Identification, Confirmation and Determination of Tert-Butylhydroquinone Degradation Products in Vegetable Oil
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摘要: 目的:通过模拟日常生活中植物油加热的过程,确定了含有叔丁基对苯二酚(TBHQ)植物油样品中TBHQ转化降解的条件,采用气相色谱-质谱检测、未知化合物与数据库的匹配最终确定了TBHQ两种转化产物叔丁基对苯醌(TQ)、2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(TBK),并建立了植物油中TBHQ及其两种降解产物TQ、TBK气相色谱-质谱联用检测方法。方法:样品经乙腈饱和的正己烷溶解,正己烷饱和的乙腈提取,取乙腈层,提取两次,合并乙腈层,40 ℃水浴下减压浓缩至近干,甲醇复溶,采用HP-5MS UI毛细管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm),不分流进样,选择离子监测模式,气相色谱-质谱仪测定,外标法定量。结果:3种化合物在各自浓度范围内线性良好(R2>0.995),在3个加标水平下,平均回收率范围为83.40%~107.71%,相对标准偏差(n=6)小于8.50%。3种化合物定量限TBHQ和TBK为10 μg/kg,TQ为50 μg/kg,25批次样品测定,其中两批次样品测定出TQ,该样品经加热处理后均测定出TBK。结论:该方法操作简便,灵敏度高,准确可靠,适用于植物油中TBHQ及其降解产物的同时测定。
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关键词:
- 植物油 /
- 叔丁基对苯二酚(TBHQ) /
- 叔丁基对苯醌(TQ) /
- 2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(TBK) /
- 气相色谱−质谱联用技术
Abstract: Objective: By simulating the heating process of edible oil in daily life, the transformation and degradation conditions of tert butyl hydroquinone (TBHQ) in vegetable oil samples containing TBHQ were determined. The two transformation products of TBHQ, tert butyl p-benzoquinone (TQ) and 2,5-di-tert-butyl-1,4-benzoquinone (TBK), were finally determined by gas chromatography-mass spectrometry and matching of unknown compounds with the database. And a gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) method was developed for the determination of tert-Butyl-hydroquinone (TBHQ) and its two degradation products 2-tert-Butyl-1,4-benzoquinone (TQ) and 2,5-di-tert-butyl-1,4-benzoquinone (TBK) in vegetableoil. Methods: The sample was dissolved in n-hexane saturated with acetonitrile and extracted with acetonitrile saturated with n-hexane. The acetonitrile layer was extracted twice, and the acetonitrile layer was combined. The acetonitrile layer was concentrated to nearly dry in 40 ℃ water bath and then redissolved with methanol, HP-5MS UI capillary column (30 m×0.25 mm, 0.25 μm) was used without splitter