N-亚硝胺类化合物在食品、饮用水、消费品以及污染的空气中广泛存在, 常见于腌制、烟熏、烘烤等肉制品中[1-3]。Yurchenko和Molder[4]对爱沙尼亚2001~2005年间386个不同肉制品样品(原料肉、油炸肉、烟熏肉、腌渍肉、烤肉和罐头肉)进行了5种挥发性N-亚硝胺类化合物的分析, 分别检出了N-亚硝基二甲胺(N-nitrosodimethylamine, NDMA)、N-亚硝基二乙胺(N-nitrosodiethylamine, NDEA)、N-亚硝基吡咯烷(N-nitrosopyrrolidine, NPYR)、N-亚硝基哌啶(N-nitrosopiperidine, NPIP)和N-亚硝基二丁胺(N-nitrosodibutylamine, NDBA), 总挥发性N-亚硝胺类化合物的平均含量为3.97 μg/kg。肉类产品经烟熏、油炸、焙烤和腌渍等工艺加工和储藏后, 会产生独特的风味, 并可延长保质期, 深受中国消费者的喜爱, 但其在加工过程中, 会使用硝酸盐和亚硝酸盐作为防腐剂和发色剂, 在微生物的作用下蛋白质、氨基酸降解产生胺类物质, 适宜条件下, 亚硝酸盐与胺类物质发生亚硝基化作用, 从而产生具有强致癌性的N-亚硝胺类化合物[5, 6]。目前, 已有大量研究表明, N-亚硝胺类化合物是一类具有强毒性的化合物, 对机体的神经和肾脏具有致畸性和致癌性[7, 8], 超过300多种N-亚硝胺类化合物在一种或多种动物身上显示出致癌作用[9]。1987年国际癌症研究机构(IARC)将亚硝胺定义为有强致癌性的食物污染物, N-亚硝基二甲胺和N-亚硝基二乙胺被列为2A类致癌物, 具有潜在的致癌性, 其他亚硝胺为2B级, 是可能致癌物。中国一些地区胃癌和食道癌的发病率较高, 这可能与当地居民喜欢食用烟熏肉和腌制食品等习惯有关。我国GB 2762-2017标准《食品安全国家标准食品中污染物限量》中规定肉及肉制品中N-二甲基亚硝胺的限量值为3.0 μg/kg。
近年来, N-亚硝胺类化合物的检测方法主要有气相色谱-热能分析仪法(GC-TEA)[10]、气相色谱-氮磷检测器法(GC-NPD)[11]、气相色谱-质谱法(GC-MS)[12, 13]、高效液相色谱法(HPLC)[14]和高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)[15, 16]。GB 5009.26-2016标准《食品安全国家标准食品中N-亚硝胺类化合物的测定》中第二法使用GC-TEA对N-二甲基亚硝胺进行测定, 方法检出限为0.15 μg/kg, 但热能分析仪价格昂贵且专一性极强(仅对含氮化合物具有高选择性), 普及面窄, 不适合大面积推广使用。高效液相色谱-质谱法可以对非挥发性、相对分子质量较高的亚硝胺具有良好的分析能力, 多用于饮用水及污水中非挥发性亚硝胺物质的检测[17]。
前处理方法主要包括液液萃取法、固相微萃取法(SPME)[18, 19]、水蒸气蒸馏萃取法、超临界萃取法[20]和QuEChERS等。赵庄等[21]采用QuEChERS结合气相色谱-串联质谱法对酸肉中的10种挥发性亚硝胺化合物进行检测, 样品浓缩5倍, 定量限为0.1~1.0 μg/kg。而亚硝胺类化合物具有强亲水性和强极性, 导致其较难从水相中分离[22], 且N-亚硝胺类化合物在肉制品中的含量极低, 往往随时间、空间波动较大, 需要较高的浓缩倍数来提高方法检出限, 最常用的方法是使用水蒸气蒸馏萃取法, 可实现样品浓缩100~200倍, 但其操作繁琐耗时, 前处理步骤多, 回收率不稳定。气相色谱-质谱法选择性好、灵敏度高, 已广泛用于挥发性亚硝胺类化合物的测定[23]。同时蒸馏萃取法(simultaneous distillation extraction, SDE)与水蒸气蒸馏萃取法相似, 在不改变富集倍数的情况下, 可实现蒸馏与提取同时进行, 具有更好的重复性和萃取率, 操作简便, 检出限更低, 已广泛用于食品尤其是肉类产品中挥发性化合物的提取[24]。
本文拟采用优化后的SDE结合GC-MS/MS, 建立一种操作简单、稳定性高、检出限低、灵敏度高的分析方法, 用于肉制品中10种挥发性N-亚硝胺类化合物的检测分析。
