范小龍,朱正偉,吳婉琴,胡 瑋,黃 坤,江 豐
(湖北省食品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,湖北省食品質(zhì)量安全檢測(cè)工程技術(shù)研究中心,湖北武漢 430075)
TBHQ 即叔丁基對(duì)苯二酚,是一種合成的且國(guó)家允許使用于食品的酚類抗氧化劑,在植物油中最大允許限量為0.2 g/kg[1],其發(fā)揮抗氧化作用機(jī)制是可以提供活性氫與油脂氧化產(chǎn)生的自由基結(jié)合,使自由基轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的化合物,阻斷自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng),抑制脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng),減緩油脂的氧化和變質(zhì):AH+R·→RH+A· ;AH+ROO· →ROOH+A· (AH 代表抗氧化劑)[2?3]。近年來(lái)TBHQ 成為了油脂和富含油脂食品中常用的抗氧化劑,但TBHQ 分子量小,易揮發(fā),在加熱條件下,揮發(fā)損耗較快,且在發(fā)揮抗氧化的過(guò)程中會(huì)通過(guò)一系列復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)生成相應(yīng)的轉(zhuǎn)化物[4?7]。其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物種類研究較少,目前已有文獻(xiàn)報(bào)道叔丁基對(duì)苯醌(TQ)[8]是TBHQ 轉(zhuǎn)化產(chǎn)物之一,該化合物在油脂儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)伴隨TBHQ 的損耗不斷產(chǎn)生。且毒理學(xué)表明[9]TQ 的毒性遠(yuǎn)大于TBHQ,其他種類的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物未曾報(bào)道。
TBHQ、TQ 常用的檢測(cè)方法有比色法、薄層色譜法[10]、氣相色譜法(gas chromatography,GC)[11?13]、高效液相色譜法(highperformance liquid chromatography,HPLC)[14?17]、氣質(zhì)聯(lián)用法(gas chromatographymass spectrometer,GC-MS)[18?19]、液質(zhì)聯(lián)用法(liquid chromatography-mass spectrometer,LC-MS)[20?21]
等。其中,薄層色譜法和比色法在定性、定量方面存在不準(zhǔn)確問(wèn)題。高效液相色譜法存在靈敏度差,定性不足等問(wèn)題。液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法因其高靈敏度、高選擇性及定量定性準(zhǔn)確等特性,已廣泛應(yīng)用于各種農(nóng)獸藥殘留及添加劑的檢測(cè)中[22?23]。氣相色譜法和氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法對(duì)前處理要求高,方法相對(duì)復(fù)雜但抗干擾能力較好。植物油的化學(xué)成分復(fù)雜,基質(zhì)干擾嚴(yán)重,常用的前處理方法有液液萃取法[24?25]、固相萃取柱法[26]。并且TBHQ、TQ 沸點(diǎn)較低,分子量小比較適合采用氣相色譜法[27?28],同時(shí)鑒于轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的含量較低,最后確定了采用氣質(zhì)聯(lián)用法對(duì)TBHQ、TQ 及其他降解產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)定研究。因此,本文采用氣質(zhì)聯(lián)用法對(duì)TBHQ 降解產(chǎn)物產(chǎn)生的過(guò)程及新的產(chǎn)物的確證進(jìn)行初步的研究,并建立TBHQ 降解產(chǎn)物的氣質(zhì)聯(lián)用儀測(cè)定的方法,旨在為TBHQ 在加熱中的使用及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在油脂中的安全研究提供支撐。