injection. Then selected the ion monitoring mode, gas chromatography-mass spectrometry determination, external standard method quantitative. Results: The linear range of the three compounds was good (R2>0.995). Under the three levels of concentration, the recoveries were 83.40%~107.71%, and the relative standard deviation (n=6) was less than 8.5%. The limits of quantitation (loqs) of TBHQ and TBK were 10 μg/kg and TQ was 50 μg/kg. 25 batches of samples were measured. TQ was measured in two batches of samples, and TBK was measured after heating treatment. Conclusion: The method is simple, sensitive, accurate and reliable. It is suitable for the simultaneous determination of TBHQ and its degradation products in vegetable oil. -
TBHQ即叔丁基对苯二酚,是一种合成的且国家允许使用于食品的酚类抗氧化剂,在植物油中最大允许限量为0.2 g/kg[1],其发挥抗氧化作用机制是可以提供活性氢与油脂氧化产生的自由基结合,使自由基转化成稳定的化合物,阻断自由基链式反应,抑制脂质过氧化反应,减缓油脂的氧化和变质:AH+R· →RH+A· ;AH+ROO· →ROOH+A· (AH代表抗氧化剂)[2-3]。近年来TBHQ成为了油脂和富含油脂食品中常用的抗氧化剂,但TBHQ分子量小,易挥发,在加热条件下,挥发损耗较快,且在发挥抗氧化的过程中会通过一系列复杂的氧化还原反应生成相应的转化物[4-7]。其转化产物种类研究较少,目前已有文献报道叔丁基对苯醌(TQ)[8]是TBHQ转化产物之一,该化合物在油脂储存过程中会伴随TBHQ的损耗不断产生。且毒理学表明[9]TQ的毒性远大于TBHQ,其他种类的转化产物未曾报道。
TBHQ、TQ常用的检测方法有比色法、薄层色谱法[10]、气相色谱法(gas chromatography,GC)[11-13]、高效液相色谱法(highperformance liquid chromatography,HPLC)[14-17]、气质联用法(gas chromatogra-phymass spectrometer,GC-MS)[18-19]、液质联用法(li-quid chromatography-mass spectrometer,LC-MS)[20-21]等。其中,薄层色谱法和比色法在定性、定量方面存在不准确问题。高效液相色谱法存在灵敏度差,定性不足等问题。液相色谱-串联质谱法因其高灵敏度、高选择性及定量定性准确等特性,已广泛应用于各种农兽药残留及添加剂的检测中[22-23]。气相色谱法和气相色谱-串联质谱法对前处理要求高,方法相对复杂但抗干扰能力较好。植物油的化学成分复杂,基质干扰严重,常用的前处理方法有液液萃取法[24-25]、固相萃取柱法[26]。并且TBHQ、TQ沸点较低,分子量小比较适合采用气相色谱法[27-28],同时鉴于转化产物的含量较低,最后确定了采用气质联用法对TBHQ、TQ及其他降解产物进行测定研究。因此,本文采用气质联用法对TBHQ降解产物产生的过程及新的产物的确证进行初步的研究,并建立TBHQ降解产物的气质联用仪测定的方法,旨在为TBHQ在加热中的使用及其转化产物在油脂中的安全研究提供支撑。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
标准品:TBHQ(CAS:1948-33-0) 纯度≥98%,购自德国Dr.Ehrenstorfer公司;TQ(CAS:3602-55-9) 纯度≥98.3%,购自美国chromadex公司;2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(TBK)(CAS:2460-77-7) 纯度≥99%,购自英国Alfa Aesar公司;TBHQ食品级添加剂 浙江一诺生物科技有限公司;乙腈、甲醇、正己烷 色谱纯,均购自德国Merck公司;植物油:大豆油、花生油、菜籽油、玉米油、葵花籽油 购自超市。
