中国白酒作为我国特有的蒸馏酒种,与威士忌、朗姆酒、伏特加、金酒和白兰地称为世界六大蒸馏酒,具有悠久的酿造历史和精湛的酿造技艺,凭借其独特的风味和口感,已经成为人们饮食文化的重要组成部分。近些年来随着人们生活水平的提高,消费需求也越来越多元化。世界六大蒸馏酒也越来越受到众多消费者的喜爱[1]。
食品中的质量安全问题备受人们关注。重金属作为食品安全问题中的风险因素之一[2],可通过食物进入体内,主要包括锌(Zn)、铁(Fe)、铜(Cu)、铅(Pb)、砷(As)、镉(Cd)、锰(Mn)和铬(Cr)等元素。锌作为人体健康必不可少的微量元素,摄入过量会导致恶心、呕吐、贫血、嗜睡等症状[3]。而作为人体必需微量元素的铁,过度摄入会导致组织损伤和器官衰竭[4]。研究表明[5],铜元素摄入过量容易导致肠胃道、肝脏、肾脏等问题发生。同时,铅过量摄入会导致损伤神经、内分泌和免疫系统受到损伤[6]。砷、镉和铬已经被国际癌症研究机构(international agency for research on cancer,IARC)认定为致癌物,可诱发癌症[7-9]。锰作为调节血糖和骨骼生长中的重要元素,过度摄入也会使机体组织产生神经毒性并引发帕金森病[10-13]。重金属元素在不同类型的食物中的含量以及风险评估也已经有了广泛研究和报道。如程家丽等[14]对我国部分地区蔬菜中的Cu、Pb、As、Cd、汞(Hg)和Cr进行相应的膳食暴露风险评估分析,并表明叶菜类蔬菜中的铅存在潜在的人体致癌风险,应当引起重视。徐明芳等[15]对白玉菇中Pb、As和Cd进行测定,风险评估表明砷是引起成人和儿童健康风险的主要指标。姬茹婕等[16]对新疆五家渠地区不同葡萄酿造的葡萄酒中微量元素进行健康风险评估,评估结果表明该地区葡萄酿造的葡萄酒中微量元素不会对人体健康构成危害,为当地葡萄酒安全生产提供一定的数据参考。尽管针对各类食物中重金属元素的风险暴露评估已经有了诸多研究,但对于国内外蒸馏酒中重金属元素含量进行膳食暴露风险评估的研究还鲜见报道。国内外蒸馏酒作为人们广受欢迎的酒精饮品,其中的Zn、Fe、Cu、Pb、As、Cd、Mn和Cr等重金属元素过量摄入会严重危害人体健康。因此对酒体中进行重金属元素含量检测以及膳食暴露风险评估相关研究尤为重要。
金属元素常用检测方法包括原子吸收光谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱法、原子荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma-mass spectrometry,ICP-MS)等,但相较于传统检测方法,ICP-MS具有检出限低,准确度高,线性范围宽,抗干扰能力强等优点,已被广泛应用于元素检测[16]。作为“饮酒大国”的中国,近年来酒精饮料产量和消费量已居于世界前列[17],消费者对于蒸馏酒中重金属健康风险的关注度也日益增加。为全面了解国内外蒸馏酒中重金属污染状况及人体健康风险,该研究基于测定市售国内外蒸馏酒中重金属含量数据以及收集文献报道数据,全面分析国内外蒸馏酒中重金属污染特征,并利用健康风险评估模型评估蒸馏酒中重金属对中国居民的潜在健康风险,以期为蒸馏酒生产质量安全以及科学饮酒提供数据参考。
1.1.1 样品市售蒸馏酒一共71份,其中包括中国白酒46份,白兰地5份,朗姆酒4份,金酒4份,伏特加5份,威士忌7份。
1.1.2 试剂
Fe、Cr、Mn、Cu、Pb、Zn、As、Cd单元素离子标准储备液(1000mg/L):国家有色金属及电子材料分析测试中心;标准调谐液Tune A:美国Thermo-Fisher公司;硝酸(65%痕量金属基础):美国Sigma-Aldrich公司;实验室用水均为超纯水。
X-Series2系列电感耦合等离子体-质谱仪:美国Thermo Fisher公司;Mili-Q超纯水处理机:美国Millipore公司;MARS6微波消解仪:美国CEM公司;HWS26型电热恒温水浴锅:上海一恒科技有限公司。
1.3.1 数据收集
通过中国知网、万方、维普、Springer等数据库,收集了国内外针对世界六大蒸馏酒发表文献中Zn、Fe、Cu、Pb、As、Cd、Mn和Cr元素含量的数据[18-51],收集的文献中明确为市售蒸馏酒样品中一共筛选到405份白酒样品的数据,其中共收集有关Cu、Pb、Cr、Cd、As、Mn、Zn和Fe的数据分别为405、206、195、175、181、383、402和391份。白兰地、朗姆酒、金酒、伏特加和威士忌一共收集212份蒸馏酒数据,其中有关Cu、Pb、Cr、Cd、As、Mn、Zn和Fe的数据分别为172、201、91、118、97、122、212和178份。
