BCR 提取法測定白酒陶瓷包裝中重金屬形態(tài)

李楊楊，董黎明,2,*，周 祺，李影影

（1.北京工商大學(xué) 中國輕工業(yè)清潔生產(chǎn)和資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；2.中國輕工業(yè)濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 宜賓 644000）

陶瓷作為白酒包裝是我國幾千年以來的傳統(tǒng)。陶瓷包裝材料在燒制過程中需添加含重金屬氧化物的助溶劑和著色劑，這些重金屬在一定條件下會溶出遷移至其接觸食品中，從而對人體健康產(chǎn)生影響[1]。陶瓷包裝的白酒中重金屬主要來源于陶瓷釉層，通常采用白酒或食物模擬物（4%乙酸）浸泡陶瓷包裝分析Pb和Cd的溶出量[2-5]。研究表明陶瓷包裝白酒中的Pb和Cd溶出量分別為11.67～799.00 μg/L和0.06～1.20 μg/L[6-8]，其中部分Pb溶出量已經(jīng)超出GB 2762—2017《食品中污染物限量》對白酒中Pb的限值（Pb≤500 μg/kg），可見白酒陶瓷包裝的重金屬溶出風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。

1993年由歐洲共同體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局基于Tessier[9]、Forstnerd[10]等沉積物重金屬提取方法的基礎(chǔ)上，提出對重金屬形態(tài)測定的3 步提取法（BCR連續(xù)提取法）[11]。該方法通過分步提取將重金屬形態(tài)分為弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，主要用于評價(jià)各類固態(tài)物質(zhì)中重金屬形態(tài)的生物有效性與健康風(fēng)險(xiǎn)[12-14]，目前鮮見采用該方法研究白酒陶瓷包裝中重金屬形態(tài)及溶出風(fēng)險(xiǎn)的報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)采用BCR提取法、總量消解法和乙酸提取法對照研究白酒陶瓷包裝中Pb、Cd、Zn、Ni和Co的溶出量及形態(tài)分布，以期進(jìn)一步揭示白酒陶瓷包裝中重金屬的溶出機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

陶瓷包裝購置于景德鎮(zhèn)某青花陶瓷廠，平均質(zhì)量為496.73 g，平均內(nèi)表面積為6.58 dm2。

硝酸（67%～70%，痕量級） 美國賽默飛世爾科技有限公司；冰醋酸（優(yōu)級純） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；鹽酸羥胺（優(yōu)級純）、醋酸銨（優(yōu)級純）上海麥克林生化科技有限公司；鎘、鉛、鎳、鋅、鈷、銦、鈧、鉍單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 μg/mL）國家有色金屬及電子材料分析測試中心；超純水（≥18.25 MΩ·cm）由Genpure UVTOC Xcad plus超純水儀制備。

1.2 儀器與設(shè)備

Mars 5微波密閉消解儀 美國CEM公司；iCAP Q型電感耦合等離子體質(zhì)譜（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）儀 美國賽默飛世爾科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 重金屬形態(tài)BCR提取方法

陶瓷釉層重金屬形態(tài)分析參考改進(jìn)的BCR三步提取法[15-16]。弱酸提取態(tài)：0.50 g陶瓷樣品置于50 mL離心管中，加入40 mL 0.11 mol/L HOAc，室溫振蕩18 h后3 000 r/min離心20 min，取5 mL上清液待測；可還原態(tài)：上一步殘?jiān)屑?.5 mol/L的NH2OH·HCl溶液（HNO3溶液調(diào)節(jié)pH 2）40 mL，恒溫水浴振蕩18 h后3 000 r/min離心20 min，取5 mL上清液待測；可氧化態(tài)：上一步殘?jiān)屑?0 mL 30% H2O2溶液，室溫反應(yīng)1 h后（85±2）℃水浴硝化1 h，蒸發(fā)至體積大約1 mL時(shí)冷卻并加1.0 mol/L NH4OAc（用 HNO3溶液調(diào)節(jié)pH 2）溶液40 mL，室溫振蕩18 h后3 000 r/min離心20 min，取5 mL上清液待測；殘?jiān)鼞B(tài)：方法同重金屬總量分析方法。

1.3.2 重金屬總量分析方法

實(shí)驗(yàn)為消除陶瓷坯體中重金屬對測定結(jié)果的影響，參照Mann[17]、李文清[18]等對固體物質(zhì)重金屬的測定方法，用HNO3-H2O2對陶瓷碎片進(jìn)行微波消解后定容至50 mL，取5 mL提取液通過ICP-MS測定Cd、Pb、Zn、Ni、Co元素的總量。

