（农产品加工及贮藏工程专业论文）海藻中砷化合物检测技术研究及食用安全性评价.pdf

海藻中砷化合物检测技术研究及食用安全性评价 海藻中砷化合物检测技术研究 及食用安全性评价 摘要 海藻是深受消费者喜爱的健康食品，海藻中含有许多营养成分和生理活性物 质，包括海藻多糖、多酚、活性碘、多种维生素、氨基酸、膳食纤维等，索有“天 然微量元素宝库 之称。但是海藻具有富集海水中砷元素的特性，也是海洋生态 系统中的“砷库 ，海藻中总砷含量在1 2 m g k g 一1 0 8m g k g ( 以干重计) ，不同种 属的藻类富集砷的能力不同。随着海藻摄入量日益增多，海藻中有毒砷可能导致 潜在危害的问题成为人们广泛关注的焦点。 2 0 0 6 年9 月，广西壮族自治区工商局在第二季度商品质量监督抽查中，按 照g b1 9 6 4 3 2 0 0 5 藻类制品卫生标准和g b2 7 6 2 2 0 0 5 食品中污染物限量 中无机砷限量 1 5 m g k g ( z f 重计) 的规定，发现大部分生产厂家的紫菜产品中无 机砷“严重超标 ，不合格率为9 4 9 。在国内引发了海藻能否安全食用的讨论， 造成海藻生产企业难以为继，严重影响到海藻产业的健康可持续发展。关于海藻 食品中无机砷的限量指标和g b f r5 0 0 9 1 1 2 0 0 3 食品中总砷及无机砷的测定 无机砷检测方法适用范围的争议，已经引起国内社会各界的高度重视。 本论文针对海藻中无机砷严重“超标”的热点问题，对采集的干紫菜、干海 带及部分即食海藻加工品等进行了总砷和无机砷含量检测，采用方法为g b t 5 0 0 9 11 - 2 0 0 3 中的氢化物发生一原子荧光光谱法( h g a f s ) 和酸浸提一银盐法 ( d d c a g ) 。重点对检测方法的准确性、不同方法间的一致性、以及导致检测结 果不致的主要影响因素进行了研究和探讨，结果表明这两种方法在g b t5 0 0 9 1 1 2 0 0 3 同一个标准中出现不合适，至少对于有机砷含量高的海藻食品中无机砷 的测定是不适用的。建议在藻类风险分析和检测方法还不完善的情况下，暂停对 相关藻类卫生标准中无机砷限量标准的执行，直至最终取消相关限量指标；并利 用先进的形态分析技术，进一步加强对海藻中有毒砷形态检测方法的研究工作； 加强对海藻中砷化合物的代谢规律及风险分析基础研究，为食用海藻的健康风险 评估提供理论依据。 v 海藻中砷化合物榆测技术研究及食用安伞性评价 随着砷毒理学的深入研究和联用技术的发展，人们逐渐认识到砷元素对生物 体的毒性和有效性依赖于其存在形态。无机砷( i a s ，包括a s ( i i i ) 和a s ( v ) ) 具有 较高的毒性，一甲基砷酸( m m a ) 和二甲基砷酸( d m a ) 毒性较低，其它有机砷则 基本无毒，仅仅靠检测总砷含量无法对海藻的食用风险进行正确评估。因此海藻 中砷元素的形态分析显得尤其重要，通过检测海藻中a s ( i i i ) 、a s ( v ) 、m m a 和 d m a 四种砷形态的含量，基本上能够反映海藻中有毒砷的含量和水平。 本论文通过对流动相的组成、浓度、p h 值等色谱条件的优化以及盐酸载流、 还原剂、载气流速等氢化物发生原子荧光条件的优化，初步建立了应用阴离子交 换色谱一氢化物发生一原子荧光联用技术( h p l c h g a f s ) 进行a s ( m ) 、a s ( v ) 、 m m a 、d m a 四种砷化合物形态分析的方法。并进一步将h p l c h g a f s 联用技 术应用子海藻样品中砷形态分析，研究测试了不同前处理条件对4 种砷化合物分 离分析的影响，并进行了分离度、检出限、线性范围和重复性等技术指标的测试。 结果表明，此方法能准确测定海藻中四种有毒砷化合物，在1 0 m i n 内成功地分离 t a s ( i i i ) 、d m a 、m m a 和a s ( v ) ，检出限分别为0 6 、1 1 、0 9 和2 6 g l 。海藻样 品的加标回收率分别为8 6 5 一1 0 1 3 ( a s ( i i i ) ) 、8 5 7 一1 0 2 1 ( d m a ) 、8 2 o 1 0 6 o ( m m a ) 、8 0 5 9 3 1 ( a s ( v ) ) ，相对标准偏差( r s d ，萨7 ) 均小于10 。 因此在当前海藻中无机砷的检测结果可能引起国际纠纷的情况下，采用更为清 晰、准确的h p l c h g a f s 进行海藻中砷形态分析将是今后的发展方向。 本文研究测定了采自沿海不同省份的海藻样品及加工品中总砷的含量，并应 用h p l c h g o a f s 形态分析技术测定了萃取液中四种砷化合物的含量。结果表明 海藻中砷形态和含量具有种间差异和地域差异，这可能与生长海域中砷的形态和 含量、海藻本身的结构和化学成分以及砷在海藻中的转化机制存在差异有关。运 用f a o w h o 推荐的食品风险分析理论，结合监测数据对海藻中的有毒砷进行食 用安全性评价。通过暴露评估证明砷污染海藻食用风险性贡献很小，并提出风险 管理措施，以保证消费者的食用安全，为海洋环境保护和绿色食品工程提供科学 依据。 关键词：海藻；砷形态：检测技术；高效液相色谱；安全性评价 v i 海藻中砷化合物检测技术研究及食用安全性评价 r e s e a r c ho nd e t e c t i o nt e c h n o l o g yo fa r s e i n cc o m p o u n d s 。