Kỹ thuật phân tích các chất độc hại trong thực phẩm

Các chất ô nhiễm hóa học có thể  tồn tại trong thực phẩm của chúng ta từ nhiều nguồn khác nhau. Phân tích các chất gây ô nhiễm hóa học có liên quan là một phần thiết yếu của các chương trình thử nghiệm an toàn thực phẩm để đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng và tuân thủ các giới hạn quy định. Các kỹ thuật phân tích hiện đại có thể xác định các chất gây ô nhiễm hóa học đã biết trong ma trận thực phẩm phức tạp ở nồng độ rất thấp. Hơn nữa, cũng có thể giúp khám phá và xác định các chất gây ô nhiễm hóa học mới.

Nguồn gây ô nhiễm hóa chất trong thực phẩm

Các chất ô nhiễm hóa học có thể có trong thực phẩm chủ yếu là do sử dụng hóa chất nông nghiệp, như dư lượng thuốc trừ sâu và thuốc thú y, ô nhiễm từ các nguồn môi trường (nước, không khí hoặc ô nhiễm đất), ô nhiễm chéo hoặc hình thành trong quá trình chế biến thực phẩm, di cư từ vật liệu đóng gói thực phẩm, sự hiện diện hoặc ô nhiễm bởi độc tố tự nhiên hoặc sử dụng các chất phụ gia thực phẩm và chất pha trộn không được phê duyệt.

Dư lượng thuốc trừ sâu

Việc sử dụng thuốc trừ sâu, như thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm hoặc thuốc diệt cỏ, đã trở thành một phần không thể thiếu trong nông nghiệp hiện đại để tăng năng suất và chất lượng cây trồng bằng cách kiểm soát các loại sâu bệnh khác nhau. Đăng ký thuốc trừ sâu mới là một quy trình được quy định chặt chẽ để đánh giá độc tính và ảnh hưởng môi trường của chúng, và đặt ra giới hạn dư lượng tối đa (dung sai) trong hàng hóa thô và chế biến. Có hơn 1.400 loại thuốc trừ sâu được biết đến. Một số trong số chúng không còn được sử dụng nhưng vẫn có thể tồn tại trong môi trường. Thuốc trừ sâu cũ đang được đánh giá lại dựa trên dữ liệu khoa học hiện có. 

Việc sử dụng thuốc trừ sâu được chấp thuận theo Thực hành Nông nghiệp Tốt sẽ dẫn đến dư lượng thuốc trừ sâu dưới giới hạn dư lượng tối đa được thiết lập ở một quốc gia nhất định. Tuy nhiên, việc tìm nguồn cung ứng toàn cầu các mặt hàng thô và phân phối toàn cầu các sản phẩm thực phẩm làm phức tạp tình hình vì việc đăng ký, sử dụng và giới hạn thuốc trừ sâu có thể và khác nhau ở các quốc gia khác nhau. Do đó, việc sử dụng được phê duyệt ở một quốc gia có thể dẫn đến dư lượng thuốc trừ sâu bất hợp pháp trong thực phẩm nhập khẩu vào một quốc gia khác, chẳng hạn như trường hợp gần đây của thuốc diệt nấm carbendazim trong nước cam nhập khẩu vào Hoa Kỳ từ Brazil. Hơn nữa, thuốc trừ sâu có thể bị lạm dụng hoặc hiện diện trong thực phẩm do nhiễm bẩn trong quá trình sử dụng (phun trôi dạt), lưu trữ hoặc vận chuyển hoặc từ các nguồn môi trường, chẳng hạn như nước hoặc đất bị ô nhiễm.

Dư lượng thuốc thú y

Tương tự như thuốc trừ sâu, thuốc thú y là hóa chất nông nghiệp trải qua quá trình đăng ký kỹ lưỡng, dẫn đến việc thiết lập giới hạn / dung sai tối đa của chúng trong thực phẩm có nguồn gốc động vật. Các nhóm chính của thuốc thú y bao gồm kháng sinh, thuốc chống giun, coccidiostats, thuốc chống viêm không steroid, thuốc an thần, corticosteroid, thuốc chủ vận beta và hormone đồng hóa. Những loại thuốc này, được dùng cho động vật sống, có thể vẫn còn tồn dư trong các mô động vật. Gan và thận rất dễ bị dư lượng do chức năng sinh học của chúng.

