从母体化合物到转化产物：复杂食品基质中食品防腐剂的转化感知分析框架（TAAF）与新兴检测策略

《Critical Reviews in Analytical Chemistry》：Transformation-Aware Analytical Strategies for Food Preservatives and Their Byproducts: Challenges and Emerging Detection Approaches in Complex Food Matrices

　　

食品防腐剂对延长货架期和维持食品安全至关重要，但常规分析主要聚焦于母体化合物的定量，可能忽视加工和贮藏过程中的转化。pH、光照、温度、有效氧及与食品基质组分相互作用的变化可改变防腐剂稳定性，并生成具有不同分析特征和毒理学特征的转化产物（transformation products, TPs）。本综述通过将防腐剂化学、转化途径、基质效应、毒理学考量与分析性能整合于统一视角，批判性评价食品防腐剂的分析策略。常规光谱方法和色谱技术，连同联用质谱方法，尤其是高分辨质谱（high-resolution mass spectrometry, HRMS），被批判性评估用于食品基质中常规、多残留防腐剂测定及转化产物表征。提出一种基于理化性质、化学反应性和转化潜力的机制驱动分类，以指导理性方法选择。在此基础上，提出转化感知分析框架（Transformation-Aware Analytical Framework, TAAF），整合基质表征、转化风险评估、靶向分析、疑似筛查和非靶向筛查以及计算工具，以改进防腐剂监测。本综述强调从母体化合物分析转向转化感知和机制驱动的分析策略，从而更好地反映复杂食品基质中防腐剂的化学行为、毒理学风险和消费者暴露。

引言（Introduction）。食品为所有生物的基本需求，消费者对包装和加工食品的营养质量、安全性和便利性需求持续增加；防腐剂作为食品添加剂用于提高食品稳定性和安全性并延长货架期。抗氧化剂、防腐剂和抗褐变剂是主要类别，INS/E编号范围为200～330；常见例子包括乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA）、对羟基苯甲酸酯类（parabens）、苯甲酸盐和抗坏血酸。天然防腐剂因“清洁标签”需求受到关注，植物源抗菌剂、精油和多酚具有抗氧化和抗菌作用，但存在毒性评估和标准化不足、稳定性有限等问题；化学防腐剂在长期贮藏中仍不可替代。关键论点是食品防腐剂并非静态添加剂，而是动态化学化合物，其性质受基质相互作用、转化途径和分析限制影响；pH、温度、氧可利用性、光照、加工条件、贮藏时间和食品组分相互作用可改变防腐剂稳定性并生成化学上不同的转化产物（transformation products, TPs）。传统分析多聚焦母体化合物，可能忽视加工和贮藏条件下形成的TPs；因此需要转化感知的分析策略。

方法学设计（Methodological design of the critical review）。本文为批判性和整合性叙述综述，采用PRISMA 2020原则提高文献识别、筛选和选择过程的透明度，但不作为正式系统综述或荟萃分析。文献检索策略涵盖PubMed、Web of Science、Scopus和Google Scholar等数据库，检索2015—2026年文献，重点纳入2023—2026年关于HRMS、非靶向分析（non-target analysis, NTA）、计算注释、分析质量源于设计（analytical quality-by-design, AQbD）、转化产物表征和可持续分析方法的进展。检索词与布尔策略分为四组：食品防腐剂及类别、分析方法、转化与风险评估、食品安全与监管；检索词包括食品防腐剂、亚硫酸盐、抗氧化剂、对羟基苯甲酸酯类、山梨酸盐、苯甲酸盐、亚硝酸盐/硝酸盐、转化产物、N-亚硝胺（N-Nitrosamines）、HPLC、LC-MS、LC-MS/MS、GC-MS、HRMS、NTA、疑似筛查和靶向分析等。纳入标准涉及食品基质中防腐剂的分析测定、方法开发与验证、HRMS/NTA/疑似筛查、加工贮藏中的转化、转化产物鉴定、监管限量和毒理学风险评估；排除与食品化学防腐剂无关、方法信息不足、重复发表和非同行评议文献。研究筛选与选择按PRISMA流程进行，包括去重、题名和摘要筛选、全文评估及关键综述参考文献回溯；批判性与整合性综合比较不同分析流程在常规质量控制、监管监测、确证分析、筛查和发现研究中的适用性；数据组织与计算工具使用Mendeley、Microsoft Excel和PowerPoint；由于研究目的、分析平台、食品基质和报告方式异质性较大，未进行定量荟萃分析。

