韓浩蕾,姜長(zhǎng)嶺,王 晨,劉 新,魯成銀,陳紅平,*
(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所,浙江 杭州 310008;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院,北京 100081;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部茶葉產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310008)
茶是世界上最受歡迎的無(wú)酒精飲料之一,茶葉具有田間生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、加工過(guò)程復(fù)雜、貯存時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn),易受到農(nóng)業(yè)投入品、生物毒素、環(huán)境污染物、重金屬等有毒物質(zhì)的污染[1],這些有害物質(zhì)已成為茶葉質(zhì)量安全潛在危害因子。茶葉中有害物質(zhì)污染途徑主要來(lái)源于種植與加工階段(圖1)。其中種植階段產(chǎn)地環(huán)境產(chǎn)生的污染物可經(jīng)大氣沉降、土壤吸收以及隨水傳播等途徑,造成茶葉(葉片、根系)被有害物質(zhì)如高氯酸鹽、多環(huán)芳烴等環(huán)境污染物[1-2]污染,產(chǎn)地和周邊環(huán)境中的農(nóng)藥殘留(甲胺磷、乙酰甲胺磷等)[3]以及工業(yè)排放、金屬礦山開(kāi)采等活動(dòng)形成的重金屬,均會(huì)在大氣、土壤、水和植物之間相互擴(kuò)散后,隨著空氣沉降、土壤吸收以及污水灌溉造成茶葉污染[4-5]。近些年環(huán)境中的植物毒素、真菌毒素等污染物及其污染茶葉途徑也廣受關(guān)注[6]。
圖1 茶葉種植加工階段有害物質(zhì)污染途徑Fig.1 Pathways of harmful substance pollution in tea planting and processing
吡咯里西啶生物堿(pyrrolizidine alkaloids,PAs)是植物的次級(jí)代謝產(chǎn)物,主要分布于遠(yuǎn)緣相關(guān)的被子植物科,涉及菊科、紫草科和豆科等13 個(gè)科,通常集中在植物的種子和開(kāi)花部位,其葉、莖和根中的含量較低。不同植物種類(lèi)中PAs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差較大,從痕量到高達(dá)19%(以干質(zhì)量計(jì))[7-8]。PAs具有化學(xué)防衛(wèi)的功能,在一定程度上可抵御草食動(dòng)物、昆蟲(chóng)和植物病原對(duì)植物的侵害。一些含PAs的植物常被用作地被植物、土壤改良劑(豆科)、觀賞植物和動(dòng)物飼料。目前已經(jīng)在超過(guò)6 000 種植物(可能占所有開(kāi)花植物的3%~5%)中鑒定出660多種PAs及其氮氧化物(pyrrolizidine alkaloidN-oxides,PANOs)[9-10]。
PAs是一類(lèi)植物毒素,茶葉本不含有PAs,因茶園存在含PAs的植物(如一點(diǎn)紅、千里光等),其種植階段可能通過(guò)土壤、水等間接污染茶葉。前期研究證明茶園中的雜草——千里光屬植物根部PAs會(huì)污染土壤,博士茶根系會(huì)吸收PAs而受到污染[6,11];茶葉采摘和加工階段可能混入含PAs的植物而形成污染。目前,在奧地利、德國(guó)、比利時(shí)等許多歐洲國(guó)家已經(jīng)對(duì)茶葉中PAs或PANOs的污染起源與途徑進(jìn)行了大量的研究,建立了較為完善的茶葉檢測(cè)與監(jiān)督體系[7],同時(shí)將茶葉PAs含量列為出口到其他歐盟國(guó)家的重點(diǎn)關(guān)注參數(shù),PAs成為近年來(lái)我國(guó)茶葉出口受陰的主要污染物之一。然而,我國(guó)目前針對(duì)茶葉中PAs的研究相對(duì)較少,缺乏茶葉中PAs污染水平基礎(chǔ)數(shù)據(jù),無(wú)法獲得茶葉中PAs污染來(lái)源,導(dǎo)致我國(guó)對(duì)茶葉PAs管控處于極度被動(dòng)狀態(tài)。
PAs化學(xué)結(jié)構(gòu)一般由千里光次堿和千里光次酸兩個(gè)基本部分組成(圖2)。千里光次堿的吡咯環(huán)結(jié)構(gòu)為PAs的母核,由兩個(gè)稠合的含氮五元環(huán)狀結(jié)構(gòu)組成,該部分可被雜酸酯化形成單酯、開(kāi)鏈雙酯或大環(huán)雙酯,當(dāng)C2、C6或C7上帶有一個(gè)或兩個(gè)羥基時(shí),可導(dǎo)致其形成立體異構(gòu)體[9]。當(dāng)千里光次堿中N被氧化時(shí),可形成相應(yīng)PANOs,與PAs同時(shí)存在于植物體內(nèi)[8,12]。PAs在植物體內(nèi)合成的相關(guān)研究有限,到目前為止,僅一種與PAs生物合成有關(guān)的酶被表征,即高精胺合酶,其參與催化PAs生物合成的第一步[13],隨后經(jīng)過(guò)氧化、環(huán)化、還原、?;纫幌盗蟹磻?yīng),先生成初級(jí)產(chǎn)物PANOs,繼而合成相應(yīng)PAs。圖3為千里光寧堿的生物合成過(guò)程[8,13]。
圖2 不同PAs及吡咯代謝物化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.2 Chemical structures of PAs and pyrrole metabolites
圖3 PAs合成途徑[8]Fig.3 PAs synthesis pathway[8]
