元素形态分析在食品、药品领域中的应用

2014-09-14吴琼婧

大众科技 2014年1期

吴琼婧陈诚

(1.广西分析测试研究中心，广西南宁 530022；2.广西中医药大学护理学院，广西南宁 530022)

元素分析是一个研究了多年的领域，但是随着研究的深入，单一测定元素的总量对于某些元素意义有限，例如砷元素可以可分为无机砷和有机砷，无机砷中的三价砷和五价砷毒性很大，但其甲基化后的有机砷则毒性大大降低，甚至无毒。有机汞比无机汞毒性大很多；硒被认为是营养型微量元素，但是硒的各种形态中，也有有毒的和无毒的，或者说是对人体有害或是有益的。不同形态的元素对生物体的作用是完全不同的。既不能再用单一的元素总量来衡量元素对人体的影响，也要避免由于分析方法的不科学导致2004年香港含砷鱼罐头事件及2007年香港含砷鱿鱼丝食品事件的发生。所以根据传统方法所获得的元素总量的信息已经不能对某一元素的毒性、生物效应以及对环境的影响做出科学的评价，为此，分析工作者必须要获取元素的不同存在形态的相关信息。对元素的各个形态进行深入研究是也将成为一个崭新的研究领域，本文就元素形态分析在食品、药品领域中的实际应用进行详细阐述。

1 元素形态分析的介绍

1.1 元素形态分析法

元素形态主要是某种元素的存在形式，包括元素的价态、聚合态、结合态等等。不同的元素形态具有不同的性质和活性，并发挥着不同的作用。现今主流的单纯元素总量分析已不能满足当前的实际研究要求，甚至有时会导致一些错误的结论。如无机态的砷毒性较大，其中三价砷的毒性强于五价砷；而在有机态的砷中，甲基砷的毒性较大，砷胆碱、砷甜菜碱和砷糖则基本上没有毒性；三价铬是体内代谢必需的元素，而六价铬却对生物体具有毒性和致癌作用；对汞、锡和铅等重金属元素来说，有机态的化合物的毒性要远远高于无机态。另外，不同形态的铁、硒、铝都有不同的物理化学性质。

元素形态分析法是在保持元素原有形态的基础上，对元素的各种形态进行有效分离，然后再进行检测的一种分析方法。目前的元素形态分析法经过三十多年的发展，具备高灵敏度、高选择性的特点，并逐步提高分析效率，缩短分析时间，已实现整个分析过程的仪器自动化。

1.2 元素形态分析仪

元素形态分析仪是采用高效分离与高灵敏检测合一的联用技术，实现不同形态的元素分离和检测，并实现自动化的仪器。目前，不同的分离分析检测原理和联用技术可以建立不同的方案，包括高效液相色谱-氢化物发生-原子荧光/原子吸收法（HPLC-HG-AFS/AAS）、高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法（HPLC-ICP/MS）、离子色谱-电感耦合等离子体质谱法（IC-ICP-MS）。

高效液相色谱-氢化物发生-原子荧光/原子吸收法（HPLC-HG-AFS/AAS）具有仪器成本低廉、操作简单、易于维护、利于推广、干扰少、分析灵敏度较高等优点，是国产仪器的主流配备，如SA-20、Sk-博析、AF-610D2等，可用于能够形成氢化物的金属元素的形态分析，如砷、硒、汞、锑元素，广泛应用于水样品检测、食品卫生检验、农业及其产品检测、环境样品检测、临床检验、地质冶金样品检测和教育及科研。高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法（HPLC-ICP/MS）被认为是目前最有发展前景和最有效的形态分析技术之一，但仪器较为昂贵，对操作要求较高却在一定程度上限值了其发展。离子色谱-电感耦合等离子体质谱法（IC-ICP-MS）是目前较新的一种联用技术，优势体现在高检测灵敏度和低检出限，主要元素形态的分析都可以达到 ppb级，而且重复性和稳定性都非常好。

