食品中有毒元素的分析

国外医学医学地理分册 2008年9月第29卷第3期

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医学技术

食品中有毒元素的分析

安建博(介评) 张瑞娟(审校)

(西安交通大学医学院公共卫生系营养与食品卫生教研室, 陕西西安710061)

摘要:对食品中的铝、砷、镉、汞、铅和锡的水平进行常规监测, 可以保障消费者的安全, 同时也需要对不同化学形态的砷和汞进行监测, 强制实施标准和评估长期暴露本底蓄积水平。要求使用分析方法的最低检出限不断提高, 增加了各种食品元素分析的项目。现就食品中有毒元素测量方法的改进措施做一介评, 涉及食品分析污染控制、样品处理和常用的分析方法。

关键词:评价; 食品; 分析; 有毒元素

中图分类号:Q 584; R151. 3 文献标识码:B 文章编号:1001-8883(2008) 03-0133-05

砷、镉、汞、铅是食品中经常检测的有毒元素, 有时也需要检测铝和锡。为了执行国家标准和评估长期暴露, 对食品中的有毒元素进行检测。为了便于贸易和改善全人类的健康, 各国和一些国际组织如欧盟对食品建立了统一标准。世贸组织建立了食品法典委员会(CAC) , 制定国际参考标准。CAC 对各种食品制定了有毒元素参考标准。此外, FAO/WTO 的的食品添加剂专家委员会(JECFA ) 规定了食品中有毒元素每周的暂定容许摄入量。通过实验室间验证和/或经典的标准方法比较, 建立了很多标准操作规范, 这些操作规范在技术上容易实现。1 食品中有毒元素含量及允许摄入水平

鱼类、贝类和海藻类食品中砷的含量最高, 但大多是无毒的有机砷。但有些藻类如羊栖菜的总砷和无机砷含量均高。其他食品如肉类和谷物类的砷含量较高, 但普遍比海产品的低。JECFA 规定无机砷的每周允许摄入量为0. 015mg /kg (按体重计) , 对有机砷没有规定。

对于非吸烟者, 饮食镉暴露是最主要来源, 尤其蔬菜和谷物类的镉含量比较高。某些食品如贝类中含有高水平的镉。JECFA 规定镉的每周允许摄入量为0. 007mg /kg (按体重计) , 评估了不同食品中镉对人体危害最小的限值。

自从减少了含铅汽油和含铅焊接容器的使用, 食品中的铅含量明显降低, 罐装食品铅含量也相应

收稿日期:2008-04-12

作者简介:安建博(1975, 男, 陕西长安人, 在读硕士研究生, 主要从事卫生毒理学研究。

审校者:张瑞娟, 副教授, 硕士生导师, 主要从事营养与食品安全降低, 但其铅含量仍然是最高的。JECFA 规定铅的每周允许摄入量为0. 025mg/kg (按体重计) , 并评估了婴儿和儿童期饮食铅暴露对健康的影响, 发现饮食铅的影响可以被忽略, 但他们指出具有高水平铅含量的食品会引起国际间食品贸易事件的发生。

含汞最高的食品是鱼类, 其中主要是更有毒的甲基汞。在大型食肉鱼如鲨鱼、剑鱼中的汞含量通常大于1mg/kg, 而在其他鱼类汞含量通常小于0. 5mg/kg 。JECFA 规定甲基汞和总汞的每周允许摄入量分别为0. 0016mg/kg 和0. 005mg/kg(均按体重计) 。

未加工处理的食品铝含量低于含铝添加剂的加工食品(通常其含量小于5mg/kg ) 。食品中铝含量增加是由于含铝炊具和包装材料的使用。JECFA 规定铝的每周允许摄入量为1m g/kg(按体重计) 。