GC-2010 plus气相色谱仪、TQ8040质谱仪(日本Shimadzu公司); 同时蒸馏萃取装置(泰州市世星教学设备有限公司); ST-16R离心机(美国Thermo Fisher公司); BSA2202S电子天平(德国Sartorius公司); Reeko AutoEVA-20全自动氮吹浓缩仪(杭州博睿科仪器有限公司); HH-WO可升降恒温水浴锅(郑州予创仪器设备有限公司); ZNHW智能恒温数显电热套(上海湃澜仪器设备有限公司); DLSB-5L/10低温冷却液循环泵(巩义市子华仪器有限责任公司); 漩涡混合器(美国Henry Troemner公司); KQ5200E超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)。
无水乙醚和无水硫酸钠(分析纯, 国药集团化学试剂有限公司); 乙腈(色谱纯, 美国Baker公司); 试验室所用水均为去离子水。
10种挥发性N-亚硝胺混合标准储备液包括N-亚硝基二甲胺、N-亚硝基乙基甲基胺(N-nitrosoethylmethylamine, NEMA)、NDEA、N-亚硝基二异丙胺(N-nitroso-diisopropylamine, NDiPA)、N-亚硝基二正丙胺(N-nitrosodi-n-propylamine, NDPA)、N-亚硝基二丁胺、N-亚硝基哌啶、N-亚硝基吡咯烷、N-亚硝基吗啉(N-nitrosomorpholine, Nmor)、N-亚硝基二苯胺(N-nitrosodiphenylamine, NDPhA), 质量浓度均为1 000 mg/L, 购自美国O2Si公司。
火腿肠、中式香肠和腌渍腊肉等肉制品均采自杭州各大超市, 每种肉制品均10批, 共计30批样品, 于-20 ℃保存, 待测。
准确吸取10种挥发性N-亚硝胺类化合物各1.0 mL, 置于25 mL容量瓶中, 用丙酮定容, 配制成40.0 mg/L的标准储备液, 于4 ℃冰箱避光保存, 有效期6个月; 分别移取适量标准储备液, 用丙酮稀释, 配制成10.0 mg/L和1.0 mg/L的混合标准溶液, 于4 ℃冰箱避光保存, 有效期3个月。
称取200 g(精确至0.1 g)样品, 置于1 000 mL圆底烧瓶中, 加入少量沸石和100 mL蒸馏水; 向三角锥形瓶中加入40 mL无水乙醚, 设置加热温度为40 ℃。待样品溶液沸腾后开始计时, 同时蒸馏萃取30.0 min。将无水乙醚萃取物转移至装有10 g无水硫酸钠的离心管中, 涡旋2.0 min, 静置30.0 min, 转移上清液至鸡心瓶中, 于室温下氮吹至近干, 用乙腈洗涤鸡心瓶, 将洗涤液转移至5 mL具塞离心管中, 用乙腈定容至2.0 mL, 密闭, 待净化。
将具塞离心管置于-20 ℃冷冻层中冷冻2.0 h, 取出离心管, 在4 ℃条件下以8 000 r/min离心3.0 min, 过0.22 μm微孔有机滤膜, 待气相色谱-串联质谱检测。
取200 g样品, 置于1 000 mL圆底烧瓶中, 加入少量沸石和100 mL蒸馏水, 将样品加热至微沸状态并持续30.0 min, 再按1.3节方法处理后上机分析, 经检测, 处理后的样品中无10种挥发性N-亚硝胺类化合物。将微沸30.0 min处理后的样品过滤并晾干, 作为空白基质样品。
取空白基质样品, 按1.3节方法进行提取净化, 得到空白基质溶液。取适量10种挥发性N-亚硝胺类化合物混合标准溶液, 用空白基质溶液稀释, 配制成1.0、5.0、10.0、50.0、100、500、1 000 μg/L的系列空白基质匹配校准溶液, 现用现配。
色谱柱:DB-WAX色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm); 进样口温度:220 ℃; 载气:高纯氦气; 碰撞气:高纯氩气, 纯度≥99.999%;柱流量:1.5 mL/min; 进样方式:不分流进样, 1.0 min后开阀; 升温程序:初始温度36 ℃, 保持1.0 min, 以8 ℃/min的速率升至150 ℃, 以40 ℃/min的速率升至230 ℃, 保持6.0 min; 进样量:1.0 μL。
