基于電感耦合等離子質(zhì)譜檢測(cè)對(duì)蝦中重金屬及其健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

嚴(yán) 峰,楊路瑤,汪 倫

(1.海南大學(xué)海洋學(xué)院,南海海洋資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,熱帶生物資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南省熱帶水生生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南?？?570228; 2.無錫市恒信安全技術(shù)服務(wù)有限公司,江蘇無錫 214028)

食品安全問題一直我國民眾關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn),水產(chǎn)品作為食品的重要組成部分,其質(zhì)量安全關(guān)乎消費(fèi)者的生命健康[1]。隨著我國工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展以及城市化進(jìn)程的快速推進(jìn),大量的工業(yè)廢水和生活污水排入釋放到環(huán)境中,使得各種環(huán)境介質(zhì)遭受著各種污染,海洋環(huán)境同樣如此[2-4]。海水和沉積物中的污染物可被海洋生物吸附,然后通過食物鏈的傳遞,在魚蝦類水產(chǎn)品中富集,從而對(duì)消費(fèi)者的健康和安全產(chǎn)生威脅[5-6]。

對(duì)蝦,學(xué)名東方對(duì)蝦,又稱中國對(duì)蝦、中國明對(duì)蝦、斑節(jié)蝦，屬于節(jié)肢動(dòng)物門,軟甲綱,十足目,對(duì)蝦科,對(duì)蝦屬。對(duì)蝦肉質(zhì)松軟,營養(yǎng)豐富,味道鮮美,還富含微量元素,具有減少膽固醇含量、擴(kuò)張冠狀動(dòng)脈、防止動(dòng)脈硬化、預(yù)防高血壓及心肌梗死等功能,具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和食用價(jià)值[7-8]。我國是世界上最大的對(duì)蝦生產(chǎn)國,也是重要的對(duì)蝦消費(fèi)國。因而對(duì)蝦的質(zhì)量會(huì)影響著我國消費(fèi)者的健康和安全。目前水產(chǎn)品的污染物已經(jīng)受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注,包括持久性有機(jī)污染物和重金屬[9-10]。然而我國研究者對(duì)于對(duì)蝦中重金屬的研究還鮮有報(bào)道。王彩蘊(yùn)等[11]運(yùn)用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定了對(duì)蝦及其生長環(huán)境中重金屬鋅。盧元玲[12]運(yùn)用石墨爐原子吸收光譜儀測(cè)定了對(duì)蝦、對(duì)蝦養(yǎng)殖水體和飼料中重金屬的濃度。對(duì)于對(duì)蝦中重金屬的前處理方法的研究也較少。因而目前國內(nèi)有關(guān)對(duì)蝦中重金屬的數(shù)據(jù)以及其對(duì)消費(fèi)者健康風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)還非常有限。

本文基于微波輔助消解和ICP-MS,建立了一種對(duì)蝦中重金屬測(cè)定的方法,運(yùn)用基質(zhì)加標(biāo)和GBW10050(GSB-28)大蝦成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的9種重金屬元素含量的測(cè)定考察其方法的可靠性,并運(yùn)用該方法測(cè)定了?？谑惺蹖?duì)蝦中重金屬的濃度。最后運(yùn)用健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型定性定量的評(píng)估了對(duì)蝦攝入對(duì)人群的致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn),可以為更好的認(rèn)識(shí)對(duì)蝦中重金屬的危害提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

雙氧水(分析純) 海南言成實(shí)業(yè)有限公司;硝酸(分析純) 海南天磊生物科技有限公司;Ar(純度為99.999%) 海南加滕化工氣體有限公司;對(duì)蝦樣品(20只) ?？谒a(chǎn)品綜合批發(fā)市場(chǎng)(體長均勻,長約20厘米,重約50 g);Mn、Cu、Zn、Cd、Cr、As、Pb、Co、Ni的標(biāo)準(zhǔn)品 北京萬佳首化公司;大蝦生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10050(GSB-28) 北京世紀(jì)奧科生物技術(shù)有限公司。

