Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các sản phẩm đóng gói công nghiệp đã đặt ra những thách thức lớn đối với an toàn vệ sinh thực phẩm toàn cầu. Với sản lượng sản xuất ước tính vượt 5 triệu tấn mỗi năm, các hợp chất este của axit phtalic (phtalat) được sử dụng phổ biến làm chất hóa dẻo trong nhựa polyvinyl clorua (PVC) với tỷ lệ dao động từ 0,1% đến 40%, thậm chí lên tới 80% trong một số cấu trúc đặc thù. Do không tạo liên kết hóa học bền vững trong mạng lưới polyme, các phtalat rất dễ thôi nhiễm ra môi trường và ngấm vào thực phẩm, đặc biệt là các sản phẩm giàu lipid hoặc đồ uống. Nguy hại hơn, nhiều cơ sở sản xuất từng lạm dụng các chất như DEHP hay DINP làm phụ gia tạo đục nhằm hạ giá thành sản phẩm. Khi tích tụ trong cơ thể, các hợp chất này gây xáo trộn hệ thống nội tiết, làm tăng nguy cơ dậy thì sớm ở bé gái, teo tinh hoàn ở bé trai và làm suy giảm nghiêm trọng chức năng gan, thận, phổi.

Xuất phát từ thực trạng đó, nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội nhằm xây dựng một phương pháp phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao pha đảo (RP-HPLC) kết hợp đầu dò mảng điot quang học (PDA) để định lượng đồng thời 08 este phtalat tiêu biểu gồm DMGP, DPP, DHP, DCHP, DNOP, DEHP, DBP và BBP. Nghiên cứu tập trung khảo sát trên các nền mẫu thực phẩm giàu chất béo đại diện như bơ thực vật (hộp 80 gam) và phomai (hộp 250 gam). Kết quả mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi thiết lập được quy trình kiểm nghiệm có độ lặp lại cao với độ lệch chuẩn tương đối dưới 0,35%, rút ngắn hơn 50% thời gian phân tích so với các phương pháp truyền thống, góp phần nâng cao hiệu quả giám sát độc chất và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết sắc ký lỏng hiệu năng cao pha đảo (RP-HPLC), khai thác sự khác biệt về tính kỵ nước giữa các este phtalat để phân tách chúng trên pha tĩnh không phân cực. Cột sắc ký Cadenza CD-C18 với kích thước 250 mm × 4,6 mm và kích thước hạt 3 µm đóng vai trò cốt lõi trong việc duy trì hiệu lực cột và độ chọn lọc cao đối với các phân tử hữu cơ mạch dài.

Bên cạnh đó, lý thuyết quang phổ hấp thụ phân tử tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) và kỹ thuật đầu dò mảng điot quang học (PDA) được ứng dụng để định tính và định lượng chất phân tích tại bước sóng hấp thụ cực đại 225 nm. Cơ chế khử hoạt tính silanol tự do bằng amin bậc ba cũng được áp dụng triệt để: việc bổ sung tác nhân trietylamin nồng độ 0,04% vào pha động tại giá trị pH 2,8 giúp proton hóa nhóm amin, ngăn chặn liên kết thứ cấp giữa phtalat và các tâm kim loại hoặc nhóm silanol chưa silan hóa trên bề mặt silica, từ đó loại bỏ hoàn toàn hiện tượng kéo đuôi pic. Các khái niệm học thuật trọng tâm được sử dụng xuyên suốt gồm hệ số dung lượng, độ phân giải sắc ký, hệ số đối xứng pic tại 10% chiều cao, giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ).

Phương pháp nghiên cứu

Về phương pháp xử lý mẫu, nhóm tác giả chọn lựa cỡ mẫu 0,2000 gam thực phẩm giàu béo theo phương pháp lấy mẫu đại diện có chủ đích trên thị trường thương mại. Quá trình tách chiết được tối ưu hóa bằng phương pháp chiết lỏng – lỏng chọn lọc sử dụng 5 mL Acetonitril (ACN). Dung môi ACN được lựa chọn nhờ khả năng hòa tan chọn lọc các hợp chất phtalat trong khi hạn chế tối đa việc hòa tan chất béo nền mẫu. Hỗn hợp được lắc cơ học trong 30 phút, rung siêu âm gia nhiệt ở 40°C trong 30 phút nhằm làm lỏng chất béo giải phóng độc chất, sau đó quay ly tâm 4000 vòng/phút trong 30 phút và lọc qua màng lọc 0,45 µm trước khi bơm vào hệ thống sắc ký.

