Thiết bị đo quang học thực phẩm

Thiết bị đo quang học thực phẩm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

TP.HỒ CHÍ MINHKHOA: Công nghệ thực phẩm - -

LỜI MỞ ĐẦU

Các phương pháp phân tích bằng công cụ có vai trò đặc biệt quan trọng

trong sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ Với sự pháttriển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin học, các máy móc thiết bị phântích cũng được hiện đại hóa, cho phép xác định nhanh chóng với độ chính xáccao các mẫu chứa hàm lượng rất nhỏ của các chất phân tích Một trong nhữngthiết bị chính xác và cần thiết đối với việc phân tích trong ngành thực phẩm làcác thiết bị đo quang học Với việc ứng dụng các phương pháp đo chỉ số khúc

xạ, đo góc quay cực, hấp thu phân tử, hấp thu nguyên tử, các thiết bị đo đã rađời, ngày càng được hiện đại hóa, nâng cao kỹ thuật để đáp ứng tốt nhất trongviệc kiểm tra chất lượng sản phẩm, phục vụ nhu cầu người tiêu dụng

I. PHƯƠNG PHÁP ĐO CHỈ SỐ KHÚC XẠ VÀ CÁC LOẠI MÁY

1. Nguyên tác phương pháp đo chỉ số khúc xạ và khúc xạ kế Abbe:

[1] Nguyên tắc: Chỉ số khúc xạ của một chất so với không khí là ỷ số giữa giátrị sin của góc tới và giá trị sin của góc khúc xạ cua3t ia sang truyền từ khôngkhí vào chất đó

Chỉ số khúc xạ còn được gọi là chiết suất thường được xác định bằng khúc xạđược đo với chum tia có bước song tương ứng với vạch D của Natri(58903nm) và ở nhiệt độ 20 độ C và được ký hiệu là nD20

Khúc xạ kế còn có các bộ phận hỗ trợ khác như sau:

Hệ thống thị kính có chia vạch đích (hoặc 2 đường thẳng giao nhau) để quansát, gương lấy ánh sáng, bộ phận tiêu sắc (khử hiện tượng tán sắc) để có thểdùng ánh sáng tự niên mà vẫn cho kết quả tốt

Thang chia góc tới hạn có thể quy đổi luôn sang giá trị chiết suất

Có thể có bộ phận ổn nhiệt để duy trì nhiệt độ đo

Trước khi chuẩn độ cần chuẩn hóa máy bằng dung dịch có chiết suất đã biếtnhư: monobromonapthtalen (nD20=1.6588) hay dùng nước cất mới (nD20=1.3330; nD20=1.3325, nD20= 1.3306

Ngoài khúc xạ kế Abbe còn có khúc xạ kế cầm tay

- Ứng dung: Xác định chỉ số khúc xạ để xác định nồng độ chất tan của chấttrong dung dịch cần đo thông qua việc tra bảng lien quan giữa chỉ số khúc xạ

và nồng độ chất tan [1]

[2]The refractometer is often stored with a piece of tissue in the prism assembly to keep the prism glass from being scratched Open the prism assembly and remove the tissue (Khúc xạ kế thường được đặt một mảnh giấy mỏng trên lăng kính với mục đích giữ cho lăng kính không bị trầy xước Mở lăng kính và bỏ mảnh giấy ra.)

Use a pipet to apply your liquid sample to the prism, being careful not to let the glass pipet tip touch the prism since this may scratch the soft prism glass Add enough sample to achieve a thin film across the whole prism, typically 3

to 4 drops (Sử dụng pipet để nhỏ mẫu chất lỏng vào lăng kính, thật cẩn thận không để cho pipet đụng kính vì có thể làm xước lăng kính, nhỏ khoảng chừng

3 hoặc 4 giọt)

Close the prism assembly and turn on the lamp using the switch on the left side Adjust the lamp so the light shines on the prism and look through the eyepiece.(Đậy lăng kính lại và mở đèn sáng bằng nút bên trái Điều chỉnh vị trí đèn sao cho ánh sáng chiếu thẳng vào lăng kính và nhìn qua thị kính)