7890B-7000D气相色谱-质谱联用仪(配有电子轰击离子源(EI))、7697A顶空进样器 美国Agilent Technologies公司;XS204型电子分析天平、ME2002E型电子分析天平 梅特勒—托利多国际贸易(上海)有限公司;Allegra X-15R型高速离心机 美国贝克曼库尔特有限公司;UF160型烘箱 德国Memmert公司;RK1031型快速溶剂蒸发仪 英国GenVac公司。
1.2 实验方法
1.2.1 样品前处理
普通植物油:称取样品2 g(精确至0.001 g),加入5 mL乙腈饱和的正己烷,涡旋1 min使样品充分混匀,再加入10 mL正己烷饱和的乙腈,混匀1 min,4000 r/min离心5 min,取乙腈层,转入浓缩瓶中,重复提取一次,合并乙腈层,在40 ℃水浴,100 mbar下减压浓缩至近干,准确加入2.00 mL甲醇溶解残渣,经0.22 μm滤膜过滤,供分析。
1.2.2 模拟植物油油炸、煎炒时样品前处理
1.2.2.1 加热温度的选择
称取不含抗氧化剂的植物油20 g(精确至0.001 g)至烧杯中,共21组,每3组为同一温度,各组称取食品级添加剂TBHQ 4.0 mg(使油脂中TBHQ含量为0.2 g/kg),充分混匀,置于烘箱中,共考察了25、80、100、120、150、180、200 ℃ 7个温度,均加热10 h后按照1.2.1处理样品,稀释至合适的浓度,测定样品中TBHQ的含量,计算TBHQ损耗率,并计算平均值,常温组25 ℃仅常温放置10 h不做加热处理。
1.2.2.2 加热时间的选择
称取不含抗氧化剂的植物油20 g(精确至0.001 g)至烧杯中,共30组,每3组为同一加热时长,各组称取食品级添加剂TBHQ 4.0 mg(使油脂中TBHQ含量为0.2 g/kg),充分混匀,置于烘箱中,共考察了0、2、4、6、8、10、12、24、36、48 h 10个加热时间,均在180 ℃下加热后按照1.2.1项下处理样品,稀释至合适的浓度,测定样品中TBHQ的含量,计算TBHQ损耗率,并计算平均值。
1.2.3 TBHQ、TQ、TBK的测定前处理优化
1.2.3.1 甲醇直接提取
样品直接经过甲醇溶解,定容至合适体积,过0.22 μm有机系滤膜,上机测定。
1.2.3.2 液-液萃取提取
样品参考了SN/T 1050-2014《出口油脂中抗氧化剂的测定》中前处理方法[29]:称取2 g(精确至0.001 g)样品经过乙腈饱和的正己烷溶解,正己烷饱和的乙腈分别提取两次,合并乙腈层后在40 ℃水浴,100 mbar下减压浓缩至近干,用甲醇定容2.00 mL,过0.22 μm有机系滤膜,上机测定。
1.2.3.3 固相萃取柱提取
样品参考了GB 5009.32-2016《食品中9种抗氧化剂的测定第三法》中前处理的方法[30]:称取2 g(精确至0.001 g)样品经过乙腈饱和的正己烷溶解,正己烷饱和的乙腈分别提取两次,合并乙腈层,C18固相萃取柱(2000 mg/12 mL)中装入约2 g的无水硫酸钠,用5 mL甲醇活化萃取柱,再以5 mL乙腈平衡萃取柱,弃去流出液,将乙腈层溶液倾入柱中,弃去流出液,再以5 mL乙腈和甲醇的混合溶液(2:1,体积比)洗脱,收集所有洗脱液于试管中,40 ℃下旋转蒸发至干,加2 mL乙腈定容,过0.22 μm有机系滤膜,上机测定。
1.2.4 标准溶液的配制
称取TBHQ 10.0 mg、TQ 10.0 mg、TBK 10.0 mg分别至3个10 mL容量瓶中,用甲醇溶解并定容至刻度,即为标准储备液。精密吸取TBHQ储备液100 μL、TBK储备液100 μL、TQ储备液500 μL至100 mL容量瓶中,用甲醇稀释至刻度,即为标准使用液,则TBHQ浓度为1 μg/mL、TBK 1 μg/mL、TQ 5 μg/mL。
1.2.5 仪器条件
1.2.5.1 GC条件
色谱柱Agilent HP-5MS UI毛细管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);载气He;载气流速1.0 mL/min;进样口温度230 ℃;分流方式:不分流;柱温(程序升温):初始温度40 ℃,保持1 min,以15 ℃/min升温至205 ℃,然后以20 ℃/min升温至280 ℃,保持2 min;进样量1 μL。
1.2.5.2 MS条件
电子轰击离子源(EI);电离电压:70 eV;离子源温度250 ℃;传输线温度280 ℃,四极杆温度150 ℃;溶剂延迟时间5 min;选择离子监测(SIM)模式下TBHQ定量离子为m/z 123,定性离子为m/z 166、151,TQ定量离子为m/z 121,定性离子为m/z 164、149,TBK定量离子为m/z 205,定性离子为m/z 220、177。
