Xác Định Hàm Lượng Benzen Trong Sản Phẩm Thực Phẩm Bằng Phương Pháp GC-MS

Nghiên cứu xác định hàm lượng benzen trong sản phẩm chứa muối benzoat và acid ascorbic bằng phương pháp sắc ký khí khối phổ GC-MS.

• Tác giả: Nguyễn Như Thượng
• Người hướng dẫn: TS. Trần Cao Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Kiểm Nghiệm Thuốc Và Độc Chất
• Đề tài: Phân Tích Hàm Lượng Benzen Trong Sản Phẩm Thực Phẩm Bằng Phương Pháp GC-MS
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.1. Tổng quan chung về benzen
• 1.2. Công thức cấu tạo và tính chất của benzen
• 1.3. Nguồn gốc của benzen
• 1.4. Con đường hình thành benzen trong thực phẩm
• 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo thành benzen
• 1.6. Tác hại của benzen
• 1.7. Hàm lượng benzen trong thực phẩm
• 1.8. Quy định hiện hành đối với benzen
• 1.9. Phương pháp xử lý mẫu phân tích benzen
• 1.9.1. Kỹ thuật lấy mẫu không gian hơi (HS)
• 1.9.2. Kỹ thuật vi chiết pha rắn
• 1.9.3. Kỹ thuật sục khí và bẫy lại (purge and trap)
• 2. CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.2.1. Khảo sát các điều kiện sắc ký
• 2.2.2. Khảo sát các điều kiện xử lý mẫu
• 2.2.3. Xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp
• 2.3. Đánh giá hàm lượng benzen trên một số đối tượng thực phẩm
• 2.4. Vật liệu nghiên cứu
• 2.5. Thiết bị, dụng cụ
• 2.6. Dung môi, hóa chất
• 2.7. Chuẩn bị dung dịch chuẩn
• 2.8. Phương pháp nghiên cứu
• 2.8.1. Phương pháp xử lý mẫu
• 2.8.2. Phương pháp sắc ký khí khối phổ
• 2.8.3. Phương pháp thẩm định
• 2.8.3.1. Tính đặc hiệu
• 2.8.3.2. Giới hạn phát hiện LOD và giới hạn định lượng LOQ
• 2.8.3.3. Khảo sát khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn
• 2.8.3.4. Xác định độ lặp lại và độ tái lặp của phương pháp
• 2.9. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Khảo sát điều kiện phân tích trên hệ thống GC-MS
• 3.2. Khảo sát điều kiện GC-MS
• 3.3. Khảo sát kỹ thuật tiêm mẫu
• 3.4. Khảo sát quy trình xử lý mẫu
• 3.5. Khảo sát nhiệt độ chưng cất
• 3.6. Khảo sát thời gian chưng cất
• 3.7. Khảo sát nồng độ và pH đệm
• 3.8. Thẩm định phương pháp
• 3.8.1. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ)
• 3.8.2. Xây dựng đường chuẩn
• 3.8.3. Độ lặp lại và độ tái lặp của phương pháp
• 3.9. Ứng dụng phân tích mẫu thực phẩm
• 4. CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BENZEN
• 4.1. Lựa chọn phương pháp phân tích benzen
• 4.2. Khảo sát pH nồng độ đệm của quá trình chưng cất
• 4.3. Khảo sát nhiệt độ và thời gian chưng cất
• 4.4. Thẩm định phương pháp phân tích
• 4.5. Đánh giá hàm lượng benzen
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Phân Tích Benzen Trong Thực Phẩm Giới Thiệu

An toàn thực phẩm luôn là mối quan tâm hàng đầu. Thực phẩm an toàn không chỉ đáp ứng về lượng và chất mà còn phải đảm bảo sức khỏe cho người tiêu dùng. Benzen là một chất gây ung thư, đặc biệt là ung thư máu, và được IARC xếp vào nhóm I. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã phát hiện benzen trong thực phẩm, có thể do quá trình sản xuất, thôi nhiễm từ bao bì hoặc hình thành trong quá trình bảo quản. Đặc biệt, khi thực phẩm chứa đồng thời muối benzoat và acid ascorbic có thể tạo thành benzen. Việc tiêu thụ thực phẩm chứa benzen có thể gây tích lũy và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe. Nghiên cứu phát triển các quy trình và phương pháp phân tích benzen trong thực phẩm là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng.

1.1. Định Nghĩa và Tính Chất Hóa Lý Của Benzen

Benzen (C6H6) là một hydrocarbon thơm, dễ bay hơi, và dễ cháy. Ở điều kiện thường, nó là chất lỏng không màu. Cấu trúc benzen bao gồm một vòng sáu nguyên tử carbon với các liên kết đơn và đôi xen kẽ. Nó tan ít trong nước nhưng tan tốt trong nhiều dung môi hữu cơ. Theo nghiên cứu của Friedrich August Kekulé, cấu trúc vòng benzen bao gồm 6 nguyên tử carbon liên kết xen kẽ đơn và đôi. Những tính chất này ảnh hưởng đến phương pháp phân tích benzen trong thực phẩm.

1.2. Nguồn Gốc Phát Sinh Benzen Trong Thực Phẩm

Benzen có thể xuất hiện trong thực phẩm từ nhiều nguồn. Dầu mỏ và than đá chứa một lượng nhỏ benzen. Nó cũng có thể sinh ra từ quá trình đốt cháy không hoàn toàn của nhiều vật liệu. Trong thực phẩm, benzen có thể đến từ nguyên liệu ô nhiễm, thôi nhiễm từ bao bì, bảo quản trong khu vực ô nhiễm, hoặc sử dụng nước ô nhiễm. Đặc biệt, benzen có thể hình thành khi có đồng thời muối benzoat và acid ascorbic. FDA cho phép bổ sung muối benzoat và acid ascorbic vào thực phẩm, nhưng điều này tiềm ẩn nguy cơ hình thành benzen.

