浙江沿海海产品无机砷污染调查及食用风险分析

梅光明,严 国,2,常家琪,2,孟春英,顾 捷

(1.浙江省海洋水产研究所,浙江省海水增养殖重点实验室，浙江舟山 316021; 2.浙江海洋大学食品与医药学院,浙江舟山 316021)

砷是一种普遍存在于自然界中的类金属元素,按化合物的存在形态分为无机砷(亚砷酸盐(As(Ⅲ)、砷酸盐(As(Ⅴ))和有机砷(一甲基砷(MMA)、二甲基砷(DMA)、砷甜菜碱(AsB)、砷胆碱(AsC)、砷糖和砷脂等)两大类。砷的生物毒性与其存在的形态种类相关,无机砷是砷化合物致畸、致癌及致突变的主要来源,而有机砷通常被认为是低毒或者无毒的[1],以半致死量LD50计,毒性依次为As(Ⅲ)>As(Ⅴ)>MMA>DMA>AsB>AsC[2-4]。1980年国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer,IARC)就已将砷和无机砷化合物归为对人体有致癌性的Ⅰ类致癌物质,As(Ⅲ)能和含巯基(-SH)的蛋白质、酶等结合形成稳定的螯合物进而抑制其活性[5-6],造成机体代谢障碍[7]。自然界中的砷元素通常由地表径流等方式进入海水中,又通过食物链在海产品富集,因此海产品摄入成为人体暴露砷元素的主要途径之一[8-9]。

浙江是海洋渔业大省,2017年水产品总产量643万吨,渔业经济总产出2071亿元,在努力发展渔业经济的同时,水产品质量安全也成为社会民众和各级政府部门共同关注的热点问题。科学合理评估因摄入海产品带来的无机砷健康风险,需要在掌握常见海产品无机砷污染状况下结合居民膳食消费数据进行风险评估分析。食品安全风险评估是当前国际公认的制定食品安全政策法规和标准、解决国际食品贸易争端的重要依据,它结合污染物浓度、膳食水平和剂量毒理效应等方面科学合理地进行潜在的风险评价。

本研究以电感耦合等离子体质谱技术对浙江沿海常见海产品中砷污染情况进行监测分析,测定了38个品种共679个海产品样本中总砷及无机砷含量,并结合浙江省沿海居民水产品的消费数据进行无机砷摄入风险分析,为浙江沿海人群建立合理安全的海产品消费习惯提供指导依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

海产样品 来源于2016～2017年间的浙江台州、温州、宁波和舟山等地近岸海水养殖以及海洋捕捞的水产品,覆盖鱼、虾、蟹、贝和海藻类等,采集样品均按照《GB/T 30891-2014 水产品抽样规范》处理后作为待测样品[10]；砷甜菜碱AsB溶液标准物质(GBW 08670)、一甲基砷 MMA溶液标准物质(GBW 08668)、二甲基砷 DMA 溶液标准物质(GBW 08669)、砷酸根As(Ⅴ)溶液标准物质(GBW 08667)、亚砷酸根 As(Ⅲ)溶液标准物质(GBW 08666) 中国计量科学研究院;砷单元素标准溶液(1000 μg/mL,GSB04-1714-2004) 国家有色金属及电子材料分析测试中心;扇贝粉(GBW10023)生物成分分析标准物质 地球物理地球化学勘查研究所;金枪鱼组织中砷形态标准物质(BCR-627) 欧洲标准局;碳酸铵(NH4)2CO3色谱纯,德国Sigma公司;甲醇、正己烷(色谱纯) 德国Merck公司;硝酸(优级纯) 美国J.T.Baker公司;过氧化氢、氨水(均为分析纯) 国药集团化学试剂有限公司;质谱调谐液(10μg/L Ce、Co、Li、Tl、Y)、内标液(100 μg/mL Bi、Ge、In、Li、Lu、Rh) 美国Agilent公司;实验用水 为Milli-Q制备超纯水(电阻率≥18.2 MΩ·cm)。

AcquityTM H-class超高效液相色谱仪 美国Waters公司;7900型ICP-MS 美国Agilent公司;Centrifuge 5810高速离心机 德国Eppendorf公司;MS2漩涡混合器 德国IK公司;AL204型电子天平 瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司;超声清洗机 宁波海曙科生超声设备有限公司;pH计 德国Sartorius公司;ETHOS 1型微波消解仪 意大利Milestone公司;微控数显电热板及赶酸架 北京莱伯泰科仪器股份有限公司;气浴恒温振荡器 江苏常州国华电器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 试剂配制 砷形态物标准储备溶液:将5种不同形态砷(AsB、MMA、DMA、As(Ⅲ)、As(Ⅴ))的标准物质溶液取适量分别准确转移至5 mL容量瓶中,用超纯水分别定容至5 mL,其浓度分别为14.72、9.54、22.17、28.78、6.88 μg/mL,于4℃避光保存,备用。