7500A電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS) 美國安捷倫公司;MARS微波消解儀 美國培安公司;SCIENTZ-25T冷凍干燥機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司;Milli-Q超純水純化系統(tǒng) 美國默克默理博公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制 標(biāo)準(zhǔn)溶液和內(nèi)標(biāo)溶液的配制方法如下:用1%的硝酸溶液將1000 μg/mL的Mn、Pb、Ni、Cu、Zn、Cr、As、Cd和Co的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液逐級(jí)稀釋成濃度為0.1、0.5、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線溶液。用1%的硝酸溶液將濃度為1000 μg/mL的Bi和Sc內(nèi)標(biāo)溶液稀釋成10 μg/mL。

1.2.2 對(duì)蝦的預(yù)處理 為減少由于對(duì)蝦表面的污泥而引起的測(cè)定誤差,本次實(shí)驗(yàn)對(duì)蝦先用超純水清洗,去頭、剝殼,然后在-80 ℃超低溫冰箱中冷凍30 min,再經(jīng)冷凍干燥機(jī)中凍干,粉碎研磨后過50目篩。最后樣品保存在-20 ℃冰箱中,以待分析。

1.2.3 對(duì)蝦中金屬元素的測(cè)定 分別稱取0.5 g蝦肉樣品放入消解罐中,加入5 mL濃硝酸溶液之后,繼續(xù)加入2 mL濃度為30%的雙氧水溶液,放入微波消解儀中,設(shè)置溫度為100 ℃,功率為1000 W,時(shí)間為1 h。然后放氣,冷卻至室溫,放氣,然后按照以下四道程序進(jìn)行微波消解:四道程序功率均為運(yùn)行功率為1000 W,第一次升溫至90 ℃,升溫時(shí)間10 min,維持該溫度6 min,然后設(shè)置第二道程序升溫至125 ℃,升溫時(shí)間14 min,維持該溫度7 min。第三道升溫程序設(shè)置為升溫至175 ℃,升溫時(shí)間為15 min,維持該溫度8 min。第四道升溫程序設(shè)置為升溫至200 ℃,升溫時(shí)間為16 min,維持該溫度9 min。消解完畢后,冷至室溫。打開消解罐,用少量水沖洗上蓋內(nèi)壁,合并至罐中。將消解罐置于智能控溫電加熱器中趕酸(140 ℃),待溶液剩約1 mL時(shí),用水洗滌消解罐(3次),洗液合并于50 mL 塑料容量瓶中,加入定量內(nèi)標(biāo),用超純水定容,過0.22 μm的膜,等待上機(jī)測(cè)定。同時(shí)測(cè)定3份平行樣品和空白樣品。

ICP-MS程序:分析模式為定量分析;射頻功率為1350 W;采樣錐為鉑錐;采樣深度為6.5 mm;等離子體氣流速為16.0 L/min;載氣流速為1.0 L/min;輔助氣流速為1.0 L/min;霧化室溫度為2.0 ℃;積分時(shí)間為0.3 s;采集次數(shù)為3次;分析測(cè)試前用10 μg/L的Li、Y、Tl、Ce的調(diào)諧液按照安捷倫公司提供的使用說明對(duì)ICP-MS靈敏度進(jìn)行調(diào)諧,使儀器達(dá)到分析測(cè)定要求,同時(shí)用調(diào)諧溶液做P/A調(diào)諧,使Li、Y、Tl、Ce的檢測(cè)濃度達(dá)到分析要求。

1.2.4 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn) 為了驗(yàn)證方法的可靠性,選GBW10050(GSB-28)大蝦成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),對(duì)大蝦成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中加入三個(gè)不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液做基質(zhì)加標(biāo)實(shí)驗(yàn),加標(biāo)量分別為0.4、1.0和2.0 μg/g,然后按照1.2.2和1.2.3的方法進(jìn)行預(yù)處理和儀器分析。