2 元素形态分析法在法定检验中的应用

目前，在药品、食品领域中涉及到有关形态分析法的国内现行权威标准较少，主要包括国家标准 GB/T 23372-2009《食品中无机砷的测定液相色谱-电感耦合等离子体质谱法》，测定食品中无机砷中的亚砷酸根 As（Ⅲ）和砷酸根 As（V）；及出入境检验检疫行业标准 SN/T 2316-2009《进出口动物源性食品中阿散酸、硝苯砷酸、洛克沙砷残留量检测方法液相色谱-电感耦合等离子体/质谱法》。在食品药品领域，现行的元素形态分析法标准仅有寥寥数项，这与当今屡屡报道的社会事件不相符合。而且标准只针对砷元素有形态的区分，这就会导致相当一批食品、药品中的元素含量与之安全性不成正比。反过来，也会导致一些产品有害的元素形态未超标，而测元素总量导致产品不合格的错误结论。所以应该逐步推进此项技术和方法，让权威检测更具科学性。以上形态分析的检测方法标准的推出，填补了相关领域的国内空白，在国际上也属于先进水平。

通过2003年推出的2项与形态分析思路类似的标准可以看出（GB/T5009.11 -2003《食品中总砷及无机砷的测定》及GB/T5009.17 -2003 《食品中总汞及有机汞的测定》），对于食品的标准国内已经推出了少量的形态分析检测方法，填补了相关领域的国内空白。既可以针对最基本的无机砷、有机汞形态进行化学分离提取后，利用常规的原子荧光光度法或气相色谱法进行含量测定。也可以应用高自动化的形态分析仪对各种元素形态进行详细区分检测。两大类方法的出现与相关方法的成熟度有关系，也与国内基层实验室的实验仪器配备有关。但随着研究的不断深入，相信不久的将来，采用联用技术的形态分析法就会成为元素测定的主流方法，这在国际上也属于先进水平。

但是在药学行业，《中国药典》中对于药品的铅、镉、砷、汞、铜的限量测定皆是采用原子吸收分光光度法或电感耦合等离子体质谱法。并没有测定其不同形态，只测定总量。这样的测定还是存在一定的不科学性，元素总量并不与药物的安全性成正比，测定具体元素的形态才会更加科学。

另外在环境、农业、矿物等领域，元素形态分析的应用比食品药品领域要成熟一些，如福建省地方标准 DB35/T 895-2009 《环境样品中甲基汞、乙基汞及无机汞高效液相色谱-电感耦合等离子体制谱法（HPLC-ICP-MS）测定》和吉林省地方标准DB22/T 1586-2012《农田土壤中甲基汞、乙基汞的测定高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用法》是利用形态分析法应用于环境样品的检测。

3 元素形态分析在科研工作中应用

形态分析法在实际的科研中应用非常广泛，其中在食品和药品领域中，主要是针对砷、汞、硒、溴、铝等元素的各种形态进行分析测定，详见表1。

在大量的相关科研文献中，报道最多是关于砷和汞的形态分析测定。这些应用都是社会关注的热点，关于食品安全性的评估，通过对有害元素形态进行限量检查，科学判别食品是否安全可靠。另外，研究较多是的硒的元素形态分析，某些形态的硒对人体来说，是有一定的营养价值的，富硒产品可以促进生长发育，避免大骨节病的发生，所以很多研究都是集中在对食品中的各种硒形态进行测定，从而评估其营养价值。

表1 常见元素形态分析指标

3.1 食品安全性评估

在食品安全性评估研究方面，主要针对对人体有害的元素形态进行测定，比如：无机砷五价砷 As(V)、无机三价砷As(III)的毒性最大，有机态一甲基砷(MMA)、二甲基砷(DMA)、砷糖的毒性稍小。而砷甜菜碱(AsB)和砷胆碱(AsC)通常被认为是无毒的。此方法的应用特点在于可以将低毒甚至无毒性的有机砷和高毒性的无机砷分开进行测定，避免现行多项标准中只测定总砷含量带来与安全性不符合的结果。

