全氟化合物在食品中的污染情況及檢測方法研究進展

鄭 翌,冷桃花,潘煜辰,陳貴宇,秦 宇,顧宇翔

(上海市質量監督檢驗技術研究院,上海 200233)

全氟化合物(perfluorinated compounds,PFCs)化學結構上通常含有一個疏水的烷基鏈和一個親水的功能基團(如羧酸和磺酸),烷基鏈一般由4～18個全氟化的碳鏈構成;主要包括全氟羧酸(perfluorocarboxylic acids,PFCAs)、全氟磺酸(perfluorinated sulfonic acids,PFSAs)等,其中全氟辛酸(perfluorooctanoic acid,PFOA)和全氟辛烷磺酸(perfluorooctane sulfonate,PFOS)是目前應用最廣泛的兩種全氟有機物。PFCs于20世紀50年代被3M公司開發出,由于氟具有最大的電負性,使得C-F鍵具有強極性,因此PFCs能夠經受強的紫外光照、加熱、化學作用、微生物以及代謝作用而很難降解[1-2];這樣特殊的結構和性能使其具備顯著的疏水、疏油性、較好的表面活性和非常穩定的化學性質,因此被廣泛應用于紡織品、皮革、阻燃劑和表面活性劑等諸多領域[3]。然而,大量含PFCs商品的研發、生產、使用和處置,使其通過多種途徑遷移至環境介質及生物體內[4-5],并且被發現的種類也越來越多,隨著研究的深入,其已被證明對生態環境及人類健康構成了威脅。

本文對PFCs的危害、國內外已出臺的限制規定以及食品中的PFCs污染水平進行了綜述,通過分析食品中PFCs檢測技術的現狀和發展趨勢,為后續研究和風險評估提供參考。

1 全氟辛酸和全氟辛烷磺酸等全氟化合物的危害

2004年“杜邦特氟龍”事件爆發后,國際社會開始高度關注全氟化合物,由于PFCs難以被新陳代謝、水解、光解、生物降解,導致它會在環境中持久存在,而且PFCs不同于其它持久性有機污染物疏水的特性,其在水中的溶解度比較大,能在水體中長期大量存在[4,6],導致高生物富集性,使處于食物鏈最頂端的人類存在健康風險[7]。攝入過多PFOS與PFOA可引起癌癥[8]、甲狀腺毒性[9]、免疫系統毒性[10-11]、生殖毒性[12]等病癥。研究表明,孕期母親PFCs暴露對新生兒及嬰兒生理、心理發育均存在近期及可能的遠期危害效應[13],因此建議育齡期婦女盡量減少與其相關的一次性紙質包裝食品、室內外灰塵等途徑的接觸。

此外,PFCs的前體物質也是生物體內PFCs污染的主要來源[14]。如PFOS的前體物質包括N-甲基全氟辛基磺酰胺和N-乙基全氟辛基磺酰胺,二者為原料可以繼續合成前體物質N-甲基全氟辛基磺酰氨基乙醇和N-乙基全氟辛基磺酰氨基乙醇[15]等化合物。PFCs前體物質分布范圍廣泛[16-17],在自然條件下可通過不同方式富集于生物體內并轉化為毒性更大和半衰期更長的PFCs,而且前體物質自身或所轉化的中間體也具有類激素作用、細胞毒性等生物學毒性[14]。

2 國內外全氟辛酸和全氟辛烷磺酸等全氟化合物法規

2009年斯德哥爾摩公約第四次締約方大會決定將PFOS及其鹽類與全氟辛烷磺酰氟列入公約附件B(限制類)。2015年斯德哥爾摩締約方大會通過了PFOA及其鹽類和相關化合物的附件D審查(持久性有機污染物特性篩選),決定在其附件E審查時應納入可降解為PFOA的鹽類和相關化合物。目前不少全氟化合物的毒理學性質尚不清楚,雖然目前公約主要考慮PFOS和PFOA,但是普遍認為應該有更多PCFs屬于持久性有機污染物。

2008年歐盟食品安全局食物鏈污染物科學專家組把0.03 mg/(kg·d)(b.w.)作為未觀察到損害作用水平(NOAEL)值[18],再乘以不確定性因子200得出人均每天可承受PFOS攝入量為150 ng/(kg·d),PFOA 1500 ng/(kg·d)。此外還有多個機構對PFOA和PFOS的居民每日的耐受攝入量進行了規定[7]。2011年歐盟發布調查報告,認為水產動物源性食品中PFCs殘留水平明顯高于陸源性動物食品,進而提出水產動物源性食品常態化監控PFCs的建議。2017年歐盟發布法規(EU)2017/1000[19],正式將PFOA新增為第68項REACH法規限制物質,2020年7月4日之后,除豁免情況外,當PFOA及其鹽類含量≥25 μg/kg,PFOA相關物質單項或者多項總含量≥1000 μg/kg時不得生產或投放市場。