1.3.2 样品前处理
根据前期研究,采用微波消解法对71份酒样进行预处理[52]。取酒样5 mL于50 mL烧杯中,65 ℃水浴锅中蒸至液体仅剩2 mL左右,转移至聚四氟乙烯消解罐中,并用超纯水少量多次反复冲洗烧杯,转移至聚四氟乙烯消解罐中,加入5 mL硝酸,140 ℃加热1 h进行预消解,随后按照微波消解仪标准操作步骤消解。微波消解程序如下:温度120 ℃,爬升时间5 min,保持时间5 min;温度150 ℃,爬升时间5 min,保持时间10 min;温度180 ℃,爬升时间5 min,保持时间20 min。消解完成后140 ℃赶酸至液体只剩下2 mL,转移至100 mL容量瓶定容。
所有容器以及聚四氟乙烯消解罐均用体积分数10%硝酸浸泡24 h以上,依次用自来水和超纯水反复冲洗后使用。
1.3.3 检测方法
ICP-MS测定样品前使用10 μg/L调谐液对仪器进行调谐,使仪器各参数条件达到最佳。通过内标混合T型接头在所有上机测试样品中在线加入5 μg/L的铑(Rh)和铊(Tl)混合元素作为内标。分别配制0、1 μg/L、4 μg/L、7 μg/L、10 μg/L、15 μg/L、20 μg/L的Zn、Cu、Pb、As、Cd、Mn和Cr元素的混合标准溶液,以及0、50 μg/L、100 μg/L、150 μg/L、200 μg/L、300 μg/L的Fe元素的标准溶液,按照建立的方法进行测定并制作标准曲线。
ICP-MS工作参数:射频功率1 400 W;辅助气流量:0.82L/min;冷却气流量:11.01 L/min;雾化器流量:0.92 L/min;碰撞/反应池技术(collision/reaction cell technology,CCT)碰撞气成分:H2 7%、He 93%;CCT碰撞气流量:6.00 mL/min;蠕动泵转速:22 r/min;扫描模式:跳峰扫描;采样深度:100 step。
1.3.4 污染评价方法
采用单因子污染指数(Pi)法来评价国内外蒸馏酒中重金属元素Zn、Fe、Cu、Pb、As、Cd、Mn和Cr的污染状况。单因子污染指数评价模型为:
公式(1)中,i为污染物的编号;Pi为样品中污染物i的单项污染指数;Ci为样品中污染物i的实测值,μg/L;Si为污染物i的评价标准,以GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》[53]规定的限值评价Pb在蒸馏酒中的含量,由于国标中对本研究涉及的其余七种重金属元素在蒸馏酒的限量值没有明确规定,因此Cd、Cu、Fe和Zn参考国际葡萄与葡萄酒组织(international vine and wine organization,OIV)标准(www.oiv.int)评价在蒸馏酒中的含量[54],As、Cr和Mn参考世界卫生组织[55]推荐的饮用水中的标准值评价其在蒸馏酒中的含量。蒸馏酒中重金属污染指数根据结果,可划分为以下5个等级:Pi≤0.7为安全、清洁水平;0.7<Pi≤1为清洁水平,但是达到警戒线;1<Pi≤2为轻度污染程度;2<Pi≤3为中度污染;Pi>3时表示受污染程度已经相当严重。
1.3.5 健康风险评价方法
采用健康风险评估模型评价国内外蒸馏酒中八种重金属污染人体的健康暴露非致癌风险。该方法通过食用引起的健康风险根据目标危险系数(target hazard quotient,THQ)进行评估[16],计算公式如下:
公式(2)中参考剂量(reference dose,RfD)为每种元素口服参考剂量,μg/(kg·d);估计日摄入量(estimated daily intake,EDI),为蒸馏酒中微量元素估计日摄入量,μg/(kg·d),其计算方法根据公式(3)得出,C为微量元素质量浓度,μg/L;I为18岁以上成年人蒸馏酒日饮用量,L/d;BW为人群的平均体质量,kg。当THQ<1时,表明从蒸馏酒中摄入这种元素没有明显的不良影响,当THQ≥1时,则意味着对人体有健康风险,应当引起重视。
1.3.6 数据处理及统计学分析
本文所涉及到的所有检测数据低于检出限的按检出限的1/2进行统计,所有检测样品数据平行测3次取平均值;利用Microsoft Office Excel 2019和GraphPad Prism9进行基本处理以及画图;数据分析中的统计学参数和利用曼-惠特尼秩和检验(Mann-Whitney U)分析;不同酒样间金属含量差异采用SPSS 22.0进行。