砷形态物混合标准使用液:分别准确移取5种不同形态砷(AsB、MMA、DMA、As(Ⅲ)、As(Ⅴ))的标准储备溶液340、524、226、174、727 μL于5 mL容量瓶中,用超纯水容至5 mL,使各组分质量浓度均为1.0 μg/mL,现用现配。

砷形态标准曲线系列:分别准确移取砷形态物混合标准使用溶液50、100、250、500 μL用流动相定容至5 mL,使标准曲线上的点依次为10、20、50、100 μg/L,现用现配。

砷单元素标准曲线系列溶液:将1000 μg/L 砷单元素标准溶液用1%硝酸逐级稀释到1.0、5.0、10.0、30.0、50.0、100.0、300 μg/L,超纯水定容至5 mL备用。

硝酸溶液(0.15 mol/L):准确量取10 mL硝酸,溶于水并稀释至1000 mL。

碳酸铵溶液(50 mmol/L):称取2.4503 g(精确至0.0001 g)碳酸铵,溶于500 mL水中,用氨水调节pH至9.5,经0.45 μm水相滤膜过滤后超声脱气30 min后备用。

1.2.2 总砷含量测定 参照国家标准GB 5009.11-2014《食品中总砷及无机砷的测定中的方法》[11],准确称量0.5000 g(精确至0.0001 g)在6000 r/min、15 s条件下后的待测样品于聚四氟乙烯消解罐中,依次加入6.0 mL硝酸、2.0 mL过氧化氢溶液,摇匀后加盖室温下放置4 h以上,使样品进行预消解。次日将消解罐放入微波消解系统中,设置适宜的微波消解程序(见表1),按照相关消解步骤进行消解。消解完毕后,170～180 ℃下于赶酸架上加热赶酸至1～2 mL,冷却至室温后用超纯水定容至50 mL,采用ICP-MS上机测定。同时做试剂空白实验,采用扇贝粉作为质控样进行结果质量控制。

表1 微波消解程序Table 1 Microwave digestion procedure

1.2.3 砷形态测定 前处理条件:准确称量均质后的待测样品0.5000～1.0000 g(精确至0.0001 g)于50 mL离心管中,加入20 mL 0.15 mol/L硝酸溶液,3000 r/min涡旋1 min,置于气浴恒温振荡器中,在50 ℃、150 r/min振荡提取6 h以上,提取完毕后次日取出,冷却至室温,3000 r/min涡旋30 s,6000 r/min室温离心8 min。移取5 mL上清液于15 mL离心管中,加入正己烷3 mL,3000 r/min涡旋1 min后再6000 r/min离心8 min,弃去正己烷层。吸取下层清液,经0.22 μm水相滤膜过滤后上HPLC-ICP-MS分析。按相同操作方法做试剂空白实验,同时检测BCR-627金枪鱼组织中砷形态标准物质进行结果质量控制。

分离条件:Dionex IonPacAs19阴离子交换柱(250 mm×4 mm,10 μm)及保护柱(50 mm×4 mm);进样量50 μL;样品室温度10 ℃,柱温40 ℃;流动相为50 mmol/L、pH=9.5的碳酸铵溶液;等度洗脱,流速1.0 mL/min。

1.2.4 ICP-MS工作参数 使用1.0 μg/L调谐液(含Ce、Co、Li、Tl、Y)在线优化ICP-MS各项参数,使分辨率、灵敏度、双电荷离子产率和氧化物离子产率等各项仪器性能达到最佳。总砷含量测定时采用1.0 μg/mL的89Y溶液在线加入作为内标物,用于校正仪器响应信号的变化。将标准曲线系列溶液从低浓度到高浓度依次通过蠕动泵或液相色谱进样,于ICP-MS中测定75AS的响应强度。以标准溶液浓度为横坐标、相应的信号值为纵坐标绘制标准曲线后对样品进行定量。ICP-MS工作参数如表2所示。

表2 ICP-MS工作参数Table 2 Work parameters of ICP-MS

1.2.5 海产品摄入带来的无机砷健康风险分析 有机砷因无毒或低毒,目前国内外标准都仅对食品中无机砷进行限量规定。联合国粮农组织和世界卫生组织下的食品添加剂联合专家委员会(Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives,JECFA)根据毒理学试验结果,于1988年推荐无机砷暂定每周允许摄入量(provisional tolerable weekly intake,PTWI)为15 μg/kg·bw[12],即每日允许的最大摄入量(acceptable daily intake,ADI)为0.128 mg(人体质量以60 kg计)。结合无机砷的PTWI、实际水产品中无机砷的污染水平和浙江沿海居民水产品的消费量,进行食用水产品无机砷暴露风险评估。按照以下公式计算浙江沿海居民每周由消费水产品而摄入无机砷的量(estimated weekly intakes,EWI)[13]。