大多食品中锡水平低于2mg /kg 。然而, 含锡罐装食品锡含量可达100m g/kg , 含锡罐加一层漆涂层保护膜可使锡含量低于25mg /kg 。JECFA 规定无机锡的每周允许摄入量为14mg /kg (按体重计) , 并指出罐装饮料的锡含量在150m g/kg, 其他罐装食品的锡含量在250mg /kg 时, 会对某些个体产生危害。有机锡化合物如三丁基锡最初发现于海产食品, 但有机锡在食品总锡中占很少一部分, 还没有对有机锡规定容许摄入量。

食品中对人体必需的微量营养元素, 当其过量时对人体有害也要监测。对于这些元素许多国家政府都规定了可耐受上限, 这些元素包括:硼、铬、铜、碘、铁、锰、钼、镍、硒、钒和锌。

监测食品中有毒元素的分析操作, 以由满足低,

134 国外医学医学地理分册 2008年9月第29卷第3期析技术, 同时要减少有毒试剂的使用。该文主要介绍食品中有毒元素最新测定技术的发展和改进。2 污染的控制

污染的控制是食品中痕量有毒元素分析依然存在的重要问题。很多有毒元素在环境中普遍存在, 必须谨防样品污染。在整个分析过程中, 必须尽量减少潜在污染。比较理想的条件是食品痕量分析样品的前处理在洁净的室中进行, 或者至少在具有洁净空气的层流室, 以使实验室空气粒子的随机污染最小化。使用环境蒸发室是一种较经济控制污染的方法。分析过程中所有环节都有污染的可能, 从样品收集和运输, 到实验室样品的匀浆化、矿化以及样品测量等等。每次与样品表面接触, 如包装、切割板、器具、匀浆器、实验室器皿、灰化炉等均有可能污染样品。使用洁净材料来减少和消除污染对分析有利, 可行的方法包括酸洗塑料、陶瓷制品和聚四氟乙烯的使用。另外, 分析仪器的进样系统应该安置在百级清洁度的空气环境中。

不同的样品通过使用不同装置掺和、捣碎、研磨和混匀以获得均匀的分析样品。这种前处理是引起实验室样品污染的潜在来源。Razag ui 和Barlow 用2%乙二胺四乙酸和2%枸橼酸清洁装置, 可以降低污染。消除潜在污染还可以使用含惰性材料的不锈钢部件, 或者使用含聚四氟乙烯涂层的器具。商用低温研磨装置可以获得理想的分析样品, 但其污染必须有效评估。3 分析样品的处理

分析样品的前处理就是将一部分试样转化成一定形式的待测元素, 导入分析仪器。这一过程比分析仪器检测待测元素所需时间要长, 因此减少样品前处理时间比仪器分析更重要。检测食品中待测元素会使用多种前处理方法, 加酸湿消化法和干灰化法是基本的样品处理方法:首先去除有机质并保留待测元素于溶液中, 然后导入仪器测定。这些方法已使用很久, 操作必须谨慎, 避免易挥发元素如砷、汞、镉的损失, 空白对照必须经过整个处理过程, 确保处理不会对分析结果的准确性产生误差。

绿色化学倡导使用环保的化学产品, 致力于减少或消除有毒化学物质的使用和产生。在有毒元素分析中, 减少有毒试剂使用量的方法之一就是尽量减少样品消解时酸的使用量, 这通常需要减少取样量。但相对少的样品量会对分析样品的均匀性带来问题。虽然尽可能进行认真的预处理, 但仍不能保证样品的均质性。复杂的前处理导致铅试样非均质化干灰化法是测定铅、镉和其他元素的经典前处理方法, 通过适当的操作可以控制污染和损失。已经能够使用干灰化ET AAS 测定铅和镉, FAAS 同时测定铜、铁和锌。但是在使用干灰化法时, Fecher 和Ruhnke 提出铅和镉有交叉污染, Mo eller 等报道降低了铝和铅的回收率。

