Tổng quan nghiên cứu

Xuất khẩu gạo là ngành kinh tế nông nghiệp chủ lực mang lại hàng tỷ USD ngoại tệ cho Việt Nam mỗi năm. Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật về vệ sinh an toàn thực phẩm từ các thị trường cao cấp như Nhật Bản, Hoa Kỳ và Liên minh Châu Âu đang tạo ra thách thức lớn cho chuỗi cung ứng lúa gạo. Theo số liệu từ Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA), khối lượng gạo Việt Nam bị từ chối nhập khẩu do vượt ngưỡng dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật đã tăng từ 4.100 tấn vào năm 2013 lên tới hơn 10.000 tấn vào tháng 8/2016. Trong đó, nhóm hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo (OCPs) bao gồm các hợp chất nguy hại như DDT, Lindane, Endosulfan là các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (POPs) có khả năng tích lũy sinh học trong mô mỡ động vật và tồn tại bền vững hàng thập kỷ trong đất canh tác lúa nước.

Nhằm giải quyết bài toán kiểm soát chất lượng nông sản xuất khẩu, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hóa phân tích thực hiện đề tài xây dựng quy trình phân tích đồng thời 19 hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo trong gạo bằng phương pháp chiết QuEChERS cải tiến kết hợp làm sạch bằng chiết pha rắn (SPE) và định lượng trên hệ thống sắc ký khí khối phổ hai lần (GC-MS/MS). Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm từ năm 2019 đến tháng 11/2021, ứng dụng khảo nghiệm thực tế trên các mẫu gạo đặc sản Séng Cù tại khu vực Lào Cai. Quy trình được tối ưu hóa đạt giới hạn định lượng 10 µg/kg, đáp ứng hoàn toàn quy định về ngưỡng dư lượng tối đa (MRL) khắt khe của Châu Âu dao động từ 0,01 đến 0,05 mg/kg, mang lại giải pháp kỹ thuật có độ chính xác cao để bảo vệ thương hiệu lúa gạo Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của lý thuyết chiết xuất QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Efficient, Rugged, Safe) kết hợp phân tách pha bằng muối đệm citrate theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 15662 và nguyên lý làm sạch chọn lọc bằng chiết pha rắn (SPE). Hệ thống lý thuyết phân tích dựa trên cơ chế ion hóa va đập điện tử (EI) ở mức năng lượng chuẩn 70 eV kết hợp kỹ thuật sắc ký khí khối phổ ba tứ cực (GC-MS/MS) vận hành ở chế độ giám sát phản ứng chọn lọc (Auto SRM). Cấu trúc tứ cực kép giúp phân tách và định danh chính xác các ion mẹ và ion con đặc trưng, loại bỏ triệt để hiện tượng dương tính giả trên nền mẫu thực phẩm.

Khung phân tích bao quát 19 hợp chất OCPs thuộc bốn nhóm cấu trúc hóa học chính: dẫn xuất diphenyl aliphatic (DDT, DDD, DDE, Methoxychlor), nhóm hợp chất benzen (các đồng phân Alpha, Beta, Gamma, Delta của HCH), nhóm hợp chất cyclodien (Aldrin, Dieldrin, Endrin, Heptachlor, Chlordane cis/trans, Endosulfan) và các sản phẩm chuyển hóa trung gian. Các hợp chất này có hệ số phân bố octanol-nước Log Kow cao từ 2,78 đến 6,51 và áp suất hơi dao động trong khoảng từ 3,6×10⁻⁷ đến 3,0×10⁻⁴ mmHg ở 25°C. Đề tài áp dụng hệ thống các khái niệm kiểm soát chất lượng theo tiêu chuẩn SANTE/12682/2019, bao gồm: Giới hạn định lượng (LOQ), Giới hạn phát hiện (LOD), Hiệu ứng nền mẫu (Matrix Effect - ME), Độ thu hồi (Recovery) và Độ lệch chuẩn tương đối (RSDr).

