食品及纸质食品包装材料中氯丙醇危害与检测方法

2021-11-09赵晋蔚杨梦宁姚双全覃程荣孙广航

中国造纸学报 2021年3期

赵晋蔚杨梦宁梁辰，* 姚双全覃程荣孙广航

（1. 广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁，530004；2. 广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室，广西南宁，530004）

氯丙醇是生活中常见的一类污染物，通常指丙三醇上羟基被氯取代而产生的化合物［1］，为无色透明液体，无味，密度比水大，可溶于水及乙醚、四氯化碳等有机溶剂。单氯取代和双氯取代是氯丙醇较为常见的取代形式（如图1 所示），其中3-氯-1，2-丙二醇（3-MCPD）和1，3-二氯-2-丙醇（1，3-DCP）是各类食品标准中限制最严格、检出量最大的氯丙醇类物质；而 2-氯-1，3-丙二醇（2-MCPD）和 2，3-二氯-1-丙醇（2，3-DCP）在生活中也较为常见。

图1 4种氯丙醇的分子结构Fig.1 Molecular structures of four kinds of chloropropanol

氯丙醇主要存在于水解植物蛋白（HVP）类物质中，如调味品（如鸡精和酱油）、麦芽提取物、变性淀粉、肉类提取物等。这些采用盐酸水解工艺生产的HVP 通常会产生 3-MCPD 和 1，3-DCP 等氯丙醇类物质［2］。也有研究人员在以漂白浆生产的纸质食品包装材料中发现了3-MCPD 和1，3-DCP 等氯丙醇污染物［3-4］，它们来源于湿强剂聚酰胺环氧氯丙烷树脂（PAE）。PAE是纸产品中用于提高湿强度的主要添加剂，这种以环氧氯丙烷为原料的聚合物在生产过程中会产生 3-MCPD 和 1，3-DCP 等副产物［3］。在上述 4 种氯丙醇类物质中，3-MCPD 是国际公认的食品及食品添加剂中含量最高、毒性最大、污染最严重的氯丙醇类食品污染物。而高浓度的3-MCPD 会伴随着1，3-DCP和2，3-DCP的生成，因此常将它们一起进行对比和研究。

1 食品中氯丙醇类的危害

现代毒理学研究表明，氯丙醇类物质对生物体具有多种毒性，其会攻击生物体的多种器官，引起生物体内多种组织的病变，影响生物体的正常功能。各种毒理研究也证实，3-MCPD 在生物体的肾脏、生殖系统和免疫系统上均表现出毒性。近年来有关氯丙醇毒性的研究见表1。

表1 近年来有关氯丙醇毒性的研究Table 1 Toxicity research progress of chloropropanol in recent years

1.1 肾脏毒性

在氯丙醇的众多毒性中，最明确的是肾脏毒性，其标志物质是1，3-DCP。1，3-DCP 会把生物体内的肾脏作为靶器官，诱发肾脏细胞病变，引发诸如肾小管癌、肾小管腺癌、肾脏的良性肿瘤等病症［7-8］。有研究表明，1，3-DCP也会引起慢性肾损伤。钱国庆等［7］使用大鼠作为活体实验对象进行大量的毒理实验；结果表明，肾小管增生是3-MCDP 最敏感的毒性终点。JECFA第57次会议（2001年）全面地评价了1，3-DCP的肾脏毒性，并提出成年人每天摄入3-MCDP 的最大耐受量为2 µg/（kg·bw）［6］。有研究表明，3-MCPD 和2-MCPD 可以诱导人体内DJ-1蛋白氧化，而90%的氧化DJ-1 蛋白存在于肾脏和肝脏中；过量的DJ-1 蛋白氧化和DJ-1 蛋白功能丧失与一些应激疾病相关，如DJ-1 蛋白的失活主要与帕金森病等神经性疾病有关［9，17］。

1.2 生殖毒性

氯丙醇类物质还具有一定的生殖毒性。当成熟的精子遇到1，3-DCP后，精子会立即与其结合，精子活性受到抑制［5］。用1，3-DCP对大鼠进行灌胃实验，大鼠的睾丸会受到不同程度的损伤［8］。实验证明，大鼠睾丸细胞的增殖会被1，3-DCP 所抑制，随着1，3-DCP浓度的提高，细胞抑制率随之提高；睾丸间质细胞的活性也会被1，3-DCP所抑制，造成大鼠生殖系统的紊乱，从而影响大鼠的生殖功能［13，27］。一些研究人员利用不同浓度的1，3-DCP 对大鼠灌胃，用剂量达到8 mg（/kg·d）时，大鼠的精子存活率显著下降，大鼠睾丸中乳酸脱氢酶的活性受到明显抑制，说明其睾丸和附睾出现病理改变［10，28］。

