江西省稻米中總砷和無機(jī)砷含量的測(cè)定與分析

董曉麗，王步軍

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部谷物產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

砷是劇毒物質(zhì)，俗稱砒霜，是一種與環(huán)境和人體健康關(guān)系密切的有害元素，國際癌癥組織(International Agency for Research on Cancer，IARC)已確認(rèn)砷及其化合物為致癌物。砷的生物毒性不僅與其含量有關(guān)，與其存在形態(tài)更是密切相關(guān)，不同形態(tài)的砷化合物的毒性差異很大；自然界存在的砷可以分為有機(jī)砷和無機(jī)砷兩種狀態(tài)，而無機(jī)砷的毒性遠(yuǎn)大于有機(jī)砷；無機(jī)砷主要包括三價(jià)無機(jī)砷As3+和五價(jià)無機(jī)砷As5+，As3+毒性遠(yuǎn)大于As5+[1-2]。

稻米是一種比較特殊的農(nóng)作物，比其他旱地農(nóng)作物更容易富集水中的砷，而且在我國稻米生產(chǎn)區(qū)砷通過水體遷移污染土壤的情況比較普遍，通過食物鏈的生物放大作用對(duì)人類的生存和健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[3-6]。眾多研究結(jié)果表明，在中國食物中無機(jī)砷致癌風(fēng)險(xiǎn)研究中，大米是食物無機(jī)砷攝入的首要貢獻(xiàn)因素，占據(jù)所有食品無機(jī)砷攝入的60%[4,7]。因此大米中砷形態(tài)的分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)已成為食品安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，成為食品監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的強(qiáng)制項(xiàng)目。我國是世界水稻播種面積第二大國家，在我國大約65%的人口以大米為主食，大米更是眾多農(nóng)副產(chǎn)品的主原料，因此檢測(cè)稻米樣品中總砷和無機(jī)砷的含量，有助于正確評(píng)價(jià)稻米中砷含量對(duì)人體健康的影響，對(duì)其后期的防治和治理具有重要的意義。

江西省是我國重要的稻米大省，素有“江南糧倉”之稱，其稻米種植面積和產(chǎn)量分別位居全國第2位和第3位，江西省稻米的質(zhì)量安全狀況將直接影響我國的糧食安全。本文以江西省稻米為實(shí)驗(yàn)材料，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)和高效液相色譜- 電感耦合等離子體質(zhì)譜法(high performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry,HPLC-ICP-MS)研究測(cè)定了稻米中總砷和無機(jī)砷的含量及變化范圍，該方法檢出限低，靈敏度高，穩(wěn)定性和重復(fù)性良好，能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)稻米中的總砷和無機(jī)砷形態(tài)及其含量。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

測(cè)試樣品：按照江西省的地理位置，抽取10個(gè)稻米主產(chǎn)縣市(包括余干縣、樂平縣、鄱陽縣、萬年縣、德興縣、修水縣、新建縣、都昌縣、南昌市、寧都縣)，每個(gè)縣市10份樣品，依據(jù)GB 5491—1985 《糧食、油料檢驗(yàn) 扦樣、分樣法》，共抽取生產(chǎn)基地100份剛收割的稻米樣品作為實(shí)驗(yàn)材料。稻米脫殼后取其完整籽粒粉碎，過60目篩，放干燥器中備用。

化學(xué)試劑：硝酸，色譜純，美國Fisher公司；過氧化氫，色譜純，北京化學(xué)試劑研究所；磷酸二氫銨，化學(xué)純，北京化工廠；超純水，電阻率18.2 MΩ·cm；砷酸根(五價(jià)砷)溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和砷酸根(三價(jià)砷)溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，中國計(jì)量科學(xué)研究院；ICP-MS調(diào)諧液(5185-5959)、ICP-MS混合內(nèi)標(biāo)液(5188-6525)和ICP-MS多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(8500-6940)，美國Agilent公司。

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：稻米粉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW(E)080684a)，優(yōu)級(jí)純，國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心；米粉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(Nist1568b)，優(yōu)級(jí)純，美國NIST公司。