If you are close to the index of refraction of your sample you should see that the view in the eyepiece shows a dark region on the bottom and a lighter region on the top If you do not see a light and a dark region, adjust the handwheel on the right side of the instrument until you do (Nếu ở gần với chỉ

số khúc xạ của mẫu, bạn sẽ thấy rằng hệ thống thị kính lúc này có một vùng tối ở phía dưới và vùng sáng ở bên trên Nếu không thấy hai vùng tối và sáng này, cần điều chỉnh núm quay bên phải thiết bị)

Before making the final adjustment, it may be necessary to adjust the lamp position and to sharpen the borderline between the light and the dark regions using the compensator dial on the front of the refractometer.(Trước khi thực hiện điều chỉnh lần cuối, sẽ thật cần thiết để điều chỉnh vị trí đèn và làm đậm hơn đường giao nhau giữa khu vực sáng và tối bằng cách dùng cái bù tròn ở phía trên mặt của khúc xạ kế.)

Once you have a crisp demarcation between the light and dark regions, use the handwheel on the right hand side to place this borderline exactly on the center of the crosshairs as shown (Ngay khi thấy sự phân ranh giới rõ giữa khu vực sáng và tối, sử dụng tay quay bên phải để đặt đường phân cách chính xác ngay giữa trung tâm hình chữ thập như hình bên dưới.)

To read the index of refraction, depress the switch on the left hand side of the refractometer until you see the scale through the eyepiece (Để đọc được số

đo của khúc xạ kế, ấn nút ở phía bên tay trái của khúc xạ kế cho đến khi thấy được số đo thông qua hệ thống thị kính.) [2]

Máy đo độ ngọt Brix:

[3]Độ Brix: Là tỷ số phần trăm giữa khối lượng đường saccharose và khốilượng dung dịch nước đường, tính bằng gam, ký hiệu %mas hay 0Brix

- Độ Bx quan sát: là độ Bx đo ở nhiệt độ bất kì bằng khúc xạ kế

- Độ Bx hiệu chỉnh: là độ Bx đo ở nhiệt độ tiêu chuẩn 20oC hoặc đượchiệu chỉnh về nhiệt độ tiêu chuẩn

Brix – A unit of measure used in the refractometer The Brix equals to percent crude carbohydrate per 100 pounds of juice The higher the carbohydrate in the plant juice is the higher the mineral content of the plant, the oil content of the plant, and the protein quality of the plant (Brix – đơn vị

đo trong khúc xạ kế Độ Brix tương đương phần trăm phần carbohydrate thô trên 100 pounds nước ép Khối lượng carbohydrate càng cao trong trái đồng nghĩa với lượng nước, lượng dầu, và chất lượng protein trong trái)

Máy đo độ ngọt Brix có ứng dụng rất quan trọng trong công nghệ sản xuấtthực phẩm, cụ thể máy có thể đo được độ ngọt của rất nhiều thực phẩm khácnhau như : trái cây, súp, các sản phẩm nước uống,…Nhìn chung, chỉ cần thựcphẩm cần đo độ ngọt ở dạng lỏng là có thể sử dụng máy đo độ ngọt Brix để đolượng đường trong thực phẩm Đối với các sản phẩm ở dạng rắn như trái cây,bạn có thể nghiền chúng ra rồi lấy phần nước trái cây để đo độ ngọt

Ngày nay, nếu sản phẩm có thương hiệu trên thị trường, quá trình sản xuấttuân thủ các nguyên tắc nghiêm ngặt và được phân phối trên địa bàn rộng lớn,đặc biệt nếu có xuất khẩu sản phẩm của mình thì rất cần sử dụng máy đo độngọt Brix Bởi vì, đo độ ngọt của sản phẩm bằng máy đo độ ngọt Brix giúpcung cấp chính xác độ ngọt trong sản phẩm khi đã thành phẩm, như vậy sẽ cóthông tin chính xác về độ ngọt – một đặc tính của sản phẩm Phương pháp tính

độ ngọt của thành phẩm thông qua lượng đường hay chất tạo ngọt dùng trongsản xuất sẽ chỉ cho một kết quả tương đối chính xác vì trong các nguyên liệukhác của sản phẩm cũng có thể có một lượng đường nhất định, chúng ta rấtkhó để xác định được lượng đường của từng thành phần tạo ra thành phẩm.CÁCH SỬ DỤNG MÁY ĐO ĐỘ ĐƯỜNG BRIX

