江西省稻米中总砷和无机砷含量的测定与分析

董晓丽，王步军

(中国农业科学院 作物科学研究所/农业部谷物产品质量安全风险评估实验室，北京 100081)

砷是剧毒物质，俗称砒霜，是一种与环境和人体健康关系密切的有害元素，国际癌症组织(International Agency for Research on Cancer，IARC)已确认砷及其化合物为致癌物。砷的生物毒性不仅与其含量有关，与其存在形态更是密切相关，不同形态的砷化合物的毒性差异很大；自然界存在的砷可以分为有机砷和无机砷两种状态，而无机砷的毒性远大于有机砷；无机砷主要包括三价无机砷As3+和五价无机砷As5+，As3+毒性远大于As5+[1-2]。

稻米是一种比较特殊的农作物，比其他旱地农作物更容易富集水中的砷，而且在我国稻米生产区砷通过水体迁移污染土壤的情况比较普遍，通过食物链的生物放大作用对人类的生存和健康构成了严重威胁[3-6]。众多研究结果表明，在中国食物中无机砷致癌风险研究中，大米是食物无机砷摄入的首要贡献因素，占据所有食品无机砷摄入的60%[4,7]。因此大米中砷形态的分析与风险评价已成为食品安全领域的研究热点，成为食品监测领域中的强制项目。我国是世界水稻播种面积第二大国家，在我国大约65%的人口以大米为主食，大米更是众多农副产品的主原料，因此检测稻米样品中总砷和无机砷的含量，有助于正确评价稻米中砷含量对人体健康的影响，对其后期的防治和治理具有重要的意义。

江西省是我国重要的稻米大省，素有“江南粮仓”之称，其稻米种植面积和产量分别位居全国第2位和第3位，江西省稻米的质量安全状况将直接影响我国的粮食安全。本文以江西省稻米为实验材料，利用电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)和高效液相色谱- 电感耦合等离子体质谱法(high performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry,HPLC-ICP-MS)研究测定了稻米中总砷和无机砷的含量及变化范围，该方法检出限低，灵敏度高，稳定性和重复性良好，能快速准确地检测稻米中的总砷和无机砷形态及其含量。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

测试样品：按照江西省的地理位置，抽取10个稻米主产县市(包括余干县、乐平县、鄱阳县、万年县、德兴县、修水县、新建县、都昌县、南昌市、宁都县)，每个县市10份样品，依据GB 5491—1985 《粮食、油料检验 扦样、分样法》，共抽取生产基地100份刚收割的稻米样品作为实验材料。稻米脱壳后取其完整籽粒粉碎，过60目筛，放干燥器中备用。

化学试剂：硝酸，色谱纯，美国Fisher公司；过氧化氢，色谱纯，北京化学试剂研究所；磷酸二氢铵，化学纯，北京化工厂；超纯水，电阻率18.2 MΩ·cm；砷酸根(五价砷)溶液标准物质和砷酸根(三价砷)溶液标准物质，中国计量科学研究院；ICP-MS调谐液(5185-5959)、ICP-MS混合内标液(5188-6525)和ICP-MS多元素混合标准溶液(8500-6940)，美国Agilent公司。

标准物质：稻米粉标准物质(GBW(E)080684a)，优级纯，国家标准物质中心；米粉标准物质(Nist1568b)，优级纯，美国NIST公司。

1.2 仪器与设备

1260型高效液相色谱仪配有自动进样器，美国Agilent公司；7900型电感耦合等离子体质谱仪，美国Agilent公司；MARS Xpress高通量密闭微波消解系统，美国CEM公司；XP204型电子天平，瑞士Mettler-Toledo公司；Milli-Q型超纯水仪，美国Millipore公司；FE-20型pH酸度计，瑞士Mettler-Toledo公司；THU35B型砻谷机，日本satake佐竹公司；1093型旋风磨，瑞典Tecator公司；标准筛，浙江省上虞县沙筛厂。

1.3 标准曲线的绘制

总砷实验：吸取适量ICP-MS多元素混合标准溶液，用φ=5%的硝酸溶液配制质量浓度分别为0、2.5、5、10 ng/mL的标准系列溶液。

无机砷实验：分别吸取适量三价和五价无机砷标准溶液，用超纯水配制质量浓度分别为5、10、30、60 ng/mL的混合标准系列溶液。

1.4 测试方法

总砷：参照GB 5009.11—2014《食品安全国家标准 食品中总砷及无机砷的测定》，以及 GB 5009.268—2016 《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》，ICP-MS方法，结果以mg/kg表示。

