Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Xác định một số hydrocacbon thơm đa vòng trong thực phẩm bằng kỹ thuật sắc ký khí khối phổ MS/MS

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là xây dựng quy trình phân tích một số PAHs trong thực phẩm áp dụng phương pháp chiết QuEChERS cho giai đoạn xử lý mẫu và phân tích bằng kỹ thuật GC-MS/MS; áp dụng quy trình đã thiết lập để phân đồng thời 18 PAHs trong một số mẫu mì ăn liền và trà thành phẩm lưu hành trên thị trường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Xác định một số hydrocacbon thơm đa vòng trong thực phẩm bằng kỹ thuật sắc ký khí khối phổ MS/MS

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Mai Thị Huyền Thương XÁC ĐỊNH MỘT SỐ HYDROCACBON THƠM ĐA VÒNG TRONG THỰC PHẨM BẰNG KỸ THUẬT SẮC KÝ KHÍ KHỐI PHỔ MS/MS LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2019
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Mai Thị Huyền Thương XÁC ĐỊNH MỘT SỐ HYDROCACBON THƠM ĐA VÒNG TRONG THỰC PHẨM BẰNG KỸ THUẬT SẮC KÝ KHÍ KHỐI PHỔ MS/MS Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 8440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐÀO HẢI YẾN Hà Nội - 2019
i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan các nội dung, số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Mai Thị Huyền Thương
ii Lời cảm ơn Nghiên cứu này được tài trợ bởi đề tài “Nghiên cứu xác định các chất độc phát sinh trong một số quá trình chế biến thực phẩm truyền thống của Việt Nam” trong mã đề tài số VAST.TĐ.TP.03/16-18 Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong khoa Hóa học – Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình dạy bảo, truyền đạt cho tôi kiến thức nền tảng trong suốt thời gian học tập và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành luận văn. Tôi đặc biệt xin trân trọng cảm ơn TS. Đào Hải Yến - người trực tiếp hướng dẫn khoa học đã đóng góp ý kiến và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu khoa học, thực hiện và hoàn thành luận văn. Chúng tôi xin cảm ơn chân thành tới Ban Lãnh đạo Viện Hóa Học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các phòng chức năng đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và người thân đã giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khoá học và thực hiện thành công luận văn này. Luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ phía hội đồng báo cáo, giáo viên phản biện và các thầy cô trong khoa để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 16 tháng 4 năm 2019 Học viên Mai Thị Huyền Thương
iii MỤC LỤC Lời cam đoan ........................................................................................................ i Lời cảm ơn ........................................................................................................... ii MỤC LỤC .......................................................................................................... iii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ............................................................... vi Danh mục bảng.................................................................................................. vii Danh mục hình .................................................................................................viii MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU....................................................................... 3 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CÁC HYDROCACBON THƠM ĐA VÒNG ........................ 3 1.1.1. Khái niệm, phân loại ................................................................................ 3 1.1.2. Tính chất hóa lý của Hydrocacbon thơm đa vòng ................................... 4 1.2. NGUỒN GỐC PHÁT SINH CỦA CÁC HỢP CHẤT PAHs ............................. 5 1.2.1. Nguồn tự nhiên......................................................................................... 6 1.2.2. Nguồn nhân tạo ........................................................................................ 6 1.2.3. Sự xuất hiện PAHs trong thực phẩm ....................................................... 7 1.3. ĐỘC TÍNH VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH PAHs ................................................ 9 1.3.1. Độc tính .................................................................................................... 9 1.3.2. Cơ chế hình thành PAHs trong thực phẩm ............................................11 1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PAHs TRÊN THẾ GIỚI ..................................... 13 1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PAHs Ở VIỆT NAM........................................... 16 1.6. GIỚI HẠN CHO PHÉP VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PAHs TRONG THỰC PHẨM........................................................................................... 18 1.6.1. Giới hạn cho phép PAHs trong thực phẩm ............................................18 1.6.2. Một số phương pháp phân tích PAHs trong thực phẩm ........................20
