茶叶中29种挥发性有机物的固相微萃取-气相色谱-质谱法测定及其危害水平评估

李 俊,祝 愿,周雪丽,蔡 滔

(贵州省农产品质量安全监督检验测试中心农业农村部农产品质量安全风险评估实验室(贵阳),贵阳 550004)

茶起源于我国云贵高原,为多年生常绿叶用作物[1]。由于茶含有很多对人体有益的活性物质,使得茶及茶制品畅销国内外,有着不可取代的地位[2]。但是,在种茶和产茶过程中,可能发生潜在的挥发性有机物(VOCs)污染的风险,主要由种茶时农药的使用及产茶时化学燃料、外包装的使用或储存条件不善等引入[3-4]。VOCs具有致畸、致癌和致突变作用,人在饮茶时,VOCs可通过呼吸道、消化道和皮肤进入人体,从而影响人的身体健康[5-6]。因此,有必要对茶叶中的VOCs含量进行监测。

已报道的关于食品接触材料、食品包装材料、印刷品、水等物质中的VOCs的测定方法主要有吹扫捕集-气相色谱-质谱法[7-10]、顶空-气相色谱-质谱法[11-16]、固相微萃取-气相色谱-质谱法(SPME-GCMS)等[17-19],而关于茶叶中VOCs的测定方法未见报道。

由于前处理方法中的SPME 具有快速、简便、成本低的优点,而本工作测定的VOCs的沸点较低,故选择SPME-GC-MS 建立了茶叶中29 种VOCs含量的测定方法,并对贵州省3个茶叶产地随机选取的100份茶叶样品中VOCs的含量水平及危害水平进行了分析,以期为正确引导茶及茶制品的消费和科学监管提供数据支撑和科学依据。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Trace GC Ultra-DSQ MS型气相色谱-质谱联用仪;PC-420D 型手动固相微萃取仪;纤维头二乙烯基苯/CAR/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS,50/30μm);20 mL 带盖顶空瓶;AL-104型电子天平。

VOCs混合标准溶液:1 000 mg·L－1。

VOCs混合标准储备溶液:10 mg·L－1,由VOCs混合标准溶液用甲醇逐级稀释制得。

内标溶液:称取适量乙酸苯乙酯标准品,以甲醇为溶剂配制成2.00 mg·L－1的内标溶液。

基质匹配混合标准溶液系列:取阴性茶叶样品200 mg于顶空样品瓶中,加入10 mg·L－1VOCs混合标准储备溶液1,2,5,8,10μL 和内标溶液1μL,配制成0.05,0.10,0.25,0.40,0.50 mg·kg－1的基质匹配混合标准溶液系列。

乙酸苯乙酯标准品的纯度大于99.0%;甲醇为色谱纯。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 顶空固相微萃取条件

平衡温度60 ℃;平衡时间30 min;解吸温度250 ℃;解吸时间3 min。

1.2.2 色谱条件

HP-FFAP色谱柱(50 m×0.2 mm,0.30μm);进样口温度250 ℃;不分流进样;流量1 mL·min－1。柱程序升温:初始温度为40 ℃,保持2 min;以2 ℃·min－1速率升温至150 ℃;再以20 ℃·min－1速率升温至220 ℃,保持4 min。

1.2.3 质谱条件

电子轰击离子(EI)源;离子源温度250℃;电子能量70 e V;气相色谱-质谱传输线温度280℃;选择离子监测(SIM)模式。其他质谱信息见表1,其中“∗”为定量离子。

表1 29种VOCs及内标物的质谱参数Tab.1 MS parameters of 29 VOCs and internal standard

1.3 试验方法

将茶叶样品粉碎后过孔径为0.25 mm 的筛网,取200 mg 样品至顶空样品瓶中,加入内标溶液1μL,用顶空瓶盖将其密封,按照仪器工作条件测定其中的VOCs含量。

1.4 风险分析方法

食品安全指数法[20-24]可用来描述食品中的污染物对消费者健康的危害水平,采用食品安全指数(IFS)评价茶叶样品中VOCs含量的危害水平,计算公式(1)如下:

式中:R为茶叶中目标化合物的残留水平,μg·kg－1;F为预估茶叶人均日消费量,按11.4 g 计算[25];SI为目标化合物的日允许摄入量(ADI),按29种VOCs的每日耐受摄入量(TDI)[26]中的最小值乙烯苯和三氯甲苯TDI(7.7μg·kg－1)计算;bw为人均体重,按60 kg计算。

当IFS远小于1时,表示目标化合物不会对人体健康造成危害,其危害水平是可以接受的;当IFS不大于1时,表示目标化合物对人体健康造成的危害不明显,其危害水平也是可以接受的;当IFS大于1时,表示目标化合物对人体健康造成的危害超出了可接受的限度,危害效应是明显的,应按照风险管理程序进行下一步处理。

2 结果与讨论

2.1 固相微萃取条件的选择

2.1.1 纤维头

纤维头是利用相似相溶原理吸附目标化合物的,因此,纤维头的选择非常关键。试验考察了DVB/CAR/PDMS、DVB/PDMS、PDMS 和聚丙烯酸树脂(PA)等4种纤维头对加标阴性茶叶样品中29种VOCs的萃取效果,结果见图1。