对砷的各种形态进行研究的最多的对象是各类海产品，主要是为了探究海洋环境的变化对海产品安全性的影响，是否有高毒性的砷形态，从而做出食品安全性评价。余晶晶[1]等对海中的藻类植物浒苔进行元素形态分析，发现浒苔中的砷以无机态五价砷 As(V)为主，还有少量的无机三价砷As(III)、有机二甲基砷(DMA)和砷糖。这些砷形态均具有毒性或潜在毒性，提示如果将浒苔用于食物或药物需谨慎。刘守廷[2]等对多种海产品中的4中砷元素形态进行分析，结果表明，所有23个批次的样品中（包括虾、鱿鱼、墨鱼、鳗鱼、带鱼、章鱼、鲨鱼、鱼柳等等），砷主要是以无毒的砷甜菜碱(AsB)形态存在；在 12个批次的鲜活海产品中，绝大多数样品除了砷甜菜碱(AsB)以外，还含有少量的无机三价砷As(Ⅲ)，而DMA、MMA、As(V)均未检出；在11个批次的干货海产品中，由于干燥后富集，多数样品检出有少量有毒砷形态出现，但仍以砷甜菜碱(AsB)形态为主。按照现有的国家标准计算无机砷的含量，绝大部分的检测样品都属于合格产品。但是也说明食品安全性评价的指标除了总砷、无机砷以外，砷的各种形态也是非常必要的。

汞，又名水银，是对人类和高等生物最具危害的元素之一，它也是污染环境的主要元素。汞化合物的毒性依赖于其浓度及其不同的化学形态，所以不同形态的汞对人体及生物的毒害作用差异很大，有机汞比无机汞的毒性大得多，是无机汞的几百倍。中毒一多半实际是甲基汞中毒，日本的“水俣病”是其中的典型代表。秦德元[3]等研究也证实黄鱼中汞的形态是以甲基汞为主，无机汞含量很少，而乙基汞未检出。

目前随着砷形态研究方法的成熟，越来越多的食品利用形态分析法进行食品安全性评价。如杨丽君[4]等对苹果中砷形态进行研究；李林林[5]等测定了废水、地表水和深井地下水中的4种砷形态；杨丽君[6]等针对含砷药用饲料添加剂的乱用和残留问题，测定了鸡肉和鸡肝中的 7种砷形态；此外，还有测定啤酒和奶制品中的砷形态，以达到评价相关食品的安全性的目的。总的来说，对砷的形态研究方法已经比较成熟，但是覆盖面还不是很广。

除了对砷和汞的形态研究较为深入以外，越来越多的科研人员把形态分析的技术深入到食品安全领域的多个方面。比如，荆淼[7]等人关注到溴酸钾是制作面粉的一种添加剂，而溴酸钾在2005年被我国认定为禁止添加的面粉处理剂，有含量限定，故利用IC-ICP-MS，同时测定了溴酸根和溴离子两个形态的含量。林立[8]等利用形态分析法测定了饮料中的溴酸根（致癌物）和溴离子，改进了原有方法。钱沙华[9]等对铝壶煮沸的饮用水中铝的形态进行分析，得到了可交换态、不可交换有机态、不可交换无机态等多个铝的形态的含量，虽然研究的形态不是特别系统，但是对深入研究铝形态的构成奠定了基础。近年来，随着有机锡化合物广泛应用于船舶油漆的防污剂、农林业杀虫菌剂、塑料制品中的稳定剂等，已引起严重的环境污染，且有可能经食物链传递从而对人体健康造成严重危害。雷晓康[10]分析了水质和海产品中的多种锡形态，包括二苯基锡(DPhT)、三苯基锡(DPhT)、四苯基锡(TePhT)，为评价锡污染的具体危害做出了贡献。

3.2 食品营养价值评价

硒是谷胱甘肽过氧化物酶的组成成分，此酶具有抗氧化功能，可以保护细胞膜及人体组织免受过氧化物的损害。硒可以可以保护心血管和心肌健康，缺乏硒可引起以心肌损害为主要特征的克山病。此外，硒还具有解毒、增强免疫力、促进生长、保护视觉器官及抗肿瘤的作用。缺硒人群会引起大骨节病。我国成人硒的每日推荐摄入量为50μg/d，动物的肝、肾、肉及海产品都是富硒的食物。