iv CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................ 27 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ............................................................................. 27 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................ 27 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................................... 27 2.3.1. Thiết bị sắc ký khí - khối phổ(GC-MS/MS) ..........................................27 2.3.2. Thiết bị, dụng cụ ....................................................................................28 2.3.3. Hóa chất, chất chuẩn ..............................................................................28 2.3.4. Lấy mẫu và bảo quản mẫu .....................................................................29 2.4. ĐỊNH LƯỢNG PAHs TRÊN NỀN MẪU THỰC PHẨM BẰNG KỸ THUẬT GC - MS/MS ............................................................................................................ 30 2.4.1. Xác định các thông số kỹ thuật cho hệ thống GC - MS/MS..................30 2.4.2. Thông số kỹ thuật ban đầu cho hệ thống GC.........................................30 2.4.3. Thông số kỹ thuật ban đầu cho hệ thống MS ........................................31 2.4.4. Quy trình khảo sát khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn .........31 2.4.5. Tối ưu hóa phương pháp xử lý mẫu thực phẩm .....................................32 2.5. ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP ............................................................................. 36 2.5.1. Đánh giá độ lặp của thiết bị ...................................................................36 2.5.2. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương pháp ...............37 2.5.3. Tính toán kết quả ...................................................................................38 2.5.4. Hiệu suất thu hồi của phương pháp .......................................................38 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 40 3.1. TỐI ƯU HÓA CÁC ĐIỀU KIỆN PHÂN TÍCH SẮC KÝ ................................ 40 3.1.1. Điều kiện sắc ký .....................................................................................40 3.1.2. Điều kiện MS/MS ..................................................................................40 3.1.3. Đánh giá độ lặp của thiết bị ...................................................................42 3.1.4. Đường chuẩn hỗn hợp xác định 18 PAHs .............................................43 3.2. TỐI ƯU HÓA PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ MẪU ................................................ 44
v 3.2.1. Quá trình bay hơi dung môi ...................................................................44 3.2.2. Tối ưu hóa phương pháp xử lý mẫu .......................................................46 3.2.3. Quy trình phân tích PAHs trong thực phẩm ..........................................51 3.3. XÁC NHẬN GIÁ TRỊ SỬ DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ............................. 52 3.3.1. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương pháp ...............52 3.3.2. Độ tái lặp của phương pháp ...................................................................53 3.3.3. Hiệu suất thu hồi của phương pháp .......................................................54 3.4. ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH PAHs TRONG MẪU THỰC PHẨM................... 55 3.4.1. Mẫu mì ăn liền .......................................................................................56 3.4.2. Mẫu trà ...................................................................................................57 3.4.3. Kết luận ..................................................................................................62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 65 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 71
vi Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Viết Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt tắt ACN Acetonitrile Axetonitril B(a)P Benzo(a)pyrene Benzo(a)pyrene GC- Gas Chromatography tandem Sắc ký khí ghép nối hai lần khối MS/MS Mass Spectrometry phổ High Performance Liquid Sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC Chromatography LC- Liquid Chromatography tandem Sắc ký lỏng khối phổ hai lần MS/MS Mass Spectrometry LOD Limit of Detection Giới hạn phát hiện LOQ Limit of quantification Giới hạn định lượng MRM Multireaction mornitoring Kiểm soát đa phản ứng Polycyclic Aromatic Hydrocacbon thơm đa vòng PAHs Hydrocacbons PSA Primary secondary amines Chất hấp phụ amin bậc 2 RSD Relative Standard Deviation Độ lệch chuẩn tương đối RSM Response Surface Methodology Phương pháp bề mặt đáp ứng SPE Solid Phase Extraction Chiết pha rắn
