一次性纸杯中全氟辛酸及全氟辛烷磺酸的膳食暴露研究

魏静娜,王亚旭,周 茜,赵 文,刘征辉,*

(1.天津市农业质量标准与检测技术研究所,天津 300381;2.河北农业大学食品科技学院,河北保定 071000)

全氟化合物(perfluorinated compounds,PFCs)由于其独特的理化性质,而被广泛的用于工业品及日用品的表面涂层中,由于其长期的广泛应用,人类生存的环境、水、空气、食品中[1-5]都被检测到PFCs的存在,甚至人的血液、血清样品中也检测到PFCs,因此引起了各国政府和国际组织对PFCs的潜在毒性及人类摄入PFCs的途径研究的重视。

毒理学研究表明,PFCs具有肝毒性、胚胎毒性、生殖毒性、神经毒性、致癌性、免疫毒性、内分泌毒性等[6-8]。从目前的统计数据来看,8个碳原子的全氟辛酸(perfluorooctanoic acid,PFOA)和全氟辛烷磺酸(perfluorooctanesulfonic acid,PFOS)是检出率最高的PFCs,PFOA可导致肝脏、胰腺等脏器癌症的发病率升高[9-10],可显著降低黑斑蛙精子的数量及活性[11],对人肺Ⅱ型上皮细胞株A549产生毒性作用[12];PFOS可对机体的神经系统[13]、生殖系统、内分泌系统及免疫系统产生损伤[14],并具有胚胎发育毒性[15]和遗传毒性。

一次性纸杯由于价格低廉且方便携带和使用而广受消费者和饮品商家青睐。随着消费量的不断上升,一次性纸杯的使用安全问题越来越受关注,吴远婵等[16]、来守军等[17]分别开发了一次性纸杯中双酚A的臧红T-Fenton试剂荧光光谱测定法、铅的铬天青S分光光度测定法,Zabaleta等[18]、Zafeiraki等[19]和冯盘[20]均开发了包括一次性纸杯在内的食品接触材料中PFCs残留量的LC-MS/MS测定法,GB 31604.35-2016《食品接触材料及制品 全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)的测定》[21]也适用于一次性纸杯中PFOA及PFOS的残留量测定;而关于一次性纸杯在与食品接触时,PFCs向食品中的迁移状况的研究未见报道。

本文通过迁移试验,采用UPLC-MS/MS法测定销量较大的20种一次性纸杯中PFOA及PFOS向不同食品中的迁移量,并结合消费量调查,评估不同人群通过此类商品的消费暴露于PFOA及PFOS的风险。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

一次性纸杯(均为单面淋膜的纸杯,品牌名:妙洁、美丽雅、茶花、洁成、百草园bicoy、利得、天平朝晖、宜洁yekee、尚岛宜家、member’s mark、洁能、新鲜生活、泉林本色、依帝欧Edo、云蕾、优奥、心相印、克林莱、特美居、岸宝) 京东商城;Greole 弱阴离子交换(Weak Anion Exchanger,WAX)固相萃取小柱(150 mg/6 mL) 天津欧姆尼基因科技有限公司;长寿花金胚玉米油 山东三星玉米产业科技有限公司;全氟辛酸铵(纯度95.5%)、全氟辛烷磺酸盐(纯度98.5%) 德国 Dr.Enrenstorfer GmbH 公司;乙腈、甲醇(均为色谱纯) 美国Fisher公司;纯水由milli Q超纯水系统制备;蒸馏水 永清源纯水制造中心;乙酸铵(优级纯) 天津市光复科技发展有限公司;冰乙酸、无水乙醇、氢氧化钠、氨水、甲醇 分析纯,天津市风船化学试剂科技有限公司;25 mmol/L乙酸铵缓冲液:取1.925 g乙酸铵,用900 mL水溶解,加冰乙酸调节pH至4±0.5,用水定容至1 000 mL;0.1%氨化甲醇:取200 mL甲醇于250 mL容量瓶中,准确移取250 μL氨水于甲醇中,用甲醇定容,超声混匀。