图1 纤维头对VOCs萃取效果的影响Fig.1 Effect of fiber tip on extraction of VOCs

由图1可知:和其他纤维头相比,纤维头DVD/CAR/PDMS对VOCs有较大的吸附量,因此,试验选择纤维头DVD/CAR/PDMS 吸附样品中的VOCs。

2.1.2 平衡温度

在顶空样品瓶中加入200 mg 样品,再加入10 mg·L－1VOCs混合标准储备溶液2μL,考察了平衡温度分别为50,60,70,80,90 ℃时对29 种VOCs萃取效果的影响。结果显示:当平衡温度从50 ℃升至60 ℃时,各目标化合物的峰面积呈现整体增大的趋势;当平衡温度为60～70 ℃时,各目标化合物的峰面积变化不大,基本达到气固平衡状态;当平衡温度高于70℃时,部分目标化合物的峰面积略有减小。综合考虑,试验选择的平衡温度为60 ℃。

2.1.3 平衡时间

在顶空进样瓶中加入200 mg 样品,再加入10 mg·L－1VOCs混合标准储备溶液2μL,考察了平衡时间分别为10,20,30,40,50 min时对29种VOCs萃取效果的影响。结果显示:随着平衡时间的延长,各目标化合物的峰面积呈现总体增大的趋势;当平衡时间不小于30 min时,各物质的峰面积基本稳定。因此,试验选择的平衡时间为30 min。

2.2 内标物的选择

内标物应和目标化合物具有相似的物理、化学性质,同时不能与目标化合物发生反应,且不能和目标化合物在同一时间出峰。综合考虑,试验选择的内标物为乙酸苯乙酯。

2.3 质谱条件的选择

在定性分析时,应结合特征离子、特征离子丰度比和保留时间选择定性离子,每种化合物选择2～3个丰度相对较高、质量数和稳定性均高、重现性好且与柱流失碎片离子种类不相同的特征离子,这些特征离子的相对丰度比还应与标准品的离子相对丰度比相一致[27](相对丰度比大于50%,允许偏差为±20%;相对丰度比为20%～50%,允许偏差为±25%;相对丰度比为10%～20%内,允许偏差为±30%;相对丰度比不小于10%,允许偏差为50%),当以上条件均满足时,则可判断样品中存在这种化合物。

在定量分析时,通常选择丰度比最大的特征离子作为定量离子,用其对应的峰面积进行定量计算。试验最终选择用于定性和定量的离子见表1。

2.4 色谱行为

在顶空进样瓶中加入200 mg 样品,再加入1.0 mg·L－1VOCs混合标准溶液1μL,按照优化的试验条件进行测定,所得的选择离子色谱图(SIC)见图2。

图2 加标茶叶样品中29种VOCs和内标物的SIC图Fig.2 SIC chromatogram of the 29 VOCs and internal standard in the spiked tea sample

2.5 标准曲线和检出限

按照仪器工作条件测定基质匹配混合标准溶液系列,以各目标化合物与内标物质量分数的比值为横坐标,其对应的定量离子峰面积比值为纵坐标绘制标准曲线。结果显示,29种VOCs标准曲线的线性范围均为0.05～0.50 mg·kg－1,线性回归方程和相关系数见表2。

分别以3 倍、10 倍信噪比(S/N)计算检出限(3S/N)和测定下限(10S/N),所得结果见表2。

由表2可知:29种VOCs的检出限为0.001 6～0.031 6 mg·kg－1,测定下限为0.005 2～0.105 3 mg·kg－1

表2 线性参数、检出限和测定下限Tab.2 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

2.6 精密度和回收试验

按照试验方法对绿茶和红茶样品进行2个浓度水平的加标回收试验,每个浓度水平平行测定6次,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表3。

由表3可知,29种VOCs的回收率为74.4%～86.6%;测定值的RSD 为2.4%～8.9%。

表3 精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.3 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

2.7 茶叶中VOCs危害水平分析

2.7.1 样品分析结果

在贵州省某3个县随机采集100份茶叶样品,按照试验方法分析。结果显示,样品中均有不同程度的VOCs 检出,各样品中VOCs 总检出量为0.035～0.113 mg·kg－1,平均值、中位值、最小值和最大值分别为0.079,0.076,0.035,0.113 mg·kg－1。

2.7.2 危害水平分析结果

首先根据上述平均值、中位值、最小值和最大值计算日摄入量(测定值和F的乘积)和日暴露量(日摄入量和人均体重之比),然后将平均值、中位值、最小值和最大值分别代入公式(1)计算IFS值,所得结果见表4。

由表4可知:茶叶中VOCs的最大日暴露量为0.021 μg·kg－1,远小于试验选择的TDI 值(7.7μg·kg－1),说明茶叶中的VOCs对人体潜在的危害程度很低;计算所得的VOCs的IFS最大值为2.79×10－3,远低于1,说明茶叶中的VOCs对人体潜在危害水平是可以接受的。

表4 危害水平分析结果Tab.4 Analytical results of hazard level

本工作采用SPME-GC-MS 测定茶叶中29 种VOCs的含量,该方法具有较好的精密度和准确度,可用于茶叶中VOCs的定量分析。随机100 个样品的分析结果表明,茶叶中的VOCs对人体潜在的危害水平是可以接受的。