聯合國經濟合作和發展組織提出過關于限制使用PFOS和PFOA的導則,美國國家環保局將PFOA定義為人類可能致癌物。根據中國《產業結構調整指導目錄(2011年本)》[20],涂料等用途的PFOS將全部淘汰,用于消防和全封閉體系電鍍等用途的PFOS尚未列入名單中。

3 全氟辛酸和全氟辛烷磺酸等全氟化合物在食品中的污染情況

1968年就有報道在人體血液中檢測到了有機氟[21],此后隨著檢測技術的進步,全世界范圍內的水資源、生態環境樣品、野生動物和人體內都已經檢測到PFCs的存在[5-6,16-17]。目前,生物體內的PFCs的確切來源尚不完全清楚,但膳食是途徑之一[22-23]。2012年,歐盟對歐洲13個國家2006～2012 年間全氟化合物檢測數據的統計發現,膳食攝入能導致人體具有暴露PFCs的潛在風險,并且兒童的暴露水平是成人的2～3倍[24],因此分析食品中的PFCs污染狀況具有重要的意義。

3.1 水產品及其制品

結構中末端不同的親水基團使得不同種類PFCs的理化性質各異,從而在水中和沉積物中的含量情況不一致,使不同生活習性的水生生物的富集能力存在差異[23,25]。美國從164個城市河流取樣點和157個近岸大湖取樣點檢測的魚類樣品表明,PFOS的檢出頻率最高[23],其次是全氟癸酸、全氟十一酸和全氟十二酸。城市河流樣品和大湖樣品的最大PFOS含量分別為127、80 μg/kg。Vassiliadou等[26]對地中海魚類和貝類進行了PFCs分析,除沙丁魚、貽貝和魷魚外,所有樣品均檢出PFCs。污染物以PFOS為主,含量最高的是棒鱸,達20.4 μg/kg,其余樣品含量低于5.66 μg/kg。Domingo等[27]對西班牙加泰羅尼亞地區水產品的研究中檢出了7種PFCs,各種魚、甲殼和貝類中至少檢出一種PFCs,平均含量最高的PFOS為2.70 μg/kg,PFOA平均含量為0.074 μg/kg,其中最高的是蝦(0.098 μg/kg)和鱈魚(0.091 μg/kg)。

從國內來看,青藏高原、丹江口和漢江的淡水魚中PFCs含量不高[28-29],其中青藏高原魚類的PFOS為未檢出～7.54 μg/kg;PFOA為未檢出～1.86 μg/kg;丹江口和漢江魚類為的PFOS為未檢出～1.11 μg/kg;PFOA為未檢出～3.17 μg/kg。長江流域5個省份10個城市27種水產品中黃鱔PFOS的檢出比例最高[30],為78.95%;河蟹中PFOS含量水平最高,達6.29 μg/kg;PFOS的含量范圍整體較PFOA高,前者為未檢出～11.53 μg/kg,后者為未檢出～2.18 μg/kg。北京市水源地的魚體中PFCs也存在不同程度的檢出[31],PFOS、PFOA、全氟壬酸、全氟癸酸、全氟十一酸和全氟十二酸的檢出率達到100%,其中PFOS和長鏈PFCAs是魚體中的主要污染物,PFCs總量濃度為1.70～14.32 μg/kg,肉食性魚類中PFOS含量大多高于雜食性魚類。

上述研究表明,國內外水生生物體內廣泛存在PFCs,平均含量在μg/kg級別,以PFOS最為普遍。水產品在生長過程中體內會不斷富集PFCs,其在水產品中的含量具有隨食物鏈生物累積放大的效應。由于近年來各種飲食和健康節目和宣傳都建議人們少吃畜禽肉,多吃水產品,使得水產品在人類飲食上所占的比重加大,經由水產品攝入導致的人體PFCs暴露量增加,雖然尚未達到對人體健康具有風險的水平,但有必要加強監控。