超高效液相色谱-三重四级杆串联质谱仪(Waters Acquity I-class/Xevo TQ-S,配备电喷雾离子源ESI以及Masslynx4.1数据采集软件) 美国waters公司;Heuzbad Hei-VAP旋转蒸发仪一体机 德国Heidolph;SevenEasy实验室pH计 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;TTL-DC II型氮吹仪 北京同泰联科技发展有限公司;QL-901 Vortex涡旋器 海门市其林贝尔仪器制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 食品模拟物的选择 根据GB 31604.1-2015《食品接触材料及制品迁移试验通则》[22]的相关规定,选用蒸馏水作为矿泉水、纯净水等水性饮品的模拟物,4%的乙酸水溶液作为pH<5的酸性饮料的模拟物,10%乙醇作为透明澄清的非酒精饮料或酒精饮料(乙醇含量≤10%)的模拟物,20%乙醇作为豆浆、发酵豆浆饮品及酒精饮料(乙醇含量>10%且≤20%)的模拟物,50%乙醇作为浑浊饮料及酒精饮料(乙醇含量>20%且≤50%)的模拟物,玉米油作为浸泡于油脂类液体调味料中的食品的模拟物。

1.2.2 其它数据来源 为了更好的评估PFOA及PFOS对不同性别、不同年龄段人群的暴露风险,课题组对人群每周使用一次性纸杯的数量进行调查[22],共获得有效调查问卷2532份。问卷中将食品接触材料的消费人群按年龄段分为11～19岁的青少年组、20～24岁的成人组、25～39岁成人组,40～59岁成人组、60岁以上成人组,每个年龄段再细分为男女两组。各组调查人群的平均体重,采用国家体育总局公布的《2014年国民体质监测公报》中的数据[23],详见表1,用于下文膳食暴露的评估。

表1 不同被调查人群的体重

1.2.3 迁移量的测定

1.2.3.1 迁移试验 根据GB 31604.1-2015《食品接触材料及制品迁移试验通则》[22]的要求,进行迁移试验时,食品接触材料及制品的接触面积(S)与食品或食品模拟物体积(V)的比值(S/V)应反映实际的使用情形,且应取可预见使用情况下的最大S/V(如最小包装),液态食品的密度通常以1 kg/L计,且迁移试验条件应尽可能反映实际使用条件。本实验中S与V的比值参考一次性纸杯的实际情况确定,计算本实验所用纸杯的内表面积与容积的比值,确定每7 dm2的材料接触1 kg的模拟物。模拟物与一次性纸杯的接触时间及温度根据所模拟的食品的实际使用情况确定,具体数据见表2。本实验中将纸杯剪成1.0 cm×3.5 cm的条状,卷折于100 mL的三角瓶中,分别准确加入100 mL模拟物,另取不加纸杯材料组作为空白,空白试验与各迁移试验均设三个平行,按照表2的条件进行迁移试验(介质与纸杯内表面以单面接触[24])。

表2 迁移试验条件

1.2.3.2 食品模拟物处理 按照表2的迁移试验条件与一次性纸杯接触后的食品模拟物的处理方式如图1所示,参与后续处理的模拟物体积为100 mL,即迁移试验阶段的全部模拟液。

图1 与一次性纸杯接触后的食品模拟物处理示意图

1.2.3.3 测定条件 液相条件:色谱柱为Waters AQUITY BEH C18(2.1 mm×100 mm,1.7 μm),柱温30 ℃,以乙腈(A)、水(B)为流动相进行梯度洗脱,0～2 min,10% A→60% A,2～4 min,60% A→100% A,4～6 min,100% A,6～8 min,100% A→10% A,进样体积为1 μL。

质谱条件:电喷雾负离子模式(ESI-),多反应监测(MRM),毛细管电压1.5 kV,离子源温度150 ℃,脱溶剂气温度400 ℃,脱溶剂气流速900 L/Hr,锥孔反吹气流速150 L/Hr,以质荷比(m/z)413.07→168.85和m/z 413.07→368.95为PFOA的定性和定量离子对,锥孔电压为27 V,碰撞能量分别为23、15 V,m/z 499.04→98.78和m/z 499.04→79.77分别为PFOS的定性和定量离子对,锥孔电压25 V,碰撞电压均为50 V。

1.2.3.4 定量方法 本实验中PFOA及PFOS的测定采用外标法定量。

1.2.4 未检出数据的处理 由于样品处理方法及仪器灵敏度的缺陷,检测结果中会出现未检出的情况,在计算PFOA及PFOS向被调查人群的慢性暴露量时,将低于检出限的数据(not detected,ND)假定为ND=0、ND=1/2LOD及ND=LOD三种情况,用于计算一次性纸杯中PFOA及PFOS的慢性人群暴露量。

1.2.5 膳食暴露评估方法 本实验采用点评估法进行分析,该方法在均数水平上估计人群污染物膳食摄入暴露量,原理明确易懂,简便易行,是我国膳食暴露评估应用的主要方法之一[25]。急性点评估和慢性点评估的暴露量分别按公式(1)和(2)计算。

