Tương Lai Của NMR Để Bàn Trong Phân Tích Thực Phẩm

Trong cuộc phỏng vấn này, AZo Materials có buổi nói chuyện với Tim Lumb và Tiến sĩ Kevin Nott để tìm hiểu thêm về các kỹ thuật NMR để bàn, các ứng dụng và lợi ích mà chúng có thể mang lại cho phòng thí nghiệm.

Bạn có thể bắt đầu bằng cách cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về NMR miền thời gian (TD-NMR) và phổ NMR để bàn cùng với những thứ mà các kỹ thuật này có thể phân tích được không?

NMR trường cao truyền thống sử dụng nam châm siêu dẫn, chất làm lạnh như helium lỏng và nitơ lỏng, cùng một số các cơ sở chuyên môn, bao gồm nguồn cung cấp không khí thích hợp. Các hệ thống này cũng yêu cầu các chuyên gia được đào tạo để bảo trì và giám sát việc sử dụng chúng.

Thiết bị NMR để bàn không gặp phải những nhược điểm này vì chúng sử dụng nam châm vĩnh cửu và do đó không cần chất làm lạnh. Những thiết bị này thường nhỏ gọn, chỉ cần nguồn điện chính, cho phép chúng được đặt trong môi trường phòng thí nghiệm tiêu chuẩn.

Hai loại thiết bị NMR để bàn hiện có:

Phổ NMR độ phân giải cao sử dụng cường độ từ trường cao và tính đồng nhất để trực quan hóa thông tin hóa học hoặc phổ từ nhiều loại hạt nhân, bao gồm hydro, carbon, natri và phốt pho – tất cả đều được quan tâm trong khoa học thực phẩm. Các mẫu này phải ở dạng lỏng hoặc ở dạng dung dịch.

NMR miền thời gian có độ phân giải thấp (TD-NMR) sử dụng cường độ từ trường thấp hơn và tính đồng nhất để phù hợp với kích thước mẫu lớn, do đó, không thể thu được thông tin hóa học. Tuy nhiên, rất ít hạn chế về kích thước và loại mẫu có thể phân tích được vì bức xạ tần số vô tuyến xuyên qua toàn bộ mẫu có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc là hỗn hợp của cả hai dạng này.

Máy phân tích NMR miền thời gian thường được các công ty thực phẩm sử dụng trong quy trình và kiểm soát chất lượng, cũng như trong các testing lab. Yêu cầu chính đối với cả miền thời gian và phổ là mẫu không ảnh hưởng đến từ trường hoặc ngăn bức xạ tần số vô tuyến xuyên qua nó.

TD-NMR khác với quang phổ như thế nào và một số ưu điểm của phương pháp này trong ngành công nghiệp thực phẩm là gì?

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) yêu cầu biến đổi Fourier của tín hiệu suy giảm tự do cộng hưởng từ hạt nhân (FID) để tạo ra phổ NMR. Ngược lại, TD-NMR yêu cầu tách và đo tín hiệu từ các thành phần suy giảm khác nhau.

Chúng đã được giải quyết tốt trong một số mẫu và chúng ta có thể đọc tín hiệu trực tiếp từ tín hiệu tổng hợp. Đây là điển hình của nhiều ứng dụng NMR miền thời gian, nhưng chúng tôi có thể cần sử dụng phần mềm phù hợp để giải mã tín hiệu tổng hợp thành các thành phần khác nhau trong các mẫu khác. Điều này thường được gọi là ‘relaxometry.’

Tín hiệu suy giảm tự do cộng hưởng từ hạt nhân bao gồm nhiều thành phần khác nhau, có thể phân biệt được bằng pha hoặc trạng thái của chúng. Tín hiệu từ các thành phần rắn và tinh thể phân hủy nhanh, trong khi tín hiệu từ các thành phần rắn, chẳng hạn như độ ẩm dư và độ ẩm liên kết (nồng độ dưới 10%) có tốc độ phân hủy chậm hơn.

So sánh, dầu và chất béo có tốc độ phân hủy chậm nhất, có nghĩa là chúng có thể được đo khi tín hiệu từ tất cả các thành phần khác đã phân hủy.

TD-NMR đã được sử dụng như một phương pháp không dung môi để đo dầu và chất béo trong thực phẩm trong nhiều thập kỷ.

Phương pháp này chủ yếu được sử dụng để kiểm soát chất lượng, ngoài ra còn để giúp thiết lập và giám sát dây chuyền sản xuất thực phẩm ăn nhẹ, bao gồm các loại hạt, cũng như các dẫn xuất sôcôla và ca cao được sử dụng trong sản xuất.