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 10 mẫu gạo Séng Cù đại diện thu hái tại cánh đồng Mường Vi, huyện Mường Khương, tỉnh Lào Cai vào tháng 5/2021. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nguyên tắc lấy mẫu ngẫu nhiên tại ruộng, mẫu được làm khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng, nghiền mịn đồng nhất và cho qua rây kích thước lỗ 2,0 mm trước khi bảo quản tại 4°C.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích GC-MS/MS kết hợp QuEChERS-SPE xuất phát từ đặc thù nền mẫu gạo chứa hàm lượng tinh bột cao cùng một lượng nhỏ lipid, sáp và protein gây cản trở quang phổ nghiêm trọng. Kỹ thuật QuEChERS thông thường kết hợp chiết pha rắn phân tán (d-SPE) khó loại bỏ hoàn toàn các chất đồng chiết béo, trong khi phương pháp SPE cột nhồi phối hợp chất hấp phụ C18 và PSA (Primary Secondary Amine) với dung môi rửa giải Acetonitrile - Toluene (tỷ lệ 3:1 thể tích) mang lại khả năng làm sạch vượt trội. Thiết bị phân tích sử dụng cột mao quản HP5-MS (30 m x 0,25 mm x 0,25 µm), khí mang Heli tinh khiết với tốc độ dòng 1,0 mL/phút, bơm mẫu không chia dòng (splitless) ở thể tích 1,0 µL và nhiệt độ cổng tiêm 250°C. Toàn bộ quy trình thẩm định phương pháp được hoàn thiện trong lộ trình nghiên cứu 24 tháng từ năm 2019 đến năm 2021.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện kỹ thuật cốt lõi có ý nghĩa quan trọng đối với ngành hóa phân tích thực phẩm:

Thứ nhất, việc bổ sung 1% axit axetic vào dung môi Acetonitrile kết hợp 5 mL nước cất tạo thành hệ dung môi chiết tối ưu cho nền gạo khô, đạt hiệu suất thu hồi trên 80% cho toàn bộ 19 hợp chất OCPs. So sánh đối chứng với dung môi Acetonitrile nguyên chất (có 4 trên 19 chất đạt độ thu hồi dưới 70%) và hệ dung môi nước - Acetonitrile không bổ sung axit (có 2 trên 19 chất đạt dưới 70%), việc bổ sung axit axetic đã làm tăng hiệu suất chiết trung bình từ 15% đến 25% nhờ khả năng ổn định các hợp chất nhạy cảm với pH.

Thứ hai, nghiên cứu xác định điều kiện cô đặc dịch chiết tối ưu là cô chân không và thổi khí Nitơ giữ lại thể tích 1,0 mL (điều kiện EC-A), mang lại độ thu hồi ổn định từ 82,3% đến 95,6%. Ngược lại, việc cô bay hơi dung môi đến khô hoàn toàn (điều kiện EC-B) khiến các chất có áp suất hơi cao bị thất thoát mạnh, làm độ thu hồi suy giảm nghiêm trọng và dao động bất ổn từ 53,9% đến 103,4%.

Thứ ba, phương pháp phân tích đạt độ tuyến tính xuất sắc trong khoảng nồng độ 5 đến 100 µg/L với hệ số tương quan R > 0,995 trên cả nền dung môi n-hexan và nền dịch chiết mẫu trắng. Giới hạn định lượng LOQ của phương pháp được xác lập đồng nhất ở mức 10 µg/kg cho toàn bộ 19 chất, thỏa mãn hoàn toàn yêu cầu MRL của Châu Âu. Độ lặp lại RSDr tại các mức nồng độ LOQ (10 µg/kg) và 5xLOQ (50 µg/kg) đều đạt dưới 15%, nằm trong ngưỡng cho phép theo tiêu chuẩn SANTE (RSDr ≤ 20%).

Thứ tư, kết quả phân tích trên 10 mẫu gạo Séng Cù thực tế tại Lào Cai đều cho kết quả âm tính hoặc nồng độ dư lượng OCPs nằm dưới ngưỡng phát hiện LOQ (10 µg/kg), khẳng định tính an toàn tuyệt đối của mẫu lúa gạo khảo sát.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của quy trình được giải thích bởi đặc tính hóa lý của các chất phân tích và cơ chế tương tác pha. Nhóm OCPs có tính kỵ nước mạnh (hệ số Log Kow cao) nên liên kết chặt chẽ với màng chất béo và cấu trúc tinh bột của hạt gạo. Việc bổ sung 5 mL nước giúp trương nở mạng lưới hydrat hóa của hạt tinh bột, tạo điều kiện cho dung môi phân cực Acetonitrile tiếp cận và hòa tan triệt để các phân tử thuốc trừ sâu. Axit axetic đóng vai trò trung hòa môi trường kiềm nhẹ, ngăn ngừa phản ứng phân hủy của các hoạt chất nhạy cảm như Endosulfan và Chlordane.