根據(jù)千里光次堿在1、2位碳原子之間形成的鍵是否飽和,可將PAs分為飽和PAs和不飽和PAs兩大類(lèi),飽和PAs一般無(wú)毒或毒性弱,而不飽和型PAs因其毒性和致病性成為關(guān)注熱點(diǎn)[9-11]。不飽和PAs被CYP 3A氧化成烯丙醇酯結(jié)構(gòu)的吡咯代謝物(圖4)后會(huì)引起肝毒害作用[8,14]。20世紀(jì)30年代,PAs引發(fā)人類(lèi)肝中毒的暴發(fā)性案例導(dǎo)致PAs的肝毒性受到世界各地的廣泛關(guān)注。PAs除具有肝毒性外,還有研究表明部分PAs具有肺毒性、致癌性、遺傳毒性及致畸胎作用等多種毒性[15-17]。除此之外,最新研究表明PANOs亦可產(chǎn)生毒性[18]。人體主要通過(guò)攝入含PAs的食品而引起健康風(fēng)險(xiǎn)[19]。因此,研究食品中的PAs類(lèi)物質(zhì)的污染水平及來(lái)源,并對(duì)其進(jìn)行合理監(jiān)測(cè)以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)于保障食品安全具有極其重要的作用。
圖4 PAs的代謝活化[14]Fig.4 Metabolic activation of PAs[14]
復(fù)雜基質(zhì)中的PAs檢測(cè)技術(shù)從常量定性分析向痕量殘留定量分析的方向發(fā)展,植物源樣品中PAs檢測(cè)經(jīng)歷了分光光度法[20]、核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)法[21]、免疫學(xué)方法[22]等定性定量分析方法,逐漸發(fā)展到高靈敏色譜法和色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(包括液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜(liquid chromatography-tandem mass spectrometry,LC-MS/MS)與氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜(gas chromatography-tandem mass spectrometry,GC-MS/MS))精準(zhǔn)分析技術(shù)[10]。分光光度法中的比色檢測(cè)僅能針對(duì)PAs進(jìn)行總量分析,無(wú)法量化單一PA,且對(duì)復(fù)雜基質(zhì)中PAs的痕量分析缺乏敏感性和選擇性[9-10,23]。NMR法主要用于PAs的結(jié)構(gòu)鑒定,具有快速、精密度好的特點(diǎn),但NMR靈敏度較差,難以進(jìn)行痕量分析[10,21]。免疫學(xué)檢測(cè)過(guò)程中,PAs通過(guò)共價(jià)結(jié)合與蛋白質(zhì)快速反應(yīng),形成吡咯-蛋白質(zhì)加合物,可以快速、靈敏地檢測(cè)復(fù)雜基質(zhì)中的分析物,更多用于PAs毒理方面的研究[22],但其缺點(diǎn)是僅對(duì)與千里次光堿結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的PAs(如十二元大環(huán)酯,但沒(méi)有烯酮、開(kāi)鏈酯或十一元或十三元大環(huán)PAs)敏感,難以適用于所有PAs檢測(cè),且容易受到復(fù)雜基質(zhì)干擾[7,10]。目前,色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在PAs分析中選擇性好、靈敏度高,且適用于同時(shí)檢測(cè)多種PAs,因而廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品或食品中PAs的定性定量分析[7,9]。表1總結(jié)了近年來(lái)色譜-質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)在茶葉中PAs檢測(cè)的應(yīng)用,可以看出,在分析手段方面,相較于GC-MS/MS,LC-MS/MS依舊是目前PAs檢測(cè)方法中最主流的檢測(cè)手段;在前處理技術(shù)上,固相萃?。╯olid phase extraction,SPE)是最常用的凈化處理方式。
表1 茶葉PAs檢測(cè)前處理方法及檢測(cè)技術(shù)Table 1 Pretreatment methods and analytical techniques for the detection of PAs in tea samples
PAs是含有特征性堿性氮的還原性生物堿,通常使用半極性或極性有機(jī)溶劑或在酸化水條件下萃取PA,其氧化形式(PANOs)屬于極性分子,容易被極性溶劑(例如甲醇)或稀酸溶液萃取[30]。茶葉中PA前處理技術(shù)主要包括液液萃取法(liquid-liquid extraction,LLE)、SPE以及SLE(表1),也可開(kāi)發(fā)常用前處理方法如QuEChERS(quick, easy, cheap, effective, rugged, and safe)法以及新型前處理方法如分散液-液微萃?。╠ispersive liquid-liquid microextraction,DLLME)法等對(duì)茶葉進(jìn)行提取及凈化。
2.1.1 液液萃取
LLE是一種傳統(tǒng)分離PAs的方法,其基于相似相溶原理,根據(jù)目標(biāo)分析物在液相之間的溶解度差異進(jìn)行分離[31]。PAs分離過(guò)程首先將提取液酸化,生物堿將以離子的形式存在于水相中,為除去葉綠素和其他弱極性物質(zhì),用乙醚、氯仿等有機(jī)溶劑萃取,再將水層堿化,釋放生物堿,再用相同或相似的有機(jī)溶劑(氯仿、二氯甲烷)萃取達(dá)到分離純化的目的[23]。但LLE操作過(guò)程繁瑣,不能同時(shí)分離純化PAs及PANOs,且因極易出現(xiàn)乳化現(xiàn)象,PAs損失較多,不符合對(duì)PAs進(jìn)行痕量分析的要求。該方法目前已經(jīng)使用極少,逐漸被SPE所取代[23,32]。
2.1.2 固相萃取