1.3.3 短期接觸溶出遷移方法

測定陶瓷制品的重金屬溶出量，現(xiàn)階段國內(nèi)外檢測陶瓷中重金屬溶出主要采用4%乙酸作為提取溶液[19-20]，依據(jù)GB 4806.4—2016《陶瓷制品》和ISO 6485-1-1999《與食物接觸的陶瓷制品、玻璃陶瓷制品和玻璃餐具鉛、鎘溶出量 第1部分：檢驗(yàn)方法》取550 mL 4%乙酸溶液倒入陶瓷包裝中并用塑封膜封口，置于避光且溫度為20 ℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱0.5、24、48、72、120、144、168 h后，提取5 mL浸泡液并通過ICP-MS測定Cd、Pb、Zn、Ni、Co元素溶出量。

1.3.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

為了消除不同基體對實(shí)驗(yàn)的影響，各工作曲線都需要相應(yīng)的基體溶液配制工作曲線。

弱酸提取態(tài)/可還原態(tài)/可氧化態(tài)混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液：分別以0.044 mol/L HOAc/0.2 mol/L NH2OH·HCl（HNO3溶液調(diào)節(jié)pH 2）/0.5 mol/L NH4OAc（HNO3溶液調(diào)節(jié)pH 2）將質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL的Cd、Pb、Zn、Ni、Co單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液溶液配制成0.01、0.1、0.5、1、2、5、10、20、50 μg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。

總量檢測：以5% HNO3溶液將質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL的Cd、Pb、Zn、Ni、Co單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液配制成0.1、0.5、1、2、5、10、20、50、100 μg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（5% HNO3）。

浸泡液混合標(biāo)準(zhǔn)溶液：以4%乙酸將質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL的Cd、Pb、Zn、Ni、Co單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液配制成0.01、0.1、0.5、1、2、5、10、20、50 μg/L的混合系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，并以4%乙酸做空白。

內(nèi)標(biāo)溶液：以5% HNO3將質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL鈧、銦、鉍的單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液配制成10 μg/L的混合內(nèi)標(biāo)溶液。Sc為Co、Ni、Zn的內(nèi)標(biāo)溶液，In為Cd的內(nèi)標(biāo)溶液，Bi為Pb的內(nèi)標(biāo)溶液。

1.3.5 工作曲線的建立

BCR提取法重金屬形態(tài)工作曲線如表1所示。

表1 重金屬不同形態(tài)工作曲線Table 1 Calibration curves of four species of each heavy metal

1.4 數(shù)據(jù)分析及重金屬潛在溶出風(fēng)險(xiǎn)分析方法

利用Origin 8.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及作圖，以SPSS 22.0對陶瓷包裝重金屬形態(tài)和溶出量進(jìn)行相關(guān)性分析。重金屬溶出風(fēng)險(xiǎn)依據(jù)Jamali等[21]對Pb、Cd等重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)方法，對陶瓷包裝中重金屬潛在溶出風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。

式中：Cf為某重金屬潛在溶出風(fēng)險(xiǎn)；重金屬溶出風(fēng)險(xiǎn)分為4 級：Cf≤1，表示無溶出風(fēng)險(xiǎn)；1＜Cf≤2，表示溶出風(fēng)險(xiǎn)低；2＜Cf≤3，表示溶出風(fēng)險(xiǎn)中等；Cf＞3，表示溶出風(fēng)險(xiǎn)高。

2 結(jié)果與分析

2.1 BCR提取陶瓷包裝重金屬形態(tài)及溶出風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1.1 BCR提取重金屬形態(tài)分析及風(fēng)險(xiǎn)分析

表2 BCR提取重金屬形態(tài)含量及占比（n=9）Table 2 Speciation and percentages of BCR extracted heavy metals (n= 9)