针对本研究中市售71种国内外蒸馏酒,采用ICP-MS法对其进行检测。连续测定6次空白溶液,以各元素测定的3倍标准偏差为检出限,10倍标准偏差为定量限,其结果见表1。由表1可知,各元素线性相关系数范围在0.999 2~0.999 9之间,检出限在0.012~0.273 μg/L之间,定量限范围在0.04~0.91 μg/L之间,表明此方法检测各元素含量线性关系好,检出限低。
表1 分析元素的线性回归方程、线性相关系数、检出限和定量限
Table 1 Linear regression equation, linear correlation coefficient,detection limit and quantification limit of analytical elements
元素 线性回归方程 线性相关系数(R2)检出限/(μg·L-1)定量限/(μg·L-1)Zn Fe Cu Pb As Cd Mn Cr y=3.63x+12307 y=1.68x+34982 y=0.93x+7869 y=0.16x+3949 y=0.06x+103 y=0.003x+11 y=0.05x+943 y=0.09x+965 0.999 6 0.999 9 0.999 7 0.999 9 0.999 2 0.999 4 0.999 9 0.999 9 0.015 0.015 0.012 0.039 0.012 0.012 0.015 0.273 0.05 0.05 0.04 0.13 0.04 0.04 0.05 0.91
为检验分析方法的准确度,对实验样品进行加标回收实验。分别对相应样品连续6次平行测定,计算回收率和相对标准偏差(relative standard deviation,RSD),结果见表2。由表2可知,样品中各元素加标回收率为96.00%~109.10%,该方法的RSD≤3.35%,表明该方法对样品中的元素进行检测准确度好,精密度高,适用于蒸馏酒中金属元素含量的测定。
表2 分析方法准确度与精密度验证
Table 2 Validation of accuracy and precision of analytical method
元素 本底值/(μg·L-1)加标值/(μg·L-1)测得值/(μg·L-1)加标回收率/%RSD/%Zn Fe Cu Pb As Cd Mn Cr 1.72 2.35 6.89 0.09 0.12 0.01 0.07 0.26 1.00 125.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 2.71 130.14 7.99 1.10 1.19 0.97 1.10 1.32 99.20 102.23 109.10 100.10 107.00 96.00 103.00 105.40 0.43 1.53 0.41 2.05 3.35 2.16 0.37 1.98
中国白酒和外国蒸馏酒中Cu、Pb、Cr、Cd、As、Mn、Zn和Fe元素含量及统计学特征见表3。由表3可知,经K-S检验结果显示,中国白酒和外国蒸馏酒中的八种重金属元素含量均呈现非正态分布。在本研究中检测的中国白酒样品以及文献报道收集的数据中,Cu、Pb、Cr、Cd、As、Mn、Zn和Fe元素的平均含量分别是16.81 μg/L、6.79 μg/L、13.62 μg/L、0.49 μg/L、4.63 μg/L、32.59 μg/L、73.01 μg/L和364.68 μg/L,而国外蒸馏酒中Cu、Pb、Cr、Cd、As、Mn、Zn和Fe元素的平均含量分别是1 277.11 μg/L、10.33 μg/L、24.44 μg/L、4.73 μg/L、2.90 μg/L、131.19 μg/L、563.67 μg/L、623.99 μg/L。其中,国内外蒸馏酒中各元素含量对应的第25百分位数(P25)、第50百分位数(P50)、第75百分位数(P75)、第95百分位数(P95)从低于检出限到5 433.00 μg/L不等,变异系数从1.19%到5.29%不等。采用国标GB 2762—2017《食品中污染物限量》[53]中的限值评价Pb的含量,由于现行标准没有关于Cu、Cr、Cd、As、Mn、Zn和Fe在蒸馏酒中的限定值,因此采用国际葡萄酒组织OIV标准[54]和参考世界卫生组织[55]推荐的饮用水中的标准值评价其在蒸馏酒中的含量。