Luận văn Xác định mức độ ô nhiễm các hợp chất hydrocarbons thơm đa vòng (PAHs) trong trà, cà phê tại Việt Nam và đánh giá rủi ro đến sức khỏe con người

Nội dung text: Luận văn Xác định mức độ ô nhiễm các hợp chất hydrocarbons thơm đa vòng (PAHs) trong trà, cà phê tại Việt Nam và đánh giá rủi ro đến sức khỏe con người

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Quỳnh XÁC ĐỊNH MỨC ĐỘ Ô NHIỄM CÁC HỢP CHẤT HYDROCARBONS THƠM ĐA VÒNG (PAHs) TRONG TRÀ, CÀ PHÊ TẠI VIỆT NAM VÀ ĐÁNH GIÁ RỦI RO ĐẾN SỨC KHOẺ CON NGƯỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2019
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Quỳnh XÁC ĐỊNH MỨC ĐỘ Ô NHIỄM CÁC HỢP CHẤT HYDROCARBONS THƠM ĐA VÒNG (PAHs) TRONG TRÀ, CÀ PHÊ TẠI VIỆT NAM VÀ ĐÁNH GIÁ RỦI RO ĐẾN SỨC KHOẺ CON NGƯỜI Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 8440301.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS. Phạm Hùng Việt TS. Nguyễn Minh Phương Hà Nội - 2019
3. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Phạm Hùng Việt là giảng viên hướng dẫn chính và TS. Nguyễn Minh Phương là giảng viên đồng hướng dẫn đã giao đề tài, quan tâm và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các anh chị đồng nghiệp trong Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là Ths. Nguyễn Thúy Ngọc đã chỉ bảo và giúp đỡ tận tình để em hoàn thành luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Môi trường – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội nói chung và Bộ môn Công nghệ môi trường nói riêng đã giảng dạy và trang bị cho em những kiến thức quý giá trong suốt khóa học. Luận văn này được thực hiện trong khuôn khổ nhiệm vụ thường xuyên theo chức năng năm 2018: “Nghiên cứu sự có mặt của các hợp chất hydrocacbon thơm đa vòng ngưng tụ (PAHs) trong mẫu cà phê và mẫu chè thương phẩm”, của PTN trọng điểm Công nghệ phân tích phục vụ kiểm định môi trường và an toàn thực phẩm, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên. Em xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn chia sẻ, ủng hộ và động viên em trong suốt thời gian qua. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Hội đồng khoa học đã tạo điều kiện để em bảo vệ luận văn này. Nguyễn Thị Quỳnh
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3 1.1. Tổng quan về các hợp chất hydrocarbons thơm đa vòng (PAHs) 3 1.1.1. Giới thiệu về nhóm hợp chất hydrocarbons thơm đa vòng (PAHs) 3 1.1.2. Nguồn gốc phát sinh ô nhiễm các hợp chất PAHs 5 1.1.3. Ứng dụng của các hợp chất PAHs 7 1.1.4. Khả năng tích lũy và độc tính của các hợp chất PAHs 8 1.2. Quy trình sản xuất và phân loại các loại trà, cà phê 12 1.2.1. Các loại trà và công đoạn sản xuất trà phổ biến 12 1.2.2. Các công đoạn sản xuất cà phê phổ biến 15 1.3. Một số nghiên cứu về mức độ ô nhiễm PAHs trong trà và cà phê 17 1.4. Phương pháp xác định PAHs trong trà và cà phê 18 1.4.1. Nguyên tắc phương pháp sắc ký 18 1.4.2. Phương pháp xử lý mẫu 21 1.5. Đánh giá rủi ro sức khỏe (Health Risk Assessment – HRA) 23 CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1. Mục tiêu nghiên cứu 29 2.2. Nội dung nghiên cứu 29 2.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 29 2.3.1. Đối tượng nghiên cứu 29 2.3.2. Phạm vi nghiên cứu 30 2.4. Phương pháp nghiên cứu 30 2.4.1. Tham khảo tài liệu 30 2.4.2. Điều tra và khảo sát thực tế 30 2.5. Phương pháp xử lý mẫu trà, cà phê 30 2.5.1. Hóa chất và thiết bị 30 2.5.2. Xử lý mẫu 32 2.6. Phân tích sắc ký khí khổi phổ GC/MS 35