离子源:EI源; 离子源温度:230 ℃; 电离能量:70 eV; 接口温度:230 ℃; 检测器电压:1.40 kV; 测定方式:多反应监测(MRM)模式。10种挥发性N-亚硝胺类化合物的保留时间、定性、定量离子和碰撞能量(CE)等参数见表 1。
在EI源模式下对10种挥发性N-亚硝胺类化合物进行一级质谱分析(Q3 scan), 在质谱图中选择质荷比较大、绝对强度较大的离子作为前体离子; 将碰撞能量设为3~45 eV(每3 eV一个间隔), 对选定的前体离子峰进行二级质谱分析(产物离子扫描), 根据二级质谱图, 选择离子强度最大的离子作为定量离子, 离子强度次之的为定性离子。图 1为10种挥发性N-亚硝胺类化合物在MRM模式下的色谱图。
分别考察了3种不同极性的毛细管柱(HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)、DB-1701(30 m×0.25 mm×0.25 μm)、DB-WAX(30 m×0.25 mm×0.25 μm))对10种挥发性N-亚硝胺类化合物的检测效果。结果表明, 在MRM分析条件下, 3种毛细管柱均可用于10种挥发性N-亚硝胺类化合物的分离, 但大部分挥发性N-亚硝胺类化合物极性较强, 尤其是NDMA, 即使初始温度设置为35 ℃, 保持10.0 min, NDMA在DB-5MS和DB-1701毛细管柱中的保留均不好, 出峰时间在3.0 min左右, 且存在一定程度的峰拖尾现象, 不适合准确定量, 这与翟孟婷等[25]检测鱼干等材料中8种挥发性N-亚硝胺化合物时发现的情况一致; 而10种挥发性N-亚硝胺类化合物在DB-WAX毛细管柱中, 除NEMA峰形有前伸之外, 其余9种挥发性N-亚硝胺类化合物均响应较好。因此选择DB-WAX极性毛细管柱用于10种挥发性N-亚硝胺类化合物的检测。通过优化初始柱温、流速、升温速率, 使10种挥发性N-亚硝胺类化合物在21 min内分离效果较好, 且响应较高。图 2为10种挥发性N-亚硝胺类化合物的总离子流色谱图。
同时蒸馏萃取是通过对有机溶剂进行加热,同时对样品进行加热并至沸腾状态来实现的, 该装置优点在于蒸馏和萃取同时进行, 只需要少量溶剂就可以提取大量样品, 被检测组分得到较大程度的浓缩[26]。该方法常对香辛料、肉类、茶叶等样品进行挥发性香气物质的提取, 为达到香气物质的全面提取, 萃取时间常为1.0~2.0 h。为提高实验效率, 本实验对提取时间进行了考察, SDE萃取时间分别设置为20.0、30.0、40.0、50.0和60.0 min(见图 3)。当SDE萃取时间为20.0 min时, 保留时间靠前的NDMA、NEMA、NDEA、NDiPA、NDPA和NDBA 6种挥发性N-亚硝胺类化合物的回收率低于80.0%, 保留时间靠后的NPIP、NPYR、Nmor和NDPhA 4种挥发性N-亚硝胺类化合物的回收率低于60%;当SDE萃取时间延长至30.0 min时, 10种挥发性N-亚硝胺类化合物的回收率全部达到80.0%以上; 当萃取时间继续延长时, 除NDBA和Nmor的回收率有所降低外, 其余挥发性N-亚硝胺类化合物的回收率均保持稳定, 可能由于在持续高温沸腾过程中, NDBA和Nmor发生一定程度的降解, 导致回收率有所降低。因此, 将同时蒸馏萃取时间设置为30.0 min。
由于肉制品中脂肪含量较高, 使用蒸馏萃取的方法依然会有大量的脂肪被同时提取出来, 在分析过程中, 这些酯类物质会吸附在进样口及色谱柱上, 从而影响色谱分离和鉴定。根据目标化合物和脂类物质熔点的差异, 可利用冷冻的方法将脂类物质从提取液中有效分离。本实验取脂肪含量较高的中式香肠作为实验样品, 采用1.3.1节方法提取浓缩后, 于-20 ℃分别冷冻0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 h, 发现当冷冻小于1.5 h时, 有少量白色颗粒物析出; 当冷冻时间大于2.0 h时, 大量白色颗粒状的脂类物质沉淀于离心管底部, 经过离心后过膜, 待上机样品由深黄色变为淡黄色。将未经冷冻处理空白样品与经过冷冻处理的空白样品进行Q3 scan分析, 由图 4可知, 经过冷冻处理后的样品, 基线变得干净平滑, 干扰物质明显变少。同时进行回收率试验, 冷冻处理未对10种挥发性N-亚硝胺化合物的回收率产生明显变化, 说明-20 ℃冷冻2.0 h可有效用于10种挥发性N-亚硝胺类化合物的净化。