標(biāo)準(zhǔn)品:TBHQ(CAS:1948-33-0) 純度≥98%,購(gòu) 自 德 國(guó)Dr.Ehrenstorfer 公 司;TQ(CAS:3602-55-9) 純度≥98.3%,購(gòu)自美國(guó)chromadex 公司;2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(TBK)(CAS:2460-77-7)
純度≥99%,購(gòu)自英國(guó)Alfa Aesar 公司;TBHQ 食品級(jí)添加劑 浙江一諾生物科技有限公司;乙腈、甲醇、正己烷 色譜純,均購(gòu)自德國(guó)Merck 公司;植物油:大豆油、花生油、菜籽油、玉米油、葵花籽油 購(gòu)自超市。
7890B-7000D 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(配有電子轟擊離子源(EI))、7697A 頂空進(jìn)樣器 美國(guó)Agilent Technologies 公司;XS204 型電子分析天平、ME2002E 型電子分析天平 梅特勒—托利多國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司;Allegra X-15R 型高速離心機(jī) 美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特有限公司;UF160 型烘箱 德國(guó)Memmert 公司;RK1031 型快速溶劑蒸發(fā)儀 英國(guó)GenVac 公司。
1.2.1 樣品前處理 普通植物油:稱取樣品2 g(精確至0.001 g),加入5 mL 乙腈飽和的正己烷,渦旋1 min 使樣品充分混勻,再加入10 mL 正己烷飽和的乙腈,混勻1 min,4000 r/min 離心5 min,取乙腈層,轉(zhuǎn)入濃縮瓶中,重復(fù)提取一次,合并乙腈層,在40 ℃水浴,100 mbar 下減壓濃縮至近干,準(zhǔn)確加入2.00 mL甲醇溶解殘?jiān)?,?jīng)0.22 μm 濾膜過(guò)濾,供分析。
1.2.2 模擬植物油油炸、煎炒時(shí)樣品前處理
1.2.2.1 加熱溫度的選擇 稱取不含抗氧化劑的植物油20 g(精確至0.001 g)至燒杯中,共21 組,每3 組為同一溫度,各組稱取食品級(jí)添加劑TBHQ 4.0 mg(使油脂中TBHQ 含量為0.2 g/kg),充分混勻,置于烘箱中,共考察了25、80、100、120、150、180、200 ℃ 7 個(gè)溫度,均加熱10 h 后按照 1.2.1 處理樣品,稀釋至合適的濃度,測(cè)定樣品中TBHQ 的含量,計(jì)算TBHQ 損耗率,并計(jì)算平均值,常溫組25 ℃僅常溫放置10 h 不做加熱處理。
1.2.2.2 加熱時(shí)間的選擇 稱取不含抗氧化劑的植物油20 g(精確至0.001 g)至燒杯中,共30 組,每3 組為同一加熱時(shí)長(zhǎng),各組稱取食品級(jí)添加劑TBHQ 4.0 mg(使油脂中TBHQ 含量為0.2 g/kg),充分混勻,置于烘箱中,共考察了0、2、4、6、8、10、12、24、36、48 h 10 個(gè)加熱時(shí)間,均在180 ℃下加熱后按照 1.2.1 項(xiàng)下處理樣品,稀釋至合適的濃度,測(cè)定樣品中TBHQ 的含量,計(jì)算TBHQ 損耗率,并計(jì)算平均值。
1.2.3 TBHQ、TQ、TBK 的測(cè)定前處理優(yōu)化
1.2.3.1 甲醇直接提取 樣品直接經(jīng)過(guò)甲醇溶解,定容至合適體積,過(guò)0.22 μm 有機(jī)系濾膜,上機(jī)測(cè)定。
1.2.3.2 液-液萃取提取 樣品參考了SN/T 1050-2014《出口油脂中抗氧化劑的測(cè)定》中前處理方法[29]:稱取2 g(精確至0.001 g)樣品經(jīng)過(guò)乙腈飽和的正己烷溶解,正己烷飽和的乙腈分別提取兩次,合并乙腈層后在40 ℃水浴,100 mbar 下減壓濃縮至近干,用甲醇定容2.00 mL,過(guò)0.22 μm 有機(jī)系濾膜,上機(jī)測(cè)定。