式(1)

其中：C为水产品中无机砷的含量,μg/kg;m为每天摄入水产品的消费量,kg;BW为人体质量,以60 kg计。当EWI/PTWI≥1时,表示无机砷暴露风险较高;EWI/PTWI<1时,表示暴露风险较低,比值越小无机砷暴露风险越小。

1.3 数据处理

采用Excel 2007进行数据分析计算。

2 结果与分析

2.1 结果质量控制

在0～300 μg/L的砷单元素标准溶液浓度下,总砷测定的标准曲线回归方程Y=0.0093X+3.605(r2=1.0000)。GBW10024扇贝成分分析标准物质6次平行测定均值为3.542 mg/kg,RSD为4.21%,在参考值为3.0～4.2 mg/kg范围内。说明本研究采用ICP-MS测定总砷含量的方法准确度高,结果可靠。

分别配制0、10、20、50、100、300 μg/L系列砷化合物混合标准溶液进行上机分析,结果表明在0～300 μg/L范围内,5种砷化物的响应色谱峰面积值与浓度呈良好的线性关系,相关系数均大于0.998。以实际样品测定后计算色谱图中各目标物的峰响应信噪比(S/N),得出各砷形态物的检出限(S/N=3)为0.008～0.014 mg/kg,定量限(S/N=10)为0.025～0.055 mg/kg(见表3)。

表3 砷化合物测定曲线、方法检出限与定量限Table 3 Measuring curve,detection limit andquantitative limit of As

对BCR-627金枪鱼组织中砷形态物质的6次平行测定结果中,DMA测定均值为0.1501 mg/kg,RSD为4.6%;AsB测定均值3.925 mg/kg,RSD为4.2%,均落在相应的参考值范围内(DMA和AsB的参考值分别为(0.15±0.0225)和(3.9±0.225) mg/kg)。结果表明采用本研究中的HPLC-ICP-MS法测定水产品中砷形态的结果准确度和精密度高,能够满足分析检测要求。

2.2 海产品中砷形态分布特征

以鱼、虾、蟹、贝和藻类中的代表性海产品种来研究海产品中的砷形态分布特征。图1为本方法中5种砷形态混合标准溶液的HPLC-ICP-MS法测定色谱图,图2～图6分别为代表性海产品鲳鱼、南美白对虾、贻贝、梭子蟹和海带中砷形态测定的色谱图。测定谱图和定量结果均表明这5类海产品中的总砷含量都较高,但主要以砷甜菜碱等有机砷化合物存在,少量样品有MMA和DMA检出,无机砷仅有微量检出,定量分析数据表明有机砷含量占总砷含量的90%以上。图6中的海带样品测定结果与标准品图谱比对,从保留时间上将主要砷形态物定性为AsB。但根据目前文献资料表明,该形态物可能为另一种有机砷化合物—砷糖。李卫华等[14]研究也发现海藻中砷糖OH和砷甜菜碱AsB在阴离子交换色谱中因出峰时间一致无法分离,进一步运用阳离子交换色谱实现了二者分离,并证明海藻中没有表明AsB。Van等[15]也运用阴离子交换色谱和阳离子交换色谱与ICP-MS联用,同时结合HPLC-ES-MS确认了3种中国常见海藻(海带、皱紫菜、麒麟菜)中以砷糖为主,其中海带还有部分DMA检出。Taylor等[16]调查发现新英格兰地区的10种海藻中的总砷含量在4～106 mg/kg,大部分也都是以砷糖形式存在。郭莹莹[17]在对海藻中砷化合物研究时发现,不同种类海藻样品中As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、DMA和MMA这四种形态仅占总砷含量的3.31%～3.56%,其他形态(AsB、TMAO、砷糖和砷脂等)占总砷百分比为95%以上;刘永涛[18]建立了海带和紫菜中砷糖的高分辨率质谱研究,结果表明海带中的砷主要以砷糖-OH、砷糖-PO4和砷糖-SO3三种砷糖形式存在,紫菜中的砷主要以砷糖-OH和砷糖-PO4存在。因此本实验中海带的砷化合物也很可能就是砷糖类。

图1 5种砷形态混合标准溶液色谱图Fig.1 Chromatogram of standard solution of five arsenic species

图2 鲳鱼的砷形态HPLC-ICP-MS测定色谱图Fig.2 Chromatogramof arsenic speciation in Pomfret determined by HPLC-ICP-MS

图3 南美白对虾的砷形态HPLC-ICP-MS测定色谱图Fig.3 Chromatogramof arsenic speciation in penaeus vannamei determined by HPLC-ICP-MS