Quá trình làm sạch bằng cột SPE chứa hỗn hợp PSA và C18 giúp hấp phụ chọn lọc các axit béo tự do, sắc tố và hợp chất đường mà không làm mất mát OCPs. So với các công bố trước đây sử dụng phương pháp chiết lỏng - lỏng cổ điển tiêu tốn hơn 200 mL dung môi clo hóa độc hại như Dichloromethane hoặc kỹ thuật chiết Soxhlet kéo dài 8 giờ, quy trình cải tiến này rút ngắn thời gian xử lý xuống còn 45 phút cho một mẻ 12 mẫu và giảm lượng dung môi sử dụng xuống dưới 35 mL/mẫu.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu được minh họa trực quan thông qua biểu đồ cột so sánh hiệu suất thu hồi của 19 hoạt chất giữa các hệ dung môi và chế độ bay hơi (kèm thanh sai số chuẩn n = 3). Sắc ký đồ ion tổng (TIC) và sắc ký đồ đa phân mảnh SRM hiển thị 19 pic sắc nét, phân tách hoàn toàn trong tổng thời gian chạy máy 27 phút, không xuất hiện hiện tượng chồng chóp hay nhiễu đường nền.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm ứng dụng hiệu quả kết quả nghiên cứu vào thực tiễn quản lý an toàn thực phẩm và thúc đẩy xuất khẩu lúa gạo, luận văn đưa ra bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể:

Thứ nhất, Ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia: Cục Chất lượng, Chế biến và Phát triển thị trường (Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn) cùng Viện Kiểm nghiệm An toàn Vệ sinh Thực phẩm Quốc gia cần tiến hành thử nghiệm liên phòng để thẩm định và ban hành quy trình QuEChERS-SPE-GC-MS/MS thành Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) trước quý IV/2023, hướng tới mục tiêu giảm 30% thời gian trả kết quả kiểm nghiệm cho doanh nghiệp xuất khẩu.

Thứ hai, Nâng cấp trang thiết bị phòng thí nghiệm: Các trung tâm kiểm nghiệm kiểm định vùng cần được phân bổ nguồn vốn đầu tư để trang bị hệ thống GC-MS/MS ba tứ cực và vật tư SPE chuẩn hóa trong giai đoạn 2023 - 2025, bảo đảm 100% cơ sở kiểm nghiệm nông sản trọng điểm đạt năng lực phân tích lượng vết với giới hạn định lượng LOQ ≤ 10 µg/kg theo hướng dẫn SANTE/12682/2019.

Thứ ba, Thiết lập mạng lưới giám sát dư lượng vùng nguyên liệu: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn các tỉnh sản xuất lúa gạo trọng điểm tại Đồng bằng sông Cửu Long và miền núi phía Bắc cần xây dựng kế hoạch lấy mẫu định kỳ 1.200 mẫu gạo/năm từ năm 2024, tạo lập cơ sở dữ liệu số về mức độ tồn lưu OCPs trong đất và hạt gạo nhằm kiểm soát rủi ro từ sớm.

Thứ tư, Đào tạo và chuyển giao công nghệ phân tích: Học viện Khoa học và Công nghệ cùng Viện Hóa học tổ chức 5 khóa đào tạo chuyên sâu cho khoảng 250 kỹ thuật viên và cán bộ quản lý chất lượng tại các nhà máy chế biến lương thực xuất khẩu trong năm 2023 - 2024, tập trung vào kỹ thuật xử lý mẫu nền phức tạp và kiểm soát sai số khối phổ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang tính ứng dụng thực tiễn cao và là tài liệu tham khảo giá trị cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm kiểm nghiệm viên và chuyên viên phân tích tại các phòng thí nghiệm kiểm định thực phẩm: Luận văn cung cấp hướng dẫn từng bước về thao tác chiết QuEChERS, kỹ thuật làm sạch qua cột SPE nhồi hỗn hợp C18/PSA và bộ thông số tối ưu hóa phân mảnh SRM cho 19 hoạt chất OCPs trên thiết bị sắc ký khí khối phổ hai lần.

Nhóm doanh nghiệp chế biến, kinh doanh và xuất khẩu gạo: Cung cấp thông tin chuyên sâu về ngưỡng MRL của các thị trường quốc tế (0,01 - 0,05 mg/kg) và phương pháp kiểm tra dư lượng đạt chuẩn, hỗ trợ doanh nghiệp thiết lập quy trình kiểm soát chất lượng đầu vào cho các lô hàng từ 5.000 đến 50.000 tấn gạo xuất khẩu.

Nhóm nhà quản lý nông nghiệp và cơ quan hoạch định chính sách an toàn thực phẩm: Cung cấp cơ sở khoa học thực chứng phục vụ công tác rà soát, đánh giá mức độ tồn dư các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy POPs theo Công ước Stockholm, hỗ trợ xây dựng chính sách quản lý hóa chất bảo vệ thực vật tại Việt Nam.