氢化发生技术测定砷时, 分析样品的消解非常严格, 要求形成稳定的砷化合物并彻底消解有机物。这些稳定的砷化合物来源于海产品。V assileva 等认为, ET AAS 测定砷和硒时, 采用干灰化法处理样品, 测定陆生生物材料时不会造成损失, 但水体生物材料会引起损失。Mindak 和Do lan 发现, H GAAS 测定各种食品中砷和硒时, 使用微波消解配合干灰化法效果较好。据Vilan 和Rubio 介绍, 可以用硝酸-硫酸敞开式微波消解海产品中的有机砷, 应用H GAFS 测定砷。

由于汞具有挥发性, 当处理样品时就要特殊考虑。含汞样品处理仅用湿法消解, 传统的湿法冷凝消解装置已多被微波消解取代。H ight 和Cheng 证实, 使用CVAAS 测定各种海产品中的汞, 微波消解操作系统对氯化物有良好的稳定性。Ortiz 等报道, 冷冻干燥法处理样品时会导致汞的损失。Julshamn 和Brenna 采用微波消解, 在实验室成功的使用CVAAS 测定了海产品中的汞。

微波湿消解成为食品中多种元素测定的常用处理方法。Jo rhem 和Eng man 通过多个实验室用微波消解ET AAS 测定了镉和铅, FAAS 测定铜、铁和锌。Do lan 和Capar 创立了微波消解ICP-AES 测定食品中的多种元素, 应用单纯微波技术, 依据食品所含热量不同来消解不同量的样品。为了精确测定食品中的铝, 特别是含硅比较高的样品, 需要氢氟酸处理。对于测定其他含硅酸盐比较高的食品(如植物性) 中的锑也需要氢氟酸处理。

Lamble 和H ill 发现, 在使用密闭容器进行微波消解时, 预处理对大部分食品比较有利, 可以避免压力过高。预处理就是将样品放于敞开容器中, 加酸后置于室温或轻微加热一段时间(几个小时至过夜) , 或者直接加热。用ICP -MS 进行样品测定时, 必须用H 2O 2进行第二步消解, 以降低碳含量的潜在干扰。为了确保分析结果的准确, 必须强调分析方法和试剂的空白对照; 然而, 获得足够低含量杂质元素的H 2O 2比较却困难。

Bruhn 等在贝类分析中评估了各种微波消解的变量, 他们将酸化样品在微波炉中加热2min, 离心, , 用

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定钙、铜、铁、镁和锌, ET AAS 测定砷、镉、钴、铬、锰、铅和硒。确定了每种元素的最佳微波处理条件。

使用硝酸微波消解法不能百分之百氧化有机物, 不能保证所有的有机砷氧化为无机砷, 这样会导致钨丝ET AAS 和H GAAS 测定结果偏低。微波消解之后, 为了氧化完全, 必须进行2次氧化处理作为补充。与标准参考方法相比, 单独微波消解不能满足砷测定结果的准确性。但是使用紫外光氧化或加热等二次氧化操作, 这种不准确性可以消除。

高温和高压消解技术能获得较高的温度以完全氧化有机物, 当应用氢化发生技术和碳残渣有干扰的技术时, 完全氧化至关重要。M aichin 等将以上技术应用于许多生物参考标准, 准确地测量了砷、镉、汞和铅, 各种分析样品中剩余的碳含量小于3%。

测定食品中的痕量元素应用超声波辅助提取或消解样品正在研究中, 超声波的应用可以减少样品处理时间和试剂消耗量。Cava-Mo ntesinos 等使用超声辅助浸沥法, 用王水处理牛奶, ICP-M S 测定了45种元素, 包括:铝、砷、镉、锡、汞和铅。采用直接悬浮进样测定, 由于干扰存在, 仅镉、汞、锂、铅、锶和钛不能测定。Bermejo -Barrera 等用ETAAS 超声辅助酸浸沥法测定了海产品中的钙、砷、镉、钴、铬、锰、铅和硒, FAAS 测定钙、铜、铁、镁和锌, CVAA S 测定汞, 得出了各种元素最佳浸沥法的参数, 硒需要更严格的沥取条件。测定铁时, 需要更多的氧化性酸和过氧化氢。Garc a-Rey 等使用超声浸沥法处理生肉, ETAAS 定量铜和铅和FAAS 定量钙, 而不能用ETAA S 测定镉、铬, 不能用FAAS 定量铁、镁和锌。一种通用超声固液提取ETAAS 法已经提出, Capelo 等推荐一种超声波探针技术。Maduro 等比较了3种不同超声波处理ET AAS 法测定标准品中的镉和铅, 其中测定结果最好的是自动超声悬浮进样法处理样品。