氯丙醇的生殖毒性不仅表现在伤害大鼠睾丸［12］，还会影响精子与卵子的结合以及胚胎的早期发育。白顺等研究证明［13］，小鼠早期胚胎发育以及小鼠卵母细胞体外受精会受到3-MCPD的抑制和影响。3-MCPD和1，3-DCP也会在不同程度上抑制雌性大鼠体内孕酮的合成。

1.3 神经毒性

氯丙醇类物质对生物体神经有破坏作用，即具有一定的神经毒性。Zhou 等［28］通过给大鼠喂食3-MCPD，观察一氧化氮合酶在大鼠神经系统中表达的改变；实验结果表明，3-MCPD 可通过控制新皮质和纹状体处的nNOS 和iNOS 表达来引发神经毒性。Kim等［16］通过对大鼠做摄入3-MCPD 的病理实验发现，当大鼠摄入3-MCPD的量超过90 mg/（kg·d）时，大鼠四肢麻木，数周后出现严重的后肢瘫痪，一定程度上对神经元细胞造成了伤害。也有实验证明，3-MCPD会引起小鼠中枢神经系统乙酰胆碱脂酶和腺苷三磷酸酶的变化［19-20］。

1.4 免疫毒性

氯丙醇类物质还具有免疫毒性。有研究显示，给小鼠喂食3-MCPD 后，胸腺和脾中的细胞组成明显减少，胸腺质量大幅度下降［21-22］。Lee等［18］通过小鼠活体实验证明，3-MCPD 会抑制小鼠淋巴细胞和腹腔巨噬细胞的活性［23］。3-MCPD也会导致机体产生氧化应激状态和脂质过氧化，使机体分解氧化物能力降低，脂质过氧化物积累，从而使得组织细胞损伤、免疫力下降。Lee和Sun等［18，25］的实验证明，3-MCPD是通过抑制小鼠淋巴细胞中NF-KB、AP-1、NFAT 及Ca2+的信号通路，从而抑制小鼠淋巴细胞的免疫活性，紊乱小鼠的免疫系统。但这只是对小鼠的实验，而3-MCPD是否会降低人体内淋巴细胞和腹腔巨噬细胞的活性，还有待验证。

1.5 致突变性

氯丙醇类物质具有致突变性，其通过改变生物体DNA 碱基序列来表现其致突变性［19-20］。其中，1，3-DCP 不仅具有致突变性，更具有遗传毒性，而3-MCPD在达到一定剂量时也能显出致突变作用。刘艳群等［22］实验证明，高剂量的3-MCPD 对小鼠伤寒沙门氏菌的TA100菌株影响结果为阳性，对小鼠伤寒沙门氏菌的染色体也会产生影响。且有研究表明，睾丸是3-MCPD 的攻击目标，会诱发睾丸癌变，特别是在诱导雄性鼠不孕症和睾丸间质细胞肿瘤方面［8，13，18］。2-MCPD 已被证实对细菌具有致突变性，但对于体外培养的动物细胞的致突变性还未被证实［25］。

1.6 致癌性

氯丙醇类物质具有致癌性。但不同生物体对于氯丙醇致癌性的敏感度不同，3-MCPD 对Fisher 小鼠的致癌性不明显，只会使小鼠的一些器官产生良性肿瘤；而对F344 小鼠和SD 小鼠的致癌性比较明显。Lee 等［18］研究发现，在高剂量 3-MCPD 下，F344 和SD 这两类小鼠的雄鼠均会产生睾丸间质细胞瘤，而且F344 小鼠还会产生乳腺肿瘤和肾脏良性肿瘤。由于1，3-DCP 显著的致突变性，其致癌性也高于3-MCPD［19］。致突变性会导致细胞DNA突变，从而增加癌变的概率。一些研究人员通过小鼠实验对比3-MCPD 和 1，3-DCP 的致癌性，发现 1，3-DCP 会破坏雄性小鼠淋巴细胞的染色体，而3-MCPD 对雄性小鼠淋巴细胞的染色体没有影响［21］。还有研究表明，1，3-DCP主要攻击生物体甲状腺、肾脏、肝脏等部位，在高剂量下，这几个部位首先发生病变，表现其致癌性［11，18，23］。