5. 2.6.1. Điều kiện chạy máy GC 35 2.6.2. Điều kiện chạy máy MS 35 2.6.3. Các thống số đánh giá độ tin cậy của phương pháp 37 2.6.4. Đường chuẩn 38 2.6.5. Tính toán PAHs trong trà và cà phê 38 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 41 3.1. Kết quả khảo sát khu vực nghiên cứu 41 3.2. Đánh giá mức độ ô nhiễm các hợp chất PAHs trong trà ở Việt Nam 48 3.2.1. Hàm lượng các hợp chất PAHs trong trà ở Việt Nam 48 3.2.2. Đánh giá mức độ ô nhiễm PAHs trong các mẫu trà Việt Nam 49 3.2.3. Tỷ lệ phần trăm các hợp chất PAHs trong trà ở Việt Nam 54 3.3. Đánh giá mức độ ô nhiễm các hợp chất PAHs trong cà phê Việt Nam 55 3.3.1. Hàm lượng các hợp chất PAHs trong cà phê Việt Nam 55 3.3.2. Đánh giá mức độ ô nhiễm PAHs trong các mẫu cà phê Việt Nam 57 3.3.3. Tỷ lệ phần trăm các hợp chất PAHs trong cà phê rang ở Việt Nam 61 3.4. Đánh giá hàm lượng PAHs trong trà, cà phê thôi ra nước pha và cà phê hòa tan63 3.4.1. Đánh giá hàm lượng PAHs trong trà thôi ra nước pha 63 3.4.2. Đánh giá hàm lượng PAHs trong cà phê thôi ra nước pha ở Việt Nam 66 3.5. Đánh giá rủi ro sức khỏe khi sử dụng trà và cà phê 70 3.5.1. Nhận diện mối nguy hại 70 3.5.2. Đánh giá liều – phản ứng 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77  KẾT LUẬN 77  KIẾN NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC 87 PHỤ LỤC 1. DANH SÁCH MẪU TRÀ VÀ MẪU CÀ PHÊ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU PHỤ LỤC 2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH XỬ LÝ VÀ PHÂN TÍCH MẪU TRÀ VÀ CÀ PHÊ
6. PHỤ LỤC 3. SẮC ĐỒ CHUẨN CỦA MỘT SỐ MẪU TRÀ VÀ CÀ PHÊ TRONG NGHIÊN CỨU PHỤ LỤC 4. CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN NGHIÊN CỨU
7. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Danh sách 16 PAHs cần quan tâm trong môi trường (theo US EPA) 3 Bảng 1.2. Nguồn gốc phát sinh PAHs theo tỷ lệ 5 Bảng 1.3. Mức hàm lượng tối đa PAHs trong thực phẩm 11 Bảng 2.1. Thời gian lưu và mảnh phổ đặc trưng của các cấu tử PAHs 35 Bảng 3.1. Số lượng các loại mẫu được thực hiện trong nghiên cứu 42 Bảng 3.2. Tên, ký hiệu, thương hiệu và xuất xứ của mẫu trà 43 Bảng 3.3. Tên, ký hiệu, thương hiệu và xuất xứ của mẫu cà phê 46 Bảng 3.4. Tổng độ độc tương đương của PAHs trong các mẫu trà (µg/kg) 51 Bảng 3.5. Hàm lượng trung bình nhóm PAH4 trong trà của Vệt Nam và một số quốc gia khác ( g/kg) 52 Bảng 3.6. Tổng độ độc tương đương của PAHs trong các mẫu cà phê Việt Nam (µg/kg) 58 Bảng 3.7. Hàm lượng trung bình nhóm PAH4 trong cà phê của Vệt Nam và một số quốc gia khác (µg/kg) 60 Bảng 3.8. Hàm lượng 15 cấu tử PAHs trong mẫu nước trà pha và mẫu khô (µg/kg) 63 Bảng 3.9. Phần PAHs thôi ra trong mẫu nước trà pha (%) 64 Bảng 3.10. Hàm lượng 15 cấu tử PAHs trong mẫu nước cà phê pha và mẫu khô (g/kg) 67 Bảng 3.11. Phần PAHs thôi ra trong mẫu nước cà phê pha (%) 69 Bảng 3.12. Giá trị HQ trong các loại mẫu 72 Bảng 3.13. Giá trị của các yếu tố rủi ro 73 Bảng 3.14. Giá trị ILCR trong các loại mẫu 74
8. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Con đường phát thải và tích lũy PAHs trong môi trường 8 Hình 1.2. “Vùng vịnh” của PAHs 9 Hình 1.3. Cơ chế gây ung thư của Benzo[a]pyren [43] 10 Hình 1.4. Quy trình sản xuất các loại trà 13 Hình 1.5. Quy trình sản xuất các loại cà phê 16 Hình 1.6. Thiết bị GC-MS 2010, Shimadzu 19 Hình 1.7. Sơ đồ hệ thiết bị GC-MS 20 Hình 1.8. Cơ chế tách chất của cột GPC 22 Hình 2.1. Sắc đồ của dung dịch chuẩn nồng độ 200 ppb 37 Hình 3.1. Một số mẫu trà được phân tích trong nghiên cứu 43 Hình 3.2. Một số hãng cà phê được bày bán ở siêu thị Việt Nam 46 Hình 3.3. Tổng hàm lượng 15 PAHs được nghiên cứu trong trà (µg/kg) 49 Hình 3.4. Hàm lượng nhóm PAH4 trong trà Việt Nam (µg/kg) 50 Hình 3.5. Tỷ lệ phần trăm PAHs có 3, 4, 5, 6 vòng thơm trong mẫu trà 54 Hình 3.6. Tỷ số của một số PAHs trong mẫu trà 55 Hình 3.7. Tổng hàm lượng 15 PAHs được nghiên cứu trong cà phê 57 Hình 3.8. Hàm lượng nhóm PAH4 trong cà phê Việt Nam (µg/kg) 58 Hình 3.9. Tỷ lệ phần trăm PAHs có 3, 4, 5, 6 vòng thơm trong mẫu cà phê 61 Hình 3.10. Tỷ số của một số PAHs trong mẫu cà phê 62
9. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT STT Tên viết tắt Tên tiếng việt Tên tiếng anh 1 Acn Acenaphthen Acenaphthene 2 Acy Acenaphthylen Acenaphthylene 3 Ant Anthracen Anthracene 4 BaA Benzo[a]anthracen Benzo[a]anthracene 5 BaP Benzo[a]pyren Benzo[a]pyrene 6 BbF Benzo[b]fluoranthen Benzo[b]fluoranthene 7 BghiP Benzo[ghi]perylen Benzo[ghi]perylene 8 BkF Benzo[k]fluoranthen Benzo[k]fluoranthene 9 Chr Chrysen Chrysene 10 DahA Dibenzo[a,h]anthracen Dibenzo[a,h]anthracene 11 DCM Diclometan Dichloromethane 12 EDI Liều tiếp nhận hàng ngày Estimated Daily Intakes 13 Fla Fluoranthen Fluoranthene 14 Flu Fluoren Fluorene 15 GC Sắc ký khí Gas Chromatography 16 GPC Cột thẩm thấu qua gel Gel Permeation Chromatography 17 HQ Thương số rủi ro Hazard Quotient 18 IP Indeno[1,2,3-cd]pyren Indeno[1,2,3-cd]pyrene 19 ILCR Rủi ro ung thư suốt đời Incremental Lifetime Cancer Risk 20 IS Chất nội chuẩn Internal Standard 21 LOD Giới hạn phát hiện Limit of Detection 22 LOQ Giới hạn định lượng Limit of Quantitation 23 MS Khối phổ Mass Spectrometry 24 OSF Hệ số độ dốc Oral Slope Factor 25 PAHs Các hợp chất thơm đa vòng Polycyclic Aromatic ngưng tụ Hydrocarbons 26 Pyr Pyren Pyrene 27 Phe Phenanthren Phenanthrene 28 RfD Liều tham chiếu Reference dose 29 RSD Độ lệch chuẩn tương đối Relative Standard Deviation 30 SD Độ lệch chuẩn Standard Deviation 31 TEF Chỉ số độc hại Toxic Equipment Factor 32 TEQ Độ độc hại tương đương Toxic Equivalent
10. 33 US EPA Cơ quan Bảo vệ Môi trường United States Environmental Hoa Kỳ Protection Agency
11. MỞ ĐẦU Các hợp chất hydrocacbons thơm đa vòng (Polycyclic Aromatic Hydrocacbons – PAHs) được biết đến là một nhóm các hợp chất hữu cơ độc hại có mặt khắp nơi trong môi trường với hai hoặc nhiều vòng thơm hợp nhất, được tạo ra trong quá trình đốt cháy không hoàn toàn hoặc nhiệt phân các vật liệu hữu cơ [52, 54]. PAHs có thể được hình thành từ nguồn tự nhiên bởi các hoạt động như phun trào núi lửa, cháy rừng, dầu thô hoặc từ nguồn nhân tạo bao gồm đốt than, đốt gỗ, đốt cháy không hoàn toàn xăng, dầu diesel, dầu lỏng và rò rỉ nhiên liệu [8]. PAHs là các hợp chất bền, do đó chúng có thể tồn tại trong môi trường nước mặt, nước ngầm, đất, trầm tích, không khí, . Qua quá trình lắng đọng và tích lũy sinh học [35], PAHs được tìm thấy với hàm lượng vết trong nhiều loại thực phẩm khác nhau như: hải sản biển [19], dầu thực vật, trái cây, thịt nướng, cá hun khói, trà và cà phê [53]. Do có khả năng gây ung thư, gây đột biến và gây độc tế bào, Ủy ban Khoa học Thực phẩm châu Âu đã đưa một số PAHs vào danh sách chất gây ô nhiễm ưu tiên [54]. Năm 2008, bốn PAHs bao gồm: chrysene (Chr), benzo[a]anthracene (BaA), benzo[b]fluoranthene (BbF) và benzo[a]pyrene (BaP) đã được Cơ quan an toàn thực phẩm châu Âu (EFSA) xác định là chỉ số đại diện của PAHs gây ung thư trong thực phẩm, tổng bốn chất PAHs này thường được gọi là PAH4 [44]. Hiện nay, an toàn vệ sinh thực phẩm đang nhận được rất nhiều sự quan tâm từ cả người tiêu dùng và các nhà quản lý. Đặc biệt là ở Việt Nam khi mà các vấn đề như dư lượng thuốc trừ sâu, thực phẩm được bơm tẩm hóa chất, thuốc bảo quản thực phẩm ngày càng phổ biến. Bên cạnh thức ăn, đồ uống cũng là thực phẩm tiềm ẩn nhiều rủi ro sức khỏe cho người sử dụng. Ở Việt Nam, trà và cà phê là hai trong những loại đồ uống được sử dụng phổ biến nhất. Theo báo cáo năm 2016, tổng sản lượng cà phê Việt Nam đạt 1,76 triệu tấn và có 90 – 95 % trong số đó được xuất khẩu [28]. Cà phê được chứng minh có thể 1
12. mang đến hiệu quả chống lại một số loại bệnh như bệnh Parkinson, Alzheimer, rối loạn tiêu hóa, rối loạn chức năng gan [11] nhờ cà phê có chứa các chất chống oxy hóa, chất khử gốc tự do như cafein, trigonelline, axit chlorogen, cafestol, kahweol [42] và các vi chất có lợi như magiê, kali, vitamin E và niaxin [15]. Quy hoạch diện tích trồng trà ở Việt Nam là 130.000 ha, sản xuất khoảng 0,26 triệu tấn lá trà khô vào năm 2015 và được xếp hạng là nước xuất khẩu chè lớn thứ 12 trên thế giới [59]. Trà đã được báo cáo với nhiều lợi ích sức khỏe, chẳng hạn như tác dụng chống oxy hóa và chống ung thư do sự hiện diện của flavonoid [13, 44]. Bên cạnh các tác dụng có lợi, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một số chất