vii Danh mục bảng Bảng 1.1. Tính chất vật lý của một số hợp chất PAHs ............................................5 Bảng 1.2. Hàm lượng PAHs trung bình ở các sản phẩm xông khói ......................8 Bảng 1.3. Khả năng gây ung thư, đột biến gen của các PAHs .............................11 Bảng 1.4. Quy định EU số 835/2011 cho B(a)P và PAH4 trong thực phẩm ......19 Bảng 1.5. So sánh QuEChERS với phương pháp truyền thống ...........................24 Bảng 1.6. Tóm tắt một số phương pháp phân tích PAHs trong thực phẩm .........26 Bảng 2.1. Các đối tượng mẫu trong nghiên cứu ....................................................30 Bảng 2.2. Giá trị mã hóa các yếu tố thực nghiệm ..................................................35 Bảng 2.3. Thiết kế thí nghiệm ở các mức...............................................................35 Bảng 3.1. Thời gian lưu và điều kiện MS/MS để phân tích PAHs.......................40 Bảng 3.2. Độ lặp lại thời gian lưu của các PAHs trên thiết bị ..............................42 Bảng 3.3. Phương trình đường chuẩn các PAHs. ..................................................43 Bảng 3.4. Hiệu suất thu hồi giữa các phương pháp bay hơi dung môi ................45 Bảng 3.5. Kết quả thực nghiệm và dự đoán mô hình ............................................46 Bảng 3.6. Kết quả phân tích hồi quy.......................................................................48 Bảng 3.7. Phân tích phương sai ANOVA ..............................................................49 Bảng 3.8. Tối ưu hóa điều kiện chiết PAHs ...........................................................51 Bảng 3.9. LOD và LOQ của 18 PAHs ...................................................................53 Bảng 3.10. Độ tái lặp của phương pháp .................................................................54
viii Danh mục hình Hình 1.1. Cấu trúc ba chiều và cấu trúc mạng tinh thể của một phân tử PAHs.....3 Hình 1.2. Cơ chế tạo thành benzo(a)pyrene ...........................................................12 Hình 1.3. Sự tạo thành các hợp chất PAHs có nhiều vòng thơm từ naphthalene.12 Hình 2.1. Hệ thiết bị GC- MS/MS ..........................................................................28 Hình 2.2. Quy trình dự kiến xử lý mẫu phân tích PAHs .......................................32 Hình 3.1. Sắc ký đồ hỗn hợp chuẩn 18 PAHs ở nồng độ 100 ppb .......................42 Hình 3.2. So sánh hiệu thu hồi giữa các phương pháp bay hơi dung môi............45 Hình 3.3. Sự phù hợp của hiệu suất thu hồi theo mô hình và thực nghiệm .........47 Hình 3.4. Mô hình tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chiết PAHs ..50 Hình 3.5. Phần trăm các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chiết PAHs .................50 Hình 3.5. Quy trình xử lý mẫu phân tích PAHs.....................................................52 Hình 3.6. Hiệu suất thu hồi của 20 PAHs ..............................................................55 Hình 3.7. Phân bố phần trăm PAHs trong mẫu mì ăn liền ....................................56 Hình 3.8. Phân bố phần trăm PAHs trong mì chiên dầu và mì không chiên .......57 Hình 3.9. Hàm lượng PAHs trung bình trong các loại trà.....................................58 Hình 3.10. Phân bố PAHs trong các nhóm trà theo số vòng.................................59 Hình 3.11. Hàm lượng PAHs trong các mẫu trà ....................................................60 Hình 3.12. Hàm lượng PAH4 trung bình trong các loại trà ..................................61
1 MỞ ĐẦU Hydrocacbon thơm đa vòng (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons – PAHs) là một nhóm hợp chất gây ô nhiễm nguy hiểm đến sức khỏe con người. Các hợp chất này có độc tính cao, tồn lưu trong các môi trường đất, nước, không khí, trầm tích và được tích lũy trong thực phẩm. Chế biến thực phẩm thường được sử dụng để xử lý thực phẩm tươi (nguyên liệu thô) trong các sản phẩm thực phẩm hoặc biến đổi nguyên liệu thô đã xử lý thành các dạng thực phẩm khác. Nấu ăn và chế biến thực phẩm ở nhiệt độ cao được công nhận là tác nhân quan trọng phát sinh các chất độc hại cho sức khỏe con người. Ở những liều lượng nhất định, PAHs thường gây ra những tác động không tốt đến sự sinh sản, sinh trưởng, phát triển và khả năng miễn dịch. Sau thời gian dài tích tụ trong cơ thể, các PAHs sẽ gây ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến sức khỏe con người thông qua một số con đường khác nhau. Với con người, PAHs có thể là tác nhân gây đột biến gen dẫn đến ung thư. Một số nghiên cứu trên thế giới đã tiến hành xác định PAHs trong các sản phẩm chứa nhiều chất béo như cá hồi, thịt….Trong khi đó ở Việt Nam, các tài liệu nghiên cứu về PAHs xuất hiện trong thực phẩm còn tương đối ít. Chính vì thế, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu khảo sát để xác định các hợp chất PAHs xuất hiện trong thực phẩm, đặc biệt là các thực phẩm có sử dụng nhiệt trong công nghệ chế biến (nướng, chiên rán, rang sấy,…) Phương pháp phân tích sắc kí khí ghép nối hai lần khối phổ GC – MS/MS cho phép xác định trực tiếp các PAHs dựa trên sự khác biệt về cấu trúc và nhiệt độ hóa hơi của từng PAHs, được coi là phương pháp phân tích có độ nhạy và độ chọn lọc rất cao. Độ chọn lọc cao của detecter khối phổ (MS/MS) cho phép tối giản quá trình chuẩn bị mẫu, phép tích phân pic dễ dàng và nhanh hơn, từ đó đơn giản hóa việc xử lý dữ liệu, loại bỏ nhiễu, tăng hiệu quả phân tích cho GC và đưa ra kết quả tin cậy hơn. Độ nhạy cao khiến MS/MS có thể phân tích được những mẫu có hàm lượng vết hoặc siêu vết, giảm thiểu tối đa thời gian phân tích cũng như loại bỏ được phần lớn ảnh hưởng từ nền mẫu.