1.2 儀器與設(shè)備

1260型高效液相色譜儀配有自動(dòng)進(jìn)樣器，美國Agilent公司；7900型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，美國Agilent公司；MARS Xpress高通量密閉微波消解系統(tǒng)，美國CEM公司；XP204型電子天平，瑞士Mettler-Toledo公司；Milli-Q型超純水儀，美國Millipore公司；FE-20型pH酸度計(jì)，瑞士Mettler-Toledo公司；THU35B型礱谷機(jī)，日本satake佐竹公司；1093型旋風(fēng)磨，瑞典Tecator公司；標(biāo)準(zhǔn)篩，浙江省上虞縣沙篩廠。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

總砷實(shí)驗(yàn)：吸取適量ICP-MS多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，用φ=5%的硝酸溶液配制質(zhì)量濃度分別為0、2.5、5、10 ng/mL的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。

無機(jī)砷實(shí)驗(yàn)：分別吸取適量三價(jià)和五價(jià)無機(jī)砷標(biāo)準(zhǔn)溶液，用超純水配制質(zhì)量濃度分別為5、10、30、60 ng/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。

1.4 測(cè)試方法

總砷：參照GB 5009.11—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中總砷及無機(jī)砷的測(cè)定》，以及 GB 5009.268—2016 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測(cè)定》，ICP-MS方法，結(jié)果以mg/kg表示。

無機(jī)砷：參照GB 5009.11—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中總砷及無機(jī)砷的測(cè)定》中的LC-ICP-MS方法，無機(jī)砷含量為三價(jià)As3+和五價(jià)As5+之和，結(jié)果以 mg/kg 表示。

1.5 儀器檢測(cè)工作參數(shù)

儀器檢測(cè)的主要工作參數(shù)見表1。

表1 HPLC和 ICP-MS 主要工作參數(shù)Tab.1 Operation parameters for HPLC and ICP-MS

1.6 測(cè)定步驟

1.6.1總砷測(cè)定

稻米使用礱谷機(jī)脫殼后磨粉，過0.3 mm(60目)篩。稱取0.250 0 g(精確到0.0001 g)粉末樣品于消解罐中，加入4.0 mL濃硝酸和2 mL雙氧水，冷消解1 h后加入2 mL水，按照微波消解系統(tǒng)的預(yù)設(shè)系統(tǒng)(見表2)進(jìn)行消解，然后冷卻至室溫，用超純水定容到25 mL，搖勻之后待ICP-MS測(cè)定。同時(shí)進(jìn)行試劑空白。

1.6.2無機(jī)砷測(cè)定準(zhǔn)確稱取1.000 g(精確至0.001 g)稻米粉末樣品于50 mL聚丙烯離心管中,加入20 mL 0.15 mmol/L硝酸溶液，靜置過夜。第2天拿出樣品于渦旋儀渦旋混勻，置于90 ℃恒溫烘箱中加熱提取2.5 h，每隔0.5 h取出渦旋一次。提取后將樣品放到4 ℃冰箱中靜置5 min，取上清液置10 mL離心管中，8 000 r/min離心15 min，取上清液過0.22 μm水系濾膜，濾液收集至液相進(jìn)樣小瓶待測(cè)。同時(shí)進(jìn)行試劑空白。

表2 微波消解程序相關(guān)參數(shù)Tab.2 Operation parameters for microwave digestion

1.7 不同地區(qū)砷含量差異顯著性比較

稻米中總砷和無機(jī)砷含量結(jié)果采用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，各縣之間含量用單因素方差分析(one-way ANOVA)中的 LSD 檢驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn)。

1.8 江西省稻米中無機(jī)砷的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署(US Environmental Protection Agency,USEPA)發(fā)布的健康風(fēng)險(xiǎn)模型，采用周暴露量(weekly dose of intake,WDI)對(duì)江西省稻米中無機(jī)砷污染對(duì)人群健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，以風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)HQ表示稻米中無機(jī)砷的風(fēng)險(xiǎn)大小。HQ<1，則表示無健康風(fēng)險(xiǎn)，HQ≥1，則表示存在健康風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算公式見式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，HQ為健康風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；WDI為無機(jī)砷的周暴露量，mg/(kg·周)；Cf為稻米中無機(jī)砷的含量，mg/kg；IR為大米日攝入量，kg/d；EF為暴頻頻率，d/a；ED為暴露年限，a；D為每月天數(shù)，d/月；BW為體重，kg；AT為平均時(shí)間，d；PTWI為每周可耐受攝入量，mg/(kg·周)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 測(cè)定精密度和質(zhì)量控制