3.2 乳及乳制品

通過向母牛喂養含PFCs污染物的飼料的方法,可以研究牛奶中PFCs的含量變化情況,Kowalczyk等[32]飼養的奶牛日平均采食全氟丁烷磺酸、全氟己烷磺酸、PFOS、PFOA的量分別為3.4、4.6、7.6和2.0 μg/kg體重。結果表明,隨著喂養時間的延長,PFCs在牛奶中的濃度也隨之增加,其中濃度最高的是PFOS;飼喂結束時,牛奶中PFOS含量為14 μg/kg,其次為全氟己烷磺酸2.5 μg/kg,而另外兩種幾乎不分泌到牛奶中。

我國市售牛奶普遍存在全氟化合物的污染問題[33],檢出最多的是PFOS,PFOA和全氟十一酸,含量范圍分別為未檢出～127.0、未檢出～431.9、未檢出～15.95 ng/L;此外,還檢測出3種全氟化合物前體物質,分別為1H,1H,2H,2H-全氟己基磺酸、1H,1H,2H,2H-全氟辛基磺酸和lH,1H,2H,2H-全氟辛基-2-磷酸鹽,含量水平低于PFCs,分別為3.75、未檢出～2.49、未檢出～24.56 ng/L。母乳中也存在全氟化合物前體物質的人體暴露[34],在1237個樣品中檢測出3種全氟化合物前體物質,為2H-全氟-2-辛烯酸、1H,1H,2H,2H-全氟辛基磺酸和lH,1H,2H,2H-全氟辛基-2-磷酸鹽,含量范圍分別為未檢出～47.46、未檢出～70.68、未檢出～35.08 ng/L。

由于牛奶普遍被PFCs所污染,由其制成的乳制品中必然也會存在這些成分,曹民等[35]報道在嬰幼兒乳制品中總PFCs濃度為35.3～282.8 ng/kg,中位數為223 ng/kg;成人乳制品中總PFCs含量為58.3～306.8 ng/kg,中位數為231.1 ng/kg。

上述研究表明,乳及乳制品中PFCs的含量水平明顯低于水產品,含量在ng/kg 級別,但由于嬰幼兒僅攝入乳制品且代謝、解毒能力弱,因此可能存在一定的潛在風險。

3.3 肉及肉制品

據報道[35],雞肉中PFCs的主要污染物是PFOA、全氟戊酸和全氟壬酸,平均值分別為0.0579、0.0584和0.0134 μg/kg。在江西省5個畜禽主產區市售豬、雞、鴨肉和肝臟樣品中[36],豬肝PFOA的污染水平最高,平均0.24 μg/kg,其次為雞肝的0.14 μg/kg,豬肉、雞肉、鴨肉均未檢出PFOA;PFOS僅在豬肝中檢出,均值為0.20 μg/kg。北京市售豬和雞產品的研究也報道了相似的結果[37],豬肝中總PFCs含量最高(3.438 μg/kg),其次為豬腎(0.508 μg/kg),然后依次為豬心(0.167 μg/kg)、雞肝(0.098 μg/kg)、雞心(0.050 μg/kg)、豬肉(0.018 μg/kg)和雞肉(0.012 μg/kg)。飼喂PFOS污染的飼料后,牛肝臟、腎臟中全氟己烷磺酸殘留的量分別達到61、98 μg/kg,而肌肉中基本未檢出[32]。

肉類中的PFCs含量較低的原因是動物體所攝入的PFCs易與體內的蛋白質產生結合[37],在動物內臟等蛋白含量較高的組織中殘留,而非脂肪組織和肌肉組織中,這導致喜食內臟類食品的消費會攝入較多PFCs。相對水產品而言,肉類及內臟中PFCs的含量普遍要低1～2個數量級,不會對人體造成即時危害。

3.4 蔬菜

在北京果蔬樣品中檢出了5種PFCs[5],其中水果樣品中總PFCs含量為103.8～227.8 ng/kg,中位數為170.7 ng/kg;蔬菜樣品中總PFCs含量為67.3～170.7 ng/kg,中位數為113.4 ng/kg。趙玉樂等[38]對江蘇的50種蔬菜進行了測定,在10個樣品中檢出了全氟丁烷羧酸,含量為0.4～11.5 μg/kg;兩個樣品檢出了全氟庚烷羧酸,含量為0.1～0.2 μg/kg;27個樣品檢出了PFOA,含量為0.3～3.7 μg/kg;僅有一個樣品檢出了0.5 μg/kg全氟己基磺酸。Ji等表明[39],居民對馬鈴薯的日常消費量與人體血液中PFOA的暴露水平呈線性關系。