TBHQ损耗率计算
式中,ρ代表TBHQ损耗率(损耗包括挥发部分及自身转化部分),C1代表加热前TBHQ含量(g/kg),C2代表加热后TBHQ含量(g/kg)。
1.3 数据处理
相关质谱数据由MS Quantitative Analysis分析,数据汇总后,经过Microsoft Office Excel进行数据处理。
2. 结果与分析
2.1 模拟植物油油炸、煎炒时TBHQ降解产物产生条件
2.1.1 加热温度的确定
考察了25、80、100、120、150、180、200 ℃ 7个温度,并加热10 h后,按照样品前处理要求处理样品,上机测定,统计、分析数据,最终得到TBHQ损耗率与加热温度的关系图,结果见图1。由图1可知,TBHQ的损耗率随着温度的升高而逐渐增加,在加热温度为180~200 ℃时TBHQ的损耗率接近60%,这可能与高温加速TBHQ反应,更多的TBHQ被氧化有关。在日常生活中,油炸及煎炒时植物油的温度在200 ℃左右,并结合在180 ℃时TBHQ的损耗率为57.87%,且有研究表明TQ在180 ℃时生成的量最高,200 ℃时TQ含量明显减少[31],因此确定加热温度为180 ℃。
2.1.2 加热时间的确定
考察了0、2、4、6、8、10、12、24、36、48 h 10个加热时间,并在180 ℃下加热后,按照样品前处理要求处理样品,上机测定,统计、分析数据,最终得到TBHQ损耗率与加热时间的关系图,结果见图2。由图2可知,随着加热时间的增加,TBHQ损耗也不断升高,这可能是由于TBHQ自身挥发及自身降解转化造成的,在加热时间小于10 h时,TBHQ损耗率逐渐提高,且提高速率较快,在10 h之后,损耗率提高速率逐渐趋于平稳,考虑时间及经济效益最终确定加热时长为10 h。
2.2 植物油加热中TBHQ转化产物TBK的确证及TBHQ抗氧化机理初步分析
TQ是目前TBHQ已知、确定的降解产物,是由TBHQ加热后产生的。本实验在测定TQ的含量时,将180 ℃加热处理后的TBHQ样品,经气相质谱全扫定性,在与TQ色谱峰相差不远的保留时间处,始终存在一个色谱峰,虽然响应没有TQ高,但峰形,保留时间较稳定,见图3-曲线B,并且空白样品中没有出现此峰,见图3-曲线A,因此考虑此峰可能为一个新的转化物,尝试查看其碎片离子,见图4,并通过美国国家标准与技术研究所NIST(National Institute of Standards and Technology)数据库匹配,匹配到的化合物为2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(匹配分数为85.3%)。同时通过对照品的保留时间及碎片离子再次确证,见图3-曲线C,最后确认该化合物即为2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(TBK),3种化合物标准品的色谱图见图5。
TBHQ在油脂中的抗氧化机理与其它酚类抗氧化剂抗氧化机理相同,在高温或有氧条件下TBHQ失去质子并参与油脂中脂肪酸氧化的自由基反应,具体氧化过程如下:TBHQ具有两个酚羟基,TBHQ失去一个质子成为一酚氧离子,由单电子氧化变成酚氧自由基,从另一个羟基中质子离解得到半醌阴离子自由基,第二个单电子再氧化得到2-叔丁基苯醌。苯醌的共振稳定化作用,导致TBHQ朝氧化生成醌的方向进行。TBHQ也可能在+C(CH3)3攻击下转化成2,5-二叔丁基-1,4-苯酚[32-33],然后苯酚失去质子产生TBK,TQ与TBK形成示意图见图6。
2.3 TBHQ、TQ、TBK的测定
2.3.1 样品前处理的优化
考察了甲醇直接提取样品、液-液萃取提取样品、固相萃取柱提取净化样品3种不同的提取方式,以TBHQ、TQ及TBK回收率为指标选择合适的前处理方式。按照相应的前处理条件处理样品,上机测定,统计、分析数据,结果见表1,结果表明:甲醇直接提取样品上机测定的方法,由于基质干扰较大,杂质对目标物干扰较强,三个目标化合物回收率均较低;液-液萃取的方法与固相萃取柱提取净化样品的方法,三个目标化合物回收率均在85.35%~95.43%之间,回收率较好,表明这两种方法均可以减小杂质的干扰,可以作为三种化合物的前处理方法,但考虑到用固相萃取柱的方法操作会复杂于液-液萃取的方法,而且固相萃取的方法用时较长,最后选择了液-液萃取的方法作为三种化合物测定的前处理方法。
表 1 3种化合物的不同前处理条件下平均回收率(n=6)Table 1. Average recoveries of three compounds under different pretreatment conditions (n=6)化合物 添加水平