Đường là thành phần có trong hầu hết các thực phẩm, với hàm lượng khácnhau Đường tạo nên vị ngọt cho thực phẩm, thực phẩm có lượng đường càngcao thì vị ngọt càng đậm hơn Trong sản xuất và các lĩnh vực khác của đờisống, người ta cần đo hàm lượng đường trong thực phẩm Dụng cụ cần đểthực hiện việc này là máy đo độ đường brix

Sử dụng máy đo độ đường brix với các bước rất đơn giản

Một trong những loại máy đo độ đường brix được sử dụng rộng rãi trên thịtrường là khúc xạ kế đo độ ngọt Có hai loại khúc xạ kế đo độ ngọt là khúc xạ

kế quang năng ( loại này đọc kết quả đo trên hệ thống vạch ) và khúc xạ kếđiện tử ( loại này tự động hiển thị kết quả đo bằng số trên màn hình LCD ).Sau đây là hướng dẫn sử dụng máy đo độ đường brix ( loại khúc xạ kế quangnăng ):

Bước 1: Để nước cất tinh khiết lên bề mặt lăng kính Sau đó thông qua thịkính, quan sát hệ thống vạch Nếu nền xanh chỉ về mức 0 thì không cần hiệuchỉnh lại, nếu nền xanh chưa ở mức 0 thì bạn dùng vít hiệu chỉnh chỉnh vềmức 0 Thông thường, máy đo độ đường brix đã được hiệu chỉnh sẵn tại nơisản xuất nên kết quả đo rất chính xác,nhưng bạn vẫn nên thường xuyên thựchiện bước này để kiểm tra hoạt động của máy

Bước 2: Để mẫu thử lên lăng kính của máy đo độ đường brix Mẫu thử ở thểlỏng và có nhiệt độ nằm trong giới hạn bù nhiệt của máy để có kết quả đochính xác nhất Lưu ý là phải để mẫu thử phân bố đều trên cả bề mặt lăngkính, tránh việc dung dịch chỉ nằm ở một phần lăng kính Vì vậy, sau khi đậynắp lăng kính, cần di chuyển nhẹ nhàng máy để dung dịch trãi đều lên lăngkính

Bước 3: Đọc độ đường của dung dịch Thông qua thị kính, nhìn thấy hệ thốngvạch theo độ brix Có thể chỉnh tiêu cự để quan sát rõ hơn Phần màu trắngbiểu thị độ brix của dung dịch

Bước 4: Vệ sinh máy đo độ đường brix Dùng khăn lau nhẹ bề mặt lăngkính.Không được dùng nước vệ sinh toàn bộ máy, hãy đảm bảo máy luônđược khô ráo.[3]

Một phân cực kế đơn giản nhất có cấu tạo Những bộ phận không thể thiếu lànguồn sáng đơn sắc S, một lăng kính nicol P tạo ánh sáng phân cực (nicolphân cực), ống đựng dung dịch hay chất lỏng cần đo có chiều dài xác định L

và một nicol A dùng để nhận biết sự phân cực của ánh sáng (nicol phân tích)cấu trúc giống hệt nicol phân cực

Khi ống L đựng đầy chất hoạt quang (dung môi chẳng hạn) có thể quay nicolphân tích A đến vị trí Oa sao cho ánh sáng phân cực không qua được A Thaydung môi bằng dung dịch đo mặt phẳng phân cực bị quay nên ánh sáng điđược qua A Do đó phải quay nicol phân tích đến vị trí mới Oa’ để triệt tiêuánh sáng Góc aOa’ là góc quay cực đo được

Vì mắt người không thể phân biệt được bóng đen hoàn toàn tuyệt đối Vì vậythay vì xác định sự triệt tiêu ánh sáng, người ta sử dụng sự cân bằng ánh sángnhư trong so màu Muốn vậy trong phân cực kế thường gắn them tấm Laurent,lúc đó ánh sáng nhìn thấy trong phân cực kế được phân thành hai nửa

Lúc đó ánh sáng nhìn thấy trong phân cực kế được phân thành hai nửa Có hai

vị trí cân bằng của hai nửa đó là cả hai cùng rất sáng và cả hai nửa đều sángrất yếu Vị trí của cả hai nửa sáng đều yếu được chọn để xác định vị trí nicol

A triệt tiêu ánh sáng phân cực tới nó

Nguồn sáng sử dụng trong phân cực kế thường sử dụng đèn hơi natri để tạo ratia D sử dụng để đo [1]

[4]For mixtures of organic molecules in pure or diluted form, polarimetry provides a rapid, reliable, quality check that eliminates conventional analysis like liquid chromatography which can take an hour to do what the polarimeter accomplishes in minutes Research chemists use polarimetry to test the effectiveness of catalysts and asymmetric synthetic processes.