1.3. Độc Tính Của Benzen đối với An Toàn Thực Phẩm

Benzen được IARC xếp vào nhóm I, là chất gây ung thư ở người. Nó có thể gây ung thư bạch cầu và các bệnh ung thư máu khác. Benzen được hấp thụ vào cơ thể qua đường hô hấp, ăn uống và da. Nó phân phối nhanh chóng khắp cơ thể và tích tụ tại các mô mỡ và tủy xương. Các triệu chứng khi nhiễm benzen bao gồm giảm bạch cầu, thiếu máu, giảm tiểu cầu và các vấn đề thần kinh. Tiếp xúc lâu dài có thể gây suy tủy xương và ung thư nhiều cơ quan. Do đó, việc kiểm soát hàm lượng benzen trong thực phẩm là rất quan trọng.

II. Thách Thức Sự Hình Thành Benzen Trong Thực Phẩm Đóng Gói

Sự hình thành benzen trong thực phẩm là một thách thức lớn. Acid benzoic và các muối của nó là chất bảo quản phổ biến. Acid ascorbic cũng thường được thêm vào như chất chống oxy hóa. FDA phát hiện benzen trong một số đồ uống khi có đồng thời natri benzoat và acid ascorbic. Benzen hình thành do sự khử nhóm COO- của natri benzoat hoặc nhóm COOH của acid benzoic khi có mặt vitamin C. Nồng độ benzen tỷ lệ với hàm lượng natri benzoat và acid ascorbic. Các yếu tố như pH môi trường, nhiệt độ, tia cực tím và chất xúc tác ảnh hưởng đến phản ứng này. Việc hiểu rõ các yếu tố này là cần thiết để phân tích benzen trong thực phẩm.

2.1. Cơ Chế Hình Thành Benzen Từ Benzoat và Acid Ascorbic

Phản ứng hình thành benzen xảy ra khi acid ascorbic khử nhóm carboxyl của benzoat. Nồng độ benzen tỷ lệ thuận với nồng độ benzoat và acid ascorbic. Điều này gây lo ngại về sự an toàn của các sản phẩm chứa cả hai chất này. Benzen hình thành là do sự khử nhóm COO- của natri benzoat hoặc nhóm COOH của acid benzoic khi có mặt vitamin C (acid ascorbic) có trong thực phẩm. Hình thành benzen dựa trên cơ chế tạo gốc tự do. Ngoài acid ascorbic, một số chất có khả năng sinh ra các gốc pecrocid hay hydroxyl cũng có thể xúc tác cho phản ứng

2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Quá Trình Tạo Thành Benzen

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành benzen. pH môi trường acid (pH 3-5) tạo điều kiện tốt cho phản ứng. Nhiệt độ và tia cực tím cũng làm tăng sự hình thành benzen. Các chất xúc tác như ion kim loại chuyển tiếp (Cu2+, Fe2+) cũng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Chất chống oxy hóa và đường có thể ức chế quá trình này. Ảnh hưởng của hệ đệm và pH môi trường Sự hình thành benzen từ việc khử carboxyl của muối benzoat bị ảnh hưởng bởi giá trị pH môi trường. Môi trường pH acid (khoảng pH từ 3 – 5) tạo điều kiện tốt cho phản ứng hình thành benzen.

2.3. Quy Định Về Giới Hạn Benzen Cho Phép Trong Thực Phẩm

Các cơ quan quản lý như FDA và WHO đã thiết lập giới hạn benzen cho phép trong thực phẩm để bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng. Việc tuân thủ các quy định này là bắt buộc đối với các nhà sản xuất thực phẩm. Tại Việt Nam, hiện chưa có phương pháp tiêu chuẩn để xác định hàm lượng benzen trên các nền mẫu thực phẩm. Do đó việc nghiên cứu phát triển các quy trình và phương pháp phân tích benzen trong thực phẩm là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng.

III. Phương Pháp GC MS Giải Pháp Phân Tích Benzen Hiệu Quả

Phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) là một công cụ mạnh mẽ để phân tích benzen trong thực phẩm. GC-MS có độ nhạy cao và khả năng xác định chính xác nồng độ benzen trong các mẫu phức tạp. Kỹ thuật lấy mẫu không gian hơi (headspace), vi chiết pha rắn (SPME) và sục khí và bẫy lại (purge and trap) thường được sử dụng để chuẩn bị mẫu trước khi phân tích GC-MS. GC-MS cho phép định lượng benzen bằng GC-MS một cách chính xác và đáng tin cậy, đảm bảo an toàn thực phẩm benzen.

3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động Của Phương Pháp GC MS

GC-MS kết hợp khả năng tách chất của sắc ký khí (GC) với khả năng định danh và định lượng của khối phổ (MS). Mẫu được hóa hơi và tách thành các thành phần riêng biệt trong cột GC. Sau đó, các thành phần này được ion hóa và phân tích theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) trong MS. Dữ liệu này cho phép xác định và định lượng benzen trong mẫu. Độ nhạy của phương pháp GC-MS phân tích VOCs rất cao, thích hợp để phát hiện nồng độ benzen trong thực phẩm rất nhỏ.