Một số loại kháng sinh, như penicillin, có thể gây ra phản ứng dị ứng nghiêm trọng ở những người nhạy cảm, đó là một lý do quan trọng để thực thi giới hạn dư lượng của chúng trong thực phẩm có nguồn gốc động vật. Một biện minh quan trọng khác để hạn chế sử dụng kháng sinh ở động vật sản xuất thực phẩm là giảm nguy cơ vi sinh vật gây bệnh trở nên kháng kháng sinh. Hầu hết các loại thuốc thú y không phải là mối quan tâm độc tính cấp tính, nhưng một số chất, chẳng hạn như nitrofurans, chloramphenicol, clenbuterol và diethylstilbestrol, đã bị cấm ở hầu hết các quốc gia do tính gây ung thư. Mối quan tâm về tác dụng gây rối loạn nội tiết đã trở thành một lý do khác để điều chỉnh một số loại thuốc thú y.

Chất gây ô nhiễm môi trường

Các chất gây ô nhiễm môi trường có thể là các chất nhân tạo hoặc tự nhiên có trong không khí, nước hoặc đất. Chúng có thể tham gia chuỗi thức ăn và thậm chí tích lũy sinh học. Một số có thể gây nguy cơ sức khỏe cấp tính nếu xuất hiện ở nồng độ cao hơn, nhưng mối quan tâm chính liên quan đến sự hiện diện của chất gây ô nhiễm môi trường trong thực phẩm là sự gián đoạn nội tiết tiềm ẩn, phát triển, gây ung thư và các tác động mãn tính khác.

Ví dụ về các chất gây ô nhiễm môi trường xâm nhập vào chuỗi thức ăn bao gồm kim loại nặng, biphenyls polychlorin hóa (PCB), chất dioxinsins (polychlorin hóa dibenzodioxin và dibenzofurans), thuốc trừ sâu clo hóa bền vững (ví dụ, DDT, aldrin, dieldrin (chủ yếu là ete diphenyl polybrominated), hợp chất polyfluorated, hydrocarbon thơm đa vòng (PAHs), perchlorate, dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân hoặc axit haloacetic và các sản phẩm phụ khử trùng nước khác.

Việc sản xuất và sử dụng PCB và các chất ô nhiễm hữu cơ dai dẳng (POP) đã bị cấm trong nhiều năm, nhưng chúng vẫn tồn tại trong môi trường do tính ổn định cao. PAH có thể được tìm thấy trong môi trường do ô nhiễm công nghiệp hoặc có thể bắt nguồn từ sự cố tràn dầu; do đó, họ đã quan tâm đến hải sản sau vụ tai nạn tràn dầu ở Vịnh Mexico năm 2010.

Các chất gây ô nhiễm trong chế biến thực phẩm

Một số hợp chất độc hại hoặc không mong muốn có thể được hình thành trong thực phẩm trong quá trình chế biến của chúng, chẳng hạn như trong quá trình làm nóng, nướng, rang, nướng, đóng hộp, thủy phân hoặc lên men. Tiền chất của các chất gây ô nhiễm này có thể xảy ra một cách tự nhiên trong ma trận thực phẩm, chẳng hạn như trong trường hợp acrylamide được hình thành trong phản ứng Maillard giữa axit amin asparagine và đường khử (đặc biệt là trong các sản phẩm được xử lý nhiệt từ khoai tây và ngũ cốc). Ngoài ra, một số chất gây ô nhiễm chế biến, chẳng hạn như nitrosamine, có thể được hình thành do sự tương tác của các thành phần thực phẩm tự nhiên với phụ gia thực phẩm. Các chlorpropanols gây ung thư và genotoxit, như 3-monochloropropane-1,2 diol (3-MCPD), được hình thành trong quá trình thủy phân axit của lúa mì, đậu nành và các sản phẩm protein thực vật khác.

Ví dụ về các chất gây ô nhiễm chế biến khác bao gồm PAHs (trong các sản phẩm nướng và hun khói), ethyl carbamate (trong đồ uống có cồn lên men và các sản phẩm khác) hoặc furan (trong nhiều loại thực phẩm được xử lý nhiệt, đặc biệt là cà phê và thực phẩm đóng hộp).

Chế biến thực phẩm cũng có thể là một nguồn gây ô nhiễm chéo, chẳng hạn như ô nhiễm thực phẩm không dị ứng với các chất gây dị ứng thực phẩm đã biết.

