Ứng dụng dung môi chiết chloroform để xác định cafein trong cà phê bằng phương pháp khối lượng

  1. MỞ ĐẦU

Cà phê được phát hiện lần đầu tiên tại một tỉnh cao nguyên của Ethiopia. Ban đầu, cây cà phê chỉ được trồng ở Châu Phi và Ả Rập, tuy nhiên cho đến bây giờ thì có khoảng 50 nước trồng loại cây này, trên thế giới có 2 loại cây cà phê được trồng và xuất khẩu nhiều nhất đó là: cà phê chè hay còn được gọi với tên quốc tế là Coffe Arabica và cà phê Vối hay Coffe Robusta. Cà phê thành phần chính là caffein, một chất tạo cảm giác hưng phấn. Tuy nhiên theo một nghiên cứu của nhà hoá học Mỹ tại Đại Học Scranton thì cà phê còn cung cấp chất chống ôxy hoá, rất tốt cho sức khoẻ. Nó cũng có khả năng giảm nguy cơ bị ung thư ở người. Ngày nay, cà phê là một trong những thức uống thông dụng

Cà phê (gốc từ café trong tiếng Pháp) là một loại thức uống màu đen có chứa chất caffein và được sử dụng rộng rãi, được sản xuất từ hạt cà phê được rang lên.. Hạt cà phê được lấy từ hạt của các loài cây thuộc họ cà phê (Rubiaceae). Ba dòng cây cà phê chính là Coffea arabica (Cà phê Arabica) – cà phê chè – và Coffea canephora (Robusta) – cà phê vối cà phê mítCoffea excelsa – với nhiều loại khác nhau. Chất lượng hay đẳng cấp của cà phê khác nhau tùy theo từng loại cây, từng loại hạt và nơi trồng khác nhau. Cà phê Robusta được đánh giá thấp hơn so với cà phê Arabica do có chất lượng thấp hơn và giá cả theo đó cũng rẻ hơn. Loại cà phê đắt nhất và hiếm nhất thế giới tên là Kopi Luwak (hay “cà phê chồn”) của Indonesia và Việt Nam.

  1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Công dụng và tác hại của cà phê

Theo nhóm nguyên cứu của GS Andrew Scholey, Trung tâm nghiên cứu nhận thức và khoa học nơwtron thuộc Đại Học Northumbia (Anh), khẳng định rằng cà phê rất tốt cho trí não. Bởi trong hạt cà phê caffein chiếm 1-2%, có tác dụng kích thích thần kinh, tăng sức làm việc của trí óc. Uống cà phê thường xuyên sẽ làm tăng khả năng trí nhớ lên gấp 3 lần, vì caffein tập trung vào não.

Các nhà khoa học Mỹ cho biết uống cà phê điệu độ có thể làm giảm nguy cơ mắc bệnh tiểu đường type II. Theo Tiến Sĩ Martin thuộc Đại Học Vanderbilt (Mỹ), chất axit chlorogenic có trong cà phê đã giúp cơ thể xử lý tốt lượng đường glucose trong máu.

Cà phê giúp giảm đau, những loại thuốc giảm đau thường chứa caffein. Bởi caffein đẩy nhanh tác dụng của các chất làm giảm cơn đau bằng cách giúp cho chúng được hấp thụ nhanh chóng. Một tách cà phê hay một tách trà có thể làm bạn khỏi đau đầu. Quả vậy, nếu những chất làm giảm mạch thường gây đau đầu thì caffein làm cho mạch máu co lại.

Nhiều tài liệu y học nói đến tác dụng của caffein làm những người bị hen thở dễ dàng hơn và giảm nguy cơ bị lên cơn hen. Nhiều công trình nguyên cứu hiện nay đã khẳng định điều này. Một công trình ở Ý, theo dõi trên 70.000 người đã khẳng định caffein là “ khắc tinh ” của bệnh hen. Nếu uống từ 2 đến 3 ly cà phê mỗi ngày, nguy cơ bị các cơn hen tấn công giảm được 28%.

Năm 2003 một nhóm nghiên cứu tại viện thể dục thể thao Úc tại Canberra nhận thấy các vận động viên uống một chút caffein trước khi luyện tập có thể tăng thành tích từ 3 đến 30% so với người không uống. Các nhà khoa học giải thích rằng caffein kích thích sự đốt cháy chất béo để sinh năng lượng chứ không phải đường trong bắp thịt.

Theo các nhà khoa học Italia, 95% chất polyphenol có trong bã cà phê có tác dụng làm giảm nguy cơ ung thư, bệnh tim mạch và còn có thể tận dụng để đun bếp.