Điều kiện phân tích sắc ký được thực hiện trên hệ thống Shimadzu 10Avp với van tiêm mẫu 50 µL, nhiệt độ lò cột 25°C. Pha động gồm kênh A (pha nước chứa 0,04% trietylamin chỉnh pH 2,8 bằng axit photphoric 1M) và kênh B (ACN tinh khiết) theo tỷ lệ thể tích 5:95. Nghiên cứu áp dụng chương trình gradient tốc độ dòng thay vì gradient nồng độ dung môi: khởi đầu tại tốc độ 0,8 ml/phút trong 12,5 phút, tăng tuyến tính lên 1,0 ml/phút tại phút 14, duy trì 2 phút, tiếp tục tăng lên 1,2 ml/phút trong 2,5 phút và giữ nguyên đến khi kết thúc quá trình chạy trong 25 phút. Toàn bộ kết quả định lượng được kiểm chứng đối chiếu độc lập trên hệ thống sắc ký khí khối phổ (GC-MS Thermo DSQ II, cột DB-5MS 30 m × 0,25 mm × 1,0 µm) theo tiêu chuẩn CPSC-CH-C1001-09, sử dụng kiểm định chuẩn Student và chuẩn Fisher để đánh giá sai số hệ thống trong mốc thời gian thực hiện năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc áp dụng chương trình gradient tốc độ dòng 0,8 – 1,2 ml/phút với tỷ lệ pha động ACN:đệm (95:5) đã phân tách thành công và hoàn toàn 08 este phtalat theo thứ tự thời gian lưu: DMGP (3,76 phút), BBP (5,54 phút), DBP (6,15 phút), DPP (8,13 phút), DCHP (9,16 phút), DHP (11,53 phút), DEHP (20,36 phút) và DNOP (22,71 phút). Tổng thời gian phân tích được rút ngắn xuống chỉ còn 23 đến 25 phút, giảm hơn 55% so với chế độ đẳng dòng ban đầu vốn kéo dài trên 53 phút.

Thứ hai, chất lượng phân tách sắc ký đạt mức tối ưu vượt trội. Độ phân giải giữa tất cả các cặp pic liền kề đều đạt giá trị cao hơn 2,0 (trong đó DBP đạt 2,06; DPP đạt 6,26; DEHP đạt tới 25,37 và DNOP đạt 6,09), đảm bảo không xảy ra hiện tượng chồng chập pic. Hệ số đối xứng của các pic sắc ký tại 10% chiều cao dao động lý tưởng trong khoảng 0,984 đến 1,160, phản ánh hình dạng pic sắc nét và đối xứng hoàn hảo.

Thứ ba, hệ thống thiết bị và phương pháp xử lý mẫu thể hiện độ lặp lại và độ chính xác xuất sắc. Khảo sát độ lặp của hệ máy trên mẫu chuẩn 10 ppm cho thấy độ lệch chuẩn tương đối (%RSD) của thời gian lưu cực kỳ nhỏ, chỉ từ 0,08% (ở DNOP) đến 0,30% (ở DMGP). Hiệu suất thu hồi của quy trình xử lý mẫu trên các mức nồng độ thêm chuẩn đạt từ 85% đến 105%, với hệ số tương quan tuyến tính của các đường chuẩn đều đạt R² > 0,999.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả tách vượt trội của phương pháp bắt nguồn từ việc kiểm soát tối ưu nồng độ chất biến tính trietylamin 0,04% và môi trường pH 2,8. Tại môi trường axit này, trietylamin tồn tại dưới dạng ion mang điện tích dương, cạnh tranh liên kết và phong bế hoàn toàn các nhóm silanol tự do hoạt động trên bề mặt silica của cột Cadenza CD-C18. Nhờ đó, các este phtalat không bị cản trở bởi tương tác tĩnh điện thứ cấp, triệt tiêu hiện tượng giãn rộng chân pic và kéo đuôi tín hiệu.

