Monte Carlo模拟对面制品中铝膳食暴露风险的概率评估

刘琼瑜,李浩洋,容裕棠,黄碧嘉,连海天,何秀琴,李 蓉

(中山海关(原中山出入境检验检疫局),广东中山 528403)

铝是地壳中含量最多的金属元素,不属于机体的必需微量元素。大量的流行病学调查和动物实验表明,长期过量铝暴露会对人体产生慢性毒作用,包括神经毒性[1-2]、生殖毒性[3-4]和肝脏毒性[5]等。食物中的铝主要来源于食品加工生产过程中使用的含铝食品添加剂以及食物加工和存储过程与含铝容器的接触等[6]。世界粮农组织(FAO)/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会(JECFA)已于1989年正式将铝确定为食品污染物加以管理,将铝的暂定每周耐受摄入量(provisional tolerable weekly intake,PTWI)定为7 mg/(kg·bw),2011年将其调整为2 mg/(kg·bw)[6]。面制品在我国居民的膳食结构中占有较大比重,而油条等面制品屡屡被检出铝残留量超标[7-8],因此有必要对面制品来源的铝膳食暴露风险进行评估。

目前,关于面制品中铝的膳食暴露评估大部分采用简单的点评估方法[9-10],即通过一个确定的食品消费量(平均值或某一百分位消费量数据)乘以残留物含量(一般是平均值),最后得到一个单一的膳食暴露量值[11]。点评估假定了化学物浓度恒定、居民对膳食消费量水平也相同,而在现实生活中往往不是这样。近年来,基于Monte Carlo模拟的非参数概率评估模型开始应用于重金属、农药残留、毒素的风险评估中,能够反映评估结果的变异度和不确定性[12-14],评估结果更加科学。本研究首次将概率评估应用于面制品中铝的膳食暴露评估,在对常见市售面制品中的铝残留量进行检测分析后,结合居民面制品消费量数据和人口学数据,基于Monte Carlo模拟和Bootstrap抽样技术,采用风险分析软件Crystal Ball构建了一个非参数概率评估模型,对居民面制品来源的铝膳食暴露量进行评估,并对其产生的暴露风险进行描述,以期为相关食品的安全监管提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

本次调查的样品来源于中山市的超市、农贸市场、个体摊档、餐馆、单位食堂等生产流通领域，为了方便统计评价,将样品根据其制作和食用方法分为4类,其中,膨化食品包括薯条、薯片、玉米片等,油炸类面制品包括油炸方便面、油条、炸馒头、麻花等,西式糕点、饼干类焙烤食品包括面包、糕点、饼干等,蒸煮类面制品包括面条、中式包子及点心等；铝单元素标准溶液 100 μg/mL,中国计量科学研究院;硝酸 优级纯,赛默飞世尔科技(中国)有限公司;过氧化氢 优级纯,广州化学试剂厂;所有用水均为超纯水。

ETHOS1型微波消解系统 意大利Milestone公司;Optima 5300DV型电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES) 美国PerkinElmer公司;EHD36型加热消解装置 北京莱伯泰科公司;超纯水系统 德国默克公司。

1.2 实验方法

1.2.1 铝残留量的测定 按照国家标准GB 5009.182-2017《食品安全国家标准 食品中铝的测定》[15]中微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定面制品中铝的含量,方法定量限为10 mg/kg,对未检出的样品,根据世界卫生组织和美国环境保护署推荐的数据处理方法,按定量限的一半(5 mg/kg)列入计算[16]。

1.2.1.1 样品前处理 样品粉碎后,准确称取0.500 g于微波消解内罐中,加入5 mL硝酸,浸泡10 min,再加入3 mL过氧化氢,旋紧罐盖后放入微波消解系统内,按表1所示消解条件进行消解。消解结束,冷却后取出,用少量水冲洗内盖,放在加热消解装置上于120 ℃加热赶酸,最后用水定容至50 mL,同时做试剂空白。

表1 微波消解系统工作条件

1.2.1.2 电感耦合等离子体发射光谱仪操作条件 射频功率1300 W,等离子体气流量15.0 L/min,辅助气流量0.20 L/min,蠕动泵转速1.50 mL/min,雾化器流量0.80 L/min,工作频率40.68 MHz,积分时间5 s,特征波长396.153 nm。铝标准工作曲线系列浓度为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 μg/mL,线性相关系数在0.999以上。

1.2.2 暴露评估模型的构建 参照JECFA制定的暂定每周耐受摄入量(PTWI)2 mg/(kg·bw),采用日暴露量(EXP)来评估面制品来源的铝膳食暴露水平。