質(zhì)量控制采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定法，結(jié)果見表3。

GBW(E)080684a稻米粉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中，總砷標(biāo)準(zhǔn)值為(0.423±0.023)mg/kg，測(cè)定平均值為 0.429 mg/kg；Nist1568b米粉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中，無機(jī)砷標(biāo)準(zhǔn)值為(0.092±0.010)mg/kg，測(cè)定平均值為 0.091 mg/kg。表3的結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確度和精密度良好，均滿足實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析的要求。

表3 總砷和無機(jī)砷含量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定結(jié)果Tab.3 Determination results and value of certified reference materials mg/kg

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制及線性方程和相關(guān)系數(shù)

總砷含量和無機(jī)砷含量(As3+、As5+)標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性方程和相關(guān)系數(shù)分別為y=3 568.5x+278.26(r=0.999 9)；y=13 284x-2 969(r=0.999 7)；y=6 710.6x-690.69(r=0.999 3)。由相關(guān)系數(shù)可知，測(cè)定總砷及無機(jī)砷的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系均良好，滿足實(shí)驗(yàn)需求。

2.3 稻米樣品中總砷含量的測(cè)定結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)共監(jiān)測(cè)江西省10個(gè)縣市的100份稻米樣品，總砷含量的結(jié)果見表4。結(jié)果表明，對(duì)于江西省總體來講，總砷含量為0.045～0.382 mg/kg，均值為0.170 mg/kg；10個(gè)縣市的稻米中總砷含量平均值之間存在差異，變異系數(shù)為11.1%?？偵楹孔畲笾?.382 mg/kg和最小值0.045 mg/kg均來源于德興縣；總砷含量平均值的最大值0.217 mg/kg來源于修水縣，最小值0.149 mg/kg來源于余干縣?，F(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)中，未對(duì)總砷含量的限量做出要求。

用SPSS軟件的LSD檢驗(yàn)(one-way ANOVA)可知，對(duì)于總砷含量而言，余干縣總砷含量最低，而且與其他9個(gè)縣的總砷含量比較均體現(xiàn)出顯著的差異性(P<0.05)；修水縣的總砷含量最大，其與鄱陽縣和寧都縣的總砷含量之間比較差異不顯著(P>0.05)；寧都縣除了與余干縣差異顯著外，與其他8個(gè)縣的總砷含量相比差異均不顯著。

表4 江西省稻米中總砷含量測(cè)定結(jié)果Tab.4 Determination results of total arsenic in rice samples of Jiangxi mg/kg

不同字母表示含量之間差異的顯著性 (P<0.05)。

2.4 稻米樣品中無機(jī)砷含量的測(cè)定結(jié)果

江西省10個(gè)縣市的100份稻米樣品中無機(jī)砷檢出率為27%。As3+、As5+測(cè)定的質(zhì)譜圖見圖1，無機(jī)砷含量的結(jié)果見表5。由圖1所示，As3+、As5+色譜峰分離效果良好，出峰時(shí)間分別為 2.418 min和12.703 min；通過分析100份稻米樣品的色譜圖，得知所有樣品中的As3+含量明顯高于As5+含量，As3+含量占無機(jī)砷總含量的90%以上，說明稻米無機(jī)砷的主要存在形態(tài)是As3+。表5結(jié)果表明，對(duì)于江西省總體來講，無機(jī)砷含量在 0.000～0.180 mg/kg，均值為 0.067 mg/kg；10個(gè)縣市的稻米中無機(jī)砷含量平均值之間存在比較大的差異，變異系數(shù)為53.6%。無機(jī)砷含量最大值 0.180 mg/kg 來源于修水縣和都昌縣；10個(gè)縣市中，無機(jī)砷平均含量最高的來源于修水縣為 0.107 mg/kg，最小值來源于余干縣為 0.000 3 mg/kg。文濤等[1]的研究表明，稻米中無機(jī)砷含量范圍為0.039～0.150 mg/kg；潘浩[4]研究表明，江西省無機(jī)砷含量為0.095 3 mg/kg；這些研究結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相符合。