2 Xuất phát từ tính cấp thiết của xã hội và tính ưu việt của phương pháp phân tích này, chúng tôi thực hiện đề tài: “Xác định một số hydrocacbon thơm đa vòng trong thực phẩm bằng kỹ thuật sắc ký khí khối phổ MS/MS” nhằm mục đích: - Xây dựng quy trình phân tích một số PAHs trong thực phẩm áp dụng phương pháp chiết QuEChERS cho giai đoạn xử lý mẫu và phân tích bằng kỹ thuật GC-MS/MS. - Áp dụng quy trình đã thiết lập để phân đồng thời 18 PAHs trong một số mẫu mì ăn liền và trà thành phẩm lưu hành trên thị trường.
3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CÁC HYDROCACBON THƠM ĐA VÒNG 1.1.1. Khái niệm, phân loại 1.1.1.1. Khái niệm Hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs – Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) hay còn gọi là những hydrocacbon thơm đa vòng ngưng tụ, là các hợp chất hóa học trong đó bao gồm các vòng thơm không chứa các dị tố hay mang theo nhóm thế, có hai hay nhiều vòng thơm gắn với nhau tạo thành các hợp chất hữu cơ bền. Hình 1.1 mô tả cấu trúc ba chiều và mạng tinh thể của một phân tử PAHs. (b) (a) (b) Hình 1.1. Cấu trúc ba chiều (a) và cấu trúc mạng tinh thể (b) của một phân tử PAHs 1.1.1.2. Phân loại Theo cấu tạo PAHs thường được chia làm hai nhóm: nhóm có ít hơn hoặc bằng sáu vòng thơm gọi là các PAHs phân tử nhỏ và nhóm có nhiều hơn sáu vòng thơm gọi là các PAHs phân tử lớn. Theo cục bảo vệ môi trường Mỹ (USEPA), PAHs được phân loại thành 18 hợp chất có cấu trúc điển hình bao gồm: 2 vòng thơm (naphthalene, methylnaphthalene), 3 vòng thơm (acenaphthene, acenaphthylene, fluorene, phenanthrene, anthracene), 4 vòng
4 thơm (fluoranthene, pyrene, benzo(a)anthracene, chrysene), 5- 6 vòng thơm (benzo(b)fluoranthene, benzo(e)pyrene, benzo(a)pyrene, indeno(1,2,3-c,d) pyrene, benzo(g,h,i)perylene, dibenz(a,h)anthracene1) [1]. 1.1.2. Tính chất hóa lý của Hydrocacbon thơm đa vòng 1.1.2.1. Tính chất vật lý PAHs nguyên chất thường tồn tại ở dạng không màu, màu trắng hoặc vàng nhạt. Tất cả PAHs đều tồn tại ở dạng rắn ở nhiệt độ phòng và có mùi thơm, tuy nhiên mùi thơm khác nhau tùy thuộc từng đoạn mạch của vòng thơm. Tính chất thơm này chịu ảnh hưởng của số và vị trí các vòng thơm mà có cấu tạo giống vòng benzen [2]. Ngoài ra, PAHs tương đối trơ về mặt hóa học, chúng có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cao, khả năng hòa tan trong nước và áp suất bay hơi của PAHs rất thấp [3]. Ngoại trừ napthalene, PAHs rất ít tan trong nước và độ tan giảm theo chiều tăng khối lượng phân tử. Tuy nhiên, PAHs tan tốt