除了国外蒸馏酒中Cu元素平均含量高于相应的参考标准值外,其余各元素在中国白酒和外国蒸馏酒中的平均含量均低于相应的参考限量标准。白酒和国外蒸馏酒中各元素含量的变异系数均小于5%。通过Mann-Whitney U检验分析表明,中国白酒与国外蒸馏酒中Cr元素含量没有显著性差异(P>0.05),但中国白酒中As元素含量显著高于外国蒸馏酒(P<0.05),而外国蒸馏酒中Cu、Pb、Cd、Mn、Zn和Fe元素含量显著高于中国白酒(P<0.05)。其中,Mn、Cd、Pb和Cr从元素含量范围来看,中国白酒与国外蒸馏酒相比均更安全,这与吴晨岑等[56]的研究结果一致。中国白酒与国外蒸馏酒之间的元素含量具有差异,可能主要是由于生产原料、蒸馏设备和工艺以及储存容器不同造成[21,57]。
表3 国内外蒸馏酒中重金属元素含量的统计学特征
Table 3 Statistical characteristics of heavy metal elements in distilled spirits at home and abroad
注:ND表示含量低于检出限;字母a和b表示同种金属元素在国内外蒸馏酒中含量差异显著性(P<0.05)。
样品 元素 含量范围/(μg·L-1)P25/(μg·L-1)P50/(μg·L-1)P75/(μg·L-1)P95/(μg·L-1)平均值±标准差/(μg·L-1)变异系数/%中国白酒国外蒸馏酒Cu Pb Cr Cd As Mn Zn Fe Cu Pb Cr Cd As Mn Zn Fe ND~830.60 ND~86.00 ND~363.00 ND~3.90 ND~46.69 ND~361.80 ND~3370.00 ND~3 927.00 ND~12 910.00 ND~587.00 ND~1 380.00 ND~144.00 ND~61.00 ND~3 650.00 ND~20 625.00 ND~27 679.00 0.33 0.20 2.37 0.02 0.52 10.00 12.34 70.42 65.00 ND 0.002 5 ND ND ND 15.06 23.00 6.00 0.89 4.90 0.14 2.07 20.00 33.00 230.00 423.00 ND 3.89 ND 0.003 9 6.00 68.00 76.00 13.86 9.23 15.89 1.00 6.00 45.85 70.00 510.00 1 660.50 1.88 16.00 0.06 0.58 70.00 160.00 232.20 44.23 28.16 45.10 2.00 15.95 88.63 242.80 1 028.80 5 433.00 29.30 66.50 23.80 20.00 773.20 1 003.00 1 860.00 16.81±58.21a 6.79±12.09a 13.62±30.06a 0.49±0.75a 4.63±7.06a 32.59±38.89a 73.01±190.23a 364.68±458.66a 1 277.11±2 134.15b 10.33±53.50b 24.44±129.40a 4.73±19.52b 2.90±7.93b 131.19±441.32b 563.67±2 547.80b 623.99±2 767.86b 3.46 1.78 2.21 1.53 1.52 1.19 2.61 1.26 1.67 5.17 5.29 4.12 2.73 3.36 4.52 4.44含量限值/(μg·L-1)1 000 200 50 10 200 400 5 000 10 000 1 000 200 50 10 200 400 5 000 10 000
利用单因子污染指数法对国内外蒸馏酒中重金属进行评价,结果见图1。由图1可知,中国白酒中除Cr外,其余七种金属元素含量在白酒中污染指数均<1。3.32%(8/241)的白酒样品受到Cr元素轻度及以上的污染。在国外蒸馏酒样品中,As含量均在安全范围内未受到污染。30.45%(60/197)的国外蒸馏酒样品受到Cu元素轻度以上污染;1.77%(4/226)的国外蒸馏酒样品受到Pb元素轻度和中度污染水平;7.76%(9/116)的国外蒸馏酒样品受到Cr元素轻度以上污染;10.49%(15/143)的国外蒸馏酒样品受到Cd元素轻度及以上污染;6.80%(10/147)的国外蒸馏酒样品受到Mn元素轻度以上污染;2.95%(7/237)的国外蒸馏酒样品受到Zn元素轻度及以上污染;1.47%(3/203)的国外蒸馏酒样品受到Fe元素轻度及以上污染。由此可见,中国白酒受到重金属污染水平明显低于国外蒸馏酒。