1.2.3.3 固相萃取柱提取 樣品參考了GB 5009.32-2016《食品中9 種抗氧化劑的測(cè)定第三法》中前處理的方法[30]:稱取2 g(精確至0.001 g)樣品經(jīng)過(guò)乙腈飽和的正己烷溶解,正己烷飽和的乙腈分別提取兩次,合并乙腈層,C18固相萃取柱(2000 mg/12 mL)中裝入約2 g 的無(wú)水硫酸鈉,用5 mL 甲醇活化萃取柱,再以5 mL 乙腈平衡萃取柱,棄去流出液,將乙腈層溶液傾入柱中,棄去流出液,再以5 mL 乙腈和甲醇的混合溶液(2:1,體積比)洗脫,收集所有洗脫液于試管中,40 ℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干,加2 mL 乙腈定容,過(guò)0.22 μm 有機(jī)系濾膜,上機(jī)測(cè)定。
1.2.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制 稱取TBHQ 10.0 mg、TQ 10.0 mg、TBK 10.0 mg 分別至3 個(gè)10 mL 容量瓶中,用甲醇溶解并定容至刻度,即為標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。精密吸取TBHQ 儲(chǔ)備液100 μL、TBK 儲(chǔ)備液100 μL、TQ 儲(chǔ)備液500 μL 至100 mL 容量瓶中,用甲醇稀釋至刻度,即為標(biāo)準(zhǔn)使用液,則TBHQ 濃度為1 μg/mL、TBK 1 μg/mL、TQ 5 μg/mL。
1.2.5 儀器條件
1.2.5.1 GC 條件 色譜柱Agilent HP-5MS UI 毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);載氣He;載氣流速1.0 mL/min;進(jìn)樣口溫度230 ℃;分流方式:不分流;柱溫(程序升溫):初始溫度40 ℃,保持1 min,以15 ℃/min 升溫至205 ℃,然后以20 ℃/min 升溫至280 ℃,保持2 min;進(jìn)樣量1 μL。
1.2.5.2 MS 條件 電子轟擊離子源(EI);電離電壓:70 eV;離子源溫度250 ℃;傳輸線溫度280 ℃,四極桿溫度150 ℃;溶劑延遲時(shí)間5 min;選擇離子監(jiān)測(cè)(SIM)模式下TBHQ 定量離子為m/z 123,定性離子為m/z 166、151,TQ 定量離子為m/z 121,定性離子為m/z 164、149,TBK 定量離子為m/z 205,定性離子為m/z 220、177。
TBHQ 損耗率計(jì)算
式中,ρ代表TBHQ 損耗率(損耗包括揮發(fā)部分及自身轉(zhuǎn)化部分),C1代表加熱前TBHQ 含量(g/kg),C2代表加熱后TBHQ 含量(g/kg)。
相關(guān)質(zhì)譜數(shù)據(jù)由MS Quantitative Analysis 分析,數(shù)據(jù)匯總后,經(jīng)過(guò)Microsoft Office Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
2.1.1 加熱溫度的確定 考察了25、80、100、120、150、180、200 ℃ 7 個(gè)溫度,并加熱10 h 后,按照樣品前處理要求處理樣品,上機(jī)測(cè)定,統(tǒng)計(jì)、分析數(shù)據(jù),最終得到TBHQ 損耗率與加熱溫度的關(guān)系圖,結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1 可知,TBHQ 的損耗率隨著溫度的升高而逐漸增加,在加熱溫度為180~200 ℃時(shí)TBHQ的損耗率接近60%,這可能與高溫加速TBHQ 反應(yīng),更多的TBHQ 被氧化有關(guān)。在日常生活中,油炸及煎炒時(shí)植物油的溫度在200 ℃左右,并結(jié)合在180 ℃時(shí)TBHQ 的損耗率為57.87%,且有研究表明TQ 在180 ℃時(shí)生成的量最高,200 ℃時(shí)TQ 含量明顯減少[31],因此確定加熱溫度為180 ℃。