机制框架。概念基础与依据：理想防腐剂应具有食品基质内化学稳定性、在加工和贮藏条件下有效、低浓度下具抗菌或抗氧化活性，并保持感官属性，同时安全、经济且符合法规。传统按来源分为天然（I类）和合成（II类）；天然防腐剂受植物化学成分变异、热稳定性、标准化和毒理学评价不完整限制；合成防腐剂如苯甲酸盐、山梨酸盐、亚硝酸盐、亚硫酸盐、对羟基苯甲酸酯类和丙酸盐仍不可或缺，但安全性不能仅依据母体化合物评价。分析分类：从分析角度可按化学结构、极性、挥发性、电离行为和转化潜力分类。弱有机酸类防腐剂（苯甲酸、丙酸、山梨酸及其盐）依赖酸碱平衡，未解离质子化形式穿透微生物膜；其分析受pH依赖电离影响，常用HPLC-UV或二极管阵列检测器（diode array detector, DAD），LC-MS/MS可提高复杂基质灵敏度和选择性。酚类与芳香族防腐剂如丁基羟基茴香醚（butylated hydroxyanisole, BHA）、丁基羟基甲苯（butylated hydroxytoluene, BHT）和没食子酸丙酯具中等至低极性、易氧化，常用GC和反相HPLC-MS，需固相萃取（solid-phase extraction, SPE）或微萃取减少脂质共提取和氧化。膜活性对羟基苯甲酸酯类为对羟基苯甲酸酯，具中等疏水性，常用反相HPLC、LC-MS/MS和GC-MS进行多残留分析。反应性亚硝酸盐和亚硫酸盐防腐剂高度反应，亚硫酸盐以未解离亚硫酸穿透细胞并与蛋白巯基反应，亚硝酸盐抑制微生物氧化磷酸化并稳定色泽风味；二者易氧化、还原、水解和基质介导反应，分析需减少氧化和人为转化，常用离子色谱（ion chromatography, IC）、LC-MS/MS和HRMS。抗氧化型防腐剂包括异抗坏血酸盐、BHA、叔丁基对苯二酚（tertiary butylhydroquinone, TBHQ）、BHT和生育酚，易与脂质共提取，常用HPLC-UV、HPLC-DAD或LC-MS。反应性前体与次级毒物：亚硝酸盐可生成NO、N₂O₃和HNO₂等活性氮物种，与胺在酸性pH、高温和贮藏条件下生成N-亚硝胺；N-亚硝胺每日允许摄入量（acceptable daily intake, ADI）为96 ng/day，需GC-MS、LC-MS或HRMS进行痕量分析并符合FDA和EMA等监管要求。

发生与暴露（Occurrence and exposure of food preservatives）。不同食品的微生物易感性和理化性质（脂质组成、pH、水分和氧化劣变）决定防腐剂选择；高水分食品和酸性饮料常用弱有机酸，富脂体系常用抗氧化剂，蛋白丰富和加工体系常用亚硫酸盐和亚硝酸盐。防腐剂水平并非恒定，可发生降解、与食品成分相互作用或转化为次级物种；加工条件、光照、氧气和贮藏条件影响其性能。消费者可通过摄入含不同类别防腐剂的食品而长期暴露；文化饮食习惯、加工食品消费频率和膳食模式影响暴露水平，因此需要更好暴露模型以纳入摄入情景和人群特异性消费模式。转化产物积累需特别关注，例如亚硝酸盐可转化为N-亚硝胺，提示实测防腐剂水平与实际毒理学暴露之间可能存在差异。

毒理学意义与监管视角（Toxicological implications and regulatory perspective）。防腐剂的化学性质既赋予功能，也决定潜在毒性；不同类别可产生重叠生物效应，受细胞组分相互作用、生物利用度和反应性影响。苯甲酸盐和山梨酸盐等pH依赖弱酸可致代谢紊乱和细胞内酸化；对羟基苯甲酸酯类与脂质双层相互作用并可能干扰内分泌稳态；BHA和BHT可能产生促氧化效应和氧化应激；亚硝酸盐和亚硫酸盐等酶和代谢抑制剂可与生物大分子反应，亚硫酸盐可致营养降解和过敏反应，亚硝酸盐可致高铁血红蛋白血症并通过活性氮化学形成N-亚硝胺等遗传毒性和致癌性杂质。监管方面，欧洲食品安全局（European Food Safety Authority, EFSA）、美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration, FDA）、联合国粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会（Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives, JECFA）、国际食品法典委员会、印度食品安全与标准局（Food Safety and Standards Authority of India, FSSAI）和国家卫生健康委员会（National Health Commission, NHC）等建立限量、暴露模型和再评估机制；美国21 CFR Part 172基于浓度限量、食品特定用途和良好生产规范（good manufacturing practice, GMP）管理添加剂。