Chất ô nhiễm từ vật liệu đóng gói

Sự tiếp xúc trực tiếp của thực phẩm với vật liệu đóng gói có thể dẫn đến ô nhiễm hóa học do di chuyển một số chất vào thực phẩm. Ví dụ như bisphenol A hoặc phthalates từ vật liệu nhựa, 4-methylbenzophenone và 2-isopropylthioxanthone từ mực, dầu khoáng từ sợi tái chế hoặc semicarbazide từ chất tạo bọt trong các miếng nhựa được sử dụng để dán bao bì.

Chất độc

Độc tố là những chất xuất hiện tự nhiên được sản xuất bởi các sinh vật khác nhau, với độc tố nấm mốc và độc tố sinh học biển thường đại diện cho mối quan tâm chính trong thực phẩm. Các ví dụ khác về độc tố trong thực phẩm có thể bao gồm độc tố vi khuẩn (ví dụ, độc tố tụ cầu) hoặc một số độc tố thực vật nhất định, chẳng hạn như pyrrolizidine alkaloids có thể tìm thấy trong mật ong, sữa hoặc trứng. Trong khi ô nhiễm vi khuẩn / nấm có thể được loại bỏ bằng xử lý nhiệt, chất độc có thể tồn tại trong sản phẩm thực phẩm dưới dạng chất gây ô nhiễm.

Mycotoxin là chất chuyển hóa thứ cấp độc hại được sản xuất bởi nấm (nấm mốc) có thể xâm chiếm các loại cây trồng khác nhau. Chúng tồn tại chủ yếu trong ngũ cốc, các loại hạt, sữa bột trẻ em, sữa, trái cây khô, thức ăn trẻ em, cà phê, nước ép trái cây và rượu vang. Có nhiều độc tố mycotoxin, nhưng chỉ một số hiện được quy định. Liên minh châu Âu có danh sách chất độc hại đầy đủ nhất, hơn hầu hết các quốc gia khác, bao gồm aflatoxin, ochratoxin A, patulin, deoxynivalenol, zearalenone, fumonisins và T-2 / HT-2 . Các độc tố nấm mốc khác nhau phổ biến ở các vùng khí hậu khác nhau và trong các điều kiện phát triển và lưu trữ khác nhau.

Các độc tố sinh học biển, như saxitoxin, axit domoic, axit okadaic hoặc ciguatoxin, là những hợp chất có độc tính cao được tạo ra bởi thực vật phù du. Trong các sự kiện được gọi là tảo nở hoa có hại, chúng có thể tích lũy trong cá hoặc động vật có vỏ, như nghêu, trai, sò hoặc hàu, đến mức có thể gây nguy cơ nghiêm trọng cho sức khỏe hoặc thậm chí gây tử vong cho con người.

Phụ gia thực phẩm và chất cấm

Sự pha trộn thực phẩm có thể xảy ra một cách tình cờ khi các chất phụ gia không được phê duyệt được đưa vào thực phẩm, hoặc phụ gia sai được đưa vào thông qua lỗi công thức. Điều này dẫn đến thực phẩm dán nhãn sai. Có lẽ một vấn đề sức khỏe lớn hơn là khi thực phẩm bị pha trộn có chủ ý vì lý do kinh tế để bán một loại thực phẩm hoặc nguyên liệu có giá trị thấp để lấy thêm hoặc để làm hỏng thực phẩm. Một số pha trộn có thể chỉ lừa dối hoặc lừa dối người tiêu dùng, chẳng hạn như thêm xi-rô ngô fructose cao vào mật ong, nhưng một số có thể gây hại. Ví dụ nổi tiếng nhất trong những năm gần đây là việc bổ sung melamine vào sữa và các chất cô đặc protein khác để tăng hàm lượng protein được phân tích dưới dạng nitơ tổng số. Các ví dụ khác bao gồm việc sử dụng thuốc nhuộm Sudan độc hại trong bột ớt pha trộn hoặc pha trộn dầu ô liu nguyên chất với dầu hazelnut

Phân tích các chất gây ô nhiễm hóa học đã biết trong thực phẩm

Hầu hết các chất ô nhiễm hóa học được biết đến trong thực phẩm là các phân tử hữu cơ nhỏ, chúng thường có mặt trong thực phẩm ở nồng độ thấp (phần nghìn tỷ đến phần triệu); do đó, các phân tích của chúng trong ma trận thực phẩm phức tạp thường khá khó khăn. Phương pháp phân tích cơ bản liên quan đến việc chiết xuất bằng cách sử dụng dung môi thích hợp, dọn sạch để loại bỏ các thành phần ma trận gây nhiễu, tách sắc ký và phát hiện chọn lọc.