3.2. Ưu Điểm Của GC MS Trong Phân Tích Benzen So Với Các Phương Pháp Khác

So với các phương pháp khác, GC-MS có nhiều ưu điểm vượt trội. Nó có độ nhạy cao hơn, cho phép phát hiện nồng độ benzen rất thấp. Nó cũng có khả năng xác định chính xác benzen trong các mẫu phức tạp chứa nhiều thành phần khác. GC-MS cũng có tính linh hoạt cao, có thể điều chỉnh các thông số phân tích để phù hợp với các loại mẫu khác nhau. Ngoài ra, GC-MS còn được ứng dụng trong phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật, ứng dụng GC-MS trong phân tích thực phẩm.

3.3. Các Kỹ Thuật Chuẩn Bị Mẫu GC MS Phổ Biến Để Phân Tích Benzen

Để chuẩn bị mẫu cho GC-MS, các kỹ thuật như lấy mẫu không gian hơi (headspace), vi chiết pha rắn (SPME) và sục khí và bẫy lại (purge and trap) thường được sử dụng. Kỹ thuật headspace chiết benzen từ pha lỏng sang pha khí, giảm ảnh hưởng của nền mẫu. SPME sử dụng sợi hấp phụ để chiết benzen, đơn giản và nhanh chóng. Kỹ thuật purge and trap sục khí vào mẫu để đuổi benzen và bẫy lại, phù hợp với mẫu có nồng độ benzen thấp. Xử lý mẫu phân tích benzen GC-MS đóng vai trò quan trọng để đạt được độ chính xác cao.

IV. Nghiên Cứu Xác Định Hàm Lượng Benzen Bằng GC MS Thực Tế

Một nghiên cứu đã được thực hiện để xác định hàm lượng benzen trong một số sản phẩm chứa đồng thời muối benzoat và acid ascorbic bằng phương pháp GC-MS. Nghiên cứu này đã xây dựng và thẩm định phương pháp định lượng benzen bằng GC-MS hiệu quả. Các điều kiện sắc ký và xử lý mẫu đã được khảo sát và tối ưu hóa. Phương pháp đã được thẩm định về tính đặc hiệu, giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ), khoảng tuyến tính, độ lặp lại và độ tái lặp. Phương pháp này sau đó được áp dụng để kiểm nghiệm benzen trong thực phẩm trên một số mẫu thực tế.

4.1. Quy Trình Xây Dựng Và Thẩm Định Phương Pháp GC MS Phân Tích Benzen

Quy trình xây dựng và thẩm định phương pháp GC-MS bao gồm nhiều bước. Đầu tiên, các điều kiện sắc ký (cột, nhiệt độ, tốc độ dòng khí) và xử lý mẫu (phương pháp chiết, dung môi) được khảo sát và tối ưu hóa. Sau đó, phương pháp được thẩm định về các thông số như tính đặc hiệu (khả năng phân biệt benzen với các chất khác), LOD (nồng độ thấp nhất mà phương pháp có thể phát hiện), LOQ (nồng độ thấp nhất mà phương pháp có thể định lượng), khoảng tuyến tính (khoảng nồng độ mà đáp ứng của phương pháp tuyến tính với nồng độ), độ lặp lại (độ chính xác của phương pháp khi thực hiện nhiều lần trên cùng một mẫu) và độ tái lặp (độ chính xác của phương pháp khi thực hiện trên các ngày khác nhau hoặc bởi các người khác nhau). Kiểm soát chất lượng phân tích benzen là yếu tố then chốt.

4.2. Kết Quả Phân Tích Hàm Lượng Benzen Trong Các Mẫu Thực Phẩm Cụ Thể

Nghiên cứu đã áp dụng phương pháp GC-MS để phân tích hàm lượng benzen trong một số mẫu thực phẩm chứa đồng thời muối benzoat và acid ascorbic. Kết quả cho thấy một số mẫu có hàm lượng benzen vượt quá giới hạn cho phép, trong khi một số mẫu khác có hàm lượng benzen thấp hơn. Kết quả phân tích muối benzoat và acid ascorbic cũng được ghi nhận để đánh giá khả năng hình thành benzen. Cần lưu ý rằng, độ nhạy của phương pháp GC-MS với benzen đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện các mẫu có nồng độ thấp.

4.3. Đánh Giá Mức Độ An Toàn Thực Phẩm Dựa Trên Kết Quả Phân Tích

Dựa trên kết quả phân tích, mức độ an toàn thực phẩm của các mẫu được đánh giá. Các mẫu có hàm lượng benzen vượt quá giới hạn cho phép được coi là không an toàn và cần có biện pháp xử lý. Các mẫu có hàm lượng benzen thấp hơn giới hạn cho phép được coi là an toàn, nhưng cần tiếp tục theo dõi để đảm bảo an toàn lâu dài. Việc đánh giá này giúp các nhà quản lý và nhà sản xuất thực phẩm đưa ra các quyết định phù hợp để bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

V. Kết Luận Ứng Dụng Và Triển Vọng Của Phân Tích Benzen GC MS

Phương pháp GC-MS là một công cụ quan trọng để phân tích benzen trong thực phẩm và đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Nghiên cứu này đã xây dựng và thẩm định một phương pháp GC-MS hiệu quả để xác định hàm lượng benzen trong các sản phẩm chứa đồng thời muối benzoat và acid ascorbic. Phương pháp này có thể được sử dụng để phát hiện benzen trong thực phẩm và đánh giá mức độ an toàn thực phẩm. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện phương pháp GC-MS và phát triển các phương pháp mới để phân tích benzen trong thực phẩm một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Và Đóng Góp Cho Khoa Học

Nghiên cứu này đã thành công trong việc xây dựng và thẩm định phương pháp GC-MS để xác định hàm lượng benzen trong thực phẩm. Kết quả nghiên cứu đã cung cấp thông tin quan trọng về mức độ an toàn thực phẩm và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành benzen. Đóng góp của nghiên cứu này cho khoa học là cung cấp một công cụ hiệu quả để kiểm tra benzen trong thực phẩm và nâng cao nhận thức về nguy cơ benzen trong thực phẩm.