无机砷：参照GB 5009.11—2014《食品安全国家标准 食品中总砷及无机砷的测定》中的LC-ICP-MS方法，无机砷含量为三价As3+和五价As5+之和，结果以 mg/kg 表示。

1.5 仪器检测工作参数

仪器检测的主要工作参数见表1。

表1 HPLC和 ICP-MS 主要工作参数Tab.1 Operation parameters for HPLC and ICP-MS

1.6 测定步骤

1.6.1总砷测定

稻米使用砻谷机脱壳后磨粉，过0.3 mm(60目)筛。称取0.250 0 g(精确到0.0001 g)粉末样品于消解罐中，加入4.0 mL浓硝酸和2 mL双氧水，冷消解1 h后加入2 mL水，按照微波消解系统的预设系统(见表2)进行消解，然后冷却至室温，用超纯水定容到25 mL，摇匀之后待ICP-MS测定。同时进行试剂空白。

1.6.2无机砷测定准确称取1.000 g(精确至0.001 g)稻米粉末样品于50 mL聚丙烯离心管中,加入20 mL 0.15 mmol/L硝酸溶液，静置过夜。第2天拿出样品于涡旋仪涡旋混匀，置于90 ℃恒温烘箱中加热提取2.5 h，每隔0.5 h取出涡旋一次。提取后将样品放到4 ℃冰箱中静置5 min，取上清液置10 mL离心管中，8 000 r/min离心15 min，取上清液过0.22 μm水系滤膜，滤液收集至液相进样小瓶待测。同时进行试剂空白。

表2 微波消解程序相关参数Tab.2 Operation parameters for microwave digestion

1.7 不同地区砷含量差异显著性比较

稻米中总砷和无机砷含量结果采用SPSS 19.0进行数据分析，各县之间含量用单因素方差分析(one-way ANOVA)中的 LSD 检验对实验数据进行统计分析，进行三次平行实验。

1.8 江西省稻米中无机砷的健康风险评估

根据美国环境保护署(US Environmental Protection Agency,USEPA)发布的健康风险模型，采用周暴露量(weekly dose of intake,WDI)对江西省稻米中无机砷污染对人群健康风险进行评估，以风险系数HQ表示稻米中无机砷的风险大小。HQ<1，则表示无健康风险，HQ≥1，则表示存在健康风险。计算公式见式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，HQ为健康风险系数；WDI为无机砷的周暴露量，mg/(kg·周)；Cf为稻米中无机砷的含量，mg/kg；IR为大米日摄入量，kg/d；EF为暴频频率，d/a；ED为暴露年限，a；D为每月天数，d/月；BW为体重，kg；AT为平均时间，d；PTWI为每周可耐受摄入量，mg/(kg·周)。

2 结果分析与讨论

2.1 测定精密度和质量控制

质量控制采用标准物质测定法，结果见表3。

GBW(E)080684a稻米粉标准物质中，总砷标准值为(0.423±0.023)mg/kg，测定平均值为 0.429 mg/kg；Nist1568b米粉标准物质中，无机砷标准值为(0.092±0.010)mg/kg，测定平均值为 0.091 mg/kg。表3的结果表明，本实验方法的准确度和精密度良好，均满足实验检测分析的要求。

表3 总砷和无机砷含量的标准物质测定结果Tab.3 Determination results and value of certified reference materials mg/kg

2.2 标准曲线的绘制及线性方程和相关系数

总砷含量和无机砷含量(As3+、As5+)标准曲线的线性方程和相关系数分别为y=3 568.5x+278.26(r=0.999 9)；y=13 284x-2 969(r=0.999 7)；y=6 710.6x-690.69(r=0.999 3)。由相关系数可知，测定总砷及无机砷的标准曲线线性关系均良好，满足实验需求。

2.3 稻米样品中总砷含量的测定结果

本次实验共监测江西省10个县市的100份稻米样品，总砷含量的结果见表4。结果表明，对于江西省总体来讲，总砷含量为0.045～0.382 mg/kg，均值为0.170 mg/kg；10个县市的稻米中总砷含量平均值之间存在差异，变异系数为11.1%。总砷含量最大值0.382 mg/kg和最小值0.045 mg/kg均来源于德兴县；总砷含量平均值的最大值0.217 mg/kg来源于修水县，最小值0.149 mg/kg来源于余干县。现有国家标准中，未对总砷含量的限量做出要求。

用SPSS软件的LSD检验(one-way ANOVA)可知，对于总砷含量而言，余干县总砷含量最低，而且与其他9个县的总砷含量比较均体现出显著的差异性(P<0.05)；修水县的总砷含量最大，其与鄱阳县和宁都县的总砷含量之间比较差异不显著(P>0.05)；宁都县除了与余干县差异显著外，与其他8个县的总砷含量相比差异均不显著。