采用BCR連續(xù)提取法和微波總量消解對選取的陶瓷包裝進(jìn)行處理，提取液經(jīng)過ICP-MS測定后重金屬形態(tài)及總量結(jié)果如表2所示。經(jīng)過微波消解后陶瓷包裝重金屬總量測定結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）（n=9）為0.16%～8.88%；BCR提取中可還原態(tài)Cd測定結(jié)果RSD（n=9）高于20%，可還原態(tài)Cd的溶出量接近檢測下限（0.011 μg/L）致使RSD值偏高[22-23]，其他4 種重金屬溶出測定結(jié)果RSD（n=9）為1.83%～10.55%。BCR提取法的重金屬形態(tài)之和與微波消解后陶瓷酒瓶中重金屬總量順序均為Zn＞Ni＞Pb＞Co＞Cd，5 種重金屬形態(tài)之和為總量的84.90%～109.38%之間，說明BCR提取法中重金屬形態(tài)與消解法總量測定結(jié)果基本一致。重金屬4 種形態(tài)中弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)及可氧化態(tài)為可提取形態(tài)，其中弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)在酸性環(huán)境中最易溶出[24-25]。陶瓷包裝中Cd、Pb、Zn、Ni、Co在弱酸提取態(tài)及可還原態(tài)比例為10.81%～20.18%、17.35%～42.44%，其中 Cd和Pb在弱酸提取態(tài)比例為10.81%、14.14%，在可還原態(tài)比例為38.19%和29.68%，表明在酸性條件中弱酸提取態(tài)及可還原態(tài)Pb、Cd較易溶出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示陶瓷包裝前3 種形態(tài)之和占比為Zn（88.67%）＞Ni（81.09%）＞Co（66.30%）＞Pb（54.93%）≈Cd（49.00%），Pb、Zn、Ni、Co可提取形態(tài)比例基本均大于50%。依據(jù)重金屬潛在溶出風(fēng)險(xiǎn)評估方法，以BCR提取后的弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)之和與殘?jiān)鼞B(tài)的比值可評價(jià)重金屬溶出風(fēng)險(xiǎn)，陶瓷包裝重金屬的溶出風(fēng)險(xiǎn)為Cd（0.96）＜Pb（1.21）＜Co（1.96）＜Ni（4.28）＜Zn（7.82），表明陶瓷包裝中重金屬在接觸酸性白酒時(shí)具有較高的釋放能力及溶出風(fēng)險(xiǎn)。此外，相比與普遍關(guān)注Pb和Cd，Co、Ni和Zn的溶出風(fēng)險(xiǎn)更高，可能對白酒酒質(zhì)與人體健康的影響也需引起足夠的重視。

2.1.2 BCR提取形態(tài)相關(guān)性分析

對陶瓷包裝中重金屬形態(tài)相關(guān)性分析如表3所示。結(jié)果表明，同形態(tài)Cd、Pb、Zn、Ni、Co之間具有著一定的相關(guān)性。弱酸提取態(tài)中Co-Cd呈極顯著正相關(guān)（r=0.834，P＜0.01），Ni-Cd、Ni-Pb呈極顯著正相關(guān)（r=0.959，P＜0.01；r=0.949，P＜0.01），Zn-Pb呈顯著正相關(guān)（r=0.713，P＜0.05），Cd-Pb呈極顯著正相關(guān)性（r=0.979，P＜0.01）；可還原態(tài)中Co-Zn、Co-Cd呈顯著正相關(guān)（r=0.681，P＜0.05；r=0.731，P＜0.05），Zn-Cd、Zn-Pb呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（r=0.953，P＜0.01；r=0.894，P＜0.01），Cd-Pb呈極顯著正相關(guān)（r=0.827，P＜0.01），實(shí)驗(yàn)中陶瓷包裝Cd、Pb、Zn、Ni、Co弱酸提取態(tài)和可還原態(tài)重金屬占比在30.33%～62.62%且Cd、Pb總量小，表明弱酸提取態(tài)中重金屬會隨Pb的溶出而成對溶出，除重金屬Zn外其他重金屬會隨Cd的溶出而成對遷移，即協(xié)同溶出?？蛇€原態(tài)重金屬不具有弱酸提取態(tài)中重金屬統(tǒng)一溶出的規(guī)律，Co、Zn、Cd會隨Pb、Cd的溶出而成對溶出?？裳趸瘧B(tài)中Co-Zn、Co-Pb呈極顯著正相關(guān)（r=0.846，P＜0.01；r=0.965，P＜0.01），Ni-Zn、Ni-Pb呈極顯著正相關(guān)（r=0.988，P＜0.01；r=0.878，P＜0.01），Zn-Pb呈極顯著正相關(guān)性（r=0.927，P＜0.01），表明陶瓷包裝中重金屬在具有氧化性物質(zhì)條件下會隨Pb溶出而成對溶出。研究表明重金屬形態(tài)的協(xié)同溶出會更易增加重金屬的溶出風(fēng)險(xiǎn)[26]，并且有文獻(xiàn)報(bào)道白酒中含有的還原性和氧化性物質(zhì)在白酒貯存過程中會發(fā)生氧化還原反應(yīng)[27-29]，李家民[27]、海超[28]發(fā)現(xiàn)白酒中還原性成分（高級脂肪酸乙酯、醇等）貯存過程中受到空氣、熱等作用會發(fā)生氧化反應(yīng)生成醛、酮和酸。重金屬4 種形態(tài)中弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)及可氧化態(tài)重金屬大多與Cd或Pb或兩者呈顯著相關(guān)性，說明用陶瓷包裝含有酸、還原性和氧化性物質(zhì)的白酒可能會增加重金屬溶出的風(fēng)險(xiǎn)。