gây ô nhiễm trong trà như kim loại nặng, florua, thuốc trừ sâu và PAHs có thể gây ra mối đe dọa cho sức khỏe người tiêu dùng [51]. Nguyên nhân chính dẫn đến sự có mặt của PAHs trong trà, cà phê là do sự lắng đọng từ không khí cùng với việc sử dụng nhiệt trong quá trình chế biến [45]. Trà và cà phê là những loại đồ uống mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe người sử dụng. Tuy nhiên, một số hợp chất hữu cơ được hình thành từ quá trình chế biến như PAHs có thể gây ra rủi ro sức khỏe không mong muốn cho người tiêu dùng trà, cà phê. Do vậy, mục tiêu của nghiên cứu này là xác định mức độ ô nhiễm PAHs trong trà, cà phê tại Việt Nam và đánh giá rủi ro đến sức khỏe con người. Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài: “Xác định mức độ ô nhiễm các hợp chất Hydrocarbons thơm đa vòng (PAHs) trong trà, cà phê tại Việt Nam và đánh giá rủi ro đến sức khỏe con người” đã được thực hiện. 2
13. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về các hợp chất hydrocarbons thơm đa vòng (PAHs) 1.1.1. Giới thiệu về nhóm hợp chất hydrocarbons thơm đa vòng (PAHs) Hydrocarbons thơm đa vòng (PAHs) là nhóm hợp chất ô nhiễm hữu cơ, chứa ít nhất hai vòng benzen liên kết với nhau, đồng phẳng, hợp nhất [7]. Các hợp chất này có những đặc tính như kỵ nước, ưa mỡ, có thể gây ung thư và bền vững trong môi trường [39]. PAHs được tìm thấy có mặt trong môi trường nước, không khí, đất và cả thực phẩm [9]. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) đã xác định 16 PAHs là chất gây ô nhiễm môi trường ưu tiên bao gồm: naphthalen, acenaphthen, acenaphthylen, fluoren, anthracen, phenanthren, fluoranthen, chrysen, benzo[a]anthracen, pyren, benzo[b]fluoranthen, benzo[k]fluoranthen, benzo[a]pyren, dibenzo[a,h]anthracen, indeno[1,2,3-cd]pyren và benzo[g,h,i]perylen [53]. Công thức cấu tạo của 16 PAHs này được trình bày trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Danh sách 16 PAHs cần quan tâm trong môi trường Hệ số độc Ký tương STT Tên Cấu tạo hiệu đương (TEF) 1 Naphthalen Nap 0,001 2 Acenaphthylen Acy 0,001 3
14. 3 Acenaphthen Ace 0,001 4 Fluoren Flu 0,001 5 Phenanthren Phe 0,001 6 Anthracen Ant 0,01 7 Fluoranthen Fla 0,001 8 Pyren Pyr 0,001 9 Benz[a]anthracen BaA 0,1 10 Chrysen Chr 0,01 11 Benzo[b]fluoranthen BbF 0,1 12 Benzo[k]fluoranthen BkF 0,1 13 Benzo[a]pyren BaP 1 14 Indeno[1,2,3-cd]pyren IcdP 0,1 4
15. 15 Dibenz[a,h]anthracen DahA 1 16 Benzo[ghi]perylen BghiP 0,01 Nguồn: US EPA PAHs được chia thành hai nhóm chính là: PAHs có trọng lượng phân tử cao (HMW PAHs) với số vòng thơm phân tử từ 4 đến 6 vòng và PAHs có trọng lượng phân tử thấp (LMW PAHs) với số vòng thơm trong phân tử từ 2 đến 4 vòng. LMW PAHs dễ bay hơi hơn và tồn tại chủ yếu trong pha khí. HMW PAHs hóa hơi không đáng kể và tồn tại chủ yếu ở dạng hạt [6]. HMW PAHs có độc tính gây ung thư cao hơn so với LMW PAHs [23]. 1.1.2. Nguồn gốc phát sinh ô nhiễm các hợp chất PAHs PAHs có thể được tạo thành từ nguồn tự nhiên và nhân tạo. Nguồn tự nhiên bao gồm núi lửa phun trào, cháy rừng, v.v So với các nguồn tự nhiên, nguồn nhân tạo là nguồn PAHs chính trong môi trường, chủ yếu từ sự đốt cháy không hoàn toàn của nhiên liệu hóa thạch, sinh khối [55]. Cháy rừng và rò rỉ dầu tự nhiên cũng có thể đóng góp PAHs cho môi trường và được phân loại là nguồn tự nhiên [14]. PAHs trong môi trường có thể chia thành hai loại chính là nguồn đốt và nguồn từ dầu mỏ. Nguồn đốt của PAHs được đặc trưng bởi sự đốt cháy ở nhiệt độ cao hoặc nhiệt phân nhiên liệu hóa thạch hoặc chất hữu cơ, giải phóng PAHs vào khí quyển thông qua khí thải và bồ hóng. PAHs được giải phóng từ các quá trình nhiệt độ cao có xu hướng có trọng lượng phân tử cao và bền hơn trong môi trường với số vòng thơm trong phân tử từ 4 đến 6 vòng. PAHs có nguồn gốc dầu mỏ được hình thành từ dầu mỏ (thô và tinh chế) và xảy ra từ sự cố tràn dầu, đốt dầu. Nguồn dầu mỏ (được tạo thành 5