表4 江西省稻米中总砷含量测定结果Tab.4 Determination results of total arsenic in rice samples of Jiangxi mg/kg

不同字母表示含量之间差异的显著性 (P<0.05)。

2.4 稻米样品中无机砷含量的测定结果

江西省10个县市的100份稻米样品中无机砷检出率为27%。As3+、As5+测定的质谱图见图1，无机砷含量的结果见表5。由图1所示，As3+、As5+色谱峰分离效果良好，出峰时间分别为 2.418 min和12.703 min；通过分析100份稻米样品的色谱图，得知所有样品中的As3+含量明显高于As5+含量，As3+含量占无机砷总含量的90%以上，说明稻米无机砷的主要存在形态是As3+。表5结果表明，对于江西省总体来讲，无机砷含量在 0.000～0.180 mg/kg，均值为 0.067 mg/kg；10个县市的稻米中无机砷含量平均值之间存在比较大的差异，变异系数为53.6%。无机砷含量最大值 0.180 mg/kg 来源于修水县和都昌县；10个县市中，无机砷平均含量最高的来源于修水县为 0.107 mg/kg，最小值来源于余干县为 0.000 3 mg/kg。文涛等[1]的研究表明，稻米中无机砷含量范围为0.039～0.150 mg/kg；潘浩[4]研究表明，江西省无机砷含量为0.095 3 mg/kg；这些研究结果与本实验结果趋势相符合。

LSD检验 (one-way ANOVA)数据所示，对于无机砷含量而言，10个县市的无机砷含量之间相比均体现出显著性的差异。而且，无机砷占总砷含量的比值在0.223%～53.02%。

总砷包括有机砷和无机砷，而具有卫生学意义和食品安全意识的主要是无机砷。我国自2017年9月17日起实施的标准GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中，规定了大米中无机砷的限量为 0.2 mg/kg，而对总砷的含量已不作要求。本次测定的江西省稻米中的无机砷含量均在国家限量标准范围内。

图1 标准溶液中As3+、As5+的HPLC色谱Fig.1 HPLC chromatogram of As3+ and As5+ standard solution

表5 江西省稻米中无机砷含量测定结果Tab.5 Determination results of inorganic arsenic in rice samples of Jiangxi province mg/kg

不同字母表示含量之间差异的显著性 (P<0.05)。

2.5 江西省稻米中无机砷的健康风险评估分析

目前，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)制定了无机砷的暂定每周耐受摄入量(provisional tolerable weekly intake,PTWI)为15 μg/(kg·周)，参照表6中的相关参数计算稻米中无机砷的周暴露量以及健康风险系数HQ，结果表明，江西省10个县市稻米中无机砷的HQ在0.001～0.387 mg/kg，说明江西省稻米中无机砷含量对于普通人来讲是没有健康风险的。

3 结 论

本文选取了江西省10个县市的100份生产基地的稻米样品为实验原料，采用ICP-MS和HPLC-ICP- MS方法，测定了稻米样品中的总砷和无机砷含量。标准曲线、线性方程和相关系数以及标准物质的测定结果表明，该分析方法的准确度和精确度高，稳定性和重复性良好，满足稻米中总砷和无机砷的测定需求。

表6 稻米中无机砷暴露量评价模型公式计算相关参数Tab.6 Parameters for probability model of inorganic arsenic in rice samples

测定结果表明，江西省10个县市的稻米总砷含量在0.045～0.382 mg/kg之间，均值为0.170 mg/kg；无机砷含量在 0.001～0.180 mg/kg，均值为 0.067 mg/kg，按照GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》对无机砷含量进行判定，无超标样品，含量均在国家限量标准范围内。江西稻米中无机砷主要以As3+形态存在，As3+含量占无机砷总含量的90%左右。单因素方差分析结果显示，各个县市的稻米中总砷和无机砷含量之间均存在不同程度的差异性，其中无机砷含量的差异较大，10个县市之间的无机砷含量相比均体现出显著地差异性。通过USEPA公布的健康风险模型对江西稻米中无机砷含量进行暴露评估，结果表明无健康风险。

从食品安全角度出发，无机砷毒性大，食品风险评估中应该重点监测稻米中无机砷含量。本测定方法适合稻米及其大米食品中无机砷含量的测定，为有效执行国家食品安全标准，保证监管力度以及稻米及其大米副食品的食用安全性提供了可靠的技术支持。