食品防腐剂及转化产物检测的分析策略（Analytical strategies for detection of food preservatives and transformation products）。分析方法的演变由薄层色谱（thin-layer chromatography, TLC）和紫外-可见光谱（ultraviolet-visible, UV-Vis）向色谱和联用技术发展。HPLC适合热不稳定和非挥发性防腐剂，反相HPLC（reversed-phase HPLC, RP-HPLC）C18柱结合UV、DAD或光电二极管阵列（photodiode array, PDA）广泛用于苯甲酸盐、山梨酸盐、对羟基苯甲酸酯类、丙酸盐、抗坏血酸和合成抗氧化剂；LC-MS/MS通过多反应监测（multiple reaction monitoring, MRM）提高痕量灵敏度和选择性。GC适合挥发性和半挥发性化合物，常与火焰离子化检测器（flame ionization detection, FID）或MS联用；对低挥发性或热不稳定化合物需衍生化，顶空固相微萃取（headspace solid-phase microextraction, HS-SPME）可减少溶剂和基质干扰。毛细管电泳（capillary electrophoresis, CE）快速、溶剂少，适合离子和极性防腐剂，常用UV/DAD，CE-MS具前景。光谱技术如UV-Vis用于快速筛查，但选择性和结构信息有限。高分辨与非靶向分析方法中，HRMS结合疑似筛查和NTA可检测无标准品的化合物及TPs；QuEChERS结合UHPLC-Q-Orbitrap MS、数据非依赖采集（data-independent acquisition, DIA）、DART-Q-Orbitrap HRMS等已用于复杂食品基质。转化产物分析包括N-亚硝胺、苯、BHT-Q/BHT-CHO/BHT-OH、山梨酸降解产物（乙醛、丙烯醛、巴豆醛等）和亚硫酸盐氧化产物；母体化合物分析说明存在何种防腐剂，转化感知分析则追问其在加工、贮藏和消化中的变化。

当前分析方法的关键挑战（Critical challenges in current analytical approaches）。未解决的分析挑战包括食品基质动态化学环境、蛋白/脂质/碳水化合物等对转化途径和分析回收的影响、转化产物标准品缺乏、HRMS特征复杂及同位素峰、加合物和源内碎片干扰、实验室模型向真实食品外推的局限以及靶向流程仅覆盖预设分析物。分析结果相互矛盾的报道方面，亚硫酸盐测定中Monier-Williams法与LC-MS/MS在干菠萝、干杏和结晶姜等基质中结果不同，表明白方法差异还涉及被测化学物种、游离/结合/转化形式及样品前处理影响。重现性与方法转移方面，GC方法精密度为0.49～14.00% RSD、回收率93～114%，HRMS工作流LOD为0.0001～3.6 μg kg^?1、回收率89～108%，DART-Q-Orbitrap回收率72～83%；方法转移应视为整个分析工作流的转移和再验证，需考虑基质特异性提取效率、分析物和TPs稳定性、色谱行为、电离响应和质量控制。

当前防腐剂分析情景的批判性讨论（Critical discussion on the current scenario of preservative analysis）。食品防腐剂应被视为动态化学化合物，其稳定性、功能、可检测性和毒理学相关性受基质组成、加工条件和转化途径持续影响；仅按工艺功能或来源分类不足以解释真实食品体系中的行为。机制驱动分类强调防腐剂功能受体系特异性化学相互作用和环境条件制约。食品安全评估不应仅依赖母体防腐剂，还应考虑具有不同毒理学背景的转化产物；N-亚硝胺形成说明现行安全档案和常规监管监测可能低估消费者暴露。分析上，没有单一技术可充分应对现代食品基质复杂性；HPLC-UV/DAD适合常规质量控制但发现未知TPs能力有限；GC-MS对挥发和半挥发物提供结构信息但受挥发性和衍生化限制；LC-MS/MS靶向定量强但依赖预设离子对；LC-HRMS提高化学覆盖但准确质量本身不足以确定结构，NTA为发现导向而非独立确证策略。因此需整合分析目标、防腐剂化学、基质特征和理化性质进行理性方法选择。