图1 国内外蒸馏酒中重金属污染水平
Fig.1 Pollution level of heavy metals in distilled spirits at home and abroad
根据《中国居民营养与慢性病状况报告》[58]中,我国18岁以上人群年人均酒精摄入量为3 L,由于文献中的饮酒量是以纯酒精计,因此本研究根据需要按酒精度38%vol折算,换算为60 kg成人人均每日饮酒量为21.63 mL,这与张顺荣等[59]报道的我国人均每日饮酒量结果接近。通过文献报道的数据[1,16,60-65],Cu、Pb、Cr、Cd、As、Mn、Zn和Fe的RfD值分别为40 μg/kg体质量、1.5 μg/kg体质量、3.0 μg/kg体质量、1.0μg/kg体质量、3.0μg/kg体质量、24μg/kg体质量、300 μg/kg体质量和700 μg/kg体质量。风险评估是食品安全科学管理的科学基础,《食品安全法》明确规定相关标准的制定要建立在科学评估的基础上。针对国内外蒸馏酒中重金属元素对我国居民饮酒的暴露非致癌风险值评估见表4。
表4 国内外蒸馏酒中重金属元素的目标风险系数
Table 4 Target risk quotient of heavy metals in distilled spirits at home and abroad
注:“—”表示值低于0.000 1;均值表示蒸馏酒中元素含量平均值对应的THQ值。
元素 RfD值/(μg·kg-1体质量)中国白酒P50 P75 P95国外蒸馏酒P50 P75 P95 均值Cu Pb Cr Cd As Mn Zn Fe 0.000 1 0.000 2 0.000 6 0.000 1 0.000 2 0.000 3—0.000 1 0.000 1 0.002 2 0.001 9 0.000 4 0.000 7 0.000 7 0.000 1 0.000 3 0.000 4 0.006 8 0.005 4 0.000 7 0.001 9 0.001 3 0.000 3 0.000 5均值0.000 2 0.001 6 0.001 6 0.000 2 0.000 6 0.000 5 0.000 1 0.000 2 0.003 8—0.000 5——0.000 1 0.000 1—0.015 0 0.000 5 0.001 9—0.000 1 0.001 1 0.000 2 0.000 1 0.049 0 0.007 0 0.008 0 0.008 6 0.002 4 0.011 6 0.001 2 0.001 0 0.011 5 0.002 5 0.002 9 0.001 7 0.000 3 0.002 0 0.000 7 0.000 3 40.0 1.5 3.0 1.0 3.0 24.0 300.0 700.0
由表4可知,中国白酒以及国外蒸馏酒中,Cu、Pb、Cr、Cd、As、Mn、Zn和Fe元素含量对应的第50百分位数(P50)、第75百分位数(P75)、第95百分位数(P95)以及均值所对应计算的THQ值均小于1,这表明60 kg成人平均每日饮用国内外蒸馏酒21.63 mL的饮酒人群在摄入这些元素时不会造成明显的健康风险。
本研究建立了利用微波消解结合ICP-MS法检测蒸馏酒中Cu、Pb、Cr、Cd、As、Mn、Zn和Fe的方法,建立的检测方法回收率试验结果RSD≤3.5%,说明方法具有良好的准确度,回归方程线性关系良好,相关系数(R2)>0.999 2,说明利用该方法检测蒸馏酒中八种无机元素准确可靠。通过检测和收集文献中国内外市售蒸馏酒中的无机元素含量表明,除Cu外,国内外蒸馏酒中各元素平均含量均低于相应的限量标准或参考标准。国内外蒸馏酒Cr元素含量无显著差异,国外蒸馏酒中Cu、Pb、Cd、Mn、Zn和Fe元素含量显著高于中国白酒,而中国白酒中As元素含量高于国外蒸馏酒。单因子污染指数法结果表明,中国白酒少量样品中Cr受到轻度以上污染,而国外蒸馏酒除As外,Cu、Pb、Cr、Cd、Mn、Zn和Fe在部分不同样品中存在轻度以上污染。健康风险评估显示国内外蒸馏酒中八种元素对应的THQ值均<1,表明通过饮用国内外蒸馏酒摄入这些元素不会对人体健康产生影响。本研究为蒸馏酒的安全生产和质量安全性评价提供理论依据。
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