Polarimeter is used in industry for:

Sugar industry

- Quality control of original and end product

- Determination of fructose and glucose

- Sugar concentrations in refined beet and cane sugar, molasses and beet pulp

Đối với các ngành công nghiệp, phân cực kế được sử dụng:

Ngành công nghiệp sản xuất đường

- Kiểm tra chất lượng sản phẩm ban đầu và kết thúc

- Xác định hàm lượng fructose và glucose

- Nồng độ đường trong củ cải đường tinh luyện và đường mía, mật đường và bột củ cải đường

Công nghiệp thực phẩm

- Xác định nồng độ

- Kiểm soát độ tinh khiết

- Kiểm soát chất lượng

PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THU PHÂN TỬ:

[5] Không phụ thuộc vào vùng phổ, các máy đo độ truyền quang và độ hấp

thụ ( mật độ quang ) của dung dịch bao gồm 5 bộ phận cơ bản:

- Nguồn bức xạ có năng lượng ổn định.

- Bộ phận tạo bức xạ đơn sắc cho phép ta chọn bước sóng của bức xạ đơn sắc thích hợp với chất nghiên cứu.

- Các cuvet chứa dung dịch đo.

- Đêtectơ để chuyển tín hiệu quang - năng lượng bức xạ - thành tín hiệu đo được, thường là tín hiệu điện.

- Bộ phận chỉ thị kết quả đo của tín hiệu.

Tuỳ theo cấu tạo của các loại thiết bị mà người ta chia ra làm 2 loại máy đo quang là máy 1 chùm tia và máy 2 chùm tia.

Độ phức tạp của các bộ phận riêng của các máy đo phổ hấp thụ của dung dịch cũng phụ thuộc vào các máy khác nhau, vào vùng bước sóng kể cả vùng sử dụng các số liệu Ví dụ:

để đo độ hấp thụ trong vùng khả kiến ta có các máy so màu bằng mắt, máy so màu quang điện, trong vùng hồng ngoại ta có máy quang phổ hồng ngoại IR, hiện nay các máy quang phổ hấp thụ phân tử thường cho phép đo trong vùng tử ngoại UV và cả vùng khả kiến VIS

từ 190nm đến 1100nm, gọi chung là các máy quang phổ hấp thụ phân tử UV – VIS

Máy quang phổ UV-VIS:

Các máy quang phổ UV-VIS hiện nay được thiết kế để đo phổ trong vùng tử ngoại và trông thấy, thường sử dụng lăng kính hay cách tử cho phép thay đổi một cách liên tục độ dài sóng; đêtectơ là nhân quang điện hay ống nhân quang điện.

o Nguồn bức xạ:

Trong các máy quang phổ UV-VIS hiện nay thường trang bị 2 loại nguồn,

trong vùng khả kiến thì dùng đèn vonfram W- Lamp, còn nguồn bức xạ tử ngoại

được biết đến nhiều nhất là đèn hiđrô hay đèn đơteri D- Lamp Các đèn hiđrô

hay đèn đơteri bức xạ một phổ liên tục do có sự chuyển các phân tử khí vào

trạng thái kích thích Sự trở về trạng thái ban đầu có kèm theo sự phân hủy của

phân tử bị kích thích để tạo ra photon của bức xạ tử ngoại và 2 nguyên tử hiđrô

trong trạng thái cơ bản Năng lượng được hấp thụ tách ra ở hai dạng và chính là

năng lượng động học của các nguyên tử hiđrô và năng lượng photon của bức xạ

tử ngoại Năng lượng động học cung cấp cho cả 2 nguyên tử hiđrô không bị

lượng tử hóa, do vậy mà nhận được một phổ rộng của năng lượng các 2 nguyên

tử hiđrô.

o Các nguồn tạo bức xạ đơn sắc ( máy tạo bức xạ đơn sắc ): làm nhiệm

vụ phân li bức xạ thành bức xạ đơn sắc có độ dài sóng khác nhau, có một sốloại

như sau :