Việc thực hiện phép đo phổ khối (MS) như một kỹ thuật phát hiện đã thực sự cách mạng hóa việc phân tích các chất gây ô nhiễm hóa học trong thực phẩm. Trái ngược với các máy dò chọn lọc nguyên tố hoặc không chọn lọc, MS có thể phát hiện một loạt các hợp chất độc lập với thành phần nguyên tố của chúng và cung cấp định lượng đồng thời và xác định cấu trúc của các chất phân tích được phát hiện. Nó cũng thêm một mức độ phân tách / chọn lọc khác trên đầu phân tách sắc ký. Những tính năng độc đáo này đã khiến MS trở thành lựa chọn số một để phát hiện và xác định / xác nhận các chất ô nhiễm hóa học hữu cơ ở mức độ dấu vết trong các phòng thí nghiệm hiện đại.

Đầu tiên, sự kết hợp của MS với sắc ký khí (GC-MS) đã trở nên phổ biến để phân tích các hợp chất dễ bay hơi và bán linh hoạt, bao gồm nhiều dư lượng thuốc trừ sâu, PAHs, PCB và các POP ít phân cực khác. Nhiều phân tích cực, thermolabile và ít bay hơi hơn rất khó phân tích cho đến khi giới thiệu các kỹ thuật ion hóa gần đây hơn, như electrospray, cho phép đo phổ khối sắc ký lỏng (LC-MS). LC-MS đã mở ra cơ hội phân tích trực tiếp nhiều chất gây ô nhiễm phân cực hơn, bao gồm thuốc trừ sâu thế hệ mới, hiện đại và phần lớn các loại thuốc và chất độc thú y, như mycotoxin. Nhiều chất gây ô nhiễm mới nổi và được xác định gần đây, bao gồm thuốc nhuộm acrylamide, melamine hoặc Sudan, được phân tích tốt nhất bởi LC-MS.

Tách sắc ký trong phân tích một trong số 300 loại thuốc trừ sâu bằng GC-MS / MS và LC-MS / MS Do đó, các phòng thí nghiệm kiểm tra chất gây ô nhiễm thực phẩm hiện đại sử dụng cả GC-MS và LC-MS để bao quát phạm vi phân cực rộng của các chất gây ô nhiễm hóa học hữu cơ có thể. MS (MS / MS) thường được sử dụng để tăng tính chọn lọc (đặc biệt là trong LC-MS) giúp phân biệt rõ hơn các hợp chất mục tiêu với nhiễu ma trận tiềm năng. Hình 1 cho thấy một ví dụ về sắc ký đồ thu được trong phân tích đa lượng của hơn 300 loại thuốc trừ sâu được phân tích bởi GC-MS / MS và LC-MS / MS, cho thấy tốc độ và tính chọn lọc của các thiết bị hiện đại cho phép đồng thời và phân tích độ nhạy cao của nhiều hợp chất.

Xác định các chất ô nhiễm hóa học không xác định trong thực phẩm

Phát hiện và xác định các chất gây ô nhiễm không xác định không phải là một nhiệm vụ dễ dàng, đặc biệt nếu chúng có mặt ở nồng độ thấp. Nó đòi hỏi chuyên môn và một chiến lược phân tích tốt dựa trên tất cả các thông tin thu thập được về mẫu và các nguồn gây ô nhiễm tiềm ẩn. Bất kỳ manh mối nào, chẳng hạn như thay đổi về mùi, vị hoặc kết cấu, cũng như mô tả các triệu chứng ngộ độc tiềm ẩn đều có thể quan trọng trong khía cạnh này. Phân tích đồng thời các mẫu kiểm soát  (đã biết thành phần) với các mẫu nghi ngờ thường rất cần thiết để tìm ra sự khác biệt và loại bỏ các kết quả dương tính giả.  Nên sử dụng các phương pháp tách và tách khác nhau để phân lập các hợp chất có nhiều tính chất hóa lý (độ phân cực, độ hòa tan, độ bay hơi, v.v.). Phân tích không nhắm mục tiêu nên được thực hiện, chẳng hạn như MS với thu thập toàn phổ. Phân tích thống kê dữ liệu sắc ký và MS thu được của các mẫu bị ô nhiễm và không nhiễm bẩn có thể giúp xác định sự khác biệt và giảm số lượng các thành phần phải được kiểm tra. Phổ MS thu được của các chất gây nghi ngờ có thể được so sánh với các thư viện phổ MS và cơ sở dữ liệu hỗn hợp. Trong LC-MS, nên sử dụng các phép đo khối lượng chính xác / độ chính xác cao, sử dụng các thiết bị MS thời gian bay (TOF) hoặc quỹ đạo MS, để tăng tính chọn lọc. Ngoài ra, MS song song nên được sử dụng để giúp làm sáng tỏ cấu trúc của các chất gây ô nhiễm chưa biết.