蔬菜中PFCs的含量也低于水產品,但蔬菜中的PFCs可通過食物鏈的富集和放大,最終也可能給人類帶來一定的風險。

3.5 其它產品

我國沿海9個省/市1060份雞蛋樣品中PFCs檢出率接近50%[40],檢出的PFCs以中短鏈為主,以PFOS、PFOA、全氟戊酸、全氟壬酸為主,占總量的82%。各省市雞蛋樣品中的殘留受環境影響較大,由于江蘇是我國重要的氟工業基地,因此江蘇雞蛋樣品殘留最高,達1.24 μg/kg,浙江最低,為0.124 μg/kg。國外有研究在爆米花類食品中發現了較高濃度的PFCs[41-42],推測是來源于食品包裝材料的遷移。

4 食品中全氟辛酸和全氟辛烷磺酸等全氟化合物的檢測

4.1 全氟化合物檢測標準

由于多類食品中檢測到了PFCs的污染,因此近年來相關檢測技術的研究成為了一個熱點。目前國家和行業檢測PFCs的標準有不少,如GB 31604.35-2016《食品接觸材料及制品全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)的測定》、SN/T 3694.7-2014《進出口工業品中全氟烷基化合物測定》、QB/T 4554-2013《鞋類化學試驗方法全氟辛烷磺酸鹽和全氟辛酸的測定液相色譜-串聯質譜法》等,但食品領域的只有2個,分別為SN/T 3544-2013《出口食品中全氟辛酸和全氟辛烷磺酸鹽的測定液相色譜-質譜/質譜法》和GB 5009.253-2016《動物源性食品中全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)的測定》,前者適用于魚、蝦、蛋,后者適用于動物源性食品。標準的缺乏給監管部門對植物性樣品以及PFOS和PFOA以外的PFCs風險監測帶來了困難。目前食品中多種PFCs同時測定的方法主要集中于文獻報道,因此將文獻方法進行標準化也是今后的一個重點方向。

4.2 全氟化合物檢測前處理方法

由于PFCs分布廣泛,很多情況下其含量又是處于痕量水平,所以對前處理要求較高,現在應用于食品基質的前處理手段主要有液液萃取、離子對液液提取、固相萃取等。溶劑提取是最簡便的方法,但容易同時提取出雜質,給后續的儀器測定帶來較大的基質干擾,現在已基本不會單獨采用。離子對液液提取的原理是利用離子對試劑與待測PFCs離子通過靜電吸引力結合形成的電中性化合物,此物質具有疏水性,從而能被有機溶劑萃取;該方法多用于生物樣品[43],行業標準SN/T 3544-2013也有采用,優點是操作簡單,缺點是脂質等共萃取物干擾大,有機溶劑再提取時由于溶劑的改變或揮發,易導致的目標物損失。固相萃取法是利用填料與樣品中的雜質相互作用,吸附雜質從而達到降低基質干擾的目的,現已成為實驗室最常用的前處理方法之一,應用在了魚類、蛋類等產品PFCs測定領域[44-46],雜質去除效果要遠好于溶劑提取和離子對萃取,并且可以濃縮樣品中的待測物質,有效降低檢出限?；|分散固相萃取和QuEChERS方法[47-50],通過將吸附劑投入提取液中萃取雜質然后再離心分離的方式,將普通固相萃取的提取、洗脫程序簡化為一步,優點是樣品量低、提取率和檢測效率高,常用的吸附劑有碳黑、C18等,也有如GB 5009.253-2016一樣混合使用幾種吸附劑。綜合以上的分析,固相萃取尤其是基質分散固相萃取方式,是目前最適合食品中PFCs檢測的前處理方法。

此外,痕量PFCs檢測過程中對本底的控制也是難點,聚四氟乙烯是一類在實驗器材中廣泛使用的材料,目前很多質譜檢測儀器中的管路會使用上述材料,這類含氟的化合物對于測定的準確度存在影響,所以在樣品的采集、存儲、前處理以及分析過程中應該盡量避免使用該材料。同時由于PFCs類化合物會不同程度地吸附在玻璃儀器的表面而很難去除,所以應該采用不銹鋼、聚乙烯或者聚丙烯材料的器具。

4.3 全氟化合物的儀器檢測方法

由于PFCs不具有紫外吸收和熒光性質,不能用紫外檢測器或熒光檢測器進行檢測,目前普遍采用的是質譜檢測器或生物標記的方式,食品中PFCs的檢測方法有氣相色譜-質譜法[51]、生物法[52-53]和液相色譜-串聯質譜法[44-50]。