图4 贻贝的砷形态HPLC-ICP-MS测定色谱图Fig.4 Chromatogramof arsenic speciation inmussels determined by HPLC-ICP-MS

图5 梭子蟹的砷形态HPLC-ICP-MS测定色谱图Fig.5 Chromatogramof arsenic speciation in crab determined by HPLC-ICP-MS

图6 海带的砷形态HPLC-ICP-MS测定色谱图Fig.6 Chromatogramof arsenic speciation in kelp determined by HPLC-ICP-MS

2.3 浙江沿海海产品中砷污染情况调查

为了全面掌握浙江沿海地区常见海产品中总砷及无机砷污染状况,对38个品种共计679个海产品样品(覆盖鱼、虾、贝、头足类、蟹类和海藻类)中的总砷及无机砷含量进行了抽样检测分析,结果见表3所示。总砷含量均值范围在0.36～35.91 mg/kg,全部样品中451个样品有无机砷检出(方法检出限值以上),检出率为66.4%,检出值范围为0.012～0.38 mg/kg,检出平均值为0.046 mg/kg,全部样品无机砷测定值均低于GB 2762-2017中的限量值要求。不同种类的水产品中无机砷含量有一定差异性,从平均值进行比较,海藻类(0.166 mg/kg)>海蟹类(0.10 mg/kg)>贝类(0.052 mg/kg)>头足类、鱼类(0.011 mg/kg)>虾类(0.0080 mg/kg)。

2.4 居民海产品无机砷摄入的暴露风险分析

浙江省疾控中心发布的2010-2012年浙江省居民营养与健康状况监测结果如图7显示,我省居民鱼虾类人均消费量为55.4 g/d(其中大城市、中小城市和农村分别为94.3、39.7和30.5 g/d)。根据表3的679个常见海产品中无机砷监测结果,以全部样品中无机砷含量的中位数值(0.024 mg/kg)和第95百分位数的含量值(0.14 mg/kg)、人群平均体重按60 kg计,采用公式(1)计算因食用海产品带来的无机砷一般摄入水平(EWI50)和高摄入水平(EWI95),结果见图7所示。浙江省大城市、中小城市和农村居民因食用水产品引起无机砷摄入在一般水平下的EWI50值分别为0.26、0.11和0.085 μg/kg·bw,高摄入水平下的EWI95值分别为1.54、0.65和0.50 μg/kg·bw,均远小于JECFA推荐的人体每周可摄入无机砷的PTWI值15 μg/kg·bw。但同时综合考虑人体摄入无机砷的饮食途径较多,海产品只是众多饮食消费中的一部分。根据吴永宁等[19]在2009-2013年进行的第五次中国膳总膳食研究数据,浙江省居民膳食无机砷的摄入量中水产类的贡献为3.2%,评估得出:浙江省大城市、中小城市和农村居民在长期摄入一般无机砷含量水平污染的水产品时,因食物总膳食引起的每周无机砷摄入量分别为8.12、3.44和2.66 μg/kg·bw;而在长期摄入高无机砷含量水平污染的水产品时,因食物总膳食引起的每周无机砷摄入量别为48.1、20.3和15.6 μg/kg·bw,均超过JECFA组织推荐的PTWI值15 μg/kg·bw。风险分析结果表明浙江沿海居民食用一般海产品引起的无机砷安全风险较低,但长期食用无机砷相对含量较高的海产品(如海藻、贝类)时,存在一定的健康风险。特别是幼童、孕妇或计划怀孕的妇女等汞敏感人群要避免一次性大量或长期食用无机砷含量较高的海产品。

表3 浙江沿海水产品砷元素含量分布特征Table 3 Distribution characteristics of arsenic content in seafoods from Zhejiang coast

续表

图7 浙江省人群因膳食引起的无机砷摄入量评估Fig.7 Evaluation of inorganic arsenic intake caused by diet in Zhejiang province

3 结论

对浙江沿海38个品种共计679个海产品样本中的总砷及砷形态物进行了检测。结果发现总砷含量均值范围为0.36～35.91 mg/kg,66.4%的样品有无机砷检出,无机砷含量0.012～0.38 mg/kg,中位值为0.024 mg/kg,第95百分位数值为0.14 mg/kg,无机砷含量均低于GB 2762-2017中的限量值要求。海产品中砷化合物主要以砷甜菜碱或砷糖等有机砷形态存在,占总砷含量的90%以上。结合浙江省居民水产品消费情况对食用海水产品的无机砷摄入风险分析显示:浙江沿海居民食用一般海产品引起的无机砷安全风险较低,每周因水产品或总膳食消费引起的无机砷摄入值均低于JECFA推荐的人体无机砷每周可摄入值;但长期食用无机砷相对含量较高的海产品(如海藻、贝类)时,因食物总膳食引起的每周无机砷摄入量可能会超出人体每周可摄入值,存在一定的健康风险。