Đối với phụ nữ uống nhiều cà phê có ít nguy cơ mắc bệnh ung thư cổ tử cung. Theo hãng tin AFP, các chuyên gia thuộc Trung tâm ung thư  Quốc Gia thuộc bộ Y Tế Nhật Bản đã theo dõi 54.000 phụ nữ tuổi từ 40 đến 69 trong 15 năm.

Một công trình nghiên cứu năm 2005 trên 10.000 người tình nguyện do viên nghiên cứu Quốc Gia về bệnh gan, thận và tiêu hóa đã chứng minh caffein trong cà phê và trà giảm nguy cơ tổn thương gan do các đồ uống và hiện tượng béo phì gây ra.

Bên cạnh những công dụng trên cà phê, các nhà khoa học cũng cảnh báo không nên lạm dụng cà phê. Vì tiêu thụ quá nhiều caffein sẽ gây tình trạng lo lắng, mất ngủ. Dùng lâu dài, caffein gây táo bón và phụ nữ có thai có thể sinh con nhẹ cân, thậm chí sảy thai. Đặc biệt là những người có tiền sử về bệnh tim mạch thì uống cà phê không phải là một điều tốt cho sức khỏe của họ, bởi caffein trong cà phê có thể gây tăng huyết áp và nồng độ axitamin trong máu.

Vì vậy theo các nhà khoa học nghiên cứu về tác dụng của cà phê khuyên chúng ta nên dùng cà phê mỗi ngày 300 mg là hợp lý cho sức khỏe nhất.

2.2.Vài nét về caffein 

Caffein (C8H10N4O2) là tên phổ biến của trimetilxantin ( tên đầy đủ là 3,7-trimethylxanthine hoặc 3,7-dihydro-1,3,7-trimethyl-1H-purine-2,6-dione). Chất này còn có những cái tên khác như cà phê, trà, mat-tin (mateine), gua-ra-nai (guaranine), hay methyltheobromine. Caffein là sản phẩm của một số loại thực vật, trong đó có hạt cà phê, cây gua-ra-na, cây vơ-ba mát (yerba maste), cây ca cao và trà. Đối với thực vật, caffein là một thứ thuốc trừ sâu tự nhiên. Nó làm tê liệt và giết chết sâu bọ ăn thực vật. Phân tử này được chiết xuất lần đầu tiên vào năm 1819, bởi nhà hoá học Pháp, Friedrich Ferdinand Runge.

Nếu là loại tinh khiết, caffein ở dạng bột màu trắng và cực kì đắng. Nó được thêm vào côla, và nhiều loại thức uống khác để đem lại một vị đắng thú vị rất đặc biệt. Tuy nhiên, caffein còn là một chất kích thích có thể gây nghiện.

Trong cơ thể người ta, nó gây sự kích thích lên các dây thần kinh, nhịp tim, sự hô hấp, làm thay đổi tính cách con người và hoạt động cũng giống như một chất lợi tiểu. Thông thường, một tách cà phê có chứa khoảng 100 mg caffein. Caffein được dùng dưới dạng cà phê, Cola, Socola, và trà mặc dù có thể mua nó khá dễ dàng dưới dạng một chất kích thích.

Người ta tin rằng caffein làm trở ngại sự tiếp nhận thông tin của não bộ và các cơ quan khác. Việc giảm sự tiếp nhận thông tin này sẽ làm chậm lại các hoạt động của tế bào. Nhưng tế bào thần kinh bị kích thích và tiết ra hóc-môn epinêrin (ađrenalin) làm tăng nhịp tim, huyết áp và lượng máu chảy trong các cơ, giảm máu chảy đến da và các bộ phận khác. Và gây ra sự giải phóng glucose trong cơ thể. Caffein còn làm tăng mức độ truyền đạt của thần kinh. Caffein nhanh chóng được đào thải khỏi não hoàn toàn. Nó chỉ có hiệu quả trong một thời gian ngắn và có khuynh hướng không làm ảnh hưởng nhiều đến sự tập trung hay những chức năng khác của não. Tuy nhiên, sau một thời gian sử dụng caffein, ta sẽ tăng sức chịu đựng đối với nó.

Sức chịu đựng khiến cho cơ thể dễ nhạy cảm. Vì thế việc cai nghiện sẽ khiến cho huyết áp giảm, có thể gây ra đau đầu và một số triệu chứng khác. Với quá nhiều lượng caffein có thể gây ra ngộ độc caffein. Một số đặc điểm như: nóng tính, thường xuyên rơi vào tình trạng bị kích động,làm giảm sự tiểu tiện, gây mất ngủ, mặt đỏ ửng, làm lạnh tay chân, bệnh đường ruột và thỉnh thoảng lại bị ảo giác.