16. bởi các quá trình nhiệt độ thấp hơn) có xu hướng có trọng lượng phân tử thấp hơn với số vòng thơm trong phân tử từ 2 đến 3 vòng. Nguồn gốc của PAHs còn có thể dự đoán qua tỷ lệ của một số PAHs được trình bày trong bảng 1.2 [26]: Bảng 1.2. Nguồn gốc phát sinh PAHs theo tỷ lệ Tỷ lệ Nguồn gốc Fla/(Fla + Pyr) 0,5 Đốt sinh khối BaA/(BaA + Chr) 0,35 Đốt cháy của cỏ, gỗ và than Bên cạnh đó, một số hoạt động như hút thuốc, nấu ăn, sưởi ấm và đốt nhang, v.v. cũng là nguồn phát sinh PAHs [6]. PAHs chủ yếu xâm nhập vào môi trường bằng cách giải phóng ban đầu vào khí quyển từ các quá trình đốt cháy không hoàn toàn và sau đó xâm nhập vào đất, trầm tích và các vùng nước từ các quá trình khác nhau bao gồm khuếch tán, lắng đọng khô, lắng đọng ướt và các quá trình thủy văn khác. Việc con người khai thác nhiên liệu hóa thạch cũng đã góp phần tạo ra PAHs trong môi trường toàn cầu [14]. Sự có mặt của PAHs trong môi trường là từ quá trình lắng đọng trong khí quyển và một phần được hình thành trong các quá trình đốt sử dụng nhiệt độ lớn hơn 220 oC, ví dụ như sấy khô, nướng, chiên, rang và hun khói thực phẩm. Trong cà phê, sự hiện diện của PAHs được cho là hình thành trong quá trình rang hạt [24]. PAHs luôn luôn có mặt trong khí đốt, do đó quy trình sản xuất lá trà cũng có thể dẫn PAHs vào sản phẩm, vì phần lớn trà được sấy khô bằng cách sử dụng nhiệt từ đốt gỗ, dầu hoặc than [36]. 1.1.3. Khả năng tích lũy và độc tính của các hợp chất PAHs PAHs được sinh ra từ các hoạt động tự nhiên và nhân tạo, qua quá trình bay hơi nó sẽ khuếch tán vào không khí, đi vào sông, hồ, đại dương và lắng đọng xuống mặt 6
17. đất. Con đường phát thải và tích lũy PAHs trong môi trường được biểu diễn trong hình 1.1. Con người có thể bị phơi nhiễm PAHs qua các con đường như: hít thở không khí, tiếp xúc qua da, qua đường tiêu hóa bởi ăn uống các thực phẩm bị nhiễm PAHs. Các hợp chất PAHs đã được phát hiện trong nước [5], không khí, trầm tích, một số loại thực phẩm như thịt hun khói [16], trà, cà phê và cả trong tóc, sữa mẹ [47]. Thảm thực vật Hình 1.1. Con đường phát thải và tích lũy PAHs trong môi trường Một số nghiên cứu đã cho thấy tiếp xúc với PAHs có thể gây ra các vấn đề sức khỏe khác nhau, ví dụ như sự rối loạn nội tiết, bất thường trong hệ thống sinh sản, rối loạn phát triển, rối loạn thần kinh, dị ứng da, hen suyễn, sinh non. Một số PAHs có liên 7
18. quan đến các đặc tính gây ung thư, gây đột biến và gây quái thai. Do đó việc tiếp xúc với chúng có nguy cơ nghiêm trọng đối với sức khỏe con người [6]. IARC (Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế) đã phân loại 7 PAHs là hợp chất gây ung thư gồm: nhóm 1 (benzo[a]pyren), nhóm 2A (dibenz[a,h]anthracen) và nhóm 2B (benz[a]anthracen, benzo[b]fluoranthen, benzo[k]fluoranthen, chrysen và indeno[1,2,3-cd]pyren) [10]. Vị trí không gian tương đối của các vòng trong phân tử PAHs có vai trò quan trọng khi xác định khả năng gây ung thư của chúng tới động vật. Trong phân tử những PAHs có khả năng gây ung thư cao, các vòng benzen tiếp giáp nhau theo kiểu nhánh tạo thành “vùng vịnh”. Các nguyên tử cacbon được sắp xếp theo kiểu “vùng vịnh” làm tăng hoạt tính sinh học của các PAHs [31]. Hình 1.2. “Vùng vịnh” của PAHs Bản thân phân tử PAHs không phải là chất gây ung thư, để trở thành dạng gây ung thư nó cần chuyển hóa trong cơ thể qua một số bước trao đổi chất. PAHs có thể được chuyển hóa và trở thành các chất phản ứng điện di trung gian tạo thành các chất gây nghiện PAH-DNA, một dấu ấn sinh học gây tổn thương DNA có liên quan đến ung thư [27]. Sản phẩm đầu tiên của quá trình chuyển hóa PAHs là epoxyt được tạo ra do thêm một nguyên tử oxy vào cấu trúc PAHs. Các mảnh phân tử epoxyt sau đó được gắn - thêm H2O để tạo thành hai nhóm OH tại hai cacbon cạnh nhau. Phản ứng chuyển hóa - tạo thành epoxyt và thêm H2O là nỗ lực của cơ thể để đưa nhóm OH vào các phân tử kị nước như PAHs, làm cho chúng trở nên dễ hòa tan trong nước và sau đó có thể loại bỏ. Liên kết đôi còn lại trong vòng có chứa hai nhóm OH- sau đó bị epoxy hóa để tạo thành 8
