERIES II Gas Chromatograph Service
Manual, Edition 1, March 199, Print in U.S.A

5.

Operation Manual - Olfactory Detector Port ODP 2, Lasersan

6.

Hà Duyên Tư. Kĩ Thuật Phân Tích Cảm Quan Thực Phẩm, Nhà Xuất Bản
Khoa Học Và Kĩ Thuật, 2001

7.

N. T. Minh Tu, Y. Onishi, U. S. Son,E.Ogawa, H. Ukeda and M.
Sawamura. Characteristic odour components of Citrus inflata Hort. Ex
Tanaka (Mochiyu) cold-pressed peel oil. Flavour and Fragrance Journal.

2003; 18: 454-459.

8.

.

9.



10.

www.restekcorp.com

11.

www.flavornet.com