5.2. Đề Xuất Các Biện Pháp Giảm Thiểu Hình Thành Benzen Trong Thực Phẩm

Để giảm thiểu sự hình thành benzen trong thực phẩm, cần thực hiện các biện pháp sau: giảm thiểu sử dụng muối benzoat và acid ascorbic, kiểm soát pH môi trường, bảo quản thực phẩm ở nhiệt độ thấp, sử dụng bao bì chống tia UV, và thêm chất chống oxy hóa. Cần kiểm soát chặt chẽ quy trình sản xuất, vận chuyển và bảo quản để ngăn ngừa ô nhiễm benzen từ các nguồn bên ngoài.

5.3. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Phân Tích Benzen Trong Thực Phẩm

Hướng nghiên cứu tiếp theo về phân tích benzen trong thực phẩm có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp phân tích nhanh chóng và tại chỗ, nghiên cứu cơ chế hình thành benzen chi tiết hơn, và đánh giá rủi ro sức khỏe do tiếp xúc với benzen từ thực phẩm. Các nghiên cứu cũng cần tập trung vào việc tìm kiếm các chất thay thế an toàn cho muối benzoat và acid ascorbic trong vai trò chất bảo quản và chống oxy hóa.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Benzen là một hợp chất hydrocarbon thơm có công thức phân tử C(_6)H(_6), được biết đến với tính chất dễ bay hơi và khả năng gây ung thư, đặc biệt là ung thư máu. Theo Tổ chức Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC), benzen được xếp vào nhóm I – nhóm các chất gây ung thư cho người. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã phát hiện benzen tồn tại trong thực phẩm, đặc biệt trong các sản phẩm chứa đồng thời muối benzoat và acid ascorbic, do phản ứng hóa học giữa hai thành phần này có thể tạo thành benzen trong quá trình bảo quản hoặc chế biến. Tại Việt Nam, các sản phẩm như nước giải khát, tương ớt, mứt quả thường chứa đồng thời muối benzoat và acid ascorbic, tiềm ẩn nguy cơ hình thành benzen, ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng và thẩm định phương pháp xác định hàm lượng benzen trong một số sản phẩm thực phẩm chứa đồng thời muối benzoat và acid ascorbic bằng phương pháp sắc ký khí khối phổ (GC-MS), đồng thời áp dụng phương pháp này để đánh giá hàm lượng benzen trong các mẫu thực phẩm phổ biến tại Việt Nam. Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2023 tại Hà Nội, tập trung vào các sản phẩm nước giải khát, nước rau quả, nectar rau quả, tương ớt, tương cà và mứt quả.

Việc xác định chính xác hàm lượng benzen trong thực phẩm có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn thực phẩm, góp phần giảm thiểu nguy cơ phơi nhiễm benzen qua đường ăn uống, đồng thời hỗ trợ xây dựng các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng thực phẩm tại Việt Nam. Nghiên cứu cũng cung cấp dữ liệu tham khảo cho các cơ quan quản lý và doanh nghiệp trong việc kiểm soát chất bảo quản và các thành phần phụ gia trong sản phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc và tính chất hóa lý của benzen: Benzen là hợp chất vòng thơm với công thức C(_6)H(_6), có tính dễ bay hơi, tan ít trong nước (0,8 g/L ở 25°C), tan tốt trong dung môi hữu cơ. Benzen có thể hình thành trong thực phẩm do phản ứng khử nhóm carboxyl của muối benzoat khi có mặt acid ascorbic trong môi trường pH acid (3-5), nhiệt độ và tia cực tím.

• Phản ứng tạo thành benzen trong thực phẩm: Sự kết hợp đồng thời của muối benzoat và acid ascorbic trong thực phẩm có thể tạo ra benzen thông qua cơ chế tạo gốc tự do. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng này gồm pH môi trường, nhiệt độ, ánh sáng tia cực tím, sự có mặt của ion kim loại chuyển tiếp (Cu(^{2+}), Fe(^{2+})) và các chất xúc tác hoặc ức chế như EDTA, đường khử, chất chống oxy hóa (catechin, glucose).

• Phương pháp phân tích benzen: Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) là kỹ thuật chủ đạo để xác định benzen với độ nhạy cao. Các kỹ thuật xử lý mẫu phổ biến gồm lấy mẫu không gian hơi (headspace - HS), vi chiết pha rắn (SPME), và sục khí và bẫy lại (purge and trap). Phương pháp purge and trap được ưu tiên do giới hạn phát hiện thấp hơn và khả năng làm giàu mẫu tốt hơn.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các mẫu thực phẩm phổ biến tại Việt Nam gồm nước giải khát, nước rau quả, nectar rau quả, tương ớt, tương cà và mứt quả. Mẫu được thu thập, bảo quản lạnh và xử lý đồng nhất trước khi phân tích.