式中:EXP为日暴露量(μg/(kg·d));C为面制品中铝的含量(mg/kg);DI为居民平均每标准人日面及其制品的摄入量(kg/d);BW为体重(kg)。

上述公式中的面及其制品摄入量和体重等人口学数据来源于《中国居民营养与健康状况监测2010～2013年综合报告》[17],2010～2012年我国居民平均每标准人日面及其制品的摄入量为142.8 g/d,选取青少年、青年、中年、老年4类人群进行暴露评估,具体体重信息如表2,本研究假设居民的体重数据满足正态分布,记为N(μ,σ),μ为均值,σ为标准差。

表2 评估人群的体重信息

暴露评估模型的构建使用一款基于Monte Carlo模拟技术的风险分软件——Crystal Ball。上述公式中的每个变量在Crystal Ball软件中都需定义符合一种分布,该分布可以通过拟合度检验得到。每次Monte Carlo模拟都会从定义的变量概率分布中随机选择数值,然后计算模型结果,所有的结果构成一个新的分布,Monte Carlo模拟给出该分布的均值、百分位数等统计量。本研究定义每次模拟过程循环10000次,并以检测得到的910个面制品样本中铝的残留量数据作为经验样本,进行1000次Bootstrap抽样,每一次抽样得到的数据再执行10000次Monte Carlo模拟,以分析暴露评估结果的不确定性。

1.2.3 风险描述 目前,食品中污染物的风险评估经常用到风险商(HQ,hazard quotient)这个参数[18-19],本研究基于软件模拟得到的铝膳食日暴露量,以JECFA制定的暂定每周耐受摄入量(PTWI)为标准,换算为每日可耐受摄入量ADI(Acceptable daily intake),为285.7 μg/(kg·d),通过计算面制品来源的铝膳食日暴露风险商(HQ),表征食用面制品中铝可能导致的铝暴露风险。风险商的计算公式如下:

式中,HQ为面制品来源的铝膳食暴露风险指数,当HQ≤1时,说明风险在可接受范围内;HQ>1,说明存在暴露风险。

1.2.4 敏感度分析 Crystal Ball软件的敏感度分析功能用于分析每个假设变量对一个特定预测值的影响程度。为了解面制品中的铝残留量、铝及其制品的摄入量及体重对铝日暴露量的影响程度,在设置Monte Carlo模拟参数时,勾选敏感度分析选项,模拟运行时,敏感度分析会评估每个变量对铝膳食日暴露量的影响,并将影响程度表示为百分比值的形式,百分比值越大,影响力越大。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0对不同种类面制品的铝残留量数据进行统计分析,检验水准α=0.05(双侧),若p<0.05,则认为具有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 不同类别面制品中铝残留量检测结果

对膨化食品,油炸面制品,西式糕点、饼干类焙烤食品,蒸煮类面制品4类面制品共910份样品中铝的残留量进行检测,所有数据经过SPSS非参数检验,结果显示,全部样品的铝残留量数据呈现偏态分布(p<0.05),铝残留量范围在ND～1437.7 mg/kg之间,平均值为(15.5±79.4) mg/kg,所有样品的平均检出率为12.9%,平均超标率为8.5%。不同类别面制品中铝的残留量差异具有统计学意义(χ2=9.585,p=0.022),其中,油炸类面制品中铝的残留量均值为(22.7±101.9) mg/kg,是4类面制品中最高的,最高检测值达到了714.0 mg/kg,相当于铝残留限量的71.4倍,与杨志琼等[20]、焦海涛等[21]的调查结果一致;其次是蒸煮类面制品,铝残留量均值为(21.3±111.8) mg/kg(见表3)。按(JECFA)规定的铝暂定每周耐受摄入量(PTWI)2 mg/(kg·bw)[6],即每日可耐受摄入量(ADI)285.7 μg/(kg·bw),中国成年人体重按60 kg计算,得到每人每日允许摄入的铝量为17.14 mg,由2010～2012年我国居民平均每标准人日面及其制品的摄入量142.8 g/d[17],计算得到每人每日允许摄入的面制食品铝残留量最大为120 mg/kg,略高于国标规定的铝残留最大限量100 mg/kg,但这只是针对面制食品,考虑到饮用水、铝制炊具、含铝药物、天然食物中的铝,以及居民接触到铝残留超标的面制食品的可能性,居民存在摄入铝量超标的可能性,关键在于杜绝面制食品中的铝残留超标。

表3 各类面制品中铝残留量检测结果

研究发现,4类面制品,油炸类面制品的铝残留量均值(22.7±101.9) mg/kg和检出率(20.0%)都最高,表明在售油条制作过程中普遍使用的膨松剂可能还是明矾,其主要成分为硫酸铝钾或硫酸铝铵,含铝量高,价格低廉,效果明显,但用量多靠个人经验,很容易造成铝超标。据文献报道,2013年四川省南充市面制品中铝含量的均值为66.13 mg/kg,总超标率为22.0%[8];2006～2011年厦门市面制品中铝的平均含量为162.89 mg/kg[9];2009～2013年广西市面制品中铝的平均含量为157.81 mg/kg,铝超标率为35.29%[10]。相比较,本研究全部面制品的铝残留量均值(15.5 mg/kg)、平均超标率(8.5%)较低,可能得益于两方面原因:一是无铝复合膨松剂如酵母等的推广使用;二是食品监管部门对含铝食品添加剂的有力监管,大大减少了含铝食品添加剂的滥用。