LSD檢驗(yàn) (one-way ANOVA)數(shù)據(jù)所示，對(duì)于無機(jī)砷含量而言，10個(gè)縣市的無機(jī)砷含量之間相比均體現(xiàn)出顯著性的差異。而且，無機(jī)砷占總砷含量的比值在0.223%～53.02%。

總砷包括有機(jī)砷和無機(jī)砷，而具有衛(wèi)生學(xué)意義和食品安全意識(shí)的主要是無機(jī)砷。我國自2017年9月17日起實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》中，規(guī)定了大米中無機(jī)砷的限量為 0.2 mg/kg，而對(duì)總砷的含量已不作要求。本次測(cè)定的江西省稻米中的無機(jī)砷含量均在國家限量標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)溶液中As3+、As5+的HPLC色譜Fig.1 HPLC chromatogram of As3+ and As5+ standard solution

表5 江西省稻米中無機(jī)砷含量測(cè)定結(jié)果Tab.5 Determination results of inorganic arsenic in rice samples of Jiangxi province mg/kg

不同字母表示含量之間差異的顯著性 (P<0.05)。

2.5 江西省稻米中無機(jī)砷的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析

目前，聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織下的食品添加劑聯(lián)合專家委員會(huì)(Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives,JECFA)制定了無機(jī)砷的暫定每周耐受攝入量(provisional tolerable weekly intake,PTWI)為15 μg/(kg·周)，參照表6中的相關(guān)參數(shù)計(jì)算稻米中無機(jī)砷的周暴露量以及健康風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)HQ，結(jié)果表明，江西省10個(gè)縣市稻米中無機(jī)砷的HQ在0.001～0.387 mg/kg，說明江西省稻米中無機(jī)砷含量對(duì)于普通人來講是沒有健康風(fēng)險(xiǎn)的。

3 結(jié) 論

本文選取了江西省10個(gè)縣市的100份生產(chǎn)基地的稻米樣品為實(shí)驗(yàn)原料，采用ICP-MS和HPLC-ICP- MS方法，測(cè)定了稻米樣品中的總砷和無機(jī)砷含量。標(biāo)準(zhǔn)曲線、線性方程和相關(guān)系數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測(cè)定結(jié)果表明，該分析方法的準(zhǔn)確度和精確度高，穩(wěn)定性和重復(fù)性良好，滿足稻米中總砷和無機(jī)砷的測(cè)定需求。

表6 稻米中無機(jī)砷暴露量評(píng)價(jià)模型公式計(jì)算相關(guān)參數(shù)Tab.6 Parameters for probability model of inorganic arsenic in rice samples

測(cè)定結(jié)果表明，江西省10個(gè)縣市的稻米總砷含量在0.045～0.382 mg/kg之間，均值為0.170 mg/kg；無機(jī)砷含量在 0.001～0.180 mg/kg，均值為 0.067 mg/kg，按照GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》對(duì)無機(jī)砷含量進(jìn)行判定，無超標(biāo)樣品，含量均在國家限量標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。江西稻米中無機(jī)砷主要以As3+形態(tài)存在，As3+含量占無機(jī)砷總含量的90%左右。單因素方差分析結(jié)果顯示，各個(gè)縣市的稻米中總砷和無機(jī)砷含量之間均存在不同程度的差異性，其中無機(jī)砷含量的差異較大，10個(gè)縣市之間的無機(jī)砷含量相比均體現(xiàn)出顯著地差異性。通過USEPA公布的健康風(fēng)險(xiǎn)模型對(duì)江西稻米中無機(jī)砷含量進(jìn)行暴露評(píng)估，結(jié)果表明無健康風(fēng)險(xiǎn)。

從食品安全角度出發(fā)，無機(jī)砷毒性大，食品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)測(cè)稻米中無機(jī)砷含量。本測(cè)定方法適合稻米及其大米食品中無機(jī)砷含量的測(cè)定，為有效執(zhí)行國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)，保證監(jiān)管力度以及稻米及其大米副食品的食用安全性提供了可靠的技術(shù)支持。