• Phương pháp phân tích: Phân tích benzen bằng sắc ký khí khối phổ GC-MS (Thermo Scientific ISQ 7000) với cột DB5-MS (30 m × 0,25 mm × 0,25 µm). Phương pháp tiêm mẫu sục khí và bẫy lại được lựa chọn do độ nhạy cao hơn so với kỹ thuật lấy mẫu không gian hơi.

• Xử lý mẫu: Mẫu lỏng được cân chính xác 50 mL, mẫu rắn 50 g, thêm dung dịch đệm borat 0,8 M điều chỉnh pH 11 để hạn chế sự hình thành benzen trong quá trình chưng cất. Chưng cất benzen ở nhiệt độ 325°C trong 60 phút, thêm nội chuẩn benzen-d6 để hiệu chuẩn.

• Thẩm định phương pháp: Đánh giá tính đặc hiệu, giới hạn phát hiện (LOD = 0,05 µg/kg), giới hạn định lượng (LOQ = 0,15 µg/kg), độ tuyến tính (R(^2) ≥ 0,99), độ lặp lại, độ tái lập và độ thu hồi (đạt yêu cầu AOAC).

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2023, bao gồm các giai đoạn khảo sát điều kiện sắc ký, xử lý mẫu, thẩm định phương pháp và ứng dụng phân tích mẫu thực phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khảo sát điều kiện phân tích GC-MS: Chương trình nhiệt độ tối ưu gồm 35°C giữ 3 phút, tăng 5°C/phút đến 60°C, sau đó tăng 40°C/phút đến 280°C, tổng thời gian 15,5 phút. Kỹ thuật tiêm mẫu sục khí và bẫy lại cho pic sắc ký gọn, tín hiệu rõ ràng hơn so với kỹ thuật lấy mẫu không gian hơi.

2. Khảo sát điều kiện chưng cất mẫu: Nhiệt độ chưng cất 325°C và thời gian 60 phút được xác định là tối ưu với độ thu hồi benzen đạt khoảng 80%. Nhiệt độ thấp hơn làm giảm hiệu suất thu hồi, nhiệt độ cao hơn gây mất benzen do bay hơi quá nhanh. Thời gian chưng cất quá dài làm giảm độ nhạy do pha loãng mẫu.

3. Ảnh hưởng của nồng độ và pH đệm: Sử dụng dung dịch đệm borat 0,8 M, pH 11 làm giảm đáng kể sự hình thành benzen trong quá trình chưng cất, giúp loại bỏ sai số do phản ứng tạo benzen trong mẫu. Tín hiệu benzen giảm dần khi tăng nồng độ đệm và pH lên môi trường kiềm.

4. Thẩm định phương pháp: Phương pháp đạt tính đặc hiệu cao, không có tín hiệu benzen trong mẫu trắng, tỷ lệ ion phù hợp tiêu chuẩn EC 808/2021. Giới hạn phát hiện 0,05 µg/kg và giới hạn định lượng 0,15 µg/kg đáp ứng yêu cầu phân tích benzen trong thực phẩm. Độ lặp lại và độ tái lập đạt RSDr < 5%, độ thu hồi từ 76% đến 104%.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp sắc ký khí khối phổ kết hợp kỹ thuật sục khí và bẫy lại là phù hợp để xác định hàm lượng benzen trong các sản phẩm thực phẩm chứa đồng thời muối benzoat và acid ascorbic. Việc sử dụng dung dịch đệm borat với pH kiềm giúp ngăn ngừa sự hình thành benzen giả tạo trong quá trình xử lý mẫu, nâng cao độ chính xác của kết quả.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, giới hạn phát hiện và định lượng của phương pháp tương đương hoặc tốt hơn, phù hợp với các tiêu chuẩn an toàn thực phẩm hiện hành. Hàm lượng benzen trong các mẫu thực phẩm tại Việt Nam được phân tích có thể được trình bày qua biểu đồ thanh thể hiện mức độ benzen trong từng loại sản phẩm, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các nền mẫu.

Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc kiểm soát chất lượng và an toàn thực phẩm, đặc biệt với các sản phẩm phổ biến như nước giải khát và mứt quả, góp phần giảm thiểu nguy cơ phơi nhiễm benzen qua đường ăn uống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương pháp GC-MS với kỹ thuật sục khí và bẫy lại để kiểm soát hàm lượng benzen trong các sản phẩm thực phẩm chứa muối benzoat và acid ascorbic, nhằm đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Thời gian thực hiện: ngay lập tức, chủ thể: các phòng kiểm nghiệm thực phẩm.

2. Xây dựng tiêu chuẩn giới hạn hàm lượng benzen trong thực phẩm dựa trên kết quả nghiên cứu và tham khảo các quy định quốc tế, nhằm tạo cơ sở pháp lý cho việc quản lý chất lượng sản phẩm. Thời gian: 1-2 năm, chủ thể: Bộ Y tế, Bộ Công Thương.

3. Khuyến cáo doanh nghiệp giảm thiểu sử dụng đồng thời muối benzoat và acid ascorbic trong sản phẩm, hoặc thay thế bằng các chất bảo quản và chất chống oxy hóa an toàn hơn để hạn chế sự hình thành benzen. Thời gian: 6-12 tháng, chủ thể: các nhà sản xuất thực phẩm.

4. Tăng cường giám sát và kiểm tra định kỳ hàm lượng benzen trong thực phẩm trên thị trường, đặc biệt các sản phẩm nước giải khát, tương ớt, mứt quả để phát hiện sớm và xử lý kịp thời các sản phẩm không đạt chuẩn. Thời gian: liên tục, chủ thể: cơ quan quản lý thị trường và an toàn thực phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và cơ quan kiểm nghiệm an toàn thực phẩm: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn, quy định và quy trình kiểm tra hàm lượng benzen trong thực phẩm, nâng cao hiệu quả quản lý chất lượng.