trong các dung môi hữu cơ và chất béo [4]. Các phân tử PAHs có khả năng hấp thụ quang phổ trong vùng tử ngoại rất lớn ở nhiều dải hấp thụ khác nhau và mỗi vòng chỉ hấp thụ trong một dải bước sóng duy nhất. Đặc điểm này thường được ứng dụng để định tính PAHs. Hầu hết các phân tử PAHs đều có đặc tính phát huỳnh quang và tính bán dẫn. Thông thường PAHs hấp thụ yếu tia hồng ngoại có bước sóng nằm trong khoảng 7-14 μm [5]. Một số tính chất vật lý của PAHs được thể hiện trong bảng 1.1. 1.1.2.2. Tính chất hóa học PAHs là hợp chất tương đối trơ về mặt hoá học. Do được cấu tạo từ những vòng benzen nên PAHs có tính chất của hydrocacbon thơm: có thể tham gia phản ứng thế, phản ứng cộng và phản ứng oxi hoá. Ngoài ra, PAHs còn tham gia phản ứng quang hóa trong không khí. Sau sự quang phân của PAHs trong không khí, nhiều sản phẩm oxi hóa đã được hình thành, bao gồm quinon và endoperoxit [6]. PAHs có thể phản ứng với oxit nitơ, acid nitric để hình thành các dẫn xuất nitơ của PAHs và phản ứng với oxit lưu huỳnh, acid sulfuric trong dung dịch để hình thành sulfinic và acid sulfonic [6]. PAHs cũng có thể tham gia phản ứng với ozon và gốc hydroxyl trong không khí.
5 Việc tạo thành hợp chất nitro – PAHs rất quan trọng vì các hợp chất này có thể có hoạt tính sinh học và gây đột biến gen [7]. Bảng 1.1. Tính chất vật lý của một số hợp chất PAHs [8] Độ hòa tan Khối Nhiệt độ Nhiệt độ trong nước Tên gọi CTPT lượng Màu nóng sôi (oC) ở 25oC phân tử chảy (oC) (μg/l) Naphthalene C10H8 128 Trắng 81 217,9 3,17.104 Acenaphthylene C12H8 152 Vàng 92-93 280 Không tan Acenaphthene C12H10 154 Trắng 95 279 3,93.103 Fluorene C13H10 166 Trắng 115 295 1,98.103 Phenanthrene C14H10 178 Không màu 100,5 340 1,29.103 Anthracene C14H10 178 Không màu 216,4 342 73 Fluoranthene C16H10 202 Vàng nhạt 108,8 375 260 Pyrene C16H10 202 Không màu 150,4 393 135 Benzo (a)anthracen C18H12 228 Không màu 160,7 400 14 Chrysene C18H12 228 Không màu 253,8 448 2,0 Benzo(b)fluoranthene C20H12 252 Không màu 168,3 481 1,2 Benzo(k)fluoranthene C20H12 252 Vàng nhạt 215,7 480 0,76 Benzo(a)pyrene C20H12 252 Hơi vàng 178,1 496 3,8 Dibenzo(a,h)anthracene C22H14 278 Không màu 266,6 524 0,5(27oC) Benzo(g,h,i)perylene C22H12 276 Vàng nhạt 278,3 545 0,26 Indeno(1,2,3-c,d)pyrene C22H12 276 Vàng 163,6 536 62 1.2. NGUỒN GỐC PHÁT SINH CỦA CÁC HỢP CHẤT PAHs Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự hình thành các hợp chất PAHs, tuy nhiên PAHs được phát thải vào môi trường từ hai nguồn chính là nguồn tự nhiên và nguồn nhân tạo.