由于PFCs沸點高,無法對其直接氣化進行氣相色譜-質譜法檢測,因此需要進行衍生化處理,衍生化雖然能夠提高靈敏度,但是會帶來其它干擾物,且步驟繁瑣,在實際操作中需著重考慮衍生條件及衍生效率,因此對復雜食品基質中PFCs的測定很少采用這種方式。

生物法是基于PFOS和PFOA在體內的作用途徑是通過過氧化物酶增值激活受體(PPAR)的α受體所介導的原理建立的[53],該方法通過檢測PFOS和PFOA激活的PPAR受體上熒光探針的信號強度來進行定量,特異性較強。目前此項研究集中在環境水樣的分析,今后有望應用在飲用水中PFCs的批量篩選中,但生物法尚未見報道能適用于其它基質的食品。

現階段PFCs檢驗方法中應用最廣泛的是液相色譜-串聯質譜法,其與氣相色譜質譜法相比不需要衍生化,簡化了操作步驟;與生物法相比,適用范圍廣泛,包括水產品、肉制品、蛋、內臟等[49-50],而且通常在檢測過程中加入同位素內標,使結果更加準確、可靠,各種食品中PCFs的檢測方法簡要比較可見表1。目前液相色譜-串聯質譜法已經較為成熟,所使用色譜柱基本為C18柱[45-46,48],流動相通常為乙酸銨-甲醇梯度洗脫,都采用ESI源、負離子、MRM模式檢測,檢出限普遍達到10-2～10-3μg/kg級別,回收率在60%～120%之間,能夠滿足絕大多數食品中PFCs檢測的需求。今后該方法主要的研究方向是繼續拓展應用領域,比如之前報道很少涉及的植物性食品、嬰幼兒食品和嬰幼兒輔助食品等。

表1 食品中PCFs的典型檢測方法Table 1 Typical methods of determination of PCFs in food

4.4 全氟化合物檢測方法的發展方向

與液相色譜-串聯質譜法相比,液相色譜-飛行時間質譜法具有高選擇性和高靈敏度,可將共流物和基質干擾盡可能地減小,進而有助于消除復雜基質干擾造成的假陽性結果,多用于分析復雜基質樣品;缺點是線性范圍偏窄,擁有該設備的機構相對不多,使全國范圍內推廣應用受限。目前紡織品的PFCs檢測已有使用液相色譜-飛行時間質譜法的報道[54],對于復雜基質食品中痕量PFCs的測定完全可以借鑒該項技術,利用其精確質量數匹配和標準譜庫檢索進行快速篩查,并使用保留時間和多級特征碎片離子進行定性確證,具有簡便、高效、準確等優點。而且隨著我國經濟水平的不斷提高,液相色譜-飛行時間質譜儀也會越來越普及,不再會制約該項技術的應用。

此外,目前國外對于食品中PFCs和其前體物質的檢測,有的文獻采用了不同的前處理方法分開實施[55],有的文獻雖然對魚和貽貝中 14 種 PFCs和10 種前體物質能同時進行提取,但分別采用了不同液相色譜流動相進行測定[56];國內相關研究也多是采用不同條件分別測定乳制品中PFCs及其前體物質[33-34],尚未實現真正意義上的同時檢測。而且上述方法中部分目標物的檢出限為較高,不利于食品中痕量污染物的檢出。今后食品中PFCs和其前體物質檢測的前處理技術需要著重研究能同時提取、相同儀器條件測定的技術,從而提高檢測效率,還能兼顧各個組分的檢出限和回收率。

5 結論與展望

隨著對PFCs及其前體物質研究的深入,越來越多環境和生物體樣品中的PFCs污染被發現,今后各國對其使用的限制會更加嚴格。雖然從目前的暴露風險情況分析,只有水產品中PFCs的含量相對較高,正常飲食不會對人體造成健康問題。但持續監控食品中全氟化合物及其前體物質的含量水平仍然十分必要。為滿足復雜食品基質中PFCs測定的需求,今后的研究可以基于基質分散固相萃取-液相色譜-飛行時間質譜的檢測技術,通過其所提供的準確分子質量推斷出待測組分的分子結構,從而高效地進行PFCs的確證與定量分析;還可以基于目前處于發展初期的生物受體結合技術,通過增強結合的特異性以及復雜食品基質的適應性,應用于PFCs的快速篩查;在樣品前處理領域,可以采用液相微萃取的技術,通過優化萃取解吸溶劑種類、鹽析效果、萃取及洗脫條件,從而達到更高的富集度,有利于痕量PFCs的檢測。