2. Doanh nghiệp sản xuất và chế biến thực phẩm: Áp dụng phương pháp phân tích để kiểm soát chất lượng sản phẩm, giảm thiểu nguy cơ hình thành benzen, đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng và tuân thủ quy định pháp luật.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành dược học, công nghệ thực phẩm: Tham khảo phương pháp phân tích sắc ký khí khối phổ và quy trình xử lý mẫu, phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo về độc chất trong thực phẩm.

4. Người tiêu dùng và tổ chức bảo vệ quyền lợi người tiêu dùng: Nắm bắt thông tin về nguy cơ benzen trong thực phẩm, từ đó lựa chọn sản phẩm an toàn và thúc đẩy các hoạt động giám sát chất lượng thực phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Benzen là gì và tại sao nó nguy hiểm trong thực phẩm?
   Benzen là một hợp chất hydrocarbon thơm dễ bay hơi, được xếp vào nhóm chất gây ung thư cho người. Trong thực phẩm, benzen có thể tích tụ và gây ảnh hưởng xấu đến hệ thống tạo máu, gây ung thư máu và các bệnh lý nghiêm trọng khác.

2. Tại sao benzen hình thành trong các sản phẩm chứa muối benzoat và acid ascorbic?
   Benzen được tạo thành do phản ứng khử nhóm carboxyl của muối benzoat khi có mặt acid ascorbic trong môi trường pH acid, nhiệt độ và ánh sáng thích hợp, tạo ra các gốc tự do dẫn đến sự hình thành benzen.

3. Phương pháp nào được sử dụng để xác định hàm lượng benzen trong thực phẩm?
   Phương pháp sắc ký khí khối phổ (GC-MS) kết hợp kỹ thuật sục khí và bẫy lại (purge and trap) được sử dụng phổ biến do có độ nhạy cao, khả năng làm giàu mẫu tốt và giới hạn phát hiện thấp.

4. Giới hạn phát hiện và định lượng của phương pháp này là bao nhiêu?
   Giới hạn phát hiện (LOD) là 0,05 µg/kg và giới hạn định lượng (LOQ) là 0,15 µg/kg, đủ nhạy để phát hiện benzen trong các sản phẩm thực phẩm theo tiêu chuẩn quốc tế.

5. Làm thế nào để giảm thiểu sự hình thành benzen trong thực phẩm?
   Có thể giảm thiểu bằng cách điều chỉnh pH môi trường sang kiềm, sử dụng chất chống oxy hóa như catechin, glucose, hạn chế đồng thời sử dụng muối benzoat và acid ascorbic, đồng thời bảo quản sản phẩm tránh ánh sáng tia cực tím và nhiệt độ cao.

Kết luận

• Đã xây dựng và thẩm định thành công phương pháp xác định hàm lượng benzen trong thực phẩm chứa đồng thời muối benzoat và acid ascorbic bằng sắc ký khí khối phổ GC-MS với kỹ thuật sục khí và bẫy lại, đạt độ nhạy cao (LOD 0,05 µg/kg, LOQ 0,15 µg/kg).
• Phương pháp xử lý mẫu tối ưu gồm chưng cất ở 325°C trong 60 phút với dung dịch đệm borat 0,8 M, pH 11 giúp ngăn ngừa sự hình thành benzen giả tạo trong quá trình phân tích.
• Kết quả phân tích mẫu thực phẩm phổ biến tại Việt Nam cho thấy sự hiện diện của benzen ở mức độ khác nhau, cảnh báo nguy cơ phơi nhiễm qua đường ăn uống.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng tiêu chuẩn kiểm soát benzen trong thực phẩm và khuyến nghị các giải pháp giảm thiểu nguy cơ.
• Đề xuất các bước tiếp theo gồm áp dụng phương pháp trong giám sát thực phẩm, xây dựng quy định pháp lý và nâng cao nhận thức cộng đồng về an toàn thực phẩm.

Các cơ quan quản lý, doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai áp dụng phương pháp này để nâng cao chất lượng và an toàn thực phẩm, bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ An toàn thực phẩm vẫn luôn là một trong những vấn đề nhận được nhiều sự quan tâm của xã hội. Một trong những điều kiện của phát triển bền vững là thực phẩm phải đạt yêu cầu cả về lượng và chất, đặc biệt quan trọng là phải an toàn cho người sử dụng. Benzen được biết đến là một chất có khả năng gây ung thư, đặc biệt là ung thư máu và được tổ chức nghiên cứu ung thư quốc tế (IARC) xếp vào nhóm I, nhóm gây ung thư trên người. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã phát hiện trong các thực phẩm có khả năng bị nhiễm độc chất benzen.

Benzen có thể nhiễm vào thực phẩm thông qua quá trình sản suất, thôi nhiễm từ dụng cụ bao gói hay hình thành trong quá trình bảo quản. Đặc biệt khi trong thành phần thực phẩm có đồng thời muối benzoat và acid ascorbic sẽ có khả năng phản ứng tạo thành benzen [1]. Điều đáng lo ngại là khi người tiêu dùng ăn phải thức ăn có chứa benzen có thể dẫn tới việc tích lũy dần trong cơ thể và gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người. Đặc biệt, việc sử dụng các sản phẩm thực phẩm chứa đồng thời muối benzoat và acid ascorbic là mối nguy tiềm tàng cho việc phơi nhiễm với benzen [1].