19. dạng phân tử có hoạt tính ung thư. Nếu thêm H+ vào phân tử này sẽ tạo thành dạng cation bền vững có thể gắn vào trung tâm của các phân tử sinh học như DNA và hemoglobin, dẫn tới nguyên nhân tạo thành các khối u [31]. Hình 1.3. Cơ chế gây ung thư của Benzo[a]pyren [43] Quá trình này có thể thấy rõ đối với BaP. Hình 1.3 trình bày cơ chế gây ung thư của benzo[a]pyren. Hoạt hóa BaP tạo thành BaPdiol-epoxide-10-N2dG liên quan đến việc hình thành vùng diol-epoxide – được cho là dạng chuyển hóa gây nên ung thư. Diol-epoxides được hình thành do kết quả của quá trình oxy hóa 2 electron của BaP bởi cytochromeP450, đặc biệt là P450IA1 và P450IA2. Ban đầu dưới tác động của cytochromeP450, BaP bị oxy hóa thành BaP-arene oxides, sau đó dưới tác dụng xúc tác của men epoxide hydrolase (EH), BaP-arene oxides chuyển hóa thành BaP- dihydrodiols, sau đó dưới tác dụng của P450, chúng bị oxy hóa tạo thành BaP-diol- epoxides. Chất này phản ứng với nhóm NH2 của axit amin trong phân tử DNA và tạo nên DNA lỗi từ đó gây ra các khối u và dẫn đến ung thư. 9
20. Trong số 16 PAHs được quan tâm, BaP được xem là chất gây ung thư hàng đầu với chỉ số độc hại lớn nhất là 1. Tuy nhiên, BaP không thể dùng làm chỉ số mang tính đại diện để đánh giá mức độ ô nhiễm PAHs trong thực phẩm. Cơ Quan An Toàn thực phẩm Châu Âu (EFSA) năm 2008 xác định nhóm PAH4 (BaP + Chr + BaA + BbF) là những PAHs có chỉ só độc hại (TEFs) cao và PAH4 cũng là chỉ số được dùng để đánh giá mức độ ô nhiễm PAHs trong thực phẩm. Năm 2015, Uỷ Ban Châu Âu đưa ra quy định mới nhất về mức hàm lượng BaP và nhóm PAH4 tối đa trong một số thực phẩm được tình bày trong bảng 1.3. Bảng 1.3. Mức hàm lượng tối đa PAHs trong thực phẩm Thứ Tổng PAH4* BaP Thực phẩm tự (µg/kg) (µg/kg) Dầu và chất béo ( không bao gồm 1 10,0 2,0 bơ ca cao và dầu dừa) 2 Hạt cacao và các sản phẩm từ cacao 30,0 5,0 3 Dầu dừa 20,0 2,0 Thịt nướng và các sản phẩm từ thịt 4 12,0 2,0 nướng Cá hun khói và các sản phẩm thủy 5 sản hun khói ( áp dụng cho phần thịt 12,0 2,0 cơ) Cá trích cơm hun khói và sản phẩm 6 30,0 5,0 đóng hộp liên quan Động vật thân mềm hai mảnh vỏ 7 35,0 6,0 (hun khói) Thực phẩm chế biến từ ngũ cốc và 8 1,0 1,0 thực phẩm cho trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ 9 Sữa cho trẻ sơ sinh 1,0 1,0 10 Thực phẩm ăn kiếng cho mục đích y 1,0 1,0 10
21. tế đặc biệt 11 Thảo dược khô 50,0 10,0 Thực phẩm bổ sung có chứa sáp 12 50,0 10,0 ong, sữa ong chúa 13 Gia vị khô 50,0 10,0 14 Chuối sấy 20,0 2,0 * PAH4= BaP+ BaA+ BbF+ Chr Nguồn: EC. COMMISSION REGULATION (EU) [21]. Ngoài ra, để đánh giá tiềm năng độc hại của PAHs trong từng mẫu, tổng hàm lượng PAHs thường được biểu thị qua tổng độ độc tương đương so với benzo[a]pyrene (ƩƩ TEQ). Giá trị TEQi được tính cho mỗi PAHs từ hàm lượng của PAHs trong mẫu (CPAHi) nhân với hệ số độc tương đương của chất đó (TEFPAHi). ƩTEQ = ∑(TEQi) = ∑(CPAHi x TEFPAHi) 1.2. Quy trình sản xuất và phân loại các loại trà, cà phê 1.2.1. Các loại trà và công đoạn sản xuất trà phổ biến Trà là một loại đồ uống rất phổ biến, các đặc tính dinh dưỡng, chức năng và dược liệu của nó đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ [25]. Hiện nay, trên thế giới có hàng nghìn loại trà, nhưng chúng đều được làm từ lá cây trà (Camellia sinensis) [37]. Các loại trà thành phẩm khác nhau bởi hình dáng và thành phần hóa học của lá sau khi chế biến. Theo quy trình chế biến, trà có thể được phân loại thành trà xanh (không lên men), trà ô long (bán lên men), trà đen (lên men hoàn toàn). Chế biến trà gồm 5 bước cơ bản: hái, làm héo, vò, oxy hóa và sấy. Trong đó, công đoạn sấy là nguyên nhân chính tạo thành PAHs, do quá trình nhiệt phân không hoàn toàn các vật liệu chứa cacbon như gỗ, dầu hoặc than [57]. Ngoài ra, sự lắng đọng của PAHs trong khí quyển 11