运用Crystal Ball软件对910个铝残留量数据样本进行拟合优度检验,统计检验方法由软件自动选择,结合SPSS非参数检验的Difference图、P-P图、Q-Q图确定最佳拟合分布为Lognormal分布(图1),记为Lognormal(7.91,6.02)。该概率分布的具体参数如表4。由图1可知,全部样品的铝残留量数据大部分落在方法定量限水平附近或以下,这与SPSS非参数检验的偏态分布结果一致。

图1 面制品中铝残留量的拟合优度检验结果

表4 面制品中铝残留量最佳拟合分布的相关参数

2.2 暴露评估

本研究采用概率评估方法,结合《中国居民营养与健康状况监测2010～2013年综合报告》中不同人群的体重数据,利用Monte Carlo模拟技术从面制品的铝残留量和体重数据中随机抽样,模拟计算得到不同人群面制品来源的铝膳食暴露量的概率分布及不同百分位数,反应了铝残留量和体重差异造成的暴露评估结果的变异性;通过1000次Bootstrap抽样,量化分析了暴露评估结果的不确定性,使评估结果更科学可靠。

由表5可知,(6～17岁)青少年女性面制品来源的铝膳食日暴露量最高,一般消费量人群(均值)和高消费量人群(日暴露量的P99百分位)对面制品来源的铝膳食暴露量分别28.16(27.53～28.85)和116.47(103.96～129.23)。(6～17岁)青少年中,男性和女性铝膳食日暴露量的平均值为26.25(25.59～26.83)和28.16(27.53～28.85),女性较男性要高,女性面临的铝暴露风险高于男性,因为在同一年龄段,女性的体重一般小于男性,其他3组评估人群也有类似的特点。比较各组不同消费量人群的日暴露量,发现随着消费量水平的提高,日暴露量水平明显提高,不同评估人群铝膳食日暴露量的P99百分位数分别为青少年(6～17岁):男性103.89/女性116.47;青年(18～44岁):男性66.36/女性79.36;中年(45～59岁):男性68.23/女性72.41;老年(≥60岁):男性73.80/女性78.89 μg/(kg·d),均低于每日可耐受摄入量(ADI)285.7 μg/(kg·d),说明居民面制品来源的铝膳食暴露风险在可接受范围内。

表5 不同人群面制品来源的铝膳食暴露评估结果

2.3 风险评估

基于前面模拟得到的铝膳食日暴露量,以上8类人群面制品来源的铝膳食暴露风险指数如表6所示。一般消费量人群的日暴露量以均值表示,由表6可知,居民面制品来源的铝膳食暴露风险指数范围为0.059～0.099,高消费量人群(日暴露量的P99百分位)的风险指数范围为0.23～0.41,所有HQ值均小于1,表明铝膳食暴露风险在可接受范围内,普通居民通过面制品摄入铝的健康风险较低,由于(6～17岁)青少年的体重比成年人轻,受到的铝膳食暴露风险较大,可加强合理膳食引导,避免过多摄入高铝食品。

表6 不同人群面制品来源的铝膳食暴露风险指数(HQ)

2.4 敏感度分析

本研究对面制品来源的铝膳食暴露量进行了敏感性分析,结果见表7。从表7可以看出,面制品中铝残留量的敏感性最强,敏感值在所有评估人群中达到了95%以上,可见决定面制品来源的铝膳食日暴露量大小的主要因素为面制品中的铝残留量,因此,要降低面制品来源的铝膳食暴露量,应该避免过多食用铝残留量高的面制品。体重的敏感值为负数,表明体重对铝膳食日暴露量起负面的影响,即体重越大,通过面制品摄入铝的日暴露量越低。

表7 面制品来源的铝膳食日暴露量的敏感度分析

3 结论

检测的910份面制品样品中,铝残留量范围在ND～1437.7 mg/kg之间,平均值为15.5 mg/kg,平均检出率和超标率分别为12.9%和8.5%。不同类别面制品的铝残留量差异具有统计学意义,其中,以油炸类面制品的铝残留量均值和检出率最高。

即使是在不同评估人群的高消费量水平(日暴露量的P99百分位),风险指数最大值为0.41,小于1。铝膳食暴露风险在可接受范围内,居民通过面制品摄入铝的健康风险较低。青少年(6～17岁)由于体重较轻,有一定潜在风险,可对这一敏感群体加以关注,加强膳食合理引导。

面制品中铝残留量的敏感性最强(95%以上),是决定面制品来源的铝膳食日暴露量大小的主要因素。体重的敏感值为负数,对铝膳食日暴露量起负面的影响,即体重越大,通过面制品摄入铝的日暴露量越低。