Xu hướng

Xu hướng hiện tại và tương lai trong phân tích chất gây ô nhiễm hóa học đang và sẽ bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi những phát triển trong thiết bị phân tích. Tốc độ, độ nhạy và độ chọn lọc của các thiết bị MS tiên tiến cho phép phân tích nhiều hợp chất trong một lần phân tích. Do đó, các phương pháp chuẩn bị mẫu được sắp xếp hợp lý, chẳng hạn như QuEChERS (Nhanh chóng, dễ dàng, rẻ tiền, hiệu quả, chắc chắn và an toàn), có thể được sử dụng để yêu cầu làm sạch trích xuất tối thiểu mà không cần bất kỳ bước tiền xử lý nào, do đó, chúng có thể được thu nhỏ và tự động.

Những tiến bộ trong các công cụ MS có độ phân giải cao / chính xác và phát triển các công cụ phần mềm có liên quan cho thấy tiềm năng lớn để đưa công nghệ này từ môi trường nghiên cứu vào các phòng thí nghiệm, nơi nó có thể được sử dụng để thử nghiệm các chất gây ô nhiễm hóa học chưa xác định.

Tầm quan trọng của độ ẩm trong các mẫu trước khi phân tích hóa học

Hàm lượng độ ẩm là một yếu tố quan trọng trong quy trình lấy mẫu, một phần vì nó ảnh hưởng đến mức độ không đồng nhất của mẫu. Có thể cần phải xác định độ ẩm thông qua sấy mẫu để thể hiện kết quả phân tích trên thang đo đồng nhất.

Các biện pháp phòng ngừa phải được xem xét khi sấy thực phẩm ở nhiệt độ cao, vì các phản ứng hóa học như thủy phân có thể xảy ra và các phản ứng này có thể được tăng tốc. Xác định độ ẩm có thể là sai lầm nếu thủy phân đã xảy ra, vì nước thủy phân chưa được giải phóng khỏi mẫu. Một nguyên tắc chung cho việc sấy mẫu là nó phải càng nhanh và ở nhiệt độ càng thấp càng tốt. Các phương pháp chân không có thể được sử dụng để làm khô mẫu bao gồm lò chân không và đông khô hoặc sấy khô. Một phương pháp khác là sấy vi sóng. Không giống như các thiết bị gia nhiệt bên ngoài, lò vi sóng làm nóng nhanh mẫu, giữ độ dốc nhiệt độ ở mức tối thiểu. 

Đối với các ứng dụng thử nghiệm hóa học nhất định, chẳng hạn như sự hiện diện của kim loại trong thực phẩm cũng như chiết xuất chất béo thô và chất dinh dưỡng từ thực phẩm, tiêu hóa bằng lò vi sóng là phương pháp chuẩn bị được lựa chọn. Khả năng chuẩn bị mẫu vi sóng để hòa tan hầu hết mọi ma trận, bỏ lại các loài mục tiêu, cung cấp khả năng chuẩn bị không có sẵn thông qua các phương pháp khác.

Sự thay đổi vốn có trong thành phần của nguyên liệu thô, thành phần cơ bản và thực phẩm chế biến đòi hỏi phải sử dụng các kỹ thuật tiền xử lý lấy mẫu và mẫu thích hợp, bên cạnh các phương pháp thống kê để lấy mẫu đại diện và sao chép. Sử dụng phương pháp chuẩn bị mẫu thích hợp có thể làm giảm lỗi phân tích và các lỗi phát hiện tốn kém có thể gây nguy hiểm cho sự an toàn của thực phẩm được sản xuất cũng như dẫn đến việc thu hồi liên quan đến an toàn thực phẩm thậm chí còn tốn kém hơn.