Mor eda-Pi eiro 等使用另一种提取法 加压液体提取法, 能快速从食品中沥取分析元素且消耗很少的腐蚀性试剂。应用甲酸消解海产品标准样品, 进行操作方法评价。用ICP-AES 测定了铝、砷、镉、钴、铜、铁、汞、锂、锰、铅、硒、锶、钒和锌, 提取时间12m in, 相同条件下除了铝和铜, 其他元素均可定量提取。

酶消解结合声裂法能很好地减少处理时间, 提高分析物的提取量。这种处理不仅对待测元素总量有利, 而且对特定价态元素测定也非常重要。a 镉的生物利用度。Acker man 等使用酶法提取模拟米饭进入人体的消化系统, 同时用三氟乙酸提取法测定米饭中的砷, 对比2种结果发现:无机砷和二甲胂酸测定结果相当一致。

Cal-Prieto 等为了响应绿色化学公约, 直接用浆状食品进行测定, 以消除样品消解时结果的污染和损失。浆状取样分析操作的关键是获得良好均匀的样品。用ET AAS 法直接测定铅和镉时, 可以采用低温碾磨、微波加热和磁力搅拌等技术。此外, 浆状取样ET AAS 法已经应用于婴儿食品中镉、铅、硒、铝、铬和汞的测定, 海产品中的汞可以用CV-ET AAS 法测定。

为了满足绿色化学公约, 固体直接进样是另一种在样品消解时消除潜在污染和损失的方法。Vale 等考查了ETAAS 相关技术, 并且讨论了很多改进措施来提高ETAAS 的优势。Detcheva 和Gro becke 开发了固体进样ET AAS 操作技术, 使用各种固体标准样品对仪器进行校准, 标准品以海产品为基质, 测定镉、汞、铅、锰和锡验证其效果。4 分析操作

4. 1 原子吸收光谱法(AAS)

ET ASS 广泛用于测定食品中有毒元素, 为了提高方法的灵敏度和通用性, 它的操作手段在不断改进。Am orim 等应用传统和多变量操作方法, 选用优化的ET ASS 条件测定了饮料中的铝。传统操作方法铝的定量下限为59. 3 g/L, 而多变量操作方法的定量下限是37. 7 g/L 。2种定量下限均能满足饮料测定的要求。

Dias 和Cardoso 开发了一种简单的ETA SS 操作方法, 用于无脂含糖食品铅的测定。该法无需灰化, 将样品溶解于稀硝酸中, 使用ETASS 无灰化操作直接测定, 测定中使用了水标准液和铑基体改进剂。标准品水溶液、加糖标准品水溶液和铅稀释液含糖样品, 测定结果均一致, 定量下限为0. 095mg/kg 。

Pereira-Filho 等将含有镉、铜和铅的标准样品和番茄酱同时进行消解, 然后浆状进样, 用热喷雾FAAS 进行测定。将一个镀镍试管置于空气/乙炔火焰中, 用一个陶瓷毛细管作为火焰加热的喷雾管。浆状样用硝酸处理, 镀镍管的酸蒸汽可以在1000 以上将样品氧化。

4. 2 热解汞齐化-火焰原子吸收光谱法(TDA -AAS)

自从美国环境保护局将T DA-AAS 作为一项,

136 国外医学医学地理分册 2008年9月第29卷第3期绿色化学组织评价了该项技术, 其操作快速, 已成为各食品分析实验室的首选方法。该技术试剂消耗少, 样品前处理简单, 可为食品中汞含量监测提供数据。