圖1 不同的加熱溫度對(duì)TBHQ 損耗的影響Fig.1 Effects of different heating temperatures on TBHQ loss
2.1.2 加熱時(shí)間的確定 考察了0、2、4、6、8、10、12、24、36、48 h 10 個(gè)加熱時(shí)間,并在180 ℃下加熱后,按照樣品前處理要求處理樣品,上機(jī)測(cè)定,統(tǒng)計(jì)、分析數(shù)據(jù),最終得到TBHQ 損耗率與加熱時(shí)間的關(guān)系圖,結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2 可知,隨著加熱時(shí)間的增加,TBHQ 損耗也不斷升高,這可能是由于TBHQ 自身?yè)]發(fā)及自身降解轉(zhuǎn)化造成的,在加熱時(shí)間小于10 h時(shí),TBHQ 損耗率逐漸提高,且提高速率較快,在10 h之后,損耗率提高速率逐漸趨于平穩(wěn),考慮時(shí)間及經(jīng)濟(jì)效益最終確定加熱時(shí)長(zhǎng)為10 h。
圖2 不同的加熱時(shí)間對(duì)TBHQ 損耗的影響Fig.2 Effects of different heating time on TBHQ loss
TQ 是目前TBHQ 已知、確定的降解產(chǎn)物,是由TBHQ 加熱后產(chǎn)生的。本實(shí)驗(yàn)在測(cè)定TQ 的含量時(shí),將180 ℃加熱處理后的TBHQ 樣品,經(jīng)氣相質(zhì)譜全掃定性,在與TQ 色譜峰相差不遠(yuǎn)的保留時(shí)間處,始終存在一個(gè)色譜峰,雖然響應(yīng)沒(méi)有TQ 高,但峰形,保留時(shí)間較穩(wěn)定,見(jiàn)圖3-曲線B,并且空白樣品中沒(méi)有出現(xiàn)此峰,見(jiàn)圖3-曲線A,因此考慮此峰可能為一個(gè)新的轉(zhuǎn)化物,嘗試查看其碎片離子,見(jiàn)圖4,并通過(guò)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所NIST(National Institute of Standards and Technology)數(shù)據(jù)庫(kù)匹配,匹配到的化合物為2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(匹配分?jǐn)?shù)為85.3%)。同時(shí)通過(guò)對(duì)照品的保留時(shí)間及碎片離子再次確證,見(jiàn)圖3-曲線C,最后確認(rèn)該化合物即為2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(TBK),3 種化合物標(biāo)準(zhǔn)品的色譜圖見(jiàn)圖5。
圖3 不同樣品全掃圖與TBK 標(biāo)準(zhǔn)品全掃圖對(duì)比Fig.3 Differences between full scanchromatograms of different samples and TBK standard注:曲線A:空白樣品全掃圖;曲線B:含TBHQ 的樣品加熱處理后質(zhì)譜全掃圖;曲線C:2,5-二叔丁基-1,4-苯醌對(duì)照品質(zhì)譜全掃圖。
圖4 2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(TBK)質(zhì)譜碎片離子圖Fig.4 Fragment ion diagram of 2,5-di-tert-butyl-1,4-benzoquinone
圖5 3 種化合物對(duì)照品的GC-MS 總離子流圖Fig.5 Total ion chromatograms of three compounds
TBHQ 在油脂中的抗氧化機(jī)理與其它酚類抗氧化劑抗氧化機(jī)理相同,在高溫或有氧條件下TBHQ 失去質(zhì)子并參與油脂中脂肪酸氧化的自由基反應(yīng),具體氧化過(guò)程如下:TBHQ 具有兩個(gè)酚羥基,TBHQ 失去一個(gè)質(zhì)子成為一酚氧離子,由單電子氧化變成酚氧自由基,從另一個(gè)羥基中質(zhì)子離解得到半醌陰離子自由基,第二個(gè)單電子再氧化得到2-叔丁基苯醌。苯醌的共振穩(wěn)定化作用,導(dǎo)致TBHQ 朝氧化生成醌的方向進(jìn)行。TBHQ 也可能在+C(CH3)3攻擊下轉(zhuǎn)化成2,5-二叔丁基-1,4-苯酚[32?33],然后苯酚失去質(zhì)子產(chǎn)生TBK,TQ 與TBK 形成示意圖見(jiàn)圖6。