但是目前主流的突变学说认为，细胞癌变的标志是细胞DNA 的突变，细胞DNA 没有发生突变的病变不属于癌变。1，3-DCP会对小鼠细胞染色体碱基序列造成损伤，但3-MCPD 对小鼠细胞染色体碱基序列未造成明显损伤。所以有些学者认为，3-MCPD 属于非遗传毒性致癌物［29］。因此，对于氯丙醇的致癌性还有待证实。

参考大量文献后可归纳3-MCPD 和1，3-DCP 的毒性表现强弱，结果见表2。从表2 可以看出，同种类氯丙醇具有不同的毒性，不同种类氯丙醇在同种毒性上表现的强弱也不同。关于氯丙醇的病理学研究多是针对1，3-DCP 和3-MCPD 在肾脏、生殖系统、神经系统、免疫系统以及致突变性和致癌性方面。3-MCPD对肾脏、生殖系统的影响最为显著，只有当其剂量足够多时才会表现出神经毒性、致突变性和致癌性。1，3-DCP的免疫毒性、致突变性和致癌性很强。但1，3-DCP 是否具有显著的肾脏毒性、神经毒性还有待证实。虽然研究是通过活体鼠类进行实验，但人类长时间接触氯丙醇同样存在这种安全风险，尤其若食品包装纸中含有氯丙醇，引起的食品安全等潜在风险也不容忽视。

表2 氯丙醇在6种毒性上的表现强弱Table 2 Performance of chloropropanol in six kinds of toxicity

2 食品及纸质食品包装材料中氯丙醇类物质限值要求

鉴于氯丙醇类的生物毒性问题，世界各国对食品中氯丙醇类的含量进行了严格限制。1995年，欧洲食品科学委员会将3-MCPD 归类为遗传毒性致癌物；欧洲共同体2001委员会法规第466号规定，酱油和HVP中3-MCPD 的报告限量为0.02 mg/kg（见表3）；2001年食品科学委员会规定人体每日容许摄入3-MCPD 的量为0.2 µg（/kg·bw）［30］。在荷兰，食品则直接被要求不能检测出氯丙醇。中国也对此做出严格要求，如酸水解植物蛋白调味液中氯丙醇的含量不能高于1 mg/kg。

表3 国内外对氯丙醇类含量的规定Table 3 Regulations on the content of chloropropanols at home and abroad

目前，大部分关于氯丙醇的研究都是围绕如何解决食品中氯丙醇的污染问题，而对于纸质材料中氯丙醇的研究较为匮乏。同时由于纸质材料中微量的氯丙醇类物质检测较为困难，因此国际上对纸质材料中氯丙醇含量的标准，仅是对纸质材料的生产原料或污染物的迁移量方面做了规定。美国食品和药物管理局（2006 年）、欧盟委员会（2001 年）对食品包装纸中氯丙醇迁移量提出标准，规定食品包装所采用的漂白纸质材料中氯丙醇，特别是3-MCPD 和1，3-DCP，迁移到包装食品中的量不能超过既定安全水平值。

我国国家标准GB/T 36420—2018《生活用纸和纸制品化学品及原料安全评价管理体系》中虽然也对氯丙醇含量提出要求，但仅是限制添加进浆料中的化学品成分，该标准中只要求环氧氯丙烷（ECH）、1，3-DCP 和甲基环戊二烯（MCPD）三者用量之和与总湿强剂用量之比不得超过0.7%。该评价管理体系中，明令限制生活用纸检出的化学物质中，涉及的有机氯化物仅是多氯联苯和五氯苯酚。多氯联苯检测量不超过2.0 mg/kg，五氯苯酚检测量不超过0.15 mg/kg。而其他被限制的化学物质有：丙烯酰胺（不超过0.5 mg/kg）、铅（不超过0.003 mg/dm2）、镉（不超过0.002 mg/dm2）、甲醛（不超过 1 mg/dm2）、乙二醛（不超过1.5 mg/dm2）、可吸附有机卤素（AOX，不超过5.0 mg/kg），但未对氯丙醇类物质提出明确限量。

纸质材料与人们的日常生活密不可分，生活用纸及一些纸制品，如纸巾纸、餐巾纸、厨房用纸、一次性餐具等会与人体接触，其中的有害物质应引起重点关注。除纸质食品包装材料外，其他纸类材料中也发现存在氯丙醇类物质，如生活用纸、餐巾纸等。对多数纸餐具湿强剂PAE［8］及其残留的检测结果表明，ECH、1，3-DCP、MCPD 三者含量之和，不仅超过了欧盟生活用纸标签法令规定的要求，也超出中国国家标准中所规定的0.7%。近期，欧盟和美国等提高了对纸质材料中氯丙醇含量的标准，但我国纸质材料的管理体系对氯丙醇的管控还未成熟。近年来，禁塑令的颁布和施行，纸质食品包装材料以及纸包装盒也成为食品包装的重要原料，所以纸质食品包装材料中氯丙醇类含氯有机物含量的检测应受到重视。