Khi so sánh với các nghiên cứu sắc ký lỏng sử dụng gradient dung môi metanol - nước hoặc etanol - nước, việc cố định tỷ lệ dung môi ACN:pha nước ở mức 95:5 và chỉ thay đổi tốc độ dòng pha động đã giữ cho đường nền sắc ký luôn phẳng tuyệt đối, loại bỏ hiện tượng trôi nền vốn làm sai lệch diện tích pic ở các hợp chất rửa giải muộn như DEHP và DNOP. So với hệ thống UPLC đắt đỏ, phương pháp RP-HPLC-PDA được tối ưu trong nghiên cứu này mang lại hiệu năng tương đương về độ nhạy nhưng chi phí vận hành thấp hơn đáng kể. Toàn bộ các thông số thực nghiệm có thể được biểu diễn trực quan qua sắc ký đồ đa kênh ở bước sóng 225 nm và bảng tổng hợp các giá trị kiểm định thống kê Fisher, khẳng định không có sự sai khác có ý nghĩa giữa hệ số hồi quy thực nghiệm và lý thuyết.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm đạt được, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị hành động trọng tâm nhằm kiểm soát nguy cơ nhiễm phtalat trong thực phẩm:

  • Chuẩn hóa và ban hành quy trình phân tích thường quy: Cục An toàn Thực phẩm phối hợp cùng Viện Kiểm nghiệm An toàn Vệ sinh Thực phẩm Quốc gia ban hành hướng dẫn kỹ thuật chuẩn dựa trên quy trình RP-HPLC-PDA chiết ACN gia nhiệt siêu âm 40°C. Mục tiêu nâng cao năng lực phân tích đạt công suất 30 đến 40 mẫu mỗi ngày tại các phòng thí nghiệm trọng điểm, hoàn thành trong vòng 12 tháng tới.
  • Siết chặt quy chuẩn thôi nhiễm bao bì nhựa: Bộ Y tế và Bộ Công Thương cần bổ sung danh mục kiểm soát bắt buộc đối với 08 loại este phtalat trong bao bì thực phẩm bằng nhựa PVC, đặt ngưỡng thôi nhiễm tối đa không vượt quá 1,5 mg/kg đối với thực phẩm tiếp xúc chất béo. Thiết lập lộ trình thanh tra định kỳ 100% doanh nghiệp sản xuất bao bì bơ, dầu ăn và sữa đóng hộp trong giai đoạn 2024–2025.
  • Nâng cấp kỹ thuật cho các trung tâm kiểm nghiệm địa phương: Các Trung tâm Kiểm soát Bệnh tật (CDC) và chi cục kiểm nghiệm chất lượng nông lâm thủy sản cần đồng bộ trang bị cột tách pha đảo C18 cỡ hạt 3 µm và đầu dò PDA, giúp giảm hơn 40% lượng dung môi tiêu hao so với quy trình cũ, hoàn thành chỉ tiêu chuẩn hóa phòng lab trước năm 2025.
  • Chuyển đổi công nghệ sản xuất chất hóa dẻo thân thiện môi trường: Khuyến khích các doanh nghiệp sản xuất nhựa và chế biến thực phẩm thay thế hoàn toàn phụ gia DEHP và DINP bằng các chất hóa dẻo sinh học có nguồn gốc từ este axetyl tributyl xitrat (ATBC) hoặc dầu đậu nành epoxy hóa (ESBO), hướng tới mục tiêu giảm 90% nguy cơ phơi nhiễm độc chất từ phụ gia công nghiệp vào năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Chuyên viên phân tích và kiểm nghiệm viên an toàn thực phẩm: Tài liệu cung cấp quy trình chuẩn hóa chi tiết về thao tác xử lý nền mẫu giàu béo phức tạp bằng Acetonitril kết hợp siêu âm, giúp thiết lập các phép thử thường quy đạt chuẩn ISO/IEC 17025 tại các phòng thử nghiệm VILAS.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Hóa phân tích, Hóa dược: Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp tối ưu hóa pha động, kỹ thuật gradient tốc độ dòng và phương pháp kiểm tra sai số hệ thống bằng các công cụ thống kê Student và Fisher.
  • Bộ phận Nghiên cứu & Phát triển (R&D) và Quản lý chất lượng (QA/QC) ngành bao bì, thực phẩm: Giúp các kỹ sư nắm rõ cơ chế thôi nhiễm của phụ gia dẻo từ bao bì hộp nhựa, màng bọc vào thực phẩm béo, từ đó cải tiến công thức vật liệu đóng gói an toàn hơn.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách y tế công cộng: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm xác thực và các bằng chứng khoa học để xây dựng bộ tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về giới hạn an toàn phụ gia thôi nhiễm trong chuỗi cung ứng thực phẩm.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần phân tích đồng thời 8 loại phtalat thay vì chỉ kiểm tra riêng lẻ chất DEHP? Trong thực tế sản xuất, các nhà sản xuất nhựa và phụ gia thường sử dụng hỗn hợp nhiều este phtalat khác nhau như DBP, BBP, DINP nhằm tối ưu độ dẻo và giảm chi phí. Phân tích đồng thời 08 chất giúp phát hiện toàn diện nguy cơ thôi nhiễm tổng hợp và ngăn chặn triệt để hành vi gian lận phụ gia tạo đục.