表3 BCR提取不同重金屬形態(tài)之間Person相關(guān)性分析（n=9）Table 3 Person correlation analysis of different species of BCR extracted heavy metals (n= 9)

2.2 4%乙酸提取重金屬溶出行為分析

以4%乙酸于20 ℃條件下短期浸泡陶瓷包裝，5 種重金屬隨時(shí)間的溶出量如圖1所示。在24 h內(nèi)Cd、Pb、Ni、Zn溶出量顯著增加，24 h后溶出量逐漸增長緩慢并趨于穩(wěn)定。Cd、Pb溶出量在24～48 h之間僅增加了1%和5%，并且隨著時(shí)間的延長溶出量保持穩(wěn)定。Cd、Pb溶出量趨勢與Dong Zhanhua[30]、Mizuno[31]等的研究結(jié)果基本一致，但Co在第48小時(shí)溶出量（0.745 μg/L）是第24小時(shí)溶出量（0.368 μg/L）的2 倍左右，與其他4 種重金屬在48 h內(nèi)的溶出變化存在顯著差異，說明4%乙酸提取條件下重金屬Co的溶出行為可能區(qū)別于其他4 種重金屬。

圖1 4%乙酸提取條件下陶瓷包裝中Cd、Pb、Zn、Ni、Co溶出量隨時(shí)間的變化趨勢Fig. 1 Change in dissolution of Cd, Pb, Zn, Ni, and Co from ceramic packaging with contact time

4%乙酸浸泡重金屬24 h溶出量的相關(guān)性分析結(jié)果如表4所示。Cd、Pb、Zn、Ni、Co溶出量之間有顯著相關(guān)性且與Cd、Pb呈極顯著關(guān)系。Cd-Pb呈極顯著正相關(guān)（r=0.981，P＜0.01），Zn-Cd、Zn-Pb呈極顯著正相關(guān)（r=0.965，P＜0.01；r=0.973，P＜0.01），Ni-Zn、Ni-Cd、Ni-Pb呈極顯著正相關(guān)（r=0.986，P＜0.01；r=0.965，P＜0.01；r=0.970，P＜0.01），表明在短期接觸內(nèi)，Cd、Pb、Zn、Ni元素會成對協(xié)同溶出。有研究發(fā)現(xiàn)陶瓷制品中Pb、Cd在以4%乙酸或真實(shí)食物進(jìn)行溶出實(shí)驗(yàn)中是成對溶出[32-33]，但對于其他重金屬的溶出與Cd、Pb的聯(lián)系并沒有詳細(xì)的報(bào)道。Co-Zn、Co-Cd、Cd-Pb溶出量呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.683，P＜0.05；r=-0.798，P＜0.01；r=-0.812，P＜0.01），說明Co溶出量受到Zn、Cd、Pb等溶出量的抑制，與圖1中0～24 h間Co溶出量趨勢一致。說明采用陶瓷作為白酒的包裝貯存材料在短期接觸內(nèi)會使陶瓷制品中的重金屬成對溶出，因此采用短期浸泡的方式對陶瓷包裝進(jìn)行清洗有利于降低重金屬的溶出風(fēng)險(xiǎn)。

表4 4%乙酸浸泡重金屬24 h溶出量Person相關(guān)性分析（n=9）Table 4 Pearson correlation analysis of dissolved heavy metals in 4% acetic acid after 24 hours (n= 9)