转化产物检测的新兴分析技术（Emerging analytical technologies for transformation-product detection）。环境电离质谱（ambient ionization mass spectrometry, AIMS）如解吸电喷雾电离质谱（desorption electrospray ionization mass spectrometry, DESI-MS）、实时直接分析质谱（direct analysis in real time mass spectrometry, DART-MS）和纸喷雾电离可减少样品制备和溶剂消耗，适合高通量筛查，与HRMS联用可提供准确质量和碎片信息；与质谱成像结合可研究防腐剂及TPs空间分布。离子迁移谱-质谱（ion-mobility mass spectrometry, IM-MS）提供碰撞截面（collision cross section, CCS）作为额外分子描述符，有助于区分结构相关化合物。人工智能（artificial intelligence, AI）包括机器学习（machine learning, ML）和深度学习（deep learning, DL）可辅助光谱、色谱和质谱数据解释、预测降解和优先注释未知TPs，但依赖训练数据质量、透明性和标准化。HRMS代谢组学可同时研究已知和未知代谢物及外源化合物；便携和微型质谱、数字孪生方法可扩展现场筛查和预测转化产物，但仍需实验确证。

未来分析框架：迈向食品防腐剂的转化感知监测（Future analytical framework: toward transformation-aware monitoring of food preservatives）。未来分析应从合规检测转向表征防腐剂整个分子演化过程，包括母体、中间降解产物、反应产物和新形成污染物。TAAF框架架构包括五类相互关联组分：全面表征食品基质以识别影响防腐剂稳定性的理化因素；整合反应机制、加工贮藏条件和降解数据库预测转化途径；依据防腐剂化学、预期TPs和分析性能选择方法；整合靶向与非靶向MS分析以同时定量已知防腐剂并发现和表征未知TPs；利用化学计量学和计算工具进行数据整合、碎片预测、谱库匹配和降低假阳性。TAAF的操作架构为：表征防腐剂和食品基质，评估加工和贮藏条件引发的转化风险，先采用经验证的靶向方法分析母体，若浓度、色谱轮廓或其他证据提示转化，则升级至非靶向筛查，依据准确质量、同位素模式、碎片行为、保留特征、时间趋势和化学合理性优先候选TPs，再用标准品或互补证据确认，最终整合定量发生与毒理学和监管相关性。案例1为含苯甲酸盐和抗坏血酸的饮料，在光、热和痕量金属条件下存在苯形成风险，故需顶空GC-MS监测苯并结合HRMS筛查其他苯甲酸盐降解产物；案例2为包装食品和食品接触材料中的BHT，其氧化和热降解可生成BHT-Q、BHT-COOH和BHT-OH等，需扩展分析覆盖。TAAF将转化风险评估置于上游决策步骤，先于常规方法验证和非靶向确证。

食品防腐剂分析方法的多彩色分析评估（Multi-colored analytical assessment of food-preservative analytical methods）。红、绿、蓝、白分析化学分别评价分析性能、环境可持续性、实际适用性和综合质量；红色分析性能指数（Red Analytical Performance Index, RAPI）、分析绿色度指标（Analytical GREEnness metric, AGREE）、绿色分析程序指数（Green Analytical Procedure Index, GAPI）、蓝色适用性等级指数（Blue Applicability Grade Index, BAGI）及RGB12/RGBfast等可用于比较方法。TAAF中，多维多彩评估可作为方法选择补充层：TAAF依据转化潜力、基质复杂性和证据决定分析升级水平，红绿蓝白评估帮助选择兼顾性能、环境可持续性、实际可行性和所需信息的方法。微型化样品前处理、HS-SPME和自动化可减少溶剂和废物，但需用绿色度指标评价其环境收益。

结论（Conclusion）。食品防腐剂不应再被视为静态添加剂，而是化学动态化合物，其稳定性、功能性、可检测性和毒理学相关性在复杂食品基质中持续演变。本文提出机制驱动分类，将化学本质与毒理学考量和分析工作流联系，并提出基于分析物性质、基质复杂性和分析目的的方法选择决策框架。HRMS结合靶向和非靶向工作流有望成为同时定量母体防腐剂和识别未知TPs的核心平台。TAAF整合防腐剂化学、基质特征、分析目标和预测转化途径，支持知情方法选择和全面监测。转化感知监测代表从常规合规检测向动态分子监测的转变，为食品安全评估、监管决策和未来分析方法开发提供更坚实的科学基础。