原创《食品中砷、汞的测定方法与生物可给性进展》
本文是研究进展学年毕业论文范文跟砷和测定方法和研究进展方面本科论文范文。
摘 要：食物中的砷和汞含量是评价食品安全的重要指标,其生物可给性更是评价暴露人口的重要依据.本文综述了食品中总砷、总汞和不同形态砷和汞的测定方法,论述了食品在加工过程中砷和汞的变化及其生物可给性.
关键词：砷；汞；测定；生物可给性；研究进展
一、砷和汞的综述
砷（As）和汞（Hg）都是具有很大毒性的元素,在自然界中普遍存在,摄入过量的砷、汞或长期暴露在微量砷、汞的环境下会对地球生物（植物、动物和人体等）产生严重的毒害作用.砷或汞主要由污染的水体、食物和空气等经食物链进入人体后,随血液流动分布于全身各组织器官,累积到一定程度后就会引发多器官组织和功能的异常变化,导致急性或慢性中毒.从它们的暴露途径来看,食物是人体砷和汞暴露的最主要途径之一.随着人们对重金属危害的认识不断深入,砷和汞在体内的积累对人体造成的潜在健康风险逐渐引起重视,国内外对其的生物毒性及其对人体健康风险的研究日益增多.
砷分为有机砷和无机砷两类,在不同食品中以多种形态存在.无机砷包括亚砷酸盐（arsenite,As）Ⅲ和砷酸盐（arsenate,As）Ⅴ；有机砷包括一砷酸（monomethyl arsenic acid,MMA）、二砷酸（dimethyl arsenic acid,DMA）、砷甜菜碱(arsenobetaine,AsB)、砷胆碱（arsenocholine,AsC）和砷糖（Arsenosugar）等.研究表明,不同形态的砷表现出的毒性效应和生物有效性存在较大差异,国际癌症研究中心已确认无机砷及其化合物为Ⅰ级致癌物质；MMA和DMA也被归为潜在的致癌物质,而砷糖、砷甜菜碱和砷胆碱几乎没有毒性,其中AsⅢ、AsⅤ、MMA和DMA是威胁人类健康最重要的4种砷形态.
自然界中的汞形态主要有汞、乙基汞、汞和无机汞,不同形态的汞具有不同的物理化学性质和生物活性,其中汞的毒性最大,并且具有极强的生物亲和力,易于穿透生物膜且通过食物链聚集；而无机汞易于在生物体内富集并转化为汞.另外,食品中的砷和汞与食物成分相结合,呈现多种形态,其生物可吸收性、有效性和毒性也有很大的差别.
二、食品中砷、汞的测定方法研究进展
目前,原子吸收光谱仪已经大量使用,通过原子吸收法测定金属元素的方法已非常成熟,而用其测定食品中的砷和汞也已有大量报道.
1.食品中砷的测定方法研究进展.在自然界中,砷以多种形态存在,为研究砷的暴露风险,国内外学者建立了多种测定不同食品中砷的方法.曹峰建立了一种测定虾酱中无机砷的微波辅助萃取-原子荧光光谱法,虾酱中的无机砷经微波萃取后,采用原子荧光光谱法测定.结果表明,该方法灵敏度高、简便快捷,可准确测定虾酱中无机砷的含量.
王亚等采用电热消解结合ICP－AES和高效液相色谱-氢化物发生-原子荧光光谱法（HPLC－(UV)－HG－AFS）分别测定了4种中国紫菜样品的总砷含量,并且分析了紫菜中5种砷的形态.结果表明紫菜中总砷含量为14.0mg/kg－42.1mg/kg,DMA（0.196mg/kg－0.668mg/kg）,未检测出As（III）、As（V）、MMA和AsB,提示紫菜砷的形态主要是砷糖.
柳晓娟采用微波消解－氢化物原子荧光光谱法（HG－AFS）和高效液相色谱与电感耦合等离子体质谱联用技术（HPLC－ICP－MS）研究了中草药样品中砷的含量及其赋存的化学形态,分析了砷含量特征及砷形态分布规律.
潘浩优化了热提取、超声波提取和微波辅助提取大米中无机砷的条件,并分别优化了高效液相色谱－氢化物发生－原子荧光光谱仪（HPLC－HGAFS）和高效液相色谱－电感耦合等离子体质谱（HPLC－ICP－MS）测定无机砷的条件,并利用建立的方法对全国范围内的大米样品进行监测,评估了我国市场上大米中无机砷污染现状.方法的检出限（3s/k）为0.064μg/L,得方法的回收率在89.0%－102.5%,测定值的相对标准偏差（n等于6）为1.7%.