Nhóm giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Hóa phân tích, Khoa học Môi trường và Công nghệ Thực phẩm: Nguồn tài liệu học thuật chất lượng cao về phương pháp luận thẩm định phân tích lượng vết theo quy chuẩn quốc tế SANTE/12682/2019 và giải pháp xử lý hiệu ứng nền trên ma trận giàu tinh bột.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp QuEChERS kết hợp cột SPE có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp chiết Soxhlet truyền thống? Phương pháp QuEChERS kết hợp SPE chỉ tiêu tốn khoảng 35 mL dung môi và hoàn thành xử lý mẫu trong 45 phút, trong khi chiết Soxhlet đòi hỏi từ 150 đến 500 mL dung môi độc hại và kéo dài tới 8 giờ. Quy trình cải tiến đạt độ thu hồi cao từ 82,3% đến 95,6% và loại bỏ triệt để tạp chất béo gây hỏng cột sắc ký.

Vì sao cần bổ sung 1% axit axetic vào dung môi Acetonitrile trong quá trình chiết? Axit axetic giúp axit hóa nhẹ môi trường chiết xuất, ngăn chặn phản ứng thủy phân và phân hủy quang hóa của các hợp chất OCPs nhạy cảm với pH bazơ. Thực nghiệm chứng minh việc thêm 1% axit axetic giúp nâng độ thu hồi của tất cả 19 hợp chất lên trên 80%, trong khi dung môi không có axit có tới 4 hợp chất bị tụt độ thu hồi xuống dưới 70%.

Tại sao không nên cô bay hơi dung môi đến khô hoàn toàn trước khi tiêm vào hệ thống GC-MS/MS? Các hoạt chất clo hữu cơ như Aldrin và Heptachlor có áp suất hơi cao (từ 2,05×10⁻⁵ đến 3,0×10⁻⁴ mmHg ở 25°C) nên rất dễ thăng hoa khi dung môi bay hơi hết. Việc cô khô hoàn toàn làm giảm hiệu suất thu hồi xuống mức 53,9%, trong khi kiểm soát thể tích dung môi còn lại 1,0 mL giúp duy trì độ thu hồi cao từ 82,3% đến 95,6%.

Tiêu chuẩn thẩm định SANTE/12682/2019 đưa ra những tiêu chí đánh giá nghiêm ngặt nào? Tiêu chuẩn SANTE/12682/2019 của Liên minh Châu Âu quy định độ thu hồi trung bình phải đạt từ 70% đến 120%, độ lặp lại RSDr không vượt quá 20%, hệ số tương quan tuyến tính R > 0,995 và hiệu ứng nền ME ≤ 20%. Toàn bộ 19 hợp chất OCPs trong nghiên cứu đều thỏa mãn xuất sắc các chỉ tiêu này tại mức LOQ 10 µg/kg.

Kết quả kiểm nghiệm 10 mẫu gạo Séng Cù tại Lào Cai phản ánh điều gì về mức độ an toàn thực phẩm? Cả 10 mẫu gạo Séng Cù khảo sát tại cánh đồng Mường Vi đều có hàm lượng 19 hợp chất OCPs dưới giới hạn định lượng 10 µg/kg (0,01 mg/kg). Kết quả này chứng minh vùng trồng tuân thủ tốt các quy định cấm sử dụng hóa chất POPs, hạt gạo hoàn toàn đạt chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm để cung ứng nội địa và xuất khẩu.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công quy trình chuẩn phân tích đồng thời 19 hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo (OCPs) trong gạo bằng phương pháp QuEChERS cải tiến kết hợp làm sạch bằng cột SPE và phân tích trên hệ thống GC-MS/MS.
  • Tối ưu hóa thành công hệ dung môi chiết gồm nước, Acetonitrile chứa 1% axit axetic và kiểm soát quá trình cô đặc ở thể tích 1,0 mL, đạt hiệu suất thu hồi vượt trội từ 82,3% đến 95,6%.
  • Thẩm định toàn diện phương pháp theo tiêu chuẩn Châu Âu SANTE/12682/2019 với giới hạn định lượng LOQ đạt 10 µg/kg, độ lặp lại RSDr < 15% và độ tuyến tính R > 0,995.
  • Ứng dụng phân tích thành công 10 mẫu gạo Séng Cù tại Lào Cai, xác nhận hàm lượng tồn dư OCPs đều dưới ngưỡng phát hiện, khẳng định tính khả thi của quy trình trên mẫu thực tế.
  • Đóng góp giải pháp khoa học chính xác, kinh tế và tin cậy cho các phòng kiểm nghiệm trong nước, hỗ trợ nâng cao năng lực cạnh tranh cho nông sản Việt Nam trên thị trường quốc tế.

Lộ trình tiếp theo dự kiến mở rộng ứng dụng quy trình phân tích trên các đối tượng nông sản khác như ngô, đậu, rau củ và trái cây xuất khẩu trong giai đoạn 2023 - 2025. Các doanh nghiệp và đơn vị kiểm nghiệm quan tâm có thể liên hệ áp dụng quy trình để nâng cao chuẩn mực kiểm soát chất lượng nông sản ngay hôm nay.