Nó cũng có thể phân tích sữa bột, sữa công thức dành cho trẻ sơ sinh, dinh dưỡng, thành phần thực phẩm và thức ăn cho động vật, tất cả đều không cần sấy khô. Thực phẩm có độ ẩm cao, chẳng hạn như thịt, cá, sữa và nhiều thực phẩm chế biến, phải được làm khô trước.

Ví dụ, TD-NMR có thể được sử dụng theo phương pháp Nordic Committee on Food Analysis (NMKL) để đo các sản phẩm cá khô, theo đó thiết bị được hiệu chuẩn đơn giản bằng cách sử dụng mẫu dầu gan cá.

Có những trường hợp khác mà có thể hiệu chuẩn bằng cách sử dụng dầu nguyên chất, đặc biệt khi làm việc với thực phẩm chế biến và thực phẩm có hàm lượng chất béo cao. Ví dụ, thực phẩm thức ăn nhanh có thể được hiệu chuẩn bằng cách sử dụng một mẫu dầu nguyên chất được sử dụng trong quá trình chiên.

Một trong những ưu điểm chính mà TD-NMR có so với các kỹ thuật thứ cấp khác là nó phần lớn không nhạy cảm với màu sắc, kích thước hạt và thành phần. Hiệu chuẩn NMR cũng tuyến tính, vì vậy kết quả thường có giá trị ngay cả khi mẫu để phân tích nằm ngoài dải nồng độ hiện có.

TD-NMR có thể phân biệt chất rắn với chất lỏng, có nghĩa là nó cũng có thể đo hàm lượng chất béo rắn ở các nhiệt độ khác nhau, liên quan đến đặc tính nóng chảy của dầu ăn hoặc chất béo.

Đặc tính nóng chảy của chất béo liên quan đến các đặc tính vật lý và cảm quan của nó, điều này rất quan trọng đối với mục đích sử dụng cuối cùng của chất béo. Ví dụ, các món ăn nhanh có xu hướng có hàm lượng chất béo rắn cao hơn trong phạm vi nhiệt độ để đảm bảo các thành phần nướng mà chúng được thêm vào ở trạng thái rắn nhưng không có dầu mỡ ở nhiệt độ môi trường xung quanh.

Ngược lại, bơ thực vật có hàm lượng chất béo rắn thấp hơn để đảm bảo rằng nó mềm và dễ tán khi lấy ra khỏi tủ lạnh.

TD-NMR được quốc tế công nhận để đo chất béo rắn và có các phương pháp chính thức của AOCS, ISO và IUPAC cho phương pháp trực tiếp.

Khả năng của hệ thống NMR để bàn và ưu điểm của chúng là gì?

Các hệ thống NMR để bàn thường được so sánh với các hệ thống trường cao. Những thiết bị này ít tốn kém hơn nhiều, chỉ bằng một phần nhỏ chi phí vốn để mua, và chi phí cực kì rẻ để vận hành vì không cần sử dụng chất làm lạnh, nhất là sự thiếu hụt heli gần đây. Hơn nữa, chỉ cần có kiến ​​thức chuyên môn tối thiểu để bảo trì và vận hành thiết bị.

Xem thêm: Ưu Điểm Của Cộng Hưởng Từ Hạt Nhân (NMR) Để Bàn So Với NMR Từ Trường Cao

Mặc dù chỉ mới xuất hiện trong mười năm qua, phổ NMR để bàn hiện đang tương đối phát triển. Sự kết hợp mạnh mẽ giữa thiết kế nam châm cải tiến, thiết bị điện tử hiện đại và sức mạnh tính toán đã mang đến sự phát triển trong một số ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực thực phẩm.

Oxford Instruments đã hợp tác với Tiến sĩ Kate Kemsley và nhóm của cô ấy tại Viện Quadram ở Anh để tìm hiểu xem liệu phổ NMR để bàn của hạt nhân hydro có thể cung cấp thông tin thành phần thích hợp cho việc ghi nhãn hay không.

Dầu ăn phần lớn được tạo thành từ chất béo trung tính. Chúng bao gồm một khung glycerol liên kết với ba axit béo khác nhau về độ dài và số lượng liên kết không bão hòa giữa và trong các loại dầu.