Một số người mắc phải các triệu chứng ngộ độc caffein sau khi dùng khoảng 250 mg mỗi ngày. Đối với người lớn, ước tính khoảng 13-19 gam, caffein có thể gây chết người. Trong khi được coi là an toàn đối với con người, caffein có thể rất độc đối với thú nuôi như: chó, ngựa hay vẹt. Caffein được chứng mình có thể làm giảm bệnh tiểu đường (dạng II). Ngoài việc dùng caffein như một chất kích hay là một thói quen, chúng còn có thể làm thuốc giảm đau đầu khá hiệu quả.

Vì vậy, việc phân tích để tìm ra hàm lượng caffein trong cà phê sẽ góp phần kiểm soát được chất lượng của cà phê theo tiêu chuẩn. Có nhiều phương pháp để xác định hàm lượng caffein trong cà phê, tùy thuộc vào hàm lượng chất phân tích mà có thể sử dụng các phương pháp khác nhau: Phương pháp khối lượng, pương pháp điện hóa, phương pháp phân tích công cụ (phương pháp quang phổ, phương pháp phổ phát xạ nguyên tử EAS, phương pháp phổ háp thụ nguyên tử AAS) trong đó phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV – VIS là phương pháp có độ lặp lại, độ nhạy và độ chọn lọc cao. Mặt khác phương pháp này chỉ cần sử dụng máy móc, thiết bị không quá đắt phù hợp với điều kiện của nhiều phòng thí nghiệm. Từ những lý do trên  Tôi chuyên đề “ Ứng dụng quang phổ hấp thụ phân tử (UV – VIS). Xác định hàm lượng caffein  trong cà phê ”.

2.3. Cơ sở của phương pháp

Phương pháp phân tích khối lượng (hay còn gọi là phương pháp cân) là một phương pháp phân tích hóa học cổ điển, dựa trên cơ sở việc cân chính xác khối lượng chất cần xác định, được tách ra khỏi những chất khác có trong mẫu dưới dạng tinh khiết.

Quá trình này có thể tiến hành theo nhiều cách khác nhau, có khi phải trải qua những biến đổi hoá học cần thiết, chất được tách ra dưới dạng sạch, khối lượng được cân chính xác và từ đó suy ra hàm lượng tính theo phần trăm của chất cần xác định có trong mẫu.

2.3.1. Phân loại phương pháp

Việc phân loại chủ yếu dựa vào các phương pháp tách, ta có thể chia ra như sau:

2.3.2. Phương pháp bay hơi

Khi chất xác định độ bay hơi hoặc có thể dễ dàng chuyển thành dạng hợp chất dễ bay hơi ở điều kiện thực nghiệm xác định thì ta có thể dùng phương pháp tách hòan tòan (hay gọi là đuổi) bằng cách gia nhiệt ở nhhiệt độ thích hợp. Dựa vào sự hao hụt khối lượng trước và sau khi gia nhiệt ta suy ra thành phần phần trăm chất cần xác định. Phương pháp này gồm:

Phương pháp bay hơi trực tiếp:

VD: Xác định Hàm lượng CO2 trong muối cacbonat. Cho muối cacbonat tác dụng với axit, rồi hấp thụ CO2 vào bình nước vôi trong (đã biết trước khối lượng) sau đó xác định khối lượng của bình và suy ra lượng khí CO2 thu được.

Phương pháp bay hơi gián tiếp: xác định khối lượng của chất còn lại sau khi làm bay hơi ở điều kiện xác định, từ đó suy ra hàm lượng chất cần tìm (chất bay hơi).

VD: Xác định độ ẩm của các loại mẫu.

2.3.3. Phương pháp kết tủa

Đây là phương pháp phân tích khối lượng quan trọng có nhiều ứng dụng rộng rãi.

Nguyên tắc chung của phương pháp : Lấy chính xác một lượng mẫu cân, chưyển hóa mẫu vào dung dịch. Rồi làm kết tủa hòan tòan ion cần xác định dưới dạng một hợp chất ít tan, lọc rửa sạch kết tủa. Nung và cân chính xác khối lượng chất cần xác định ở dạng cân. Từ lượng dạng cân này và lượng mẫu cân ban đầu ta suy ra hàm lượng % chất cần xác định.

Ví dụ: Xác định hàm lượng Ca2+ trong mẫu CaCO3 theo phương pháp khối lượng oxalat.