Cizdziel 等通过分析鱼类肌肉和其他组织中的汞含量, 评估了T DA -AAS 技术。标准样品分析结果和标准值一致; 进行加标回收实验, T DA -AAS 测定结果和CVAAS 的相一致。该方法汞的检出限为0. 9 g /kg 。同时评价了用小块鱼组织代替均质化样品的测定结果。使用推荐的取样方法和解剖学定位进行组织取材。

Levine 等使用T DA-AAS 法研究了商业化和非商业化处理海产品类的汞含量。分析前样品经过冰冻干燥和匀浆化处理, 重复实验精密度的相对标准偏差小于10%。当直接分析标准品和不同基质的样品时, 会出现潜在问题, 样品的加标回收率会受基体效应的影响。

Lasrado 等比较了T DA-AAS 和ICP-M S 测定鱼类汞的结果, 2种结果相一致, TDA-AA S 技术测定汞的检出限为0. 1mg /kg 。H aynes 等比较了TDA-AAS 、CVAAS 和CVAFS 测定鱼类汞含量的结果, 3组结果有很好的一致性。与匀浆化处理鱼类组织相比较, T PSP(three -plug sam pling pro to col) 法能够取得更有代表性的样品。4. 3 电感偶合等离子体原子发射光谱(ICP) 当选择仪器分析作为监测食品中有毒元素的方法时, ICP-M S 就成为全世界最流行的技术。由于食品基质不同导致光谱和非光谱干扰, 在使用ICP -M S 时需要评估和校正。光谱干扰, 比如测As 时40Ar 35Cl 和测52Cr 时40Ar 12C 均可产生干扰, 必须进行校正, 以达到可控水平。很多光谱干扰可以通过双聚焦ICP-M S 解决, 它能分离干扰光谱。然而, 此仪器昂贵、复杂, 所以不能作为大多数食品分析实验室的常规使用, 但可以用四极ICP-MS 进行替代, 元素间的校正公式可以进行光谱校正, 或者使用碰撞、反应池等技术减少和消除光谱干扰。评价每种基质情况下食品组成元素间复杂性构成的潜在干扰。可以用内标法校正一些非光谱干扰, 如仪器漂移、基质引起的反应抑制和加强。

Cubadda 等应用硝酸-过氧化氢密闭微波消解技术, 按照常规食品分析方法, 以标准样品为参考, 验证了该实验设计。用四极ICP -M S 测定了铝、砷、镉、钴、铬、铁、锰、钼、镍、铅、锡、锡、钒和锌, 以铑作为内标物。通过测量碳、氯和钙等元素的光谱干扰75

品需氢氟酸处理以获得铝的准确测定结果。

M elnyk 等使用硝酸开放式微波消解, 四极ICP -MS 分析膳食混合物。按照日常分析提供的样品均匀化指导和质量控制原则, 验证了铝、镉、铬、铜、铅、锰、镍、钒和锌的结果, 由于砷和钡的回收率不稳定而不能验证。由于验证结果比较差, 砷、钡和硒的测定被排除在该实验设计之外。

No l 等使用硝酸密闭微波消解, 四极ICP-M S 测定砷、镉、汞和铅, 严格的验证了动物性食品的分析技术, 使用铋、铟和钪为内标物, 对漂移和基体效应进行校正。此法的检出限为砷0. 060mg/kg, 镉0. 010m g/kg, 汞0. 055mg/kg , 铅0. 042m g/kg 。

Chan 等验证了标准样品和强化食品的分析操作技术, 该法使用硝酸密闭微波消解, 随后通过蒸发进行浓缩, 四极ICP-M S 测定了砷、镉、铬、汞、铅、锑和锡。对于植物性食品, 分析溶液用氢氟酸进行再消解。锗和铟作为内标物校正了物理干扰, 用数学公式校正光谱干扰。此外, 为了保证样品消解完全, 对13C 进行了监测, 按照常规进行质量控制。