Đối với thành phần thực phẩm, mối quan tâm chính là xác định tỷ lệ axit béo không bão hòa đơn, không bão hòa đa và axit béo bão hòa. Phổ sẽ có xu hướng thể hiện sự khác biệt rõ ràng và tương đồng giữa các loại dầu, đáng chú ý nhất là về độ cao hoặc diện tích của dải.

Vùng glyxerit tương tự nhau trên tất cả các loại dầu và có thể hoạt động như một tiêu chuẩn nội bộ và tham chiếu chuyển dịch hóa học. Các dải olefinic hình thành từ bất kỳ nguyên tử hydro nào gắn với carbon tham gia vào một liên kết đôi.

Dải Bis-allylic được hình thành bởi các nguyên tử hydro gắn với các nguyên tử cacbon nằm giữa các cặp liên kết đôi. Tiến sĩ Kemsley đã có thể tính toán trực tiếp số lượng axit béo không bão hòa đơn, không bão hòa đa và axit béo bão hòa trong dầu bằng cách đánh dấu các tín hiệu khác này.

Điều này cho phép nhóm tìm thấy một mối tương quan tốt giữa kết quả của phương pháp NMR và phương pháp sắc ký khí cho một tập hợp các loại dầu thử nghiệm. Họ cũng phát hiện ra rằng các mối tương quan giữa giá trị dự kiến và giá trị thực cao đối với axit béo không bão hòa đơn và đa không bão hòa.

Mối tương quan đối với axit béo bão hòa thấp hơn một chút nhưng vẫn tốt. Điều này bao phủ một phạm vi nồng độ hẹp hơn so với các loại khác.

Kết quả của công việc này là việc phát triển một bài kiểm tra trong năm phút về độ tinh khiết của dầu. Phương pháp phân tích này kể từ đó đã được tích hợp vào một công cụ phần mềm đơn giản, trả về các giá trị axit béo không bão hòa đơn, không bão hòa đa và bão hòa cho mỗi phổ.

Nhóm nghiên cứu cũng có thể phân biệt và định lượng nồng độ axit béo omega-3.

Ngoài dữ liệu thành phần, NMR để bàn cũng có thể được sử dụng cho mục đích xác thực. Nhóm của Kate Kemsley đã tìm hiểu liệu phổ NMR để bàn có thể cung cấp giải pháp cho việc phát hiện gian lận trong lĩnh vực cà phê hay không.

Hai loại cà phê khác nhau chiếm gần như tất cả sản xuất thương mại. Arabica được nhiều người ưa chuộng hơn nhưng khó trồng hơn, trong khi Robusta cho năng suất cao hơn nhưng có đặc tính cảm quan kém hơn nhiều, có nghĩa là nó được sử dụng trong các sản phẩm cà phê cấp thấp. Điều này cũng được phản ánh trong sự khác biệt về giá cả.

Giới hạn phát hiện đối với Robusta trong cà phê Arabica là từ 1% đến 2%, ở ranh giới giữa trộn lẫn do ngẫu nhiên và gian lận.

Nhóm của Kemsley đã phát hiện ra rằng họ có thể xác định cà phê Robusta bằng sự hiện diện của đỉnh 16-O-methylcafestol ở độ dịch hóa học 3,16 ppm. Trước đây người ta nghĩ rằng dẫn xuất cafestol này có mặt trong Arabica, nhưng nhóm nghiên cứu đã tìm thấy điều này bằng cách phân tích nhiều loại đậu được biết là xác thực. Họ cũng đã sản xuất một công cụ phần mềm để thực hiện phép phân tích này.

Xem thêm: Chống Gian Lận Trong Thực Phẩm Bằng Phương Pháp Cộng Hưởng Từ Hạt Nhân

Một số yếu tố đã dẫn đến sự phổ biến và chấp nhận của TD-NMR là gì?

Chúng tôi hiện đang thấy TD-NMR được chấp nhận là phương pháp tiêu chuẩn trên hầu hết các nước Châu Âu. Nó cũng đang trở nên phổ biến ở Châu Á, Châu Úc và Châu Mỹ Latinh. Chúng tôi đang chứng kiến ​​sự chấp nhận NMR để phân tích tổng chất béo ở Hoa Kỳ và rất nhiều phương pháp tiêu chuẩn hiện nay đã tham chiếu đến phương pháp TD-NMR cho các sản phẩm như thịt và sữa.

ALS Global bắt đầu làm việc với Oxford Instruments về TD-NMR vào năm 2008. Trước đó, chúng tôi đã sử dụng phương pháp thủy phân axit truyền thống để phân tích tổng chất béo. Phương pháp đó là một quá trình lâu dài với một số bước.