2.4. Các bước tiến hành phân tích mẫu

Thường những kết quả phân tích khối lượng bao gồm những dự liệu của hai phép đo hoặc đôi khi của hai dãy phép đo: lượng ban đầu của mẫu và lượng hợp phần cần xác định trong mẫu. Hoàn toàn không kém phần quan trọng đó là những giai đoạn chuẩn bị trước, những giai đoạn này nặng nhọc lâu dài hơn và ảnh hưởng trực tiếp đến phép đo. Vì thế khi phân tích mẫu cần tiến hành cẩn thận theo các bước sau:

3.4.1.Chọn mẫu và pha chế các dung dịch chuẩn:

Chọn mẫu: Để đánh giá đúng thành phần, phản ánh đúng tính chất của toàn bộ chất cần phân tích, thì việc chọn mẫu là giai đoạn không thể thiếu

– Chuẩn bị mẫu để phân tích: Cần phải nghiền và trộn đều để đảm bảo tính đồng nhất của mẫu. Đôi khi cần phải loại trừ độ ẩm hấp thụ ra khỏi chất rắn bằng cách phân tích mẫu sấy khô.

– Pha chế các dung dịch chuẩn: Cần tính toán pha chế các dung dịch sử dụng trong thí nghiệm, các dung dịch phụ và dung dịch tiêu chuẩn.

2.4.2. Tiến hành thí nghiệm: Thực hiện đầy đủ các khâu của phương pháp theo trình tự quy trình phân tích mẫu.

2.4.3. Giai đoạn kết thúc phép phân tích: Cần tính toán và xử lý kết quả, viết báo cáo, tường trình phép phân tích.

2.5. Các yêu cầu lấy mẫu

– Việc lấy mẫu cần được nhân viên lấy mẫu thực hiện một cách khoa học và tuân thủ theo đúng qui trình lấy mẫu đã ban hành.

– Dụng cụ lấy mẫu, cốc đựng phải đảm bảo vô trùng và không lẫn tạp chất, thích hợp với từng loại mẫu, không làm ảnh hưởng đến chất lượng của mẫu và an toàn cho người lấy mẫu.

– Trước khi lấy mẫu cần phải xem xét kỹ bao bì bên ngoài, vẫn phải còn nguyên không có hiện tượng hư hỏng hoặc rách bao thì phải để nguyên tình trạng rồi phân loại riêng.

– Cần có nhận xét về cảm quan và ghi vào phiếu lấy mẫu, thao tác lấy mẫu cần phải thận trọng, tỉ mỉ chính xác tránh gây ô nhiễm mẫu.

– Tùy theo từng quy trình kiểm tra chất lượng mà tính lượng mẫu cần lấy để phân tích và để lưu, phần thí nghiệm ít nhất ba lần và một lần để lưu.

  1. THỰC NGHIỆM

3.1. Tầm quan trọng của việc lấy mẫu

Để việc lấy mẫu đúng quy cách ta cần lấy mẫu bình quân hay còn gọi là mẫu trung bình. Mẫu trung bình là mẫu được lấy ở nhiều diểm, nhiều chổ với độ nông sâu khác nhau, được gộp chung thành mẫu trung bình. Lượng mẫu này được rút gọn thành một lượng thích hợp đem phân tích. Việc lấy mẫu trung bình có nhiều quá trình và đôi khi rất phức tạp, lấy mẫu không đúng làm kết quả sai lệch không phản ánh đúng thành phần và tính chất của khối mẫu chung. Mỗi loại mẫu có quy trình lấy mẫu riêng .

3.2. Nguyên tắc lấy mẫu:

Lấy mẫu trong lô hàng: lấy số thùng (hoặc kiện) trong lô nhưng không được ít hơn 2 thùng (hoặc kiện). Từ mỗi thùng hoặc kiện lấy ra 1 hộp, 1 lọ hoặc 1 gói nhưng không được ít hơn 2 gói (hộp hoặc lọ). Từ các mẫu, cho ra khay trộn đều để có mẫu trung bình. Mẫu trung bình không ít hơn 1 kg. Bằng phương pháp chia chéo lấy ra 250-500g để làm mẫu phân tích.

Mẫu phân tích được bảo quản trong lọ thuỷ tinh hoặc lọ nhựa (hộp nhựa…) có nắp đậy kín trên lọ hoặc hộp có dán nhãn ghi rõ:Tên sản phẩm, cơ sở sản xuất, ngày nhận mẫu, Địa chỉ.