6 1.2.1. Nguồn tự nhiên Phát thải PAHs trong tự nhiên có thể từ hiện tượng núi lửa phun trào, quá trình hình thành đất đá, cháy rừng, tạo trầm tích [9]. Trong nhiều khu vực, cháy rừng và núi lửa phun trào là hai nguồn chính phát thải PAHs vào môi trường. Tại Canada mỗi năm cháy rừng phát thải khoảng 200 tấn PAHs và núi lửa phun phát thải khoảng 1,2-1,4 tấn benzo(a)pyrene [6]. Hàm lượng trung bình của PAHs trong dầu thô là 2,8% [7]. Những vụ tràn dầu và hoạt động khai thác chế biến dầu mỏ là nguồn chủ yếu phát sinh PAHs trong môi trường nước. 1.2.2. Nguồn nhân tạo Các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người là nguồn chủ yếu phát thải PAHs vào môi trường. Các hoạt động chính phát thải PAHs vào môi trường gồm có: Quá trình sản xuất và sử dụng các sản phẩm của than đá và dầu mỏ: Quá trình chưng cất từ than đá sang than cốc, tinh chế dầu, tẩm creozot, nhựa than đá, nhựa rải đường từ các nhiên liệu hóa thạch có thể phát sinh ra một lượng đáng kể PAHs (các sản phẩm phụ như naphthalene). Quá trình sản xuất công nghiệp: PAHs phát thải từ quá trình này không đáng kể, chỉ một số ít PAHs được sản xuất nhằm mục đích thương mại (bao gồm naphthalene, acenaphthalene, fluorene, anthracene, phenanthrene, fluoranthene và pyrene, trong đó sản phẩm công nghiệp quan trọng nhất là naphthalene - được sử dụng trực tiếp làm chất chống gián, nấm, côn trùng, mối mọt trong tủ quần áo. Các hợp chất PAHs trên có thể được tách ra từ quá trình chế biến than, chủ yếu là nhựa than đá. Naphthalene có thể được phân tách từ sự nhiệt phân cặn dầu, olefin [7],... Quá trình sản xuất nông nghiệp: Sự bay hơi các loại hóa chất bảo vệ thực vật sử dụng trong nông nghiệp là nguồn chính phát thải PAHs vào môi trường. Ngoài ra còn do quá trình rang sấy nguyên liệu, đốt rơm rạ, thân cây họ đậu… Tại Trung Quốc, lượng PAHs phát sinh từ đốt rơm rạ ước tính 110 - 126 tấn/năm và từ đốt thân cây họ đậu phát thải từ 13- 26 tấn/năm [10].
7 Lượng PAHs phát thải vào không khí từ hoạt động nông nghiệp dao động rất lớn, phụ thuộc vào một số yếu tố như loại nhiên liệu, điều kiện đốt và các biện pháp kiểm soát được ứng dụng. Tại Bắc Kinh (Trung Quốc), khói thải giao thông, đặc biệt là khói phát sinh từ phương tiện sử dụng động cơ diesel và khói từ bếp lò đốt than trong hộ gia đình là những nguồn đóng góp chính vào nồng độ PAHs ở quốc gia này [11], [12]. Còn ở Mexico, các kết quả khảo sát cho thấy khói thải từ giao thông và từ lò đốt gỗ, đốt rác là các nguồn quan trọng phát sinh PAHs [13]. Tại Việt Nam kết quả nghiên cứu về hệ số phát thải PAHs của một số chất đốt thường được sử dụng cho thấy hệ số phát thải PAHs của mùn cưa > gỗ > than tổ ong > than đá > than hoa [14]. 1.2.3. Sự xuất hiện PAHs trong thực phẩm Thực phẩm sống thường không chứa hàm lượng PAHs cao. Ở những vùng cách biệt hoàn toàn với các hoạt động đô thị hoặc công nghiệp, mức độ PAHs được tìm thấy trong thực phẩm chưa qua chế biến phản ánh sự ô nhiễm nền. PAHs thường bắt nguồn từ việc lan truyền các hạt bụi trong không khí cũng như phát thải tự nhiên từ núi lửa và cháy rừng. Trong khu vực công nghiệp hoặc dọc theo đường cao tốc, sự ô nhiễm của thảm thực vật có thể cao hơn gấp mười lần so với các vùng nông thôn. PAHs có thể phân tán trong không khí, bụi, từ đó xâm nhập tích lũy trong nông sản (hạt giống và hạt ngũ cốc,…), PAHs cũng có thể tích tụ ngay trên bề