由于汞对ICP-M S 进样系统管壁的吸附作用, 导致汞分析时出现测量误差, 包括清除时间延长、非线性标准化曲线的出现。Fatem ian 等使用元素金来减少记忆效应。H arring ton 等使用流动注射分析技术, 添加2-巯基乙醇可有效减少记忆效应。Yufeng 等验证了很多试剂认为在分析溶液中添加L-半胱氨酸可消除汞的记忆效应。

Perr ing 和Basic-Dv orza 开发了一项技术, 对分析试样进行高压或微波处理, 用中轴式ICP-AEC 测定罐装食品中锡含量。只有在189. 927nm 锡发射谱线时分析结果满意, 其检出限为0. 8mg/kg 。锡的波峰回收和精密度较好, 但内标法校正不能提高方法的效能。对食品分析中经常发生的元素干扰进行了研究, 由于不能获得合适的标准品而不能对操作进行验证。

5 结论

由于制定标准、科技进步、更低检出限的需求和各种元素特异性发展的推动, 同时为了提高实验效率, 很多新的、创新性的食品有毒元素分析方法不断涌现。分析技术如ETAAS 、ICP-AES 、ICP-M S 等被广泛使用。但适当的污染控制, 充分有效的样品前处理、排除干扰的可靠技术, 经常指导如何开发新的操作技术等问题需要解决。通过操作的适应性来解释分析方法的目的, 并指导新方法的使用。方

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法验证的指导方针和实验设计必须有效, 当开发和出版分析方法时应该考虑其验证的有效性。规范制定部门寻求方法的支持和认可, 可以在一些国际机构如AOAC 的主办下, 进行实验室内外的比对试验, 选择一些分析方法进行充分的验证。只有经过充分验证的实验方法, 才可在不同实验室间进行推广。参考文献:

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室旁2例, 额叶2例, 小脑齿状核1例, 脑萎缩13

例。该病的病理改变表明, 神经系统均可受累, 主要累及组成锥体外系的基底节神经核团, 包括豆状核、尾状核、屏状核及与锥体外系功能有关的丘脑底核、黑质和红核。其中尤以豆状核内的壳核最为明显, 其次为苍白球及尾状核。壳核最早发生变性和萎缩, 其色素沉着加深, 严重者可形成空洞, 类似的变化还可发生在小脑的齿状核及大脑皮质等部位。脑CT 表现可反映肝豆状核变性的病理变化, 该组颅脑CT 扫描发现异常者27例, 阳性率为75%, 与文献报告的检出率相符

[8~9]

[8~9]

且能明确脑部病变的部位、大小、范围、病变的程度, 可随访和鉴别病灶的组织学性质。综上所述, 颅脑CT 检查对于肝豆状核变性的诊断和治疗后评价有价值。参考文献:

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。其中, 最多见

和最具有特征性的CT 征象是双侧基底节区豆状核对称性的低密度影。另外, 脑CT 表现可反映肝豆状核变性的临床严重程度。结果表明, 有壳核低密度影者最重, 其次为苍白球及其周围低密度影, 有脑萎缩者较轻。豆状核是由壳核及苍白球共同组成, 其外形近似豆状, 苍白球位于豆状核的内侧部, 借外髓板与豆状核外侧的壳核分开, 宽阔的底部凸向外侧, 尖端指向内侧。在豆状核中, 苍白球为旧纹状体的组成部分, 而壳核属新纹状体的结构。研究表明, 驱铜治疗后CT 复查可见脑变性病灶吸收好转, 作者认为, 脑内病变可为局部神经组织变性、水肿和脱髓鞘改变, 有别于不可逆性的神经元坏死、囊腔形成和胶质增生, 而脑萎缩无明显改变。因此, 定期的CT 检查有助于修订治疗方案, 观察疗效, 判断预后。作者认为, CT 检查不仅可帮助临床明确诊断,