圖6 TBHQ 轉(zhuǎn)化產(chǎn)物形成示意圖Fig.6 Flow chart of TBHQ transform product formation
2.3.1 樣品前處理的優(yōu)化 考察了甲醇直接提取樣品、液-液萃取提取樣品、固相萃取柱提取凈化樣品3 種不同的提取方式,以TBHQ、TQ 及TBK 回收率為指標(biāo)選擇合適的前處理方式。按照相應(yīng)的前處理?xiàng)l件處理樣品,上機(jī)測(cè)定,統(tǒng)計(jì)、分析數(shù)據(jù),結(jié)果見(jiàn)表1,結(jié)果表明:甲醇直接提取樣品上機(jī)測(cè)定的方法,由于基質(zhì)干擾較大,雜質(zhì)對(duì)目標(biāo)物干擾較強(qiáng),三個(gè)目標(biāo)化合物回收率均較低;液-液萃取的方法與固相萃取柱提取凈化樣品的方法,三個(gè)目標(biāo)化合物回收率均在85.35%~95.43%之間,回收率較好,表明這兩種方法均可以減小雜質(zhì)的干擾,可以作為三種化合物的前處理方法,但考慮到用固相萃取柱的方法操作會(huì)復(fù)雜于液-液萃取的方法,而且固相萃取的方法用時(shí)較長(zhǎng),最后選擇了液-液萃取的方法作為三種化合物測(cè)定的前處理方法。
表1 3 種化合物的不同前處理?xiàng)l件下平均回收率(n=6)Table 1 Average recoveries of three compounds under different pretreatment conditions (n=6)
2.3.2 方法學(xué)考察
2.3.2.1 線性范圍和定量限 選擇空白樣品,采用逐步定量的添加標(biāo)準(zhǔn)溶液方式,按照前處理方法步驟處理并上機(jī)測(cè)定,至定量離子定性離子信噪比均大于10 時(shí)添加濃度即為定量限。由定量限濃度來(lái)計(jì)算配制合適的混標(biāo)使用液濃度,用甲醇稀釋,以目標(biāo)物定量離子的峰面積y 為縱坐標(biāo),以質(zhì)量濃度x(ng/mL)為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線并進(jìn)行線性擬合,得到線性回歸方程,結(jié)果見(jiàn)表2,三種化合物在各自濃度范圍內(nèi)線性良好(R2>0.995),且3 種化合物定量限TBHQ和TBK 為10 μg/kg,TQ 為50 μg/kg 均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.32-2016 中規(guī)定的相關(guān)化合物定量限要求(TBHQ 定量限為0.5 mg/kg)[30]。
表2 3 種化合物的回歸方程、線性范圍、相關(guān)系數(shù)及定量限Table 2 Calibration equations, linear ranges, related coefficients and limits of quantitation of three compounds
2.3.2.2 回收率和精密度 于空白基質(zhì)中分別添加1 倍定量限10 μg/kg、2 倍定量限20 μg/kg、10 倍定量限100 μg/kg 三個(gè)水平的TBHQ、TBK 標(biāo)準(zhǔn)溶液;分別添加1 倍定量限50 μg/kg、2 倍定量限100 μg/kg、10 倍定量限500 μg/kg 三個(gè)水平的TQ 標(biāo)準(zhǔn)溶液做回收率實(shí)驗(yàn),每個(gè)添加水平重復(fù)測(cè)定6 次。方法的精密度用6 次平行測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation,RSD)表示。