1.2.5 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測(cè)定 為了驗(yàn)證方法的精密性,按照1.2.2和1.2.3的方法,對(duì)大蝦成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10050(GSB-28)中9種重金屬(Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb)的濃度進(jìn)行測(cè)定,以考察測(cè)定濃度和實(shí)際濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.2.6 健康風(fēng)險(xiǎn)模型 所測(cè)定的9種重金屬元素中,Cr和As兩種通過口腔攝入暴露會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生致癌風(fēng)險(xiǎn)[13-14],而其他7種元素目前還沒有相關(guān)研究表明其通過口腔攝入暴露會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生致癌風(fēng)險(xiǎn),因此本文的致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估僅針對(duì)這兩種元素。

成人消費(fèi)者通過日常的對(duì)蝦攝入暴露對(duì)人體的致癌風(fēng)險(xiǎn)由公式(1)計(jì)算。

TCR=(CCr×SFCr+CAs×SFAs)

式(1)

式中：TCR是對(duì)蝦樣品中Cr和As兩種元素對(duì)成人消費(fèi)者的總致癌風(fēng)險(xiǎn)；CCr和CAs是對(duì)蝦中Cr和As的濃度(μg/g);SFCr和SFAs是Cr和As兩種元素致癌斜率因子(day·kg/mg)(表1)[13-14];IR是成人消費(fèi)者每天的蝦攝入量(1.39 g/day)[6];EF是暴露頻率(365 day/year)[6,11];ED是暴露時(shí)間(53 year)[6];CF是轉(zhuǎn)換因子(1);BW是成人的體重(60 kg)[15];AT是平均壽命(70 year)[6,15]。

表1 重金屬元素的RfD和SF值Table 1 Values of RfD and SF of heavy metal elements

在本文所測(cè)定的9種重金屬元素中,文獻(xiàn)[13-14]表明9種元素通過口腔攝入暴露都會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生非致癌風(fēng)險(xiǎn),因此本文的非致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估針對(duì)所測(cè)定的9種元素。成人消費(fèi)者通過日常的對(duì)蝦攝入暴露對(duì)人體的非致癌風(fēng)險(xiǎn)由公式(2)計(jì)算。

式(2)

式中：TNCR是對(duì)蝦樣品中9種元素對(duì)成人消費(fèi)者的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)；Ci是對(duì)蝦中9種金屬元素的濃度(μg/g);RfDi是對(duì)蝦中9種金屬元素的非致癌斜率因子(mg/kg/day)(表1)[13-14];IR是成人消費(fèi)者每天的蝦攝入量(1.39 g/day);EF是暴露頻率(365 day/year);ED是暴露時(shí)間(53 year);CF是轉(zhuǎn)換因子(1);BW是成人的體重(60 kg);AT是平均壽命(53 year)[6,14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究運(yùn)用WPS和Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,運(yùn)用蒙特卡洛模型進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)的模型計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 加標(biāo)回收及精密度實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證微波消解ICP-MS聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行對(duì)蝦樣品中重金屬測(cè)定的可靠性,本文進(jìn)行了基質(zhì)加標(biāo)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用GBW10050(GSB-28)大蝦成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),分別加入三個(gè)不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液(加標(biāo)量分別為0.4、1.0和2.0 μg/g)。表2為不同元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線和相應(yīng)的相關(guān)性系數(shù),可以看出9種元素的R2均大于0.999,表明具有較好的線性關(guān)系。不同元素不同加標(biāo)濃度的測(cè)定情況見如表3所示。從表3可以看出,在0.4、1.0和2.0 μg/g的加標(biāo)水平,9種重金屬元素的加標(biāo)回收率處于(87.5%±12.2%)～(95.7%±1.8%)之間,表明該方法具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

表2 標(biāo)曲的線性方程和決定系數(shù)(R2)Table 2 Standard curves and coefficients of determination(R2)

表3 標(biāo)準(zhǔn)大蝦樣品GBW10050(GSB-28)中各重金屬元素的加標(biāo)回收率Table 3 Results of recovery test of each heavy metal element in national reference standard materials of prawns GBW10050(GSB-28)

2.2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測(cè)定

由于樣品基體的復(fù)雜性和多樣性,為確保本次方法的準(zhǔn)確性和精確度,在選定的條件下分析了大蝦成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10050(GSB-28)中的9種重元素含量,結(jié)果見表4。從表4可以看出,各元素的回收率的變化范圍為87.6%～110%,測(cè)定值均在標(biāo)準(zhǔn)值允許誤差范圍[16-17]。

