Desarrollo de metodologías analíticas para la determinación de hidrocarburos aromáticos policíclicos en alimentos grasos mediante espectroscopia de fluorescencia y calibración multivariada

Abstract

Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs), generados por combustión incompleta de materia orgánica, presentan particular interés debido a sus características cancerígenas y/o mutagénicas. Para el ser humano una de las vías de exposición a los PAHs es el consumo de alimentos grasos como los aceites vegetales. Los principales problemas de la determinación de PAHs en estas matrices oleosas son su baja concentración y la presencia de diversos interferentes. En general, su determinación involucra extracción seguida por “clean-up” y posterior análisis cromatográfico, lo que significa consumo de tiempo y solventes. En esta investigación se estudió el potencial analítico de la extracción líquido-líquido asistida por microondas con extracción en fase sólida (MAE-SPE) asociado a espectroscopía de fluorescencia, para desarrollar un método rápido de “screening” y un método de cuantificación con el objetivo de detectar simultáneamente siete PAHs de alta masa molar (228-278 g mol-1) en aceites comestibles de oliva extra-virgen (OEV) y maravilla refinado (MR). Los compuestos estudiados fueron: benzo[a]antraceno, benzo[b]fluoranteno, benzo[k]fluoranteno, benzo[a]pireno, dibenzo[a,h]antraceno, benzo[g,h,i]perileno e indeno[1,2,3-c,d]-pireno. Para el desarrollo del método de “screening” los datos de fluorescencia de una vía (a una longitud de onda), dos vías (espectros de emisión) y tres vías (matrices de excitación-emisión, MME) fueron utilizados para construir los calibrados de concentración total de PAHs, aplicando regresión lineal simple, mínimos cuadrados parciales (PLS) y mínimos cuadrados parciales desdoblados (U-PLS), respectivamente. El método de cuantificación fue desarrollado utilizando calibración de segundo orden, aplicando mínimos cuadrados parciales desdoblados acoplado a bilinearización residual (U-PLS/RBL) y análisis de factores paralelos (PARAFAC), asociados a matrices de excitación-emisión. El grupo de tocoferoles y pigmentos (clorofila y feofitina) presentes en los aceites fueron los principales interferentes en la detección de los PAHs por espectroscopía de fluorescencia, observándose solapamiento espectral parcial y fenómenos de filtro interno en el intervalo de longitudes de emisión de los analitos. La eficiencia para remover estos interferentes utilizando extracción en fase sólida en distintos adsorbentes (sílica, C-18, carbón grafitizado no poroso-CGNP- y fase mixta de CGNP con aminopropil sílica) fue estudiada, encontrando que sílica era la fase más eficiente para eliminar pigmentos y tocoferoles, permitiendo detectar claramente la presencia de los PAHs en los aceites comestibles a través de espectroscopía de fluorescencia. Las recuperaciones individuales de los PAHs luego de aplicar MAE-SPE fueron obtenidas mediante HPLC-FLD, con resultados satisfactorios (62-84%). Los límites de detección (LOD) alcanzados por el método de “screening” (expresados como concentración total de PAHs) dependieron del uso de datos espectrales de una, dos o tres vías y estuvieron comprendidos entre 0,79 y 7,0 μg kg-1. La mejor sensibilidad analítica (0,24 μg kg-1) y el menor LOD (0,79 μg kg-1) fue alcanzado aplicando U-PLS a los datos de tres vías. En el método de cuantificación, U-PLS/RBL resultó ser el mejor algoritmo aplicado para resolver la mezcla de PAHs en presencia tanto de matrices oleosas de gran complejidad (aceites de OEV y MR) como de PAHs inesperados. Los límites de detección obtenidos con este método estuvieron entre 0,07 y 2,0 μg kg-1 y las concentraciones predichas por U-PLS/RBL fueron satisfactoriamente comparadas con las obtenidas por HPLC-FLD. Por lo que el método propuesto es comparable y competitivo con el método cromatográfico, siendo sus principales ventajas la reducción considerable del tiempo de análisis y el consumo de solventes. Finalmente, el método propuesto fue aplicado a 21 muestras reales incluyendo muestras comerciales de aceites de OEV, oliva puro (OP) y MR. Ninguna de las muestras de aceite de MR presentó PAHs a niveles de concentración detectables. Sólo en tres muestras de aceite OEV se detectó la presencia de un PAH (BkF). Las concentraciones predichas por el método propuesto fueron comparables con las obtenidas por el método cromatográfico. La muestra de aceite de OP fue la única que presentó más de un analito (BaA, BbF, BkF y DBahA) y sobre-exigió al modelo en las predicciones de BaA y BbF. La gran diferencia en la composición química de un aceite de OP y un OEV o MR provocó la mala descomposición de los datos.