式(1)

式中:EXPacute为PFCs的急性人群暴露量(ng/(kg·d));xk,97,5为第k类食品接触材料消费量分布的97.5分位数(只);ck,max为第k类食品接触材料某一种PFCs的最大迁移量(ng/cm2)与纸杯内表面积(cm2)的乘积;p为某天消费的食品接触材料种类数目;bw为被评估人群的平均体重(kg)。

式(2)

式中:EXPchronic为PFCs的慢性人群暴露量(ng/(kg·d));xk,average为第k类食品接触材料的平均消费量(只);ck,average为第k类食品接触材料中某一种PFCs的平均迁移量(ng/cm2)(将迁移试验中20种纸杯6种模拟使用状态下所得迁移量数据赋予相等的权重,计算平均值所得)与纸杯内表面积(cm2)的乘积;p为某天消费的食品接触材料种类数目;bw为被评估人群的平均体重(kg)。

公式(1)中的xk,97,5及公式(2)中的xk,average根据调查问卷所得消费量数据,使用SPSS25.0计算所得,纸杯内表面积采用常见规格的早餐杯的内表面积(下底直径5.5 cm,上口直径8.0 cm,高11.5 cm)。

式(3)

式(4)

式中:ArfD为急性每日参考剂量,RfD为每日参考剂量,ArfD(%)(RfD(%))≤100%时,表明膳食摄入风险处于可接受的范围,ArfD(%)(RfD(%))值越小,风险越小;反之,当ArfD(%)(RfD(%))>100%时,表明膳食摄入风险超出可接受范围,ArfD(%)(RfD(%))越大,风险越大。

由于目前各国政府及组织均未对PFCs的ArfD、RfD值作出规定,为了评估膳食摄入风险,2008年,欧盟开展风险评估调查,推荐PFOA及PFOS的每日摄入耐受量(TDI)分别为1500、150 ng/(kg·d)[26],本文在进行PFOA及PFOS的急慢性膳食风险评估中,将公式(3)(4)中的ArfD及RfD值用TDI代替,相应的将ArfD(%)、RfD(%)分别以TDIacute(%)及TDIchronic(%)代替,用以评估PFOA及PFOS的急慢性膳食摄入风险。

1.3 数据处理

迁移试验时,每个平行试验重复测定3次取平均值,采用SPSS 25.0统计软件、Excel 2016进行调查及测定数据的统计、计算,测定数据以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 方法学验证结果

方法学验证数据表明,本实验采用的测定方法符合实验要求,见表3。以PFOA及PFOS各自的定性离子对及定量离子对提取的空白样品色谱图中,未出现与PFOA及PFOS出峰时间相同的色谱峰;PFOA和PFOS在0.1～2.0 ng/mL范围内线性良好;方法回收率测定设低、中、高三水平,在100 mL相应的空白食品模拟物中加入不同量的PFOA及PFOS标准品,其中低水平加标量为2.0×10-3ng PFOA、4.0×10-3ng PFOS,中水平加标量为7.0×10-3ng PFOA、13.5×10-3ng PFOS,高水平加标量为0.070 ng PFOA,0.14 ng PFOS,回收率为87.05%～103.54%;以信噪比(S/N)=3及S/N=10对应的标准品溶液浓度结合食品模拟物的处理方法及加标回收率,计算检测方法的LOD及LOQ,并制备对应浓度的空白样品加标溶液进行验证,LOD分别为0.029×10-3、0.057×10-3ng/cm2,LOQ分别为0.095×10-3、0.19×10-3ng/cm2。

表3 方法学验证数据

2.2 PFOA及PFOS的检出情况

迁移试验中选用的20种一次性纸杯中的PFOA及PFOS,在各种模拟使用状态下,向食品中的迁移量见表4,其中迁移量数据已根据GB 31604.1-2015的相关要求,将向食品模拟物中的迁移量转换为向真实食品中的迁移量,以玉米油作为模拟物测得的迁移量,应乘以校正因子1/3才可转化为PFOA及PFOS向浸泡于油脂类调料中的食品的迁移量,以其它模拟物测得的迁移量数据无需校正。表4中,PFOA的检出率较高,达到98.3%,PFOS的检出率61.7%;PFOS的迁移量普遍低于PFOA,而且当模拟用一次性纸杯饮用白开水时,20种纸杯中PFOS向水中的迁移量甚至全部低于检出限;两种PFCs迁移量的高值普遍出现在利用纸杯饮用豆浆和低浓度饮料及食用浸泡于油脂类液体调味料中的食品的模拟试验中,建议尽量少用纸杯盛放这几类食品。