表4 微波消解ICP-MS聯(lián)用對(duì)大蝦成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10050(GSB-28)中各重金屬元素的測(cè)定結(jié)果(μg/g)Table 4 Analytical results of heavy metal elements in national reference standard materials of prawns GBW10050(GSB-28)(μg/g)

2.3 ?？谑惺蹖?duì)蝦中重金屬含量

運(yùn)用所建立的前處理方式對(duì)?？谑惺蹖?duì)蝦樣品中的9種重金屬進(jìn)行了檢測(cè),具體結(jié)果見表5?？梢钥闯?9種重金屬元素在所有的對(duì)蝦樣品中均有檢出。其中檢出率和檢出濃度最高的為Zn、Cu和Mn這三種常量元素，其檢出率為100%,其他6種元素的檢出率在32.2%～96.4%。檢出濃度最高的為Zn,其濃度為(55.22±41.25) μg/g,其次為Cu(22.3±11.7) μg/g和Mn(8.2±4.4) μg/g,然而Cr、Ni、As、Pb、Cd和Co的檢出濃度較低,均低于1 μg/g。

為保護(hù)消費(fèi)者的健康,我國農(nóng)業(yè)部和衛(wèi)生部針對(duì)水產(chǎn)中重金屬的濃度,前后頒布了幾部國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),主要有GB2762-2012《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》、GB/T18406.4-2001《農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全無公害水產(chǎn)品安全要求》、NY5073-2006《無公害食品 水產(chǎn)品中有毒有害物質(zhì)限量》以及NY5158-2005《無公害食品淡水蝦》,其對(duì)對(duì)蝦中各金屬元素的限量值見表5?？梢钥闯?除目前的國家標(biāo)準(zhǔn)缺少所測(cè)得的Co、Ni和Zn三種元素外,其他6種元素的含量均低于我國現(xiàn)行的參考標(biāo)準(zhǔn),初步表明對(duì)蝦樣品中重金屬對(duì)消費(fèi)者健康的潛在威脅有限。

表5 海口市售對(duì)蝦樣品中重金屬的含量、檢出率和國家限量值Table 5 Concentration,detection rates and corresponding thresholds of heavy metal elements in prawns

目前,國內(nèi)也有研究者對(duì)不同區(qū)域?qū)ξr中重金屬的濃度進(jìn)行了測(cè)定。劉麗等[16]測(cè)定了湖南對(duì)蝦中Pb和Cd的濃度,其濃度分別為0.0347～0.0812 mg/kg和為0.0084～0.0438 mg/kg。與本研究相比,污染水平相當(dāng)。陳雪昌等[1]浙江海域海捕蝦中甲基汞、As、Pb和Cd的平均濃度分別為0.0315、0.140、0.0425和0.0743 mg/kg,其污染水與本研究相當(dāng)[1]。張英武等[19]人研究了泉州灣對(duì)蝦中6種重金屬(Cu、Cr、Cd、Pb、Hg和As)的濃度,結(jié)果表明其濃度分別為2.66、0.38、0.31、1.31、0.01和0.81 mg/kg。本研究中Cu和Cr的濃度比泉州灣的更高,但是和As的濃度比泉州灣的低很多。有研究表明,蝦蟹貝體內(nèi)污染物的濃度主要與沉積物中污染物的濃度和沉積物中有機(jī)碳的含量有關(guān),因此這可能是與蝦類生長環(huán)境中(沉積物)污染物濃度和有機(jī)碳濃度的差異有關(guān)[18-19]。

2.4 ?？谑惺蹖?duì)蝦樣品中重金屬對(duì)消費(fèi)者的健康風(fēng)險(xiǎn)