对富硒食品的探求是目前的一个研究热点，如果单纯对硒总量进行研究是有一定局限性的，所以应该深入的探究富硒食品中硒的各种形态，这样才能对此类食品的营养价值得到确切的展现。铁梅[11]等发现富硒金针菇中水溶态硒的主要存在形态为硒代胱氨酸、硒代蛋氨酸和由二者组成的含硒多肽等含硒有机化合物。倪张林[12]等对4种富硒蔬菜和4种普通蔬菜的硒形态对比研究后发现，蔬菜中的硒多以硒蛋氨酸(Se-Met)、硒胱氨酸(Se-Cys2)、甲基-硒半胱氨酸（MeSeCys）为主，无机硒Se（Ⅳ）和Se（Ⅵ）都未检出，说明蔬菜通过高硒环境培育后，可将无机硒转化为有机硒，从而达到富硒的目的。硒的形态主要集中在有机态，多以含硒蛋白质的形式存在，各个形态对应的营养价值还有待进一步深入研究。

3.3 药品安全性评价

目前，元素形态分析尚未收录在药典的官方检测方法当中，但是在实际的科研工作中，很多学者已经利用这项技术展开了大量的研究，其中主要是利用各个元素的形态深入评价药品的安全性，从而改变只测定元素总量作为单一指标的现状，让评价体系更为合理。

郝春莉[13]等的研究结果表明15种中药材中存在的主要砷形态是有毒的 As(V)，另外只有动物药中含有少量的砷甜菜碱和砷胆碱。方军[14]等研究了多种中成药中砷的形态，结果表明中成药中以As(V)和As(III)为主要形态，少量药品还含有一甲基砷(MMA)。金鹏飞[15]等对比了炮制前后5种中药材的砷形态变化，发现炮制后五种中药无机砷的含量都出现了上升。另外，朱砂、银朱、辰砂以及蒙药中黑辰砂(制水银) 的主要成分均为硫化汞，在中药和蒙药中用途较广，用量较大。王庚[16]等对蟾酥中汞、砷形态进行了分析研究，并建立HPLC－ICP－MS 联用技术对3种汞化学形态(甲基汞、无机汞、乙基汞)进行同时测定的分析方法，该方法为中药材质量控制及传统药理毒理提供了一种很好的评价技术手段。

4 展望

目前，元素形态分析已经越来越受到各界学者的关注，研究也渐渐深入，相关的仪器也渐渐普及到一些基层检验和研究实验室。希望在元素分析方面，对食品、药品安全有重要影响的元素形态分析方法能尽快纳入国家标准，规范检测方法。不要因为国家标准的落后而再次重演2004年香港含砷鱼罐头，2007年香港含砷鱿鱼丝食品的恐慌，引起食品药品产业的风浪，影响一些安全合格产品的生产企业的信誉和销售。有毒的无机砷和低毒甚至无毒的有机砷不能混为一谈，总汞的含量也并不能代表全是剧毒的有机汞。食品药品固然是安全第一，但也不能由于检测方法的不科学不严谨而误伤了无辜的产品。

另外，元素形态分析目前的应用还是有很大的发展空间。在分析仪器方面，应该朝着灵敏性更高，前处理更简便，检出限更低，结果更准确的方向前进；在研究思路方面，除了在未研究过的食品或药品中建立各元素形态的含量测定的方法以外，应该更多的根据某些社会问题设计研究思路，让方法的实际应用意义更加明确，并能解决一些实际的问题。

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[2]刘守廷,蒋天成,李健梅,等.HPLC–AFS联用测定海产品中砷的形态[J].化学分析计量,2013,22(1):11-14.

[3]秦德元,刘雾欣,张新智.原子荧光形态分析仪在汞、锑形态分析中的应用[J].现代科学仪器,2009,(2):74-77.

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[6]杨丽君,胡巧茹,郭伟,等.高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用同时测定鸡肉与鸡肝中的 7种砷形态[J].色谱,2011,29(5):394-398.

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[12]倪张林,汤富彬,张玮,等.HPLC-DRC-ICP-MS测定富硒蔬菜中的硒形态[J].分析试验室,2013,32(2):39-43.