SPE是被廣泛用于提取包括農(nóng)藥化合物在內(nèi)的污染物的前處理方法。SPE基于吸附劑與分析物之間的相互作用將分析物吸附到固體吸附劑上,在去除雜質(zhì)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)樣品的富集凈化,具有溶劑用量少、高效、快速的特點(diǎn),是目前使用最廣泛的純化PAs的方法。其純化步驟通常為首先活化SPE柱,上樣后分別采用甲醇和去離子水淋洗,最后利用堿性溶液(如含有氨水的甲醇溶液)進(jìn)行洗脫。常用的SPE柱有C8柱、C18柱、陽(yáng)離子交換色譜柱(solid phase extraction column,SCX),其中SCX-SPE柱的使用可以有效去除弱極性與離子型極性干擾物質(zhì),同時(shí)滿足PAs和PANOs回收率要求[7,32]。Kaltner等[24]利用SPE技術(shù)建立了一種定性定量茶葉中4 種PAs/PANOs的方法,比較了6 種不同型號(hào)SPE柱(Bekolut SCX、Discovery DSC-18、Chromabond SA、Strata-X-C、Bond Elut SCX、Bond Elut Plexa PCX)的凈化效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Bond Elut Plexa PCX柱效果最佳,對(duì)茶葉中36 種PAs的回收率達(dá)到60%~120%。
Chung等[27]對(duì)食品(包括谷類(lèi)食品、乳制品、肉、蛋、蜂蜜、茶浸液和香料)中的15 種PAs和13 種PANOs進(jìn)行檢測(cè)。前處理方法采用C18柱SPE凈化、水/乙腈淋洗去除復(fù)雜基質(zhì)后,用甲醇洗脫大部分PAs/PANOs,奧索千里光裂堿型PAs因需要在堿性介質(zhì)中才能完全洗脫,用體積分?jǐn)?shù)2.5%氫氧化銨-甲醇溶液洗脫,最后混合洗脫液提取全部目標(biāo)PAs/PANOs。所有食品PAs和PANOs的回收率為50%~120%,茶浸提液中回收率達(dá)77%~116%。該方法成功地將SPE技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜基質(zhì)中的多種PAs痕量檢測(cè),為建立食品中多種PAs痕量分析方法提供了重要支撐。
SPE方法作為使用最普遍的前處理技術(shù),可在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化凈化過(guò)程中影響清潔效果的參數(shù),如溶劑組成、吸附劑、流量等,或是以串聯(lián)SPE柱的方式來(lái)提高凈化效果。
2.1.3 QuEChERS法
QuEChERS法是2003年美國(guó)Anastassiades等[33]提出的一種農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)殘檢測(cè)的前處理方法,發(fā)展迅速,已成為目前色譜及色譜質(zhì)譜分析前處理應(yīng)用最廣的前處理技術(shù)之一。QuEChERS法將提取與純化同步進(jìn)行,其核心是采用分散固相吸附劑去除干擾物質(zhì),具有操作簡(jiǎn)單、快速、環(huán)境友好、兼容性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),且適用于高通量檢測(cè)與樣品前處理,因而在對(duì)植物源農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留、PAs等痕量分析中得到廣泛應(yīng)用[31]。
Martinello等[34]采用QuEChERS方法建立了一種簡(jiǎn)便快速定量檢測(cè)蜂蜜中PAs的方法。該QuEChERS方法采用10 mL乙腈和QuEChERS EN方法(檸檬酸鈉1 g、檸檬酸氫二鈉倍半水合物0.5 g、硫酸鎂4 g和氯化鈉1 g)進(jìn)行提取凈化,再結(jié)合適量的N-丙基乙二胺鍵合硅交(primary secondary amine,PSA)、硫酸鎂和碳進(jìn)行吸附凈化,離心過(guò)濾后結(jié)合UPLC-MS/MS檢測(cè),結(jié)果的檢出限為0.21~1.39 mg/kg,回收率為73%~109%。Kaczyński等[35]采用一種超聲輔助QuEChERS方法提取和純化草藥中PAs,該研究表明使用PSA、C18、石墨化炭黑和MgSO4吸附劑會(huì)降低PAs回收率,可能是吸附了具有弱酸性的PAs所致,而將石墨烯用作吸附劑時(shí),可以獲得好的凈化效果,且不會(huì)影響其回收率。
茶葉作為復(fù)雜的基質(zhì),目前鮮見(jiàn)其相關(guān)的QuEChERS前處理方法,但QuEChERS作為使用廣泛的前處理技術(shù),靈活性高、適用性強(qiáng),可通過(guò)對(duì)不同吸附劑的組合、提取溶劑的選擇等進(jìn)行優(yōu)化[31,36],形成高效的改進(jìn)QuEChERS方法,以對(duì)茶葉中PAs進(jìn)行檢測(cè)。
2.1.4 其他方法
基于LLE和SPE的新型技術(shù)如DLLME、SLE被應(yīng)用到PAs分析前處理中。DLLME是一種功能強(qiáng)大的預(yù)濃縮技術(shù),具有操作簡(jiǎn)單、成本低、萃取時(shí)間短、富集因子高、有機(jī)溶劑消耗適中等眾多優(yōu)點(diǎn)[37]。Celano等[38]利用DLLME結(jié)合UPLC-MS/MS檢測(cè)蜂蜜中PAs,相比于應(yīng)用SPE和QuEChERS,提高了PAs的富集效果;再與UPLC-MS/MS結(jié)合,得到了更低的檢出限(0.01~0.02 μg/kg),回收率為71%~102%。DLLME具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn),且可通過(guò)結(jié)合其他技術(shù)進(jìn)一步提高方法的準(zhǔn)確度。因此,該技術(shù)可被逐漸應(yīng)用到茶葉、草藥等復(fù)雜基質(zhì)多種PAs痕量分析中。