22. cũng là một nguồn ô nhiễm PAHs trong trà [17]. Quy trình chế biến trà xanh, trà ô long và trà đen được trình bày trong hình 1.4. Diệt men Hình 1.4. Quy trình sản xuất các loại trà Trà xanh được sản xuất qua các bước: diệt men, vò sàng, sấy. Diệt men là công đoạn sử dụng nhiệt hoặc hơi nước nóng hoặc không khí nóng để phá hủy hệ thống enzym trong trà, đình chỉ sự oxy hóa các chất, đặc biệt là tannin, giữ màu xanh tự nhiên và vị chát của trà. Điều kiện của công đoạn diệt men là diễn ra trong thời gian từ 5 ÷ 6 phút, ở nhiệt độ 80 oC. Sau đó, trà được vò sàng để làm dập tế bào của lá trà, làm dịch trà thoát ra bề mặt để sau khi sấy sẽ làm cho cánh trà bóng hơn và khi pha nước dịch 12
23. trà chuyển trà nước pha dễ dàng hơn. Cuối cùng, trà được sấy khô để loại bớt ẩm, tạo hương thơm, tạo màu và thuận lợi cho việc bảo quản trà. Khác với trà xanh, trà ô long đặc thù ở công đoạn bán lên men lá trà. Đây là quá trình kích thích để enzym xúc tác quá trình tự biến đổi phân giải các hợp chất trong trà, tạo thành hương thơm đặc trưng của trà ô long. Cụ thể, quy trình sản xuất trà ô long gồm 6 bước: héo nắng, héo mát, oxy hóa (lên men), xào trà, tạo hình, sấy định lượng. Công đoạn héo nắng lợi dụng nhiệt năng của mặt trời để tăng tốc độ bốc hơi, làm giảm lượng nước trong trà, trọng lượng trà búp tươi giảm xuống từ 25 – 30 %, bắt đầu kích thích quá trình lên men của trà, giúp tạo hương thơm, đọt trà mềm dẻo. Sau đó, trà được héo mát bằng cách trải mỏng trong phòng lạnh, đảo trộn nhẹ nhàng, giúp cho trà từ từ thoát hơi nước, qua đó rút dần các chất chát đắng của trà ra ngoài. Tiếp theo trà được oxy hóa, lên men bằng cách cho vào máy quay làm ma sát, tạo hương thơm tràn phủ búp trà, tiếp xúc với oxy trong không khí để đẩy mạnh quá trình lên men. Khi trà đã đạt độ lên men cần thiết, đưa trà vào ống xào để dùng nhiệt chấm dứt quá trình lên men. Trà được cho vào máy ép, vận dụng lực xoay tròn của máy làm cho trà chuyển động và ma sát lẫn nhau tạo thành hình viên tròn đặc trưng của trà ô long. Cuối cùng, trà được sấy nhiều lần để làm giảm tỷ lệ nước còn 3 – 5 %, ổn định các chỉ tiêu về chất lượng và tăng hương thơm cho trà. Trà đen là loại trà được lên men hoàn toàn. Các công đoạn chủ yếu của quy trình chế biến trà đen gồm: làm héo, vò sàng, lên men, sấy khô. Công đoạn làm héo mục đích làm cho lượng nước trong trà bốc hơi, lá trà sẽ trở nên mềm và dai hơn. Ngoài ra, lượng nước trong trà giảm làm hàm lượng chất khô trong nguyên liệu trà trở nên đậm đặc, từ đó tăng cường khả năng hoạt động của các enzym có trong nguyên liệu trà. Công đoạn vò trà để làm dập tổ chức tế bào các mô trong lá trà để sau khi sấy các dịch bào sẽ bám lên bề mặt làm lá trà óng ánh hơn và dễ dàng hòa tan vào nước pha tạo nên hương vị đặc biệt của trà đen. Hơn nữa, do dịch bào thoát ra ngoài nên tannin và các hợp chất hữu cơ khác có điều kiện tiếp xúc với oxy không khí xảy ra quá trình oxy hóa. 13
24. Công đoạn lên men là công đoạn rất quan trọng trong quy trình sản xuất trà đen. Mục đích của công đoạn này là tạo ra những biến đổi sinh hóa, chủ yếu là oxy hóa tannin dưới tác dụng của men để tạo ra màu sắc, hương vị của nước pha trà đen. Sau cùng, khi trà đã được lên men đúng mức, hoạt động của các enzym cần được dừng lại để chất lượng sản phẩm ở mức tốt nhất, thường thì nhiệt độ cao được dùng để thực hiện điều này. Công đoạn sấy làm bay đi mùi hăng xanh và hình thành mùi của tinh dầu khi ở nhiệt độ cao, làm giảm độ ẩm của trà lên men để thuận lợi cho việc bảo quản trà sản phẩm. Nhiệt độ sấy trà thường ở 80 oC, bởi nếu sấy ở nhiệt độ cao hơn thì trà mất đi hương thơm và màu sắc, nếu sấy thấp hơn thì quá trình sấy kéo dài, các enzym trong trà không được dừng lại kịp thời, trà dễ bị lên men quá mức. 1.2.2. Các công đoạn sản xuất cà phê phổ biến Cà phê rang được sản xuất qua 4 công đoạn cơ bản gồm: xử lý, rang, làm nguội, xay. Quy trình sản xuất cà phê rang được mô tả trong hình 1.5. Hạt cà phê sau