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), mostly formed by incomplete combustion of organic matter, stand out mainly by their carcinogenic and mutagenic characteristics. For humans one of the routes of exposure for PAHs is the intake of fatty food such as vegetable oils. The major problems in the determination of PAHs in oily matrices are the diversity of potential interferences present in the matrix and the low analyte levels. Most of the methods for determination of PAHs usually implicate an extraction step, followed by clean-up and finally a chromatographic determination, which involve solvent and time consumption. In this study, the suitability of microwave assisted liquid-liquid extraction coupled to solid phase extraction (MAE-SPE) and fluorescence spectroscopy was investigated to develop a rapid screening and quantification method for the simultaneous determination of seven high molecular weight PAHs (228-278 g mol-1) in extra-virgin olive oil (EVO) and sunflower oil (SO). The studied compounds were: benz[a]anthracene (BaA), benzo[b]fluoranthene (BbF), benzo[k]fluoranthene (BkF), benzo[a]pyrene (BaP), indeno[1,2,3-c,d]-pyrene (IP), dibenz[a,h]anthracene (DBahA), and benzo[g,h,i]perylene (BghiP). For the develop of the screening method fluorescence data of one (one wavelength), two (emission spectrum) and three way (excitation emission matrix, EEM) were used to build the calibration models for total PAHs concentrations, applying simple linear regression, partial least squares (PLS) and unfolded partial least square (U-PLS), respectively. The quantification method was performed using second order calibration applying unfolded partial least square coupled to residual bilinearization (U-PLS/RBL) and parallel factor analysis (PARAFAC), associated with EEMs. Tocopherols and pigments (chlorophyll and pheopytin) present in oils were the principal interferences on the PAHs detection by fluorescence spectroscopy, observing partial spectral overlap and inner filter effects in the emission of analytes. The efficiency to remove the interferences from oil using solid phase extraction on different adsorbents (silica, C-18, graphitized carbon black -GCB- and dual phase GCB-aminopropyl silica) was studied. The results demonstrated that only silica was efficient enough to remove pigments and tocopherols, allowing the correct detection of PAHs in edible oils by fluorescence spectroscopy. The individual recoveries of PAHs after the application of MAE-SPE were obtained by HPLC-FLD, with successful results (62-84%). The limits of detection (LOD) achieved for the screening method (expressed as total concentration of PAHs) depended on the use of one, two or three way spectral data. The LODs were between 0.79 and 7.0 μg kg-1. The best analytical sensitivity (0.24 μg kg-1) and LOD (0.79 μg kg-1) were achieved applying U-PLS to three way fluorescence data. In the quantification method, U-PLS/RBL was the best algorithm applied to resolve the mixture of PAHs in presence of both complex oily matrices (EVO and SO) and other unexpected PAHs. The LODs obtained were between 0.07 and 2.0 μg kg-1 and the concentrations predicted by applying U-PLS/RBL method were statistically comparable to those provided by the reference HPLC-FLD technique. Hence, the proposed method using here is comparable and competitive to chromatographic method, being their main advantage the reduction of both time of analysis and solvent consume. Finally, twenty one commercial samples of EVOO, pure olive oil (POO) and SO were analyzed using the proposed method. None of SO samples exhibited PAHs at detectable concentrations. Only in three EVOO samples one PAH was detected (BkF). The predicted concentrations by the proposed method were similar compared to those obtained using the chromatographic method. Exclusively POO sample exhibited more than one PAH (BaA, BbF, BkF and DBahA) and the model was unable to predict the concentration of of BaA and BbF concentrations. The great difference between the chemical composition of POO and EVOO or SO produces bad data decomposition.