mặt của rau củ và trái cây. Ví dụ, khí thải từ giao thông cũng là nguồn gây nhiễm PAHs trong rau củ. Hạt cacao thành phẩm cũng có thể bị nhiễm PAHs khi phơi trên đường xi măng hoặc nhựa đường dưới ánh nắng mặt trời, hoặc do công nghệ sấy khô trực tiếp. Thủy hải sản cũng có thể bị nhiễm PAHs trong nước hoặc bởi các lớp trầm tích. Chế biến thực phẩm (như sấy khô và hun khói) và nấu thức ăn ở nhiệt độ cao (nướng, rang, chiên) là những nguồn chính tạo ra PAHs [15], [16]. Hàm lượng PAHs cao 200 μg/kg đã được phát hiện trong cá và thịt hun khói. Trong thịt nướng là 130 μg/kg PAHs theo báo cáo của Ủy ban Thường vụ về Thực phẩm (2001). Nói chung, các giá trị nền trung bình nằm trong khoảng 0,01–1,0 μg/kg trong thực phẩm chưa nấu chín. Sự nhiễm PAHs từ dầu thực
8 vật (kể cả dầu ô liu) thường xảy ra trong các quá trình công nghệ như chiên, nướng trực tiếp vì các sản phẩm có thể tiếp xúc trực tiếp với dầu [17], [18]. Một số nghiên cứu đã cho thấy sự xuất hiện của PAHs trong đối tượng mẫu là mì ăn liền [19]. Rang và sấy khô có thể đẩy nhanh quá trình hình thành PAHs và hàm lượng PAHs sinh ra phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ. Nồng độ PAHs càng tăng khi tăng nhiệt độ. Trà và cà phê có thể bị ô nhiễm bởi PAHs có nguồn gốc từ không khí [20] hoặc quá trình rang sấy [21], [22]. Lá trà có diện tích bề mặt lớn nên khả năng tích lũy PAHs trong lá có thể diễn ra dễ dàng. Ngoài ra, công nghệ làm héo, sấy khô lá trà có thể làm tăng nồng độ PAHs trong lá trà hơn 200 lần [20], [23]. Hun khói là một trong những công nghệ sản xuất và bảo quản thực phẩm lâu đời. Các sản phẩm có thể bị nhiễm PAHs do hấp phụ khói trong quá trình sấy khô. Khói từ gỗ chứa hơn 100 loại PAHs và các dẫn xuất của chúng, hầu hết là chất có độc tính. Trong đó B(a)P được tìm thấy là có hàm lượng cao nhất và có độc tính mạnh nhất, còn tổng hàm lượng PAHs thì gấp khoảng 5-10 lần hàm lượng B(a)P [24]. Bảng 1.2. Hàm lượng PAHs trung bình ở các sản phẩm xông khói [24] Hàm lượng PAHs trung bình Tên thực phẩm xông khói (µg/kg) Hamburger 0,02 – 0,67 Xúc xích 0,2 – 0,9 Thịt muối 1,6 – 4,6 Cá trích xông khói 0,6 – 6,3 Cá trích xông khói lạnh 0 – 0,19 Xúc xích nhỏ được bao bằng màng bao động vật 1,0 – 6,0 Xúc xích nhỏ được bao bằng màng bao cellulose 13 Thịt cừu non 23 Thịt cừu 1,0 Benzo(a)pyrene cũng được tìm thấy ở dầu (1,29 g/kg sản phẩm); mỡ, ngũ cốc và hàm lượng thấp ở cá và các dẫn xuất của dầu mỡ như bơ (0,06 g/kg sản phẩm) do công nghệ sấy khô bằng khói lò; ở bột mì (0,1 g/kg sản phẩm) nhưng ở bánh mì nướng có thể lên đến 2,2 g/kg sản phẩm. Tuy nhiên,
9 theo nghiên cứu, ngũ cốc và rau (bị nhiễm PAHs từ môi trường) mới là nguồn chủ yếu trong tổng lượng PAHs đưa vào cơ thể người qua thực phẩm (chiếm 27-35 %) do hàm lượng tiêu thụ lớn hơn nhiều so với các lượng loại thực phẩm thịt quay, nướng [25]. 1.3. ĐỘC TÍNH VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH PAHs 1.3.1. Độc tính Độc tính của PAHs phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của chúng. Những phân tử PAHs nhẹ (có khối lượng phân tử nhỏ hơn 216 Da) được coi là không có độc tính đối với con người. Và những phân tử PAHs nặng hơn (có khối lượng phân tử lớn hơn 216 Da) có khả năng gây độc đối với con người, trong đó hợp chất có độc tính mạnh nhất là B(a)P (khối lượng phân tử khoảng 252 Da) [7]. PAHs có khả năng lan truyền đi rất xa trong