Đầu tiên, chúng tôi phải lấy một phần mẫu và cân nó vào một chiếc bình. Sau đó, chúng tôi thêm axit clohydric đậm đặc và đun sôi trong vài giờ trước khi rửa và làm khô để loại bỏ tất cả axit nước còn lại. Sau đó, chúng tôi đun sôi ete dầu hỏa và để cho chất này ngưng tụ và nhỏ giọt trở lại qua mẫu, chiết xuất chất béo cùng với nó.

Khi quá trình này kết thúc, chúng tôi sẽ làm khô các dung môi bằng cách đun sôi chúng vào khí quyển hoặc thu thập dung môi để tái sử dụng trong các lần chiết tiếp theo. Cuối cùng, chúng tôi sẽ cân lượng dầu còn lại.

Cách TD-NMR hoạt động trong quá trình này làm nổi bật chính xác lý do tại sao các phòng thí nghiệm yêu thích kỹ thuật này.

TD-NMR có bất kỳ hạn chế đáng chú ý nào không? Làm thế nào những điều này có thể được khắc phục?

Nước có thể gây ra thách thức đối với TD-NMR, đặc biệt nếu chứa nhiều hơn 10% nước và phải được làm khô.

Có hai kỹ thuật phổ biến để làm điều này. Đầu tiên là làm khô mẫu trong tủ sấy khoảng 16 giờ. Phương pháp này có thể được sử dụng để làm khô nhiều mẫu cùng một lúc và trong khi các phương pháp làm khô nhanh có sẵn, các phương pháp này có xu hướng chỉ phù hợp với một mẫu tại một thời điểm.

Ngoài việc biết có bao nhiêu chất béo trong một sản phẩm, nhiều nhà sản xuất cũng muốn biết có bao nhiêu nước. Cân lại mẫu sau khi sấy khô cho phép nhà sản xuất tính toán độ ẩm của mẫu.

Tùy thuộc vào cách NMR được thiết lập, phân tích thường bao gồm việc thực hiện từ 8 đến 16 phép đo cụ thể trong 20 giây và báo cáo kết quả trung bình.

TD-NMR đã có tác động gì đến ngành công nghiệp rộng lớn hơn?

Tác động của TD-NMR đối với ngành công nghiệp thực phẩm tập trung vào việc kiểm soát chi phí. Kể từ khi áp dụng các phương pháp này, chúng ta đã thấy chi phí lao động và tiêu hao tăng ồ ạt. Chi phí cho các phòng thí nghiệm chỉ đi một chiều.

Tuy nhiên, nếu chúng ta xem xét cụ thể phân tích tổng chất béo, một thông số quan trọng đối với tất cả các nhà sản xuất và bán lẻ thực phẩm, chúng ta có thể thấy rằng chi phí phân tích đó đã giảm đáng kể trong cùng khoảng thời gian đó.

Giá để phân tích tổng chất béo giảm khoảng 25% so với giá vào năm 2008 do sự thay đổi phương pháp này. Sử dụng phương pháp thủy phân bằng axit cho phần lớn các mẫu sẽ không cho phép ngành công nghiệp kiểm soát chi phí một cách hiệu quả, làm tăng chi phí trong toàn bộ chuỗi cung ứng cho người tiêu dùng cuối cùng.

Độ chính xác của TD-NMR cũng có tác động lớn đến ngành công nghiệp. Độ lặp lại rất quan trọng vì độ chính xác hoặc độ chệch của phương pháp sẽ thay đổi đáng kể dựa trên cách thiết lập hiệu chuẩn. Bất kể hiệu chuẩn đó được thiết lập như thế nào, độ chính xác của NMR sẽ luôn tốt hơn so với phương pháp thủ công.

Chúng tôi đã thấy chất lượng được cải thiện trong các thử nghiệm thành thạo và giảm RSD (Độ lệch chuẩn tương đối) theo thời gian khi nhiều phòng thí nghiệm chuyển sang NMR.

TD-NMR đã mang lại lợi ích rất nhiều cho các phòng thí nghiệm trong hơn 10 năm qua, nhưng chúng ta có thể làm được nhiều hơn thế với công nghệ này, đặc biệt là khi ngành công nghiệp bắt đầu sử dụng máy đo phổ NMR để bàn hoạt động ở tần số 60 MHz.