(μg/kg)平均回收率(%)(RSD%) 甲醇直接提取法 液液萃取法 固相萃取柱法 TBHQ 100 58.22(2.6) 86.18(4.3) 87.24(3.1) TQ 100 43.13(3.1) 91.26(2.8) 85.35(3.2) TBK 100 53.25(1.2) 95.43(1.6) 90.26(4.1) 2.3.2 方法学考察
2.3.2.1 线性范围和定量限
选择空白样品,采用逐步定量的添加标准溶液方式,按照前处理方法步骤处理并上机测定,至定量离子定性离子信噪比均大于10时添加浓度即为定量限。由定量限浓度来计算配制合适的混标使用液浓度,用甲醇稀释,以目标物定量离子的峰面积y为纵坐标,以质量浓度x(ng/mL)为横坐标绘制标准曲线并进行线性拟合,得到线性回归方程,结果见表2,三种化合物在各自浓度范围内线性良好(R2>0.995),且3种化合物定量限TBHQ和TBK为10 μg/kg,TQ为50 μg/kg均低于国家标准GB 5009.32-2016中规定的相关化合物定量限要求(TBHQ定量限为0.5 mg/kg)[30]。
表 2 3种化合物的回归方程、线性范围、相关系数及定量限Table 2. Calibration equations, linear ranges, related coefficients and limits of quantitation of three compounds化合物 标准曲线方程 线性范围
(ng/mL)相关系数R2 定量限
(μg/kg)TBHQ y=325.39x+1143.79 10~200 0.9987 10 TQ y=19.17x+31.21 50~1000 0.9958 50 TBK y=82.96x+18.69 10~200 0.9997 10 2.3.2.2 回收率和精密度
于空白基质中分别添加1倍定量限10 μg/kg、2倍定量限20 μg/kg、10倍定量限100 μg/kg三个水平的TBHQ、TBK标准溶液;分别添加1倍定量限50 μg/kg、2倍定量限100 μg/kg、10倍定量限500 μg/kg三个水平的TQ标准溶液做回收率实验,每个添加水平重复测定6次。方法的精密度用6次平行测定的相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)表示。结果表明,3种化合物平均回收率为83.40%~107.71%,相对标准偏差为1.40%~8.50%,回收率良好,符合一般含量测定的要求,且相对标准偏差均小于10%,表明本方法稳定性良好。结果见表3。
表 3 3种化合物在空白基质中的平均回收率及精密度(n=6)Table 3. Average recoveries and RSDs of three compounds in blank matrix (n=6)编号 化合物 添加水平(μg/kg) 平均回收率(%) RSD(%) 1 TBHQ 10 97.10 3.70 20 97.50 1.90 100 107.71 2.40 2 TQ 50 90.30 5.00 100 91.41 1.60 500 91.10 1.40 3 TBK 10 83.40 8.50 20 90.35 5.90 100 89.10 6.60 2.4 实际样品的测定与分析
在市场上购买菜籽油5批,花生油5批,大豆油5批,玉米油5批,葵花籽油5批,同一品种的油均来自不同的厂家。按照本方法测定,其中在一批标有TBHQ的大豆油中检测出TBHQ含量为0.061 g/kg,TQ含量为0.005 g/kg,2,5-二叔丁基-1,4-苯醌未检出;一批标有TBHQ的花生油中检测出TBHQ含量为0.096 g/kg,TQ含量为0.011 g/kg,2,5-二叔丁基-1,4-苯醌未检出。这两批植物油生产日期距离取样测定时的时间相差18个月,这也表明,即使常温储存,TBHQ也会转化为TQ,但均未检测出2,5-二叔丁基-1,4-苯醌,可能2,5-二叔丁基-1,4-苯醌需要高温加热才会产生,因此将上述测定出含有TBHQ的大豆油、花生油模拟日常生活中煎炸时的油,200 ℃,加热1 h后,放置,冷却至室温,按照本方法测定3种化合物,结果见表4,两批油脂经加热后均产生TBK,这也验证了本实验TBK产生的条件:高温;同时也表明不同的油脂样品TBK生成量不一样,这可能和油脂不饱和脂肪酸含量有关[34-35]。