武铄采用液相色谱－氢化物发生－原子荧光法对水、啤酒、沉积物和水产品进行了砷形态的研究.优化了Hamilton PRP－X100阴离子柱对水基样品的处理条件,成功分离了水样产品（太湖水以及啤酒）中包括As（Ⅲ）、二砷酸钠、一砷酸二钠和As（Ⅴ）4种砷的化合物,通过检测,4种砷的形态在10μg/L－200μg/L时线性良好,加标回收率范围为91.4%－104%.比较了不同提取液和微波处理条件的提取效果,并分析了湖底沉积物中砷的形态.结果表明,4种砷的形态在10μg/L－160μg/L时线性良好,检测限为0.6μg/L－2.3μg/L,RSD范围在1.62%－2.19%.样品沉积物中总砷含量在8.37μg/L－13.1μg/L,且以As(Ⅴ)为主要存在形态.采用加速溶剂萃取仪提取水产品中五种砷形态,通过不同提取液的比较以及提取条件的优化,结果显示,以50%的甲醇水溶液作为提取剂,选定的萃取条件为1500 Psi,60℃,静态提取5min.以20mmol/L碳酸氢铵和10mmol/L硫酸钾溶液pH 9.00作为流动相,2% K2S2O3作为消解液在线消解砷有机化合物.提取率达83.4%－93.5%,回收率达88.0%－98.8%.水产品中总砷的含量在0.152μg/g－6.13μg/g,最终测得砷甜菜碱是水产品中主要的存在形态.
李普提出了芯片整体柱电色谱与电感耦合等离子体质谱联用,并对砷的形态进行了分析.以缓冲液为5m M硼砂（pH 9.2） + 20%（v/v）乙腈,分离电压为2kV,电动进样为5s分离了两种汞的形态；以缓冲液为5m M硼酸盐缓冲液（pH 9.2）+20%（v / v）乙腈,分离电压为2.5 k V,电动进样时间为5.0 s时对四种常见的砷形态进行了分离.
总之,研究人员已经建立了许多砷的测定方法,分光光度法是一种传统、简单的检测方法,但分析结果的重现性较差.而原子荧光光度法、原子吸收光谱法和ICP－AES受到的干扰因素比较少,结果准确度较佳,但由于仪器昂贵,现阶段无法在所有企业普及使用,只在特定的检测机构中使用.另外,前处理方式也会影响测定的结果,从已报道的文献来看,基本上有3种无机砷提取方法,其中微波消解处理,不仅能缩短实验时间,而且实验数据较为准确可靠；超声提取也优于国标推荐的水浴提取方法.在没有微波和超声条件下可以将总砷处理后的样品使用活性炭吸附样液中的有机砷后进行测定.还有,如需要进一步分析不同形态下砷的含量,采用有机溶剂的萃取也是一种较佳的方法.
2.食品中汞的测定方法研究进展.由于不同形态汞化合物的毒性有差异,用灵敏度较高的分析测定方法非常必要.目前汞形态测定方法很多,较早使用的有气相色谱电子捕获检测器（GC－ECD）或气相色谱发射检测,但此法前处理较为繁琐,且结果的干扰因素多.现阶段,各种联用技术,如高效液相色谱与原子吸收（AAS）、原子荧光（AFS）、电感耦合等离子体质谱（ICP－MS）被广泛应用于汞形态分析,并且具有前处理简单、适用性强的优点.
肖亚兵等建立微波辅助萃取－液相色谱－原子荧光（MAE－LC－AFS）测定鱼肉中汞和乙基汞的分析方法.优化了微波辅助萃取的提取剂、萃取温度已经液相色谱的流动相,结果表明,所建立的方法在0μg/L－50μg/L范围内汞和乙基汞的线性关系良好,线性相关系数大于0.999,汞和乙基汞检出限（S/N等于3）分别为0.07μg/L、0.13μg/L.样品在0.25mg/kg、0.5mg/kg、1.0mg/kg3个加标水平下的平均回收率分别为,汞80.3%－91.4%、乙基汞72.2%－83.3%,相对标准偏差（RSD）分别为2.4%－5.8%、2.3%－5.5%.