môi trường. Nhiều sản phẩm phản ứng của chúng trong không khí có độc tính cao hơn bản thân PAHs. Con người có thể bị nhiễm PAHs thông qua thức ăn, nước uống, khí thở hay trực tiếp tiếp xúc với các vật liệu có chứa PAHs. Độc tính của PAHs phụ thuộc vào nồng độ, mức độ tiếp xúc, thời gian tiếp xúc,và con đường tiếp xúc (xảy ra qua đường hô hấp, tiêu hóa hay qua da) [26], [27], [28]. Theo cơ quan Nghiên cứu Quốc tế về Ung thư (IARC), PAHs có thể gây ung thư đối với con người và động vật. Ví dụ: naphthalen được xếp vào chất gây ung thư nhóm B theo IARC và nhóm C theo EPA (cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ), là chất gây ô nhiễm ảnh hưởng tới một loạt các cơ quan như phổi, thận và kìm hãm quá trình hô hấp. Nhiễm độc naphthalen ở người dẫn tới bệnh thiếu máu và viêm thận. Năm 2008, EPA đã đưa ra mức nồng độ an toàn cho con người trong quá trình tiếp xúc với naphtalen ở cấp độ mãn tính là 0,1 mg/kg/ngày và tiếp xúc cấp tính ở mức 0,4 mg/kg/ngày; Viện quốc gia về An toàn lao động và sức khỏe đã thiết lập một giới hạn đề nghị tiếp xúc ở mức 10 ppm (50 mg/m3) trong một thời gian trung bình trong tám giờ, cũng như một giới hạn tiếp xúc ngắn hạn ở mức 15 ppm (75 mg/m3) . Ở châu Âu và Trung Quốc, kể từ năm 2008, băng phiến và các sản phẩm có chứa naphthalen đã bị cấm sử dụng [29],[30]. Ngoài ra, sự thay đổi về da và mắt ở những người bị
10 phơi nhiễm naphthalen cũng đã được công nhận. Phenanthrene được biết như chất cảm quang với da người, chất gây dị ứng với động vật, đột biến tới hệ thống vi khuẩn trong các điều kiện đặc biệt. Chất này gây yếu các nhiễm sắc thể tương đồng và kìm hãm sự nối liền các kẽ hở gian bào. Ngoài ra, các PAHs khác như acenaphthalen, fluoranthen, fluoren đều có khả năng gây độc cho động vật và thực vật. Độc tính của benzo(a)pyren, benzo(a)anthracen, benzo(b) fluoranthren, benzo(k)fluoranthren, dibenzen(a,h)anthracen và indenol(1,2,3-c,d)pyren đã được nghiên cứu chứng minh gây ung thư cho con người. Theo một số nghiên cứu, các hợp chất PAHs có thể phản ứng với một số enzyme như aryl hydrocarbon hydroxylase để tạo thành các dẫn xuất PAHs dihydrodiol. Dẫn xuất này có thể tạo liên kết đồng hóa trị với protein và các acid nucleic, từ đó gây đột biến gene và ung thư [24]. Trong số các PAHs, người ta đặc biệt chú ý đến B(a)P vì tính độc hại của nó. B(a)P là một thành phần có trong khói thuốc lá và là một trong những nguyên nhân dẫn đến ung thư phổi. Trong chế biến thực phẩm có sử dụng nhiệt như chiên, nướng... khi nhiệt phân các gluxit và lipit ở nhiệt độ 500 – 7000C đã tạo ra PAHs, trong đó có B(a)P, các lipit là những chất tiền thân tốt nhất cho quá trình tạo ra PAHs. Khả năng gây ung thư của PAHs có thể được biểu thị qua hệ số độc tương đương của nó (Toxic Equivalent Factor- TEF). Trong đó hệ số độc tương đương biểu thị khả năng gây ung thư tương đối của một PAHs so với B(a)P. Những PAHs trong phân tử có 2 đến 3 vòng benzen thì khả năng gây ung thư và đột biến gen là rất yếu. Chỉ những PAHs có 4 đến 5 vòng thơm trở lên mới bắt đầu xuất hiện khả năng gây ung thư và đột biến gen mạnh. Tuy nhiên hoạt tính ung thư thường chỉ tập trung vào PAHs có từ 4, 5, 6 vòng thơm. PAHs có cấu trúc phân tử góc cạnh có hoạt tính ung thư nguy hiểm hơn cấu trúc thẳng hoặc cấu trúc dày đặc [31]. Khả năng gây ung thư, đột biến gen của các PAHs được tóm tắt qua bảng 1.3.