SLE是對(duì)目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行固相表面支撐的LLE,相對(duì)于SPE,有不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)、平衡或者沖洗SPE柱等優(yōu)勢(shì),可縮短處理時(shí)間。Mathon等[25]使用SLE結(jié)合HPLC-MS/MS檢測(cè)茶葉和草藥茶中的PAs和PANOs,得到的定量限為0.1~0.5 μg/kg,回收率為91%~114%。該方法雖然成功應(yīng)用于茶葉和草藥茶中PAs和PANOs的檢測(cè),但這種方法不可直接用于不可電離的PAs如千里光寧堿氮氧化物,因此對(duì)于同時(shí)檢測(cè)多種PAs方法的建立具有一定局限性。
隨著前處理技術(shù)的不斷發(fā)展,目前一些新型前處理技術(shù)不斷應(yīng)用于生物堿的檢測(cè)分析[32],如固相微萃取[39]、分子印跡法[40]等。新型前處理技術(shù)具有去除干擾能力強(qiáng)、靈敏度高與環(huán)保等特點(diǎn),有望應(yīng)用于茶葉等復(fù)雜基質(zhì)中PAs的分離純化,提高檢測(cè)方法的抗干擾能力和靈敏度,且新型的前處理技術(shù)未來(lái)將可能成為多種PAs痕量分析的主要趨勢(shì)。
2.2.1 氣相色譜和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用
GC-MS分析PAs的方法最早于20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于天然來(lái)源物質(zhì)(植物和昆蟲(chóng))的PAs檢測(cè)[41]。游離PAs通過(guò)GC進(jìn)行分離,并使用不同的固定相根據(jù)相對(duì)保留時(shí)間進(jìn)行鑒定,這種方法適用于除奧索千里光裂堿型以外的大多數(shù)PAs。由于PANOs在GC揮發(fā)溫度下不易揮發(fā),不適合用此方法鑒定,因此可先通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化如使用Zn+/H+將PANOs還原為游離PAs進(jìn)行檢測(cè)[9-10,30,42]。GC-MS通常用電子轟擊電離(electron ionization,EI),PAs經(jīng)EI源轟擊后產(chǎn)生碎片離子,通過(guò)選擇離子監(jiān)測(cè)(selected ion monitoring,SIM)和全掃描模式,定性定量分析復(fù)雜基質(zhì)中的PAs[41]。由于多羥基PAs在GC條件下難揮發(fā),不能直接采用GC和GC-MS進(jìn)行分析,因此需采用衍生化的方法將多羥基PAs衍生產(chǎn)生揮發(fā)性產(chǎn)物,通過(guò)PAs與衍生物之間的量化關(guān)系定量分析PAs。多羥基PAs常用衍生試劑是鄰二醇的硼酸衍生物或三甲基硅醚或二者的組合[9,42-43]。
Kempf等[42]提出一種采用GC-MS法檢測(cè)蜂蜜基質(zhì)大多數(shù)1,2-不飽和PAs的方法。該方法通過(guò)酸性液體萃取,用鋅粉將PANOs還原為游離PAs,經(jīng)過(guò)SPE凈化后,使用LiAlH4將1,2-不飽和PAs還原以產(chǎn)生共同的骨架結(jié)構(gòu)(千里次光堿結(jié)構(gòu)),再用N-甲基-N-三甲硅基三氟乙酰胺(N-methyl-N-(trimethylsilyl) trifluoroacetamide,MSTFA)進(jìn)行衍生化反應(yīng)(圖5),最后通過(guò)GC-MS在SIM模式下分析所得的衍生物。這種方法通過(guò)還原和衍生化將所有不飽和PAs轉(zhuǎn)化為同一種類(lèi)型化合物(倒千里光裂解型),結(jié)果用單一的總和參數(shù)表示,結(jié)果的定量限為0.01 mg/L。該方法后來(lái)也同樣適用于許多基質(zhì),如蜂蜜、花粉和植物等[10,44]。Kowalczyk等[45]基于上述前處理技術(shù)使用七氟丁酸酐作為衍生化試劑,結(jié)合GC-MS法檢測(cè)蜂蜜中1,2-不飽和PAs含量,結(jié)果回收率為73.1%~93.6%,定量限為1 μg/kg。
圖5 千里光裂堿還原及衍生化反應(yīng)[42]Fig.5 Reduction and derivatization of senecionine[42]
衍生化過(guò)程用于GC-MS法分析PAs雖有提高靈敏度的優(yōu)勢(shì),但過(guò)程繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng);且GC-MS法分析PAs存在穩(wěn)定性差、檢出限高等缺陷,目前PAs分析較少使用GC及GC-MS,LC及LC-MS是PAs的主要分析手段(表1)。
2.2.2 液相色譜、液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜和液相色譜-高分辨質(zhì)譜
LC與LC-MS方法不僅可以同時(shí)檢測(cè)PAs和PANOs,且具有靈敏度高、檢測(cè)限低、適用范圍廣、重復(fù)性好、操作方便、前處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),是目前使用最廣泛的方法[30,44]。游離堿PAs包括中等極性與極性化合物,而PANOs為極性化合物,因此LC柱固定相應(yīng)選擇極性較小的鍵合固定相,如C18、C8反相色譜柱;流動(dòng)相系統(tǒng)常選用甲醇/水系統(tǒng)和乙腈/水系統(tǒng),并使用酸或堿作為水性洗脫液的改性劑來(lái)提高分離度[7,9]。PAs因存在多個(gè)立體異構(gòu)體(如印美定/石松胺)導(dǎo)致色譜峰分離度較差,可選用分離度更高的色譜柱改善,如HPLC色譜柱、UPLC色譜柱[46]。
LC-MS/MS中電離源的電離方式通常采用ESI或大氣壓化學(xué)電離(atmospheric pressure chemical ion source,APCI)兩種技術(shù)[30]。其中ESI應(yīng)用更為廣泛,PAs和PANOs在ESI作用下形成分子離子峰[M+H]+;APCI對(duì)游離PAs分析雖有良好的穩(wěn)定性,但對(duì)PANOs的靈敏度低[7,10,30]。樣品經(jīng)電噴霧電離后,進(jìn)入MS檢測(cè),離子阱或三重四極桿已廣泛應(yīng)用到其MS的分析中,通過(guò)分析在離子源中形成的加合離子碰撞誘導(dǎo)解離片段來(lái)開(kāi)發(fā)PAs特定的MS方法,例如選擇反應(yīng)監(jiān)測(cè)、多反應(yīng)監(jiān)測(cè)(multiple reaction monitoring,MRM)或前體離子掃描等[9,10,47]。