基质效应(ME)是指样品中除分析物以外的其他成分对待测物测定值的影响, 即非待测组分引起待测物响应值增加或减少的现象。本实验前处理过程用到大量有机试剂, 且肉制品基质复杂, 可能对目标物的响应产生一定影响。本文对基质效应的考察参照文献[27]萃取后添加的方法:配制质量浓度为0.100 mg/L的10种挥发性N-亚硝胺类化合物标准溶液和空白基质匹配校准溶液, 在同样条件下进行分析, 根据公式(1)计算ME, 结果见图 5。
其中, Ps和Pm分别为标准溶液和空白基质匹配校准溶液中N-亚硝胺类化合物的响应值。当ME=0时, 表示没有基质效应; 当ME<0或ME>0时, 分别表示存在基质抑制或基质增强效应。由图 5可知, 10种挥发性N-亚硝胺类化合物在肉制品中均存在基质增强效应, 在火腿肠中基质效应比中式香肠和腌渍腊肉中的基质效应明显要弱, 可能与火腿肠中淀粉含量(一般为5%~30%)较高有关, 而中式香肠和腌渍腊肉中脂肪含量较高, 在前处理过程中, 虽有冷冻净化步骤, 除去大量脂肪成分, 但净化效果依然有限, 导致10种挥发性N-亚硝胺类化合物在中式香肠和腌渍腊肉中基质增强效应明显。前6种熔沸点较低的挥发性N-亚硝胺类化合物基质增强效应要小于后4种。这可能是因为后4种挥发性N-亚硝胺类化合物熔沸点较高, 在进样口挥发时, 与较多杂质组分共流出, 导致其基质增强效应明显。在基质效应存在的情况下, 本实验采用基质匹配标准曲线定量, 可以在一定程度上降低基质效应的影响, 使定量结果更加准确。
对1.0、5.0、10.0、50.0、100、500和1 000 μg/L的系列空白基质匹配校准溶液进行分析, 以10种挥发性N-亚硝胺类化合物的峰面积为纵坐标、对应的质量浓度为横坐标绘制标准曲线。结果表明, 10种挥发性N-亚硝胺类化合物线性关系良好, 相关系数(r2)均大于0.99(见表 2)。以定量离子信噪比(S/N)为3和10时的响应定义方法的检出限(LOD)和定量限(LOQ), 10种挥发性N-亚硝胺类化合物的检出限为0.01~0.02 μg/kg, 定量限为0.04~0.07 μg/kg。本方法的线性范围广, 灵敏度高。
按照1.3节前处理方法, 取不含目标化合物的空白基质样品, 分别添加不同水平(LOQ水平、1.0和2.0 μg/kg)的10种挥发性N-亚硝胺类化合物标准溶液, 通过加标回收试验考察方法的准确度和精密度, 每个添加水平重复3次, 加标回收试验结果见表 3。结果表明, 10种挥发性N-亚硝胺类化合物的平均回收率为74.8%~94.3%, 相对标准偏差小于8.3%(n=3), 符合GB/T 27404-2008附录F中对检测方法确认的要求。
按本文建立的方法对抽取的10个火腿肠、10个中式香肠和10个腌渍腊肉共计30个样品进行检测。结果表明, 6种挥发性N-亚硝胺类化合物(NDMA、NDEA、NPYR、NPIP、NDBA和NDPA)被检出(见表 4), 其中NDMA、NPYR和NDPA的检出率最高, 且有3个中式香肠、5个腌渍腊肉样品中NDMA含量大于我国GB 2762-2017标准《食品安全国家标准食品中污染物限量》中的限量值(NDMA≤3 μg/kg)。此外, 腌渍腊肉样品中6种挥发性N-亚硝胺类化合物的检出值均高于火腿肠、中式香肠样品, 可能与腌渍肉制品独特的加工工艺有关[28], 较长的加工时间增加了挥发性N-亚硝胺类化合物在肉制品中的转化。
本文采用同时蒸馏萃取法结合GC-MS/MS对肉制品中10种挥发性N-亚硝胺类化合物进行分析, 该方法检出限低, 精密度高, 可应用于各类肉制品中10种挥发性N-亚硝胺类化合物的测定。本研究所建立的方法能够为挥发性N-亚硝胺类化合物的检测提供更多选择, 为评价各类工艺加工的肉制品的安全性提供技术支持。