2.3 BCR提取重金屬形態(tài)與4%乙酸24 h溶出量關(guān)系

重金屬形態(tài)可提取形態(tài)中以弱酸提取態(tài)和可還原態(tài)最易遷移[23]。陶瓷制品接觸溶液的pH值越低，重金屬溶出量越大[34]，弱酸提取態(tài)提取劑0.11 mol/L乙酸（pH 4.75）比4%乙酸溶液pH值高（pH 2.48），但還原態(tài)提取條件與4%乙酸溶液pH值相近（pH 2）。以弱酸提取態(tài)和可還原態(tài)重金屬之和與4%乙酸浸泡24 h的重金屬溶出量對比（圖2），弱酸提取態(tài)Cd、Pb、Zn、Ni、Co為24 h溶出量的20.11%～90.90%，弱酸提取態(tài)和可還原態(tài)總和是24 h溶出量的79.55%～411.75%，Cd、Pb兩種形態(tài)之和達(dá)到411.75%和124.22%，表明4%乙酸溶出主要提取的是陶瓷包裝中弱酸提取態(tài)的重金屬，可還原態(tài)重金屬可能會在白酒長期貯存過程中逐漸溶出。

圖2 BCR提取重金屬形態(tài)與4%乙酸24 h溶出量關(guān)系Fig. 2 Relationship between BCR extracted species and dissolution of heavy metals in 4% acetic acid after 24 h

利用4%乙酸24 h溶出量與BCR提取重金屬形態(tài)進(jìn)行相關(guān)性分析（表5）。結(jié)果表明弱酸提取態(tài)Cd與Ni（r=0.929，P＜0.01）、Zn（r=0.925，P＜0.01）、Cd（r=0.961，P＜0.01）、Pb（r=0.986，P＜0.01）24 h溶出量呈極顯著正相關(guān)， Pb與Ni（r=0.920，P＜0.01）、Zn（r=0.900，P＜0.01）、Cd（r=0.861，P＜0.01）、Pb（r=0.930，P＜0.01）24 h溶出量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)?？蛇€原態(tài)Cd與Ni（r=0.970，P＜0.01）、Cd（r=0.906，P＜0.05）、Pb（r=0.939，P＜0.01）24 h溶出量呈顯著正相關(guān)，Pb與Ni（r=0.823，P＜0.05）、Zn（r=0.761，P＜0.05）、Cd（r=0.835，P＜0.05）、Pb（r=0.855，P＜0.05）24 h溶出量呈顯著正相關(guān)。進(jìn)一步說明了4%乙酸的短期接觸內(nèi)白酒中重金屬溶出與陶瓷包裝重金屬弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)均呈正相關(guān)，且與弱酸提取態(tài)的相關(guān)更顯著，說明BCR提取法可以進(jìn)一步分析與評價(jià)白酒陶瓷包裝的重金屬溶出風(fēng)險(xiǎn)。

表5 BCR提取重金屬形態(tài)與4%乙酸24 h溶出量Person相關(guān)性分析（n=9）Table 5 Pearson correlation analysis between BCR extracted species and dissolution of heavy metals in 4% acetic acid after 24 hours (n= 9)

3 結(jié) 論

本研究對比分析BCR提取、微波消解和4%乙酸浸泡白酒陶瓷包裝材料中Cd、Pb、Zn、Ni和Co的溶出特征，可以看出：1）BCR提取法的重金屬形態(tài)之和與微波消解后陶瓷包裝中重金屬總量順序均為Zn＞Ni＞Pb＞Co＞Cd，而基于BCR提取形態(tài)的重金屬溶出風(fēng)險(xiǎn)為Zn＞Ni＞Pb＞Co＞Cd，其中Zn和Ni的溶出風(fēng)險(xiǎn)最高，Pb和Co的溶出風(fēng)險(xiǎn)中等，而Cd幾乎無溶出風(fēng)險(xiǎn)。2）BCR提取重金屬形態(tài)和4%乙酸接觸24 h重金屬溶出量的對比分析顯示，在存在酸、還原性和氧化性的環(huán)境中大多數(shù)重金屬會隨Pb、Cd的溶出而成對遷移，4%乙酸浸泡主要提取的是陶瓷包裝中弱酸提取態(tài)的重金屬，陶瓷包裝材料在長期貯存含有酸、還原性和氧化性物質(zhì)的白酒時(shí)可能會增加重金屬溶出的風(fēng)險(xiǎn)。因此，采用BCR提取法可進(jìn)一步深入分析白酒陶瓷包裝的重金屬溶出特征，為探討重金屬溶出對白酒酒質(zhì)與人體健康風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。