朱晨华等建立了以HCl-L半胱氨酸为提取剂,应用微波体系对样品进行提取,利用高效液相色谱－原子荧光联用分析水产品和乳制品中不同形态汞的方法.结果表明,采用该方法测定标准物质和鱼肉中总汞和汞的含量,结果均在标准值范围内.王媛等建立微波辅助－液相色谱－原子荧光光谱联用技术分析水产品中的无机汞、汞、乙基汞、二汞的方法.结果表明样品经复合提取液（6mol/L HCl、0.10mol/L NaCl和0.2% L-cysteine 5mL）微波萃取后,采用HPLC-AFS分析,在浓度为0.5μg/L－100μg/L时,线性关系良好,检出限分别为2.08μg/kg、1.41μg/kg、1.36μg/kg.其日内精密度为3.65%,日间精密度为5.14%,是一种法操作简便、快速、灵敏、准确的分析方法,可满足鲜活水产中无机汞、汞、乙基汞的测定,但不适用样品中二汞的提取检测.
王林裴等建立了微波消解HPLC-ICP-MS测定水产品中汞、乙基汞及无机汞的分析方法.结果显示,采用5mol/L HCl在85 ℃下微波消解15min处理后,以10mmol/L乙酸铵/0.12% L-半胱氨酸（pH为7.5）和甲醇的混合溶液（95+5）为流动相,能够在5min内对汞、乙基汞、无机汞进行分离和测定,并具有简便、快速、准确、灵敏度高等优点.李普以自制的毛细管色谱填充柱来分离汞形态,并与等离子质谱联联用,研究了反相毛细管色谱在汞形态分离上的应用.结果显示, 选用100μm×360μm×15cm规格色谱柱,以2mM硼砂（pH 8.97）+2mM L-半胱氨酸+10%（v/v）甲醇为电泳缓冲液,在电压为-5kV,缓冲液流速为0.15mL/min时,在8min就实现了三种汞形态的分离.
此外,砷和汞都是有害重金属,科研人员也对同时检测两种金属的方法进行了探讨.彭晓俊采用微波消解法消解陈皮样品,利用氢化物发生-原子荧光光谱法同时测定陈皮中砷和汞.结果显示,荧光强度与砷及汞的质量浓度在20.0μg/L及2.00μg/L以内呈线性关系,砷和汞的检出限分别为0.084μg/L和0.022μg/L.用此法分析6个陈皮试样,所测值的相对标准偏差均小于7.0%,砷和汞的平均回收率分别为93.6%和90.7%.但是对于同时测定两种金属不同形态的研究未见报道.
三、加工方法对食品中砷、汞的形态及生物可给性的研究进展
生物有效性（bioailability）是指被人体吸收后进入血液或淋巴组织内的污染物含量或者其与摄入总量的比例.当前,研究生物有效性通常采用体外消化法,即通过模拟人体消化系统（胃和小肠）,采用与人体生理条件一致或相接近的人工合成消化液（唾液、胃液、小肠液等）来提取不同基质中的污染物,测定污染物溶出量,计算得出污染物的生物可给性.
不同形态的砷在理化性质、迁移性、毒性等方面都表现出很大的差异.不少国家或地区制定了食品中总砷或无机砷的最大容许浓度以及每周耐受摄入量的标准,并通过比较食品砷摄入量与耐受摄入量来评估食品中砷的健康风险.当前,关于食品摄入的砷暴露量以及健康风险评价研究多数是基于大米、蔬菜、肉类及水产品等食品中砷总量或者无机砷的浓度计算的,但实际上,食品从“农场到餐桌”的时间较长,并且食品原料生物加工、储存方式也有所不同,所以需要对不同原料中砷的具体形态进行分析.已有研究表明,食品或中草药在加工处理过程中,水洗、浸泡和冷藏等前处理以及蒸、煎、炸、煮等加工过程,可能会使食品中的砷通过溶解、挥发和分解的形式发生浓度或形态变化,进而改变食品砷的生物可给性,最终可能影响食品中砷对人体的健康风险.
对于汞而言,有机汞比无机汞毒性更大,其中汞毒性最大,无机汞和金属汞的生物利用度差异很大.许多国家和地区制定了食品中汞和汞的摄入量的限值,并通过比较汞摄入量和耐受性来评估食品汞的健康风险.已有研究表明,不同的加工工艺对食品中汞、汞的形态及其生物可给性具有一定的影响.目前,关于加工工艺对食物中重金属的生物可给性影响的研究主要集中在加工方式和外源物质的添加.