Do đó, việc nghiên cứu phát triển các quy trình và phương pháp phân tích benzen trong đối tượng này là rất cần thiết. Hiện nay, một số phương pháp thường được sử dụng để xác định hàm lượng của benzen trong các loại thực phẩm khác nhau có thể kể tới: Phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ – kỹ thuật không gian hơi (headspace); Phương pháp sắc ký khí đầu dò khối phổ – kỹ thuật sục khí và bẫy lại (purge and trap)… Tại Việt Nam, hiện chưa có phương pháp tiêu chuẩn để xác định hàm lượng benzen trên các nền mẫu thực phẩm. Các sản phẩm nước giải khát, tương ớt hay mứt là các sản phẩm thực phẩm được sử dụng thường xuyên tại việt Nam, đặc biệt là nước giải khát, nước hoa quả là sản phẩm đồ uống hằng ngày. Các sản phẩm này thường được bổ sung muối benzoat và acid ascorbic, tiềm ẩn khả năng 1 sinh ra benzen.

Do đó, đề tài: “Xác định hàm lượng benzen trong một số sản phẩm chứa đồng thời muối benzoat và acid ascorbic bằng phương pháp sắc ký khí khối phổ GC-MS” được thực hiện được thực hiện với hai mục tiêu: - Xây dựng và thẩm định phương pháp xác định hàm lượng benzen trong một số thực phẩm chứa đồng thời muối benzoat và acid ascorbic. - Áp dụng phương pháp phân tích benzen trong một số thực phẩm chứa đồng thời muối benzoat và acid ascorbic. Tổng quan chung về benzen 1. Công thức cấu tạo và tính chất của benzen Năm 1865, nhà hóa học người Đức Friedrich August Kekulé đã đề xuất cấu trúc benzen chứa một vòng gồm sáu nguyên tử carbon với các liên kết đơn và đôi xen kẽ [2].

Cấu trúc của benzen Benzen (C6H6) là hợp chất hydrocarbon thơm, dễ bay hơi, có khối lượng phân tử thấp, ở điều kiện thường là một chất lỏng không màu và rất dễ cháy [3]. Đặc điểm cấu tạo và một số tính chất lý hóa của benzen được trình bày trong bảng 1. Đặc điểm cấu tạo và một số tính chất hóa lí của benzen Danh pháp IUPAC Benzen Công thức phân tử C6H6 3 Công thức cấu tạo Khối lượng phân tử (g/mol) 78,11 Trọng lượng riêng (g/cm3) 0,87 Tan ít trong nước: độ tan 0,8 g/lít ở 25 °C, Độ hòa tan tan trong hầu hết dung môi hữu cơ, carbon disulfide, acid acetic đậm đặc và dầu. Nguồn gốc của benzen  Trong tự nhiên Dầu mỏ, than đá chứa một lượng nhỏ benzen.

Dầu thô, dầu hoả có khoảng 1-4% benzen. Nó là sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy không hoàn toàn của nhiều vật liệu và được sinh ra từ những lò đốt than. Benzen cũng đến từ hoạt động của thiên nhiên như phun trào của núi lửa.  Trong công nghiệp và các nguồn ô nhiễm khác Trước đây, benzen là một hóa chất công nghiệp thường sử dụng phổ biến trong quá trình sản xuất các chất tẩy rửa, sơn, chất dẻo, và được sử dụng làm nguyên liệu ban đầu để tổng hợp dung môi và các hợp chất thơm như ethylbenzen, phenol, cyclohexan và một số hợp chất thơm khác.

Tuy nhiên do độc tính cao nên benzen đã bị cấm sử dụng. 4 Benzen có thể được sinh ra từ hoạt động của con người như: đốt cháy nhiên liệu hóa thạch trong hoạt động giao thông vận tải, công nghiêp, đốt gỗ, đốt rừng, khói thuốc lá, do bay hơi trong quá trình chưng cất và dự trữ dầu hỏa … [4]. Các phương tiện giao thông đường bộ là nguồn chính gây ô nhiễm benzen, chiếm ~ 60% tổng lượng khí thải vào năm 1990. Các hoạt động trong không gian kín như đốt cháy nhiên liệu để nấu nướng, sưởi ấm, vận hành các thiết bị làm vườn như máy cắt cỏ và máy sưởi cũng là nguồn sinh ra benzen trong không khí [5].

Benzen cũng đã được phát hiện trong một số loại thực phẩm. Benzen có thể xuất hiện trong thực phẩm theo nhiều cách: sử dụng nguyên liệu có chứa benzen, thôi nhiễm từ vật liệu bao gói, bảo quản trong khu vực bị ô nhiễm, sử dụng nước bị ô nhiễm để rửa, pha chế thực phẩm. Ngoài ra, benzen có thể xuất hiện trong quá trình chế biến thực phẩm bởi tác động của nhiệt độ, sự phân hủy của các thành phần phụ gia, chất bảo quản, ví dụ như muối benzoat. Benzen có thể được hình thành trong thực phẩm có chứa benzoat và acid ascorbic [6].

Các muối benzoat đã được FDA công nhận là an toàn và cho phép bổ sung vào thực phẩm với mức nồng độ lên đến 0,1%. Acid ascorbic cũng được công nhận là an toàn và được cho phép thêm vào thực phẩm với mức 0,2%. Ngoài ra một số thực phẩm cũng có thành phần acid ascorbic hoặc acid benzoic như quả nam việt quất có hàm lượng acid benzoic 4,1- 478,4 mg/kg. Điều này dẫn đến nguy cơ xuất hiện benzen trong một số thực phẩm có đồng thời benzoat và acid ascorbic.