結(jié)果表明,3 種化合物平均回收率為83.40%~107.71%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.40%~8.50%,回收率良好,符合一般含量測(cè)定的要求,且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于10%,表明本方法穩(wěn)定性良好。結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 3 種化合物在空白基質(zhì)中的平均回收率及精密度(n=6)Table 3 Average recoveries and RSDs of three compounds in blank matrix (n=6)
在市場(chǎng)上購(gòu)買菜籽油5 批,花生油5 批,大豆油5 批,玉米油5 批,葵花籽油5 批,同一品種的油均來(lái)自不同的廠家。按照本方法測(cè)定,其中在一批標(biāo)有TBHQ 的大豆油中檢測(cè)出TBHQ 含量為0.061 g/kg,TQ 含量為0.005 g/kg,2,5-二叔丁基-1,4-苯醌未檢出;一批標(biāo)有TBHQ 的花生油中檢測(cè)出TBHQ 含量為0.096 g/kg,TQ 含量為0.011 g/kg,2,5-二叔丁基-1,4-苯醌未檢出。這兩批植物油生產(chǎn)日期距離取樣測(cè)定時(shí)的時(shí)間相差18 個(gè)月,這也表明,即使常溫儲(chǔ)存,TBHQ 也會(huì)轉(zhuǎn)化為TQ,但均未檢測(cè)出2,5-二叔丁基-1,4-苯醌,可能2,5-二叔丁基-1,4-苯醌需要高溫加熱才會(huì)產(chǎn)生,因此將上述測(cè)定出含有TBHQ 的大豆油、花生油模擬日常生活中煎炸時(shí)的油,200 ℃,加熱1 h 后,放置,冷卻至室溫,按照本方法測(cè)定3 種化合物,結(jié)果見(jiàn)表4,兩批油脂經(jīng)加熱后均產(chǎn)生TBK,這也驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)TBK 產(chǎn)生的條件:高溫;同時(shí)也表明不同的油脂樣品TBK 生成量不一樣,這可能和油脂不飽和脂肪酸含量有關(guān)[34?35]。
表4 實(shí)際樣品中三種化合物的含量測(cè)定Table 4 Determination of three compounds in different samples
在研究TBHQ 已知的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物TQ 時(shí),通過(guò)氣相質(zhì)譜全掃發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的轉(zhuǎn)化物2,5-二叔丁基-1,4-苯醌,并用本方法測(cè)定市場(chǎng)購(gòu)買的植物油,確定了添加TBHQ 的植物油,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的存放,該植物油中TBHQ 會(huì)降解成TQ,但不會(huì)降解產(chǎn)生2,5-二叔丁基-1,4-苯醌,這可能與植物油使用的溫度有關(guān),經(jīng)過(guò)加熱處理該植物油,最終也檢測(cè)出TBHQ 另外一種降解產(chǎn)物物2,5-二叔丁基-1,4-苯醌,同時(shí)TQ 含量升高。結(jié)果表明含有TBHQ 的植物油在常溫放置時(shí)容易轉(zhuǎn)化成TQ,在煎、炸等高溫處理的過(guò)程中易轉(zhuǎn)化成2,5-二叔丁基-1,4-苯醌,更易轉(zhuǎn)化成TQ。本文通過(guò)氣質(zhì)聯(lián)用法,發(fā)現(xiàn)并確證了TBHQ 的兩種降解產(chǎn)物,并建立了植物油中TBHQ 及其兩種降解產(chǎn)物測(cè)定的方法,并通過(guò)實(shí)際樣品的驗(yàn)證,表明該方法,操作簡(jiǎn)單,靈敏度高,可以為植物油監(jiān)管提供技術(shù)支撐。但是,由于TBHQ 新的降解產(chǎn)物2,5-二叔丁基-1,4-苯醌研究較少,其毒性目前也沒(méi)有相關(guān)報(bào)道,后期可以對(duì)2,5-二叔丁基-1,4-苯醌毒性展開(kāi)研究,為植物油的使用安全性提供更多有力的數(shù)據(jù)。