Yoon等[48]通過(guò)LC-ESI-MS/MS結(jié)合冷凍脂質(zhì)沉淀和SCX-SPE測(cè)定高脂食品中的9 種有毒PAs。該研究基于PAs的[M+H]+的MS/MS碎片化路徑,在MRM模式下選擇PAs的質(zhì)子化分子作為前體離子,裂解后豐度最高或第二高的離子作為產(chǎn)物離子,以對(duì)基質(zhì)中的PAs進(jìn)行定性和精確定量。圖6為部分PAs的[M+H]+離子的MS/MS碎裂途徑。此分析方法檢出限達(dá)0.06~0.60 ng/mL,分析物的平均回收率在低質(zhì)量濃度(10 ng/mL)下為81.59%~104.92%,在高質(zhì)量濃度(100 ng/mL)下為82.06%~105.41%。使用LC-MS/MS MRM模式對(duì)PAs進(jìn)行定性及痕量分析,可以在復(fù)雜基質(zhì)中顯著提高PAs的檢測(cè)靈敏度、精密度、選擇性及準(zhǔn)確性。目前LC-MS應(yīng)用廣泛,也是痕量分析茶葉中PAs最普遍的技術(shù),具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖6 部分PAs [M+H]+離子MS/MS裂解途徑[48]Fig.6 Partial PAs [M + H]+ MS/MS fragmentation pathway[48]
LC和LC-MS/MS具有許多優(yōu)點(diǎn),但也有局限。研究中多數(shù)方法都使用目標(biāo)MS/MS設(shè)置,會(huì)遺漏相關(guān)的PAs;市場(chǎng)上用于準(zhǔn)確定量(認(rèn)證的)且可以商購(gòu)的參考標(biāo)準(zhǔn)品PAs大約只有50 種,可用的PANOs標(biāo)準(zhǔn)品數(shù)量甚至更少,同位素標(biāo)記的化合物也無(wú)法商購(gòu),基于無(wú)相應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn),研究中只能在大的不確定性下獲得定量結(jié)果。在此情況下,使用液相色譜與高分辨質(zhì)譜的聯(lián)用技術(shù)(liquid chromatography-high resolution mass spectrometry,LC-HRMS)對(duì)PAs相關(guān)物質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)篩選(“非目標(biāo)”篩選)具有重大意義[7,9-10]。
在LC-MS聯(lián)用的快速發(fā)展中,HRMS已經(jīng)應(yīng)用到MS中形成新的檢測(cè)方法。如液相色譜-四極桿-軌道阱質(zhì)譜(liquid chromatography-Q-Exactive Orbitrap mass spectrometry,LC-Q Exactive-MS)[49]、超高效液相色譜-電噴霧電離-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜(ultra high-performance liquid chromatography-quadrupole/time-of-flight mass spectrometry,UPLC-ESI-Q-TOF-MS)[50]、親水液相色譜-電噴霧電離-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜(hydrophilic interaction liquid chromatography quadrupole/time-of-flight mass spectrometry,HILIC/ESI-Q-TOF-MS)[51]、液相色譜多模式化-飛行時(shí)間質(zhì)譜(liquid chromatographymulti mode ionization-quadrupole/time-of-flight mass spectrometry,LC-MMI-TOF-MS)等[52],這些工具都具有高分辨率、高精度、高質(zhì)量準(zhǔn)確度及極高的靈敏度的優(yōu)勢(shì),可以基于LC-HRMS的方法來(lái)分析沒(méi)有參考標(biāo)準(zhǔn)但已知結(jié)構(gòu)的PAs[9]。Q-TOF-MS是目前使用普遍的高分辨質(zhì)譜,可通過(guò)建立每種PAs的碎裂過(guò)程來(lái)表征痕量化合物[36]。Jeong等[50]開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了一種使用UPLC-ESI-QTOF-MS快速準(zhǔn)確測(cè)定植物樣本中9 種PAs的方法,并證明UPLC-ESI-Q-TOF-MS可提供準(zhǔn)確的前體和碎片離子質(zhì)量信息并同時(shí)定量,檢出限達(dá)0.4~2.0 ng/mL,定量限為0.6~6.0 ng/mL,此外還表征了70 種PAs及PANOs的前體離子及其生成的特征性碎片離子。Martinello等[49]研究發(fā)現(xiàn)混合四極桿軌道阱高分辨質(zhì)譜結(jié)合了四極桿質(zhì)量分析器對(duì)前體離子選擇的高性能和靜電場(chǎng)軌道離子阱檢測(cè)的高分辨率,與Q-TOF-MS和TOF-MS相比可實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。
HRMS的應(yīng)用作為篩選方法有巨大優(yōu)勢(shì),與傳統(tǒng)的MS/MS相比,HRMS降低了對(duì)色譜分離的要求,可實(shí)現(xiàn)高通量分析[9];LC與HRMS聯(lián)用可全面獲取樣品中PAs的精確分子質(zhì)量和碎片離子信息,區(qū)分同分異構(gòu)體,鑒定未知物[53],是對(duì)多種PAs痕量分析的有效檢測(cè)手段[9,36]。