khi hái được loại bỏ các hạt bị đen, bị khuyết tật, hạt mốc, mọt mối không đạt tiêu chuẩn. Tiếp đó hạt cà phê được đem rang, dưới tác dụng của nhiệt độ, các phản ứng diễn ra tạo nên màu sắc, hương vị đặc trưng của cà phê. Sau khi rang, độ bền cơ học của hạt cà phê giảm, độ giòn tăng lên. Bởi vậy, chất lượng cà phê bị ảnh hưởng bởi phương pháp rang cà phê. Trong công đoạn rang, thời gian là yếu tố quyết định hương vị của cà phê. Dựa vào thời gian rang có thể chia cà phê rang thành hai loại chính là cà phê rang đậm và cà phê rang nhạt. Cà phê rang đậm được rang từ 14 đến 16 phút, cà phê có vị đắng cao, chiết xuất nước cà phê nặng, vị chát và vị chua giảm đi. Cà phê rang nhạt được rang từ 11 đến 14 phút, cả 3 vị chua, vị chát và vị đắng trong cà phê rang nhạt đạt mức cân bằng. Cà phê sau khi trải qua quá trình rang ở nhiệt độ cao khiến cho các hợp chất tạo hương mới sinh ra và liên tục bay hơi làm giảm mùi hương. Do vậy để tránh việc thất thoát hương thơm, sau khi rang cà phê cần làm nguội chúng càng nhanh càng tốt. Cuối cùng cà phê được xay nhỏ làm giảm kích thước của hạt cà phê, tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình pha chế. 14
25. Cà phê hòa tan được sản xuất từ bột cà phê rang qua các công đoạn: trích ly, cô đặc và sấy khô. Để sản xuất cà phê hòa tan trước hết bột cà phê rang được trích ly để chiết xuất các thành phần hòa tan và dễ bay hơi. Nồng độ dịch cà phê sau trích ly là 20 – 22 %, do đó phải tiến hành cô đặc dịch trích ly đến nồng độ 30 – 33% mới thuận lợi cho quá trình sấy. Sấy khô nhằm đưa dịch trích ly cà phê cô đặc thành dạng bột khô để thuận tiện cho quá trình bảo quản và sử dụng. Hình 1.5. Quy trình sản xuất các loại cà phê Nhìn chung, trong thời gian trồng dài và chế biến phức tạp, một số chất gây ô nhiễm môi trường bị hấp phụ, tích lũy bởi lá trà và hạt cà phê từ không khí, đất, nước. Bên cạnh đó, quá trình chế biến trà và cà phê đều có sử dụng nhiệt để làm khô sản phẩm. Quá trình tiếp xúc với nhiệt độ, bản thân nguyên liệu trà và cà phê có thể bị đốt 15
26. cháy hoặc chúng có thể tiếp xúc với PAHs trong không khí sinh ra trong quá trình đốt cháy các nhiên liệu tạo nhiệt như than, củi hoặc khí đốt. 1.3. Một số nghiên cứu về mức độ ô nhiễm PAHs trong trà và cà phê Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu xác định hàm lượng PAHs và dự báo mức độ ảnh hưởng của PAHs (tập trung vào các nhóm có khả năng gây ung thư, gây độc tính) đối với con người qua quá trình sinh hoạt hay sử dụng một số loại thực phẩm như thịt/cá, trái cây, rau quả, dầu thực vật,.v.v. [32, 30]. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy sự có mặt của PAHs xuất hiện trong cả trà và cà phê [22, 33]. Theo một nghiên cứu của Adisa, A và cộng sự (2015) PAHs được phát hiện trong tất cả 28 mẫu trà nghiên cứu, tổng hàm lượng của 18 PAHs dao động từ 101 đến 1337 µg/kg và có hàm lượng trung bình là 300 µg/kg. Trong đó, giá trị TEQ lớn nhất là 110,9 được tìm thấy ở mẫu trà đen [4]. Trong nghiên cứu của Lin, D và cộng sự (2005) tổng hàm lượng của 16 PAHs trong các mẫu trà dao động từ 323 đến 8800 µg/kg với tổng hàm lượng cao nhất được tìm thấy trong một loại trà đen [36]. Đối với cà phê, tổng hàm lượng của 16 PAHs có giá trị dao động từ 3,5 đến 16,4 µg/kg đã được báo cáo trong nghiên cứu của Guadalupe María, G và cộng sự (2016) [24]. Tại Việt Nam, nghiên cứu về các hợp chất PAHs là vấn đề không còn quá mới, tuy nhiên hầu hết các công trình mới chỉ tập trung vào vấn đề xác định nguồn gốc và hàm lượng PAHs trong các đối tượng mẫu môi trường như nước, trầm tích hay không khí [1]. PAHs hấp thụ vào cơ thể thông qua các chuỗi thức ăn, tùy theo cấu tạo của các PAHs và đối tượng tác động mà PAHs có các mức độ tác động khác nhau. Sự có mặt ở những liều lượng nhất định của các PAHs thường gây ra những tác động tiêu cực đến sự sinh sản, sinh trưởng, phát triển và khả năng miễn dịch. Sau một thời gian dài tích tụ 16