3 氯丙醇检测方法

国内外对食品中氯丙醇的检测已经有大量的研究，包括固态食品添加剂及液态调味品［31］。表4中对比了一些典型的氯丙醇检测方法，分别从样品处理、衍生化试剂、目标物、检测仪器、检出限等方面分析它们的区别与共同点。

3.1 萃取方式

目前世界上对于氯丙醇的检测方法最为标准、运用最广的是美国AOAC 法，该方法通过添加内标物、吸附及洗脱来处理样品。我国对于氯丙醇的检测也有国家标准。国家标准检测法的样品前处理是以硅藻土为吸附剂，后进行固相萃取，为了达到除去非极性杂质的目的，用正己烷和无水乙醚（体积比9∶1）的混合溶液淋洗，最后用无水乙醚进行洗脱。

由表4可知，对于固体样品，通常需将固体样碾碎［32］，用甲醇、乙醚等有机溶剂进行索式抽提，然后通过氮气把吸附小柱中的有机溶剂吹干，随后通过甲醇、乙醇等有机溶剂进行萃取，最后用乙酸乙酯洗脱［33-35］。对于液体样品处理，大部分研究员采用固相萃取的方式，以硅藻土作为萃取小柱的填料［36-38］，采用正己烷和乙醚（体积比9∶1）的混合液作为淋洗液，然后使用乙酸乙酯洗脱［39-41］。关于纸张中氯丙醇检测的文献较少，目前现有的方法是将纸张剪碎浸泡，然后通过固相萃取的方式，以硅藻土填料的萃取小柱进行萃取，通过乙醚淋洗［42-43］。

表4 不同样品检测氯丙醇的方法Table 4 Detection methods of chloropropanol in different samples

3.2 衍生化试剂

由于氯丙醇自身的不稳定性，样品处理后使用气相色谱-质谱（GC-MS）联用法检测前，需要对其进行衍生化反应。衍生化反应是指样品与某种化学试剂反应，生成有助于色谱检测或分离的化合物。衍生化反应后，检测的灵敏度显著提高，检测目标物的挥发度明显提高。有研究表明［36-37，43］，采用GC-MS联用法检测氯丙醇时，一般采用七氟丁酰基咪唑或三氟乙酸酐作为衍生化试剂，因为其具有较强的电负性，能提供较高的检测灵敏度。

3.3 检测仪器

常用于检测氯丙醇的仪器为GC-MS联用仪。采用GC-MS 检测法定性分析氯丙醇时常用阶梯升温的方式，最高温度为240～280℃，常用色谱柱DB-5MS 为半挥发性有机物（SVOCs）色谱柱，对氯丙醇的检测效果良好。固体样品和液体样品中氯丙醇的检出限分别为2.0～15.0 µg/kg和2.0～5.0 µg/L［40，42］。

气相色谱火焰离子化检测器（GC-FID）可用于变性淀粉中氯丙醇类物质的检测，这是氯丙醇类物质为数不多的检测方法之一。变性淀粉中主要的氯丙醇物质是1-氯-2-丙醇和2-氯-1-丙醇，它们是淀粉中的交联剂，用来提高淀粉黏度的稳定性。但GC-FID 检出限较高，若要测出不超过1 mg/kg 的标准要求比较难实现，难以满足检出要求，且容易出现样品基体干扰，定量变得不精确。除了FID，气相色谱串联电子捕获检测器（ECD）也可用于检测淀粉中的氯丙醇［44］。

3.4 其他检测方法

刑晓平等［45］采用毛细管电泳法，并运用电化学的方法，测定HVP 中的3-MCPD，该方法的检测限为0.22 mg/L。申中兰等［46］通过固相萃取-气相色谱-稳定性同位素稀释质谱法测定酱油中的3-MCPD，其检出限为5.0µg/kg。易青等［47］将氘代同位素作为内标，以正己烷淋洗除杂质、以乙酸乙酯萃取，然后通过浓缩后进行检测，该方法的特点是无需衍生化反应，实验流程缩短，检出限为2.0～5.0µg/kg。