目前茶葉中的PAs檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟,針對(duì)茶葉中PAs造成的食品安全質(zhì)量問(wèn)題與健康風(fēng)險(xiǎn),許多國(guó)家對(duì)市場(chǎng)中的不同茶葉開(kāi)展了PAs污染水平監(jiān)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究,歐洲食品安全局(European Food Safety Authority,EFSA)調(diào)查結(jié)果表明,(草藥)茶等物質(zhì)是人體暴露PAs/PANOs的重要來(lái)源之一[54]。表2列舉了近年來(lái)不同國(guó)家茶葉中PAs的污染水平。
表2 不同國(guó)家茶葉中PAs水平Table 2 PAs contents in tea from different countries
目前PAs污染茶葉已成為全球性問(wèn)題[11],歐美國(guó)家尤其是德國(guó)已重點(diǎn)監(jiān)測(cè)了花草茶中PAs污染水平。與其他國(guó)家相比,德國(guó)近幾年市售花草茶中檢出PAs含量較低。Kaltner等[24]在德國(guó)檢測(cè)市售茶中44 種PAs/PANOs化合物的含量,分別檢查了3 個(gè)品牌6 種花草茶(薄荷茶、綠茶、紅茶、茴香茶、甘菊茶和博士茶)的PAs含量,18 個(gè)樣品中PAs的含量范圍為0.1~47.9 μg/kg。德國(guó)對(duì)食品中PAs有嚴(yán)格的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制策略,自1992年以來(lái),含PA的植物藥物已受到《聯(lián)邦制藥條例》的管制,近些年來(lái)為加強(qiáng)食品中PAs污染的控制,德國(guó)聯(lián)邦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究所(Bundesinstitut für Risikobewertung,BfR)已使用幾種消費(fèi)情景對(duì)兒童和成人食用(草本)茶中的PAs進(jìn)行了初步風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期食用某些類(lèi)型的(草藥)茶浸液會(huì)增加健康風(fēng)險(xiǎn),建議消費(fèi)者對(duì)來(lái)自各種食品的PAs攝入量需保持低水平[58]。Mathon等[25]檢測(cè)瑞士市場(chǎng)花草茶PAs含量時(shí),發(fā)現(xiàn)PAs整體含量相對(duì)較低,其中茴香茶、紅茶、綠茶中PAs含量低于方法檢出限,但據(jù)某些樣品檢測(cè)結(jié)果推測(cè)人類(lèi)飲食后會(huì)超過(guò)BfR和英國(guó)毒性委員會(huì)建議的最大每日攝入量(0.007 μg/kg),長(zhǎng)期飲用亦會(huì)造成健康風(fēng)險(xiǎn)。比利時(shí)、以色列、愛(ài)爾蘭等其他國(guó)家針對(duì)市售花草茶中的PAs污染水平監(jiān)測(cè)中,(草藥)茶中含有類(lèi)型廣泛的PAs/PANOs,且某些PAs含量較高,存在嚴(yán)重質(zhì)量安全隱患。我國(guó)目前對(duì)農(nóng)產(chǎn)品中PA污染與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要集中于含PAs的植物和蜂蜜,對(duì)其他農(nóng)產(chǎn)品研究甚少,缺乏系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)排查以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究,最大殘留限量等安全評(píng)價(jià)指標(biāo)也因此處于缺失狀態(tài)。
茶葉中的PAs/PANOs主要包括千里光寧堿型、石松胺型、天芥菜堿型、野百合堿型以及奧索千里光裂堿型5 種類(lèi)型,其中千里光寧堿型PAs是花草茶污染中最主要的化合物,占茶葉中PAs總含量77%以上;石松胺型、天芥菜堿型PAs分別約占總含量的14%和8%[10,29]。此外各類(lèi)茶葉中普遍發(fā)現(xiàn)有千里光寧堿、千里光寧堿氮氧化物、倒千里光堿氮氧化物、印美定、印美定氮氧化物、石松胺、千里光菲靈堿、千里光菲靈堿氮氧化物8 種污染物[54]。Mulder等[57]研究表明千里光寧堿氮氧化物是茶葉中最主要PA,含量范圍約為60~200 μg/kg,約占茶葉中PA總含量的50%。
不同茶葉類(lèi)其PAs組成不同。EFSA科學(xué)報(bào)告評(píng)估表明,在茶浸出液樣本中,綠茶和紅茶均有4 種主要PAs且含量分布均勻,綠茶中主要PAs類(lèi)型包括千里寧光堿氮氧化物(19%)、倒千里光堿氮氧化物(18%)、印美定(16%)和石松胺(16%);紅茶中PAs主要由印美定氮氧化物(31%)、印美定(20%)、石松胺(20%)和倒千里光堿-氮氧化物(15%)組成;洋甘菊茶中千里光寧堿氮氧化物、印美定為主要檢出PAs,分別占28%和22%;博士茶中主要有3 類(lèi)檢出PAs,其中千里光寧堿氮氧化物為最主要PAs,約占總PAs含量57%,倒千里光堿氮氧化物以及千里光寧堿分別占19%和16%[54]。