表 4 实际样品中三种化合物的含量测定Table 4. Determination of three compounds in different samples化合物 菜籽油(5批次) 花生油(5批次) 大豆油(5批次) 玉米油(5批次) 葵花籽油(5批次) 加热前 加热后 加热前 加热后 加热前 加热后 加热前 加热后 加热前 加热后 TBHQ(g/kg) ND ND 0.096 0.071 0.061 0.046 ND ND ND ND TQ(g/kg) ND ND 0.011 0.027 0.005 0.014 ND ND ND ND 2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(g/kg) ND ND ND 0.00024 ND 0.0013 ND ND ND ND 注:ND表示未检出。 3. 结论
在研究TBHQ已知的转化产物TQ时,通过气相质谱全扫发现一个新的转化物2,5-二叔丁基-1,4-苯醌,并用本方法测定市场购买的植物油,确定了添加TBHQ的植物油,经过一定时间的存放,该植物油中TBHQ会降解成TQ,但不会降解产生2,5-二叔丁基-1,4-苯醌,这可能与植物油使用的温度有关,经过加热处理该植物油,最终也检测出TBHQ另外一种降解产物物2,5-二叔丁基-1,4-苯醌,同时TQ含量升高。结果表明含有TBHQ的植物油在常温放置时容易转化成TQ,在煎、炸等高温处理的过程中易转化成2,5-二叔丁基-1,4-苯醌,更易转化成TQ。本文通过气质联用法,发现并确证了TBHQ的两种降解产物,并建立了植物油中TBHQ及其两种降解产物测定的方法,并通过实际样品的验证,表明该方法,操作简单,灵敏度高,可以为植物油监管提供技术支撑。但是,由于TBHQ新的降解产物2,5-二叔丁基-1,4-苯醌研究较少,其毒性目前也没有相关报道,后期可以对2,5-二叔丁基-1,4-苯醌毒性展开研究,为植物油的使用安全性提供更多有力的数据。
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表 1 3种化合物的不同前处理条件下平均回收率(n=6)
Table 1 Average recoveries of three compounds under different pretreatment conditions (n=6)
化合物 添加水平
(μg/kg)平均回收率(%)(RSD%) 甲醇直接提取法 液液萃取法 固相萃取柱法 TBHQ 100 58.22(2.6) 86.18(4.3) 87.24(3.1) TQ 100 43.13(3.1) 91.26(2.8) 85.35(3.2) TBK 100 53.25(1.2) 95.43(1.6) 90.26(4.1) 表 2 3种化合物的回归方程、线性范围、相关系数及定量限
Table 2 Calibration equations, linear ranges, related coefficients and limits of quantitation of three compounds
化合物 标准曲线方程 线性范围
(ng/mL)相关系数R2 定量限
(μg/kg)TBHQ y=325.39x+1143.79 10~200 0.9987 10 TQ y=19.17x+31.21 50~1000 0.9958 50 TBK y=82.96x+18.69 10~200 0.9997 10 表 3 3种化合物在空白基质中的平均回收率及精密度(n=6)
Table 3 Average recoveries and RSDs of three compounds in blank matrix (n=6)
编号 化合物 添加水平(μg/kg) 平均回收率(%) RSD(%) 1 TBHQ 10 97.10 3.70 20 97.50 1.90 100 107.71 2.40 2 TQ 50 90.30 5.00 100 91.41 1.60 500 91.10 1.40 3 TBK 10 83.40 8.50 20 90.35 5.90 100 89.10 6.60 表 4 实际样品中三种化合物的含量测定
Table 4 Determination of three compounds in different samples
化合物 菜籽油(5批次) 花生油(5批次) 大豆油(5批次) 玉米油(5批次) 葵花籽油(5批次) 加热前 加热后 加热前 加热后 加热前 加热后 加热前 加热后 加热前 加热后 TBHQ(g/kg) ND ND 0.096 0.071 0.061 0.046 ND ND ND ND TQ(g/kg) ND ND 0.011 0.027 0.005 0.014 ND ND ND ND 2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(g/kg) ND ND ND 0.00024 ND 0.0013 ND ND ND ND 注:ND表示未检出。 -
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