Dung môi Acetonitril mang lại ưu điểm gì vượt trội khi xử lý mẫu thực phẩm giàu chất béo? Acetonitril có độ phân cực trung bình, hòa tan chọn lọc rất tốt các este phtalat nhưng lại hòa tan kém chất béo ở nhiệt độ phòng. Khi kết hợp gia nhiệt siêu âm 40°C và làm lạnh ly tâm, phtalat được chiết triệt để vào pha lỏng mà không làm đục nền mẫu, loại bỏ bước làm sạch phức tạp.

Vai trò cụ thể của trietylamin 0,04% và việc điều chỉnh pH về 2,8 trong pha động là gì? Trietylamin đóng vai trò phong bế các tâm silanol tự do còn sót lại trên bề mặt silica của cột C18. Tại giá trị pH 2,8, trietylamin bị ion hóa mạnh, liên kết với các vị trí hoạt động này, ngăn cản phtalat tương tác phụ, giúp hệ số đối xứng pic đạt mức chuẩn từ 0,984 đến 1,160.

Phương pháp HPLC-PDA trong nghiên cứu có ưu thế gì so với phương pháp GC-MS tiêu chuẩn? Phương pháp HPLC-PDA có chi phí đầu tư và vận hành thấp hơn nhiều so với hệ GC-MS, quy trình chuẩn bị mẫu không đòi hỏi dẫn xuất hóa phức tạp. Khi chạy gradient tốc độ dòng, phương pháp đạt độ lặp lại cao với %RSD thời gian lưu dưới 0,35%, hoàn toàn đáp ứng tốt nhu cầu tầm soát diện rộng.

Quy trình này có thể mở rộng áp dụng cho các nền mẫu thực phẩm lỏng như nước giải khát hay rượu bia không? Hoàn toàn khả thi. Đối với các mẫu dạng lỏng ít chất béo như nước ngọt, thạch rau câu hay đồ uống có cồn, quy trình chiết thậm chí còn đơn giản hơn khi có thể áp dụng chiết lỏng - lỏng trực tiếp bằng dung môi hữu cơ phân cực trung bình mà không cần qua bước gia nhiệt tách béo.

Kết luận

  • Thiết lập thành công phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao pha đảo (RP-HPLC) kết hợp đầu dò mảng điot quang học (PDA) tại bước sóng 225 nm để định lượng đồng thời 08 hợp chất este phtalat độc hại trong thực phẩm.
  • Rút ngắn thời gian phân tích sắc ký xuống chỉ còn 23 – 25 phút nhờ ứng dụng hiệu quả chương trình gradient tốc độ dòng 0,8 – 1,2 ml/phút, duy trì đường nền ổn định tuyệt đối và độ phân giải giữa các pic luôn đạt R > 2,0.
  • Quy trình xử lý mẫu giàu béo bằng Acetonitril kết hợp lắc cơ học và gia nhiệt siêu âm 40°C đạt hiệu suất thu hồi tối ưu trong khoảng 85% đến 105% với độ lệch chuẩn tương đối %RSD dưới 0,35%.
  • Kết quả đối chiếu với phương pháp sắc ký khí khối phổ (GC-MS) theo tiêu chuẩn CPSC khẳng định độ đúng, độ tin cậy và tính tương thích cao của phương pháp trong điều kiện thực nghiệm tại Việt Nam.
  • Cung cấp cơ sở khoa học và công cụ kiểm nghiệm kinh tế, tin cậy cao, tạo tiền đề để mở rộng tầm soát trên 50 nhóm thực phẩm đóng gói thương mại trong 6 tháng tiếp theo nhằm bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.