不同茶類(lèi)PAs污染程度也不同??傮w來(lái)看,博士茶中PAs污染最為嚴(yán)重,其次是花草茶和紅茶,綠茶以及其他茶葉中含量相對(duì)較低(表2)。Bodi等[59]分析了德國(guó)市場(chǎng)上6 個(gè)茶類(lèi)總共274 種干茶樣品(包括紅茶、綠茶、博士茶、薄荷、甘菊和混合茶)中PAs含量,其中博士茶PAs污染最為嚴(yán)重,平均含量為1 856.4 μg/kg,最大含量高達(dá)5 647.2 μg/kg。博士茶污染源被鑒定為可能是茶園里的雜草PA植物千里光,van Wyk等[6]發(fā)現(xiàn)在無(wú)雜草場(chǎng)所收集的博士茶中均未檢出PAs,在富含雜草千里光的場(chǎng)所中博士茶受到嚴(yán)重污染且其含有與千里光相同類(lèi)型和比例的Pas。研究證實(shí)了PAs主要通過(guò)污染土壤而間接污染博士茶[6,57]。歐洲花草茶污染水平監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),甘菊茶和蜂蜜茶中PAs含量較高且PA類(lèi)型分布均勻[26,56],愛(ài)爾蘭一項(xiàng)調(diào)查檢出甘菊蜂蜜茶中PAs總量平均值可達(dá)245 μg/kg[26],以色列花草茶監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)洋甘菊茶中PAs污染量高達(dá)564 μg/kg[56],究其原因可能是一些花草茶配料、蜜源植物(如向日葵、紫云英、苜蓿、苕子)是典型的含PAs植物,則含有PAs植物和蜂蜜的花草茶易受到污染[12]。在各項(xiàng)監(jiān)測(cè)中茴香茶、綠茶、紅茶中PAs檢出含量較低(表2),但紅茶中PAs含量普遍高于綠茶[25,56],EFSA在2016年的監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)紅茶中PAs濃度為綠茶中的2 倍[60];黃茶、烏龍茶、普洱茶等中的PAs含量低甚至不超過(guò)方法檢出限[26],推測(cè)不同茶類(lèi)間PAs種類(lèi)及污染水平差異可能與其茶葉采摘、加工方式有關(guān)。
目前,PAs在蜂蜜、茶葉、谷物、牛奶、雞蛋、肉類(lèi)以及飼料等多種食品和農(nóng)產(chǎn)品中均能檢出。蜂蜜及其衍生產(chǎn)品是研究最廣泛的食品,且其中PAs檢出含量高,主要原因是花粉PAs濃度與原始PAs植物組織相近[61-62],PAs可通過(guò)花粉意外引入花蜜污染蜂蜜及其衍生產(chǎn)品[63-64];含PA的草藥和被PA植物意外污染的草藥、谷物以及香料中PAs檢出含量也均較高[7,10];在動(dòng)物源性食品(肉類(lèi)、雞蛋)中僅有痕量PAs在少數(shù)情況下可被檢測(cè)到[57],其污染來(lái)源為動(dòng)物覓食的牧場(chǎng)和田地中可能存在PA植物和含PAs的飼料產(chǎn)品(如苜蓿),這部分PAs可被轉(zhuǎn)移到動(dòng)物衍生的食品中[10,54],Mulder等[65]研究表明產(chǎn)蛋雞攝入含PAs的草藥可能將PAs轉(zhuǎn)移入雞蛋和雞肉中,導(dǎo)致其受到污染。
與其他食品和農(nóng)產(chǎn)品相比,茶葉PAs污染范圍廣、污染程度較高且及濃度變化范圍大。Mulder等[57]對(duì)歐洲6 個(gè)國(guó)家動(dòng)植物源性食品中PAs的污染水平進(jìn)行調(diào)查,有92%的(草藥)茶均含有可檢出的PAs,且含量高,平均含量可達(dá)460 μg/kg(以干基質(zhì)量計(jì)),其中大多數(shù)花草茶中檢出PAs含量高,而部分紅綠茶中檢出PAs含量低。
目前已有相關(guān)機(jī)構(gòu)評(píng)估了受PA污染食品(包括茶葉)和基于PA植物生產(chǎn)的食品補(bǔ)充劑所造成的急性毒性及慢性健康風(fēng)險(xiǎn)[54,58-59]。PAs及其氮氧化物具有肝毒性、肺毒性、遺傳毒性、生殖毒性、致癌性、致突變等一系列毒性作用[66]。
PAs可引起急性肝毒性,其癥狀是出血性壞死、肝腫大、腹水和肝功能異常,最終可能導(dǎo)致死亡[66]。目前已有兩例發(fā)生在嬰兒當(dāng)中的臨床病例可以提供可靠的短期暴露劑量效應(yīng)關(guān)系信息[67-70],6 個(gè)月大的女?huà)朊刻鞌z入PAs大約0.8~1.7 mg/kgmb持續(xù)2 周,被診斷出肝靜脈閉塞性疾?。╤epatic veno-occlusive disease,HVOD)。HVOD是由PAs中毒引起的肝臟損傷,能導(dǎo)致肝硬化和肝功能衰竭,被認(rèn)為是PAs暴露的表現(xiàn)[66]。調(diào)查發(fā)現(xiàn),一個(gè)2 個(gè)月大的男嬰每日服用PAs 3 mg/kgmb約4 d發(fā)生了致命的后果[69]。這些病例報(bào)告列出了短期(4~14 d)暴露PAs后中毒和死亡相關(guān)的最低劑量范圍,可得出結(jié)論:對(duì)于人類(lèi),短期暴露PAs后與肝臟不良反應(yīng)相關(guān)的最低已知?jiǎng)┝繛槊刻?.8~1.7 mg/kgmb[7,54,58]。EFSA食品鏈污染物小組根據(jù)病例得出每天攝入PAs 1~3 mg/kgmb持續(xù)4 d~2 周,可產(chǎn)生急性毒性,且考慮到PAs對(duì)人的潛在毒性及其影響的嚴(yán)重性尚不確定,與上述劑量范圍相比,暴露水平在100 倍以下亦有急性/短期影響的風(fēng)險(xiǎn)[54]。
臨床實(shí)驗(yàn)中,PAs的毒性作用具有累積性[71]。亞急性或慢性低水平的PAs暴露可能導(dǎo)致肝損傷,如纖維化、結(jié)節(jié)性再生和肝硬化[66]。目前,茶葉是人體PAs暴露的主要因素之一,因此消費(fèi)者因食用茶和涼茶等高消費(fèi)量食品而頻繁或長(zhǎng)期暴露于PAs,可能對(duì)人體健康造成危害。利用Riddelliine對(duì)大鼠的致癌性實(shí)驗(yàn)得出:以10%響應(yīng)的基準(zhǔn)劑量可信下限(benchmark dose limit with a 10%,BMDL10)可作為評(píng)估長(zhǎng)期暴露于PAs的風(fēng)險(xiǎn)參考點(diǎn)[60,66]。2017年EFSA重新采用暴露限值(margin of exposure,MOE)方法[54]結(jié)合基于Riddelliine在大鼠中的致癌性實(shí)驗(yàn)[68]和之前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果[73]得出:以BMDL10(每天食用237 μg/kgmb)作為PAs慢性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的參考點(diǎn)。