為了更深入更好的了解對(duì)蝦中重金屬對(duì)人群的致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn),本文運(yùn)用USEPA推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型結(jié)合蒙特卡洛模擬定性定量的評(píng)估重金屬對(duì)成人消費(fèi)者的健康風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)蝦中Cr和As對(duì)消費(fèi)者的致癌風(fēng)險(xiǎn)見表6和圖1。從表6可以看出對(duì)蝦中兩種重金屬對(duì)消費(fèi)者的5%、均值、中值和95%致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為4.16×10-6、1.06×10-5、9.05×10-6和2.14×10-5。通常致癌風(fēng)險(xiǎn)小于10-6表明污染物對(duì)人群的致癌風(fēng)險(xiǎn)基本可以忽略,當(dāng)致癌風(fēng)險(xiǎn)處于10-6和10-4之間表明污染物對(duì)人群存在潛在的致癌風(fēng)險(xiǎn),而當(dāng)致癌風(fēng)險(xiǎn)大于10-4時(shí),表明存在非常大的致癌風(fēng)險(xiǎn)[21-23]。在本研究中,對(duì)蝦中兩種重金屬對(duì)消費(fèi)者的總致癌風(fēng)險(xiǎn)大于10-6但是小于10-4,表明存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)但尚不嚴(yán)重。此外對(duì)蝦中9重金屬對(duì)消費(fèi)者非致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為2.18×10-2、3.69×10-2、3.43×10-2和6.00×10-2。通常非致癌風(fēng)險(xiǎn)小于1表明污染物對(duì)人群不存在明顯的非致癌風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)非致癌風(fēng)險(xiǎn)大于1時(shí),表明污染物對(duì)人群存在嚴(yán)重的非致癌風(fēng)險(xiǎn)[24-26]。在本研究中,對(duì)蝦中9種重金屬對(duì)消費(fèi)者的5%、均值、中值和95%非致癌風(fēng)險(xiǎn)均遠(yuǎn)小于1,表明本文所研究的市售對(duì)蝦中的9種重金屬對(duì)消費(fèi)者不存在明顯的非致癌風(fēng)險(xiǎn)。此外,因?yàn)楸狙芯康臉悠凡杉肯鄬?duì)較小,對(duì)蝦樣品僅采集了一次,且沒有考慮季節(jié)性差異等因素,因此風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果會(huì)有一定的不確定性。

表6 ?？谑惺蹖?duì)蝦中重金屬對(duì)消費(fèi)的健康風(fēng)險(xiǎn)Table 6 Health risks of heavy metal elements in prawns from Haikou city for consumers

圖1 ?？谑惺蹖?duì)蝦中重金屬對(duì)消費(fèi)者的致癌和非致癌風(fēng)險(xiǎn)Fig.1 Cancer and non-cancer risk of heavy metal elements in prawns from Haikou city for consumers注：a:致癌風(fēng)險(xiǎn)；b:非致癌風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

本文建立一種微波輔助消解ICP-MS方法用于測(cè)定對(duì)蝦中重金屬的含量并用于評(píng)估海南市售對(duì)蝦中重金屬的濃度。結(jié)果表明在0.4、1.0和2.0 μg/g的加標(biāo)水平,9種重金屬元素的加標(biāo)回收率處于(87.5%±12.2%)～(95.7%±1.8%)之間,表明該方法具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在選定的條件下分析了GBW10050(GSB-28)大蝦成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的9種重元素含量,各元素的回收率的變化范圍為87.6%～110.0%,測(cè)定值均在標(biāo)準(zhǔn)值允許誤差范圍。9種重金屬元素在所有的?？谑惺蹖?duì)蝦樣品中均有檢出。其中檢出率和檢出濃度最高的為Zn、Cu和Mn這三種常量元素，其檢出率為100%,其他6種元素的檢出率在32.2%～96.4%。對(duì)蝦中Cr和As對(duì)消費(fèi)者的5%、均值、中值和95%致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為4.16×10-6、1.06×10-5、9.05×10-6和2.14×10-5,表明存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)但尚不嚴(yán)重。對(duì)蝦中9重金屬對(duì)消費(fèi)者的5%、均值、中值和95%非致癌風(fēng)險(xiǎn)均遠(yuǎn)小于1,表明本文所研究的市售對(duì)蝦中的9種重金屬對(duì)消費(fèi)者不存在明顯的非致癌風(fēng)險(xiǎn)。