Ví dụ: TD-NMR có thể cho chúng ta biết tổng lượng dầu và chất béo trong một vật liệu, nhưng chúng ta có thể sử dụng phổ NMR để bàn để mô tả đặc tính của dầu và xem xét các hợp chất hòa tan trong chất béo và các thành phần khác bên trong nó. Chúng có thể bao gồm các axit béo riêng lẻ hoặc các nhóm axit béo trong thực phẩm, cũng như sterol, stanol và cholesterol.

Chúng ta đã có thể nhìn thấy và mô tả đặc điểm của các thành phần này, nhưng khi công nghệ tiến bộ, chúng ta sẽ có thể định lượng chúng bằng cách sử dụng các kỹ thuật NMR hydro và carbon-13 tiên tiến.

Bạn có thể nói rõ hơn về việc sử dụng phổ NMR để bàn trong việc phát hiện gian lận thực phẩm không?

Tầm quan trọng thực sự và tiềm năng của NMR để bàn vẫn nằm ở khả năng đặc trưng của nó, và đó là nơi nó là một công cụ quan trọng trong việc xác thực các sản phẩm thực phẩm và xem xét gian lận.

Một nghiên cứu ví dụ đã sử dụng NMR để bàn để xác thực dầu argan. Nghiên cứu bắt đầu bằng cách kiểm tra phổ đối với dầu nguyên chất và xem xét cách dầu có một lượng nhỏ tạp chất khiến các đỉnh củaphổ thay đổi như thế nào.

Các đỉnh này sẽ khác nhau tùy thuộc vào bản chất và mức độ nhiễm bẩn, cho phép chúng ta xác định khả năng nhiễm bẩn của một chất nào đó.

Điều này rất hữu ích khi thực hiện phân tích nguyên nhân gốc rễ của vấn đề tạp nhiễm để xác định xem việc tạp nhiễm xuất phát do cố ý hay ô nhiễm ngẫu nhiên trong chính nhà máy.

Ngoài dầu, NMR để bàn cũng cung cấp một công cụ hữu ích để xác minh tính xác thực của cà phê, như chúng ta đã thảo luận, cũng như các loại thảo mộc và gia vị có giá trị cao. Nhiều loại thảo mộc và gia vị có chứa các hợp chất béo thiết yếu, vì vậy có khả năng sử dụng NMR để bàn để xác minh tính xác thực của chúng.

Ví dụ, các loại thảo mộc như Oregano bao gồm chất thơm và phenol rất đặc trưng cho loại gia vị cụ thể đó. Nếu thứ này được cắt bằng lá ô liu, chúng ta có thể sẽ thấy một số chất thơm đó giảm bớt hoặc thứ gì đó bắt đầu xuất hiện từ một nguồn khác. Cách làm này cũng có thể được sử dụng với các loại gia vị khác như thì là và ớt bột.

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của NMR và NMR trường cao là phát hiện sự tạp nhiễm của mật ong. Mật ong và nước tiểu có liên quan đến khả năng ức chế dung môi trên NMR.

Rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong các cơ sở lâm sàng về việc xác định các hợp chất cụ thể trong nước tiểu để chẩn đoán bệnh bằng cách xem xét các chất chuyển hóa cụ thể nên hoặc không nên có trong nước tiểu.

Một trong những vấn đề lịch sử thách thức nhất với NMR để bàn là vấn đề với kích thước của đỉnh nước. Trong một số ma trận, khó có thể nhìn thấy bất cứ thứ gì khác khi đỉnh nước cực kỳ lớn.

Tuy nhiên, việc triệt tiêu dung môi hiện đại trên NMR cho phép chúng ta xem tất cả các chất phân tích được quan tâm này, bao gồm axit hữu cơ, protein và đường.

Các thành phần này cũng được tìm thấy trong nhiều loại thực phẩm, và một số cách sử dụng phổ biến nhất cho NMR trường cao đang xem xét các thành phần cụ thể này.

Khi chúng ta nhìn vào phổ mật ong điển hình trên máy quang phổ trường cao, chúng ta có thể thấy axit, protein và đường. Nếu chúng ta có thể truy cập vào mức độ chi tiết này bằng NMR để bàn, điều này có thể mở ra các phương thức xác minh tính xác thực của thực phẩm bằng một số thông số khác ngoài các thành phần béo.

Để biết thêm thông tin, vui lòng liên hệ Việt Anh. Bộ phận chuyên môn của chúng tôi luôn sẵn sàng hỗ trợ các câu hỏi về NMR để bàn từ bạn.