柳晓娟研究了中草药中无机砷的生物可给性,发现草药原药经人工胃肠模拟系统后胃肠液中只存在As（Ⅲ）和As（Ⅴ）两种形态,并使部分As（Ⅲ）向As（Ⅴ）转化；饮片的煎煮液及祁菊花冲泡的水溶液中,同样只有As（Ⅲ）和As（Ⅴ）两种形态；煎煮液及菊花冲泡水在胃肠阶段的无机砷均显著低于原药在胃肠溶液中的无机砷浓度.中草药进入人工胃肠模拟系统后,其无机砷的生物可给性除知母和天花粉在胃肠阶段无机砷的生物可给性较高外,其它中草药原药样品无机砷在胃阶段的生物可给性范围为29.4%－77.0%,草药原药中无机砷在小肠阶段的生物可给性为29.3%－71.5%.对于煎煮样品,无机砷在胃阶段的生物可给性范围为3.35%－18.9%,无机砷在肠阶段的生物可给性范围为6.31%－18.4%.由于煎煮可以降低原药中砷的摄入量,所以与原药相比,煎煮药液中无机砷的生物可给性明显降低,并且对人体的健康风险也随之降低.
海虾中砷在胃、小肠和大肠阶段的生物可给性分别为79.48%&plun;7.79%、87.08%&plun;5.70%和68.64%&plun;19.71%.海虾中砷以无毒的砷甜菜碱（AsB）为主要赋存形态,同时还有少量亚砷酸[As（III）]和As(V).海虾中的砷形态组成在胃、小肠和大肠中未发生改变.白灼和油炸烹饪处理的海虾中砷的生物可给性及其形态特征在胃肠模拟系统中无显著变化.
供试大米中砷在胃和小肠阶段的生物可给性分别为56.18%&plun;18.39%和68.74%&plun;18.98%.大米中砷主要以高毒的As（III）为主要赋存形态,进入人体胃肠系统后砷形态组成特征未发生变化.
王振洲等利用体外消化（Caco－2细胞模型）方法评估砷污染蔬菜的生物可给性,评价蔬菜中砷对人体产生的健康风险.结果表明,生菜和油菜中砷的生物可给性均随着蔬菜中砷含量的上升而逐渐降低.在固液比为1∶30的条件下生菜和油菜的生物可给性分别为29.13%－49.39%和27.13%－51.95%,添加外源铁可使其生物可给性分别下降到22.24%－37.88%和23.36%－47.56%,添加外源钙则对其生物可给性几乎没有影响.在固液比为1∶100的条件下生菜和油菜的生物可给性大幅提升,分别为42.39%－79.09%和37.40%－76.59%.在提升消化液中铁浓度0.0067mol/L的情况下,砷的生物可给性降低约6.89%－11.51%,表明食用含铁的食物能有效减少人体对食物中砷的摄入.另有研究表明,紫菜中总砷的生物可给性在200℃烘焙后显著提高,烘焙后熟紫菜中无机砷的生物可给性也显著提高 43%.
煮、蒸、炸、烤的加工方式降低了石斑鱼肉和赤鯮鱼肉中总砷的生物可给性,其中油炸和烧烤后的食品中总砷的生物可给性降低1.2%－76.2% ,而煮和蒸烹调后总砷的生物可给性仅降低1.4%－7.0%.鱼类和贝类海产品（沙丁鱼、鳕鱼、海鲂、鳎目鱼、鱿鱼、甲壳类和双壳类等）在烹调后砷主要以As B 形态存在,DMA和TMA+次之,AsC和MMA的量较少；经过炸、烤、煎烹调后其中一些海产品中AsB、DMA、TMA+和 MMA浓度有较大幅度的升高.紫菜在150℃加工时,砷形态基本上不会变化,在150℃－250℃烘烤时,紫菜中的DMA、MMA 以及As（V）的浓度明显升高,当达到250℃时,紫菜中的砷糖完全被降解,砷的主要形态变为As（V）和 As（III）].
综合报道的文献来看,加工处理过程对食品中砷形态影响的原因主要是由于不同食品原料和加工方式引起的.其中海产品的高温加工方式可能导致AsB转化为TMA+,DMA分解为MMA,MMA分解为无机砷；并且只有在炸、煎、烤等高温的加工方式下海产品中的砷才可能发生形态变化.食用含铁的食物能有效降低食物中砷的生物可给性.高温烘烤时紫菜中的砷糖能分解为DMA、MMA及无机砷,且温度越高分解越彻底.但是,目前尚未有对食物加工后砷的形态与生物可给性变化关系的研究报道.