鑒于食品中PAs對(duì)人體健康的潛在危害,已有多國(guó)制定了食品中PAs最大允許含量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或措施[10]。世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)早在1989年建議PAs日攝入限制量為15 μg/kgmb[74];BfR建議PAs每日最大攝入量為0.007 μg/kgmb[58];歐洲藥物管理局建議PAs的成人日攝入量最高為0.35 μg/kgmb,兒童為0.007 μg/kgmb[75];2020年,歐盟設(shè)置茶葉中21 種PAs含量限量為成人150 μg/kgmb、嬰幼兒75 μg/kgmb[76],美國(guó)食品藥品管理局禁止含PAs的紫草科植物用于食品加工業(yè)。目前我國(guó)尚未對(duì)PAs攝入量做出明確規(guī)定與建議。
茶葉中的PAs主要通過(guò)茶湯被人體吸收從而造成健康風(fēng)險(xiǎn),因此進(jìn)行茶葉中PAs風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)應(yīng)考慮其浸出特性[77]。Picron等[29]測(cè)定植物性食品(包括茶葉)中PAs在浸泡過(guò)程中的轉(zhuǎn)移率發(fā)現(xiàn),根據(jù)化合物的不同,在浸泡過(guò)程中只有16%~28%的PAs/PANOs污染物從干物質(zhì)轉(zhuǎn)移到了浸泡液中。PAs的結(jié)構(gòu)特性和極性不同會(huì)導(dǎo)致浸出特性差異,PAs化合物極性越大,在水中浸出率越高,如PANO極性大,有更高的浸出率;PAs化合物浸出率與水溶解度也呈正相關(guān);但因辛醇/水分配系數(shù)低的物質(zhì),親水性較高,推測(cè)PAs化合物辛醇/水分配系數(shù)與其浸出率呈負(fù)相關(guān)。此外,根據(jù)茶葉中污染物以及內(nèi)含物質(zhì)在沖泡過(guò)程中的浸出規(guī)律[76]推測(cè)茶葉沖泡方式(沖泡溫度、沖泡次數(shù)、沖泡時(shí)間等)也會(huì)影響內(nèi)源污染物PAs實(shí)際浸出率。
EFSA對(duì)歐洲人群中PAs的膳食暴露評(píng)估,茶和草藥的攝入是造成PA暴露總量的主要因素[60]。隨著茶葉消費(fèi)量近年逐漸增長(zhǎng),茶葉中PAs對(duì)人體的暴露水平增加。年輕人(嬰幼兒、兒童)和成年人通過(guò)消耗茶和草藥(茶)而引起的長(zhǎng)期慢性暴露量范圍分別為每天34.5~48.4 ng/kgmb和31.1~41.8 ng/kgmb,其估計(jì)值均高于其他食品,長(zhǎng)期攝入會(huì)有慢性風(fēng)險(xiǎn);高暴露人群因消費(fèi)大量高暴露水平茶類(lèi)(如博士茶)亦會(huì)有急性毒性風(fēng)險(xiǎn)[60]。
不同茶類(lèi)健康風(fēng)險(xiǎn)不同,推測(cè)博士茶、薄荷茶、紅茶屬于健康風(fēng)險(xiǎn)較高的茶類(lèi),因?yàn)椴┦坎韬捅『刹柙诙囗?xiàng)監(jiān)測(cè)中PAs平均含量及暴露水平均較高[57,59-60],而紅茶不僅PAs暴露水平較高,還含有毒性較大的石松胺類(lèi)PAs和印美定類(lèi)PAs[78]。結(jié)合Chen Lu等[79]進(jìn)行的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,博士茶、薄荷茶、紅茶3 種茶MOE普遍小于10 000,認(rèn)為其均存在慢性風(fēng)險(xiǎn)。紅茶、博士茶因?qū)Τ赡耆说谋┞端礁?,推測(cè)其風(fēng)險(xiǎn)更大。除上述3 種茶類(lèi),根據(jù)茶葉中PAs的最大檢出含量與暴露水平推測(cè),若大量食用綠茶、混合涼茶以及甘菊茶也會(huì)對(duì)人群造成健康風(fēng)險(xiǎn)。因此,茶葉中PAs的健康風(fēng)險(xiǎn)與茶葉PAs暴露水平、PAs分布以及人類(lèi)的膳食結(jié)構(gòu)均有關(guān),建議人們應(yīng)建立合理的飲食習(xí)慣,保持均衡和多元化,避免因偏食或過(guò)度飲食某類(lèi)茶葉而攝入過(guò)量的PAs。
PAs是一類(lèi)植物次級(jí)代謝產(chǎn)物,不飽和PAs及大部分PANOs具有多種毒性作用。茶葉基質(zhì)復(fù)雜,茶葉中PAs檢測(cè)前處理技術(shù)主要包括改良QuEChERS和SPE法,LCMS/MS是檢測(cè)PAs的主要手段。茶葉普遍受到PAs的污染,其污染水平與茶葉產(chǎn)地、種類(lèi)相關(guān)。茶葉中PAs主要包括千里光寧堿型、石松胺型、天芥菜堿型等,其中千里光寧堿氮氧化物污染最為嚴(yán)重,約占PAs總含量50%。茶葉中PAs主要通過(guò)茶湯被人體吸收,從而對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。目前,根據(jù)科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估歐盟等國(guó)家制定茶葉中PAs最大允許含量,并將PAs作為茶葉進(jìn)口重點(diǎn)關(guān)注和檢測(cè)參數(shù),對(duì)我國(guó)茶葉出口貿(mào)易產(chǎn)生嚴(yán)重影響。我國(guó)尚未制定茶葉中PAs檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)和最大允許含量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)據(jù)處于缺失狀態(tài),亟待開(kāi)展茶葉中PAs風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管控研究,確保我國(guó)茶葉質(zhì)量安全,降低PAs超標(biāo)對(duì)我國(guó)茶葉出口造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失。