3.3. xác định hàm lượng caffein (phương pháp chiết xuất bằng clorofom )

3.3.1. Nguyên lý:

Bột cà phê sau khi cho tiếp xúc với amoniac đặc ta tiến hành chiết xuất bằng ete, ở nhiệt độ thường ete sẽ bay hơi, phần cặn còn lại đem sấy ở nhiệt độ nhỏ hơn 1000C.

Hoà tan cặn với nước cất sôi ( khoảng 150 ml ) sau đó cho KMnO4 tiếp xúc rồi cho từng giọt H2O2 – axit acetic để KMnO4 mất màu hoàn toàn và những tủa xốp hình thành. Lọc rửa kết tủa bằng nước cất sôi, tinh chế lại caffein bằng cách chiết xuất với clorofom, đem dịch chiết cô khô trên bếp cách thuỷ, rồi tiến hành sấy ở nhiệt độ 1000C  và cân.

Tính kết quả theo công thức sau:

Hàm lượng caffein (X) có trong 100 gam cà phê là:

%X= (P’-P)*100/G

Trong đó:

P: Khối  lượng của chén và caffein sau khi đã sấy khô (g)

P: Khối lượng của chén mẫu (g).

G: Khối lượng mẫu cân ban đầu (g).

3.3.2. Dụng cụ và hoá chất:

Dụng cụ: Ống ly tâm cỡ lớn hoặc ống nghiệm, đũa thuỷ tinh, bếp cách thuỷ, bông y tế, cốc thuỷ tinh, chén sứ, tủ sấy, cân phân tích, và các dụng cụ khác.

          Hoá chất: Ete tinh khiết, clorofom tinh khiết, dung dịch HO2, axit acetic, dung dịch KMnO4 1%, dung dịch NH3 đậm đặc.

3.3.3. Điều kiện xác định:

– Chiết xuất caffein bằng ete và clorofom đây là 2 chất độc rất dễ bay hơi ở nhiệt độ thường, có mùi hôi, gây đau đầu nên khi thao tác cần tiến hành nhanh gọn, tránh tiếp xác với ete nhiều và nên đeo khẩu trang kín khi thao tác.

– Không được cho dư H2O2 – axit acetic vì nó sẽ làm mất kết tủa chỉ còn lại lớp bơ nổi trên bề mặt, trường hợp này cần làm lại thí nghiệm.

– Quá trình lọc cần lọc bỏ lớp bơ trên bề mặt nếu không sẽ gây sai số.

3.3.4. Qui trình xác định

Cân chính xác 3 gam bột cà phê sai số cho phép là 0.01 gam trong cốc thuỷ tinh ( đã sấy khô và biết trước khối lượng) trên cân phân tích. Cho vào ống ly tâm cỡ lớn thêm 3 ml NH3 đặc để tiếp xúc nửa giờ, thỉnh thoảng dùng đũa thuỷ tinh khuấy đều, dùng bông y tế bịt kín miệng ống.

Chiết xuất bằng ete 4 lần ( mỗi lần với 25 đến 30 ml ete ) để yên trong 10 phút và khuấy liên tục, dịch chiết chuyển sang cốc thuỷ tinh dung tích 100 ml, tập trung dịch chiết và cất thu hồi ete. Cặn còn lại đem sấy khô ở nhiệt độ không quá 1000C trong thời gian 15 phút.

Hoà tan cặn 3 lần, mỗi lần với 50 ml nước cất sôi, đặt cốc mẫu trên bếp cách thuỷ sôi vài phút, để nguội bớt thêm 17 ml dung dịch KMnO4 1%.

Để tiếp xúc 15 phút trên nồi cách thuỷ sôi rồi cho từ từ từng giọt nước   H­2O2 – axit acetic vừa đủ để dung dịch KMnO4 mất màu và những tủa xốp hình thành. Chú ý đừng cho thừa và thao tác đúng 15 phút.

Lọc kết tủa qua giấy lọc nhanh, rửa kết tủa bằng nước cất sôi, tinh chế lại caffein bằng cách cho cặn và giấy lọc có chứa kết tủa vào một bình lắng gạn chiết xuất bằng clorofom 4 lần mỗi lần với 25 – 30 ml.

Dịch chiết clorofom lọc thẳng vào chén sứ ( đã và cân biết trước khối lượng) đem cô khô trên bếp cách thuỷ đến khô rồi chuyển chén sứ vào tủ sấy ở nhiệt độ 1000C khoảng nửa giờ, để nguội trong bình hút ẩm tới nhiệt độ phòng, cân và tính kết quả.

ThS. Lương Công Quang

Gọi điện thoại
0905339749