Hầu hết sự phơi nhiễm với benzen đến từ việc hít phải khí này thông qua đường hô hấp và theo tính chất của các hoạt động nhưng việc tiêu thụ thực phẩm có chứa benzen cũng đóng một vai trò lớn (bảng 1. Phơi nhiễm benzen được phân loại theo hoạt động Nguồn phơi Hoạt động/phương tiện Hàm Quy định nhiễm lượng Không khí Tiếp xúc với đường hô hấp 220 EU µg/ngày Đổ xăng 32 µg EU (3 phút) Lái xe trong 1h 40 ATSDR (US) µg/ngày Chế độ ăn Sản phẩm thực phẩm và đồ 0,2-3,1 EU uống µg/ngày Thực phẩm 1,4 Canada µg/ngày Nước và thực phẩm 1,4 IPCS (WHO) µg/ngày Hút thuốc Hút thuốc 7900 EU µg/ngày 1820 Canada µg/ngày 1800 IPCS (WHO) µg/ngày Hít phải khói thuốc 63 Canada µg/ngày 50 IPCS (WHO) µg/ngày 1. Con đường hình thành benzen trong thực phẩm Sự có mặt của benzen trong thực phẩm được cho là do nhiều nguồn khác nhau, từ vật liệu đóng gói thực phẩm, môi trường nơi bảo quản thực phẩm, nguồn nước sử dụng bị ô nhiễm, quá trình chế biến thực phẩm… Ngày nay, do 6 nhu cầu về thực phẩm chế biến ngày càng tăng, chất bảo quản đã và đang trở nên quan trọng trong công nghệ thực phẩm hiện đại. Acid benzoic và các muối natri và kali của nó là một trong những chất bảo quản phổ biến nhất được sử dụng để ức chế sự phát triển của vi sinh vật [7].

Bên cạnh đó, acid ascorbic thường xuất hiện tự nhiên trong một số nước trái cây, chẳng hạn như cam, chanh, ổi…, và đồng thời cũng có thể được bổ sung thêm vào như một chất chống oxy hóa hoặc chất dinh dưỡng [1]. Vào năm 1990, Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) phát hiện benzen có trong một số đồ uống. Sau đó, vào năm 2006, FDA xác nhận rằng benzen được hình thành khi đồ uống có chứa đồng thời natri benzoat và acid ascorbic. Benzen hình thành là do sự khử nhóm COO- của natri benzoat hoặc nhóm COOH của acid benzoic khi có mặt vitamin C (acid ascorbic) có trong thực phẩm [4].2 dưới đây mô phỏng sự khử nhóm COOH của acid benzoic.

Sự khử nhóm COOH của acid benzoic Nồng độ benzen tỷ lệ với mức hàm lượng natri benzoat và acid ascorbic. Trong nước ép việt quất, hàm lượng benzen được hình thành ở mức lên đến 22,99 ng/mL khi nồng độ của acid ascorbic được tăng lên đến 0,5%. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới phản ứng này như pH môi trường, nhiệt độ, tia cực tím, sự có mặt của chất xúc tác. Phản ứng tạo thành benzen dựa trên cơ chế tạo gốc 7 tự do.

Ngoài acid ascorbic, một số chất có khả năng sinh ra các gốc pecrocid hay hydroxyl cũng có thể xúc tác cho phản ứng [1]. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo thành benzen - Ảnh hưởng của hệ đệm và pH môi trường Sự hình thành benzen từ việc khử carboxyl của muối benzoat bị ảnh hưởng bởi giá trị pH môi trường. Môi trường pH acid (khoảng pH từ 3 – 5) tạo điều kiện tốt cho phản ứng hình thành benzen [6]. Các hệ đệm khác nhau cũng ảnh hưởng đến quá trình hình thành benzen, điều này có thể giải thích bằng việc hệ đệm tương tác với ion kim loại (Cu2+, Fe2+) tạo thành các phức chất có hoạt tính xúc tác khác nhau, ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng tạo thành benzen [8].

- Ảnh hưởng của nhiệt độ, tia cực tím Sự hình thành của benzen được kiểm tra đối với các mẫu được đóng gói với chất liệu hấp thụ tia UV và chất liệu không hấp thụ tia UV. Thêm vào đó, việc khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ sẽ giúp đánh giá được hạn sử dụng của sản phẩm. Dưới ánh sáng UV cường độ cao, mức benzen hình thành trong các dung dịch mẫu được bảo quản bằng chai không hấp thụ UV tăng lên, trong khi đó, các mẫu sử dụng chai polyethylen terephthalat giảm mức hình thành của benzen [9]. Như vậy, tia UV làm tăng sự tạo thành benzen từ phản ứng của natri benzoat với acid ascorbic.

- Ảnh hưởng của chất xúc tác Acid ascorbic dễ tạo thành các gốc tự do khi có mặt ion kim loại chuyển tiếp đóng vai trò như một chất xúc tác [6]. Ngoài ra, các nguồn sinh gốc tự do tiềm năng khác có trong thực phẩm cũng góp phần vào việc hình thành benzen. Khi trong thực phẩm có đồng thời acid benzoic, acid ascorbic và kim loại chuyển tiếp (Cu2+), benzen hình thành lên đến 896 µg/kg, nhưng trong điều kiện không có xúc tác ion kim loại, lượng benzen hình thành rất thấp, ở mức dưới 9 µg/kg [8].