- Máy tạo bức xạ đơn sắc bằng lăng kính

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống tạo bức xạ đơn sắc bằng lăng kính

1- Khe vào ; 2- Thấu kính tập hợp ; 3- Lăng kính ; 4- Thấu kính tiêu điểm;5- Mặt phẳng tiêu điểm ; 6- Khe ra

Sự phân giải các bức xạ khả kiến, tử ngoại kể cả hồng ngoại có thể thực

hiện được bằng cách cho chùm bức xạ đi qua cách tử trong suốt hay phản xạbức xạ từ một lưới phản xạ Các cách tử là một cục thủy tinh hay một vật liệutrong suốt khác trên đó có vạch ra các đường song song Khi có sự chiếu sángcách tử bằng một chùm bức xạ đi qua khe thì mỗi vạch sẽ trở nên một nguồnbức xạ mới Kết quả giao thoa của nhiều chùm sáng thì bức xạ sẽ được phângiải thành các phần với các độ dài sóng khác nhau Nếu chùm bức xạ được tậptrung trên một mặt phẳng ta sẽ nhận được một phổ mà dạng của nó lập lạidạng của khe vào Cách tử thích hợp để dùng trong các vùng khả kiến và tửngoại có gần 600 vạch trên 1cm Các mạng lưới phản xạ nhận được bằng cáchcắt các lỗ rãnh trên bề mặt đã được đánh bóng của kim loại Tương tự, bức xạđược phản xạ từ mỗi phần lồi lên của mạng lưới và sự giao thoa của các chùmphản xạ sẽ gây ra sự phân giải bức xạ

Ngoài ra còn có các máy tạo bức xạ đơn sắc đôi, bao gồm từ hai cấu phầnphân giải, có nghĩa là gồm hai lăng kính, hai mạng lưới hay lăng kính vàmạng lưới Sự kết hợp này làm cho khả năng phân giải của máy tăng lên rấtnhiều

o Cuvet: thường sử dụng cuvet thủy tinh cho vùng khả kiến, nếu đo trongvùng tử ngoại thì phải dùng cuvet thạch anh.

o Các đêtêctơ : Trong các máy UV-VIS thì đêtêctơ là các tế bào quangđiện với hiệu ứng quang điện ngoài hay các nhân quang điện

Tương tự như các máy so màu quang điện, các máy UV-VIS giống nhau ở

sơ đồ khối nhưng sẽ khác nhau về độ phức tạp, các đặc tính làm việc và giáthành Trong các máy hai chùm tia, bằng cách nào đó chùm sáng được chiađôi hoặc ở giữa máy tạo bức xạ đơn sắc hoặc theo lối ra khỏi máy này : mộtchùm đi qua dung dịch phân tích và một chùm khác đi qua dung dịch so sánh.Trong một số máy, người ta so sánh cường độ của cả hai chùm nhờ một hệ đôicủa các đêtêctơ và các bộ khuyếch đại sao cho nhận được ngay mật độ quanghay độ truyền quang Trong các máy khác, bức xạ của nguồn được tách ra mộtcách cơ học và các xung ánh sáng lần lượt đi qua các dung dịch phân tích vàdung dịch so sánh Sau đó chùm sáng cuối cùng được cấu tạo lại và rơi vàomột đêtêctơ, qua bộ phận khuyếch đại và cuối cùng cho nhận tín hiệu đo làmật độ quang hay độ truyền quang

Máy quang phổ UV - VIS vận hành trên cơ sở đo độ hấp thụ ánh sáng đặctrưng cũng như độ truyền quang ở các bước sóng khác nhau, nhờ đó kết quảthu được nhanh và chính xác, đặc biệt là việc ứng dụng thiết bị trong ngành đồuống để xác định thành phần vi lượng cũng như các chỉ tiêu vệ sinh an toànthực phẩm

Trong lĩnh vực công nghệ sản xuất bia, máy quang phổ UV - VIS được ứngdụng để xác định độ màu của nguyên liệu cũng như bia thành phẩm, thànhphần đạm amin, đường khử, hàm lượng polyphenol, hàm lượng chất đắng vàdiacetyl Ngoài ra, người ta còn sử dụng phương pháp so màu trong phântích các kim loại nặng như Cr, As, Zn, Al, Hg, [5]