表4 PFOA及PFOS向食品中的迁移量

一次性纸杯中PFOA及PFOS向食品中的最高迁移量分别为23.70×10-3、4.10×10-3ng/cm2,冯盘[20]检测得到的一次性纸杯中PFOA及PFOS的残留量高达8.835和30.29 ng/cm2,远远高出本试验所测迁移量数值,总残留量高于向食品中的迁移量为正常现象;而且所用纸杯品牌不同,纸杯质量不同,检测所得数据也会有差别;PFCs的危害引起重视后,纸杯内涂层材料的更新换代,也是本试验所得迁移量数据较低的一个原因。

2.3 一次性纸杯的消费量

2018年9月～2019年3月,课题组对不同人群进行的消费量调查结果显示(见表5),青少年及中青年为一次性纸杯(碗)的消费主体,而60岁以上的人群,由于生活方式的改变及对健康的关注度提高,使用一次性纸杯的量大幅降低。

中国产业信息网根据调查推断,2019年我国一次性纸杯的消费量将达到835亿只[27],国家统计局数据显示2018年末,我国总人口为13.9亿[28],以此计算,我国每周一次性纸杯的人均消费量为1.2只,若以此平均值计算膳食暴露风险,则无法估算高端暴露人群的风险值,相比之下,表5的数据更能比较真实的反映消费量随年龄性别的变化,以此计算所得暴露风险数值能更真实的反映一次性纸杯在它的消费群体内的风险水平。

表5 不同人群一次性纸杯的消费量

2.4 PFOA及PFOS的膳食暴露风险

根据迁移试验数据和消费量数据,采用公式(1)～(4)计算一次性纸杯中PFOA及PFOS的急慢性膳食暴露量,评估PFOA及PFOS的急慢性膳食暴露风险,具体数据见表6、表7。PFOA及PFOS对各被评估人群的急性及慢性暴露水平均远低于相应的TDI值,而且由于迁移试验部分的检出限较低,未检出数据的取值在0和LOD之间变化,对迁移量平均值的影响不大,以ND=0、1/2LOD、LOD计算所得两种PFCs的慢性暴露水平差异很小。

表6 PFOA及PFOS对不同人群的急性暴露水平

表7 PFOA及PFOS对不同人群的慢性暴露水平

20～59岁的大学生及上班族由于使用纸杯的频率高,通过此途径摄入PFOA及PFOS的风险较高,60岁以上的老年人由于自由支配时间的增多及对健康的关注增多,使用一次性纸杯的频率明显降低,摄入PFOA及PFOS的风险也随之明显降低。

3 讨论与结论

测定市场上销量较好的20种一次性纸杯中的PFOA及PFOS在与不同食品接触时向食品中的迁移量,PFOA的检出率98.3%,PFOS检出率61.7%,但两种PFCs的迁移量值均较低。采用点评估法对一次性纸杯中PFOA及PFOS对不同人群的暴露风险进行了评估,结果显示,急慢性膳食暴露风险均处于较低水平,但是人群摄入PFCs的途径是多方面的,Haug等[29]通过研究挪威175位志愿者的饮食和血液血清中PFOA、PFOS及perfluoroundecanoic acid(PFUnDA)的相关性,发现饮食尤其是海鲜类的食品是人们摄入PFCs的主要途径。Shoeib等[30]采集并测定了加拿大温哥华152个家庭中的空气、灰尘和干衣机棉絮样本,几乎在每个样品中都检测到了PFCs和(或)其前体的存在,尤其是空气和灰尘中,说明呼吸也成为人类摄入PFCs的一个重要途径。本文只计算了通过消费一次性纸杯包装的食品摄入PFOA及PFOS的风险值,所以此值可能远远低于某些高暴露人群实际摄入PFOA及PFOS的风险水平;再者,本文用于急慢性膳食暴露评估的TDI值,显著高于RfD值[31],这也导致PFOA及PFOS实际暴露风险的低估。

从保护人类自身健康的角度来说,虽然一次性纸杯中PFOA及PFOS向食品中的迁移量很低,但是由于此类化合物在人体内的半衰期很长,长期摄入,会在体内累积,所以尽量还是少用为好,尤其要少用来盛放低浓度酒精饮料及浸泡于油脂类液体中的食品。