目前,关于加工工艺对汞影响的研究报道主要有对其总量的变化、形态的转化和生物可给性等方面.Gremiachikh等研究表明,鲈鱼在烟熏、咸水鱼和淡水鱼在工厂加工及家庭烹饪时,不同加工方式和时间对其汞总量没有影响.Perello等研究发现,沙丁鱼和金鱼肉的总汞含量（湿重）在油炸后都有所增加；烧烤后的鲟鱼在总汞含量有所增加,但是油炸和焙烧等加工方式会使鲟鱼的总汞含量降低,但差异均无统计学意义（P>0.05）.Oueédraogo等研究发现煮熟后的鲭鱼、鲨鱼和金鱼的鱼肉中总汞含量稍高于未加工和油炸后鱼肉中的含量,但无统计学差异（P>0.05）,而生鱼肉中总汞的含量与油炸鱼肉接近.推测加工过程中,无机汞和有机汞之间没有发生形态转化.进一步利用体外实验模拟发现,鲭鱼、鲨鱼和金鱼的生鱼肉中总汞的生物可给性为80%,而经煮和油炸后,显著降低了其生物可给性（P<0.05）,分别为40%和<20%；生鱼肉消化后消化液中汞溶出的浓度是未溶出的11倍,但是经煮和油炸后鱼肉中汞在消化液中溶出的浓度分别是未溶出的1/2以及1/12,表明加工后汞的生物可给性明显下降（P<0.05）.Li等研究了蒸煮糙米和白米中总汞含量的影响,并进一步并利用高效液相色谱－电感离子耦合-质谱法分析了糙米和白米在加工前后汞的形态,结果表明蒸煮对二者中总汞含量的影响没有无统计学意义（P>0.05）,蒸煮可以将白米中的大部分汞半胱氨酸转化为汞的其它形态,遗憾的是,没有检测出具体是汞的何种形态.
另外,已有少量研究报道外来添加物对食物中Hg的生物可给性的影响.研究表明,在鲨鱼、鲭鱼和金鱼肉中添加一定量的红茶和绿茶能使其中Hg的生物可给性降低50%－60%和35%；添加咖啡能使鲭鱼中Hg的生物可给性降低50%,能使鲨鱼和金鱼中Hg的生物可给性降低10%－30%；但是加入玉米淀粉后,鱼肉中Hg的生物可给性却没有显著的变化.另有研究表明,添加红茶、绿茶和大豆蛋白分别可使鲭鱼肉中汞的生物可给性下降81%－91%,82%－92%和44%－87%.但是,关于其它食品中汞的生物可给性在加工前后的变化鲜有报道.整体而言,上述研究结果显示出加工过程中鱼肉和大米中汞并没有转化为无机汞,但是其它有机汞形态如乙基汞、汞等缺乏相关研究报道；另外,对加工过程中汞的形态变化的机制也鲜有报道.
四、结语
随着工业化和城市化进程的加速发展,对无意摄入的砷和汞对人体尤其是对儿童的风险进行评估,是一个关系到成千上万居民健康的民生问题,也是一个迫切需要解决的科学问题.研究食物中砷和汞的测定方法及生物可给性,并进一步研究其对人体的健康风险已经成为一种趋势.
当前的研究,主要集中在对不同食物体系建立合适的砷、汞测定方法,测定食品中总砷、汞和含量,并对不同形态的砷、汞进行研究,讨论不同形态砷、汞的生物可给性和加工方式对其的影响.但是,由于总砷、总汞含量与其生物可给性和暴露风险并无很好的对应关系,所以对食品中砷、汞的具体形态研究至关重要.建议进行相关的食品中砷、汞的具体形态的研究,以便于对标准的制定提供依据.另外,食品在烹饪、加工、储存、运输过程中,砷、汞的不同形态及可能的形态转变以及在人体消化系统中的形态含量与形态转变的相关研究也比较少,相关的研究还有待加强.根据不同加工方式和生物利用度变化综合考虑砷、汞的摄入情况,并进行暴露和健康风险进行评估,是值得进一步探讨的方向.
研究进展论文参考资料：
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