s e a w e e d sa n de d i b l es a f e t yevaluationms e a w e e d sa n de1 d i ee v a l u a b s t r a c t s e a w e e d sa r eh e a l t h yf o o d s t u f fw h i c ha r ev e r yp o p u l a rw i t l lc o n s u m e r s t h e y c o n t a i na b u n d a n tn u t r i t i o ni n g r e d i e n t sa n dp h y s i o l o g i c a la c t i v es u b s t a n c e s ，s u c ha s a l g a ep o l y s a c c h a r i d e s ，p o l y p h e n o l ，a c t i v ei o d i n e ，m u l t i v i t a m i n s ，a m i n oa c i da n d d i e t a r yf i b r e ，e t c s ot h e ya r en a m e da s t h en a t u r a lt r a c ee l e m e n t st r e a s u r y b u t s e a w e e d sh a v et h ec h a r a c t e ro fe n r i c h i n ga r s e n i ce l e m e n ti ns e a w a t e r t h e ya r ea l s o c a l l e d t h ea r s e n i cs t o r a g e i nm a r i n ee c o s y s t e m t h ec o n t e n to ft o t a la r s e n i ci s 10 m g k g 10 8m g k g ( d r yw e i g h t ) d i f f e r e n ts p e c i e so fa l g a eh a v ed i f f e r e n tc a p a c i t y o fa r s e n i ce n r i c h m e n t w i t ht h ei n c r e a s i n gi n t a k eo fs e a w e e d s ，t h ei s s u et h a tt o x i c a r s e n i cc o m p o u n d si ns e a w e e d sc o u l dl e a dt op o t e n t i a lh a z a r d sh a sb e c o m et h ef o c u s o fw i d e s p r e a dc o n c e m t r a d ea n di n d u s t r yb u r e a uo fg u a n g x iz h u a n ga u t o n o m o u sr e g i o nf o u n dt h a t l a v e rp r o d u c t so fm o s ta l g a em a n u f a c t u r e r se x c e e d e dt h es t a n d a r ds e r i o u s l yi nt h e q u a l i t ys u p e r v i s i o na n ds p o t c h e c ko fg o o d so ft h es e c o n dq u a r t e ri ns e p t o f2 0 0 6 ， a c c o r d i n gt ot h et o l e r a n c el i m i to fi n o r g a n i ca r s e n i ci nf o o d ( m m a ( v ) ( 2 0 0 18 0 0 ) d m a ( v ) ( 2 0 0 2 6 0 0 ) a s c ( 6 5 0 0 ) a s b ( 1 0 0 0 0 ) ，砷与有机基团结合越多，其毒性越d , t 1 2 l 。 一般认为无机砷的毒性远远大于有机砷，无机砷的甲基化是砷的一种解毒机 制_ 引。因此砷毒理学研究一直是以无机砷为核心，很少涉及到存在于生物体内 的有机砷( 如a s s 和a s b ) 和砷甲基化代谢产物( m m a 和d m a ) 的毒性。但是， p e t r i c k 等研究表明甲基化的中问产物一甲基亚砷酸( m m a ( i i i ) ) 的毒性大于无机 砷，具有细胞毒性和遗传毒性【1 6 1 。作为a s ( 1 1 1 ) 的甲基化代谢产物，一甲基亚砷 酸( m m a ( i i i ) ) 和二甲基亚砷酸( d m a ( i i i ) ) 是凋亡而不是分化诱导剂，其诱导对化 3 海藻中砷化合物榆测技术研究及食用安伞性评价 h 量h 盟苎一h 筘韵愀生 宇h 1 一柚p h h ：- a s 。s g ：= ： - g s h 还原囊 _ f p 基胂一答脆嚣酞麓台钧 二甲纂静过氯化钧 铆， 嘞c 黠- 絮未臻 二二甲甚胂 c 傩, ，c - a 。r 4 - o 0 二二甲箍辨过瓴化f l 啦答 8 图0 - i 二甲基次砷酸( d m a ( i i i ) ) 的致癌作用机理1 2 0 1 f i g 0 - i t h ec a r c i n o g e n e s i sm e c h a n i s mo fd m a ( i i dl 圳 砷在生物体内的代谢过程一般为：a s ( v ) _ a s ( i i i ) _ m m a ( v ) 一m m a ( i i i ) 一 d m a ( v ) 一随尿排出( 如图0 - 2 所示) 。一次摄入砷化合物，l o 天内可排出9 0 ， 肾脏是砷及其代谢物的主要排泄器官，代谢产物主要为小分子甲基砷化合物，其 中d m a 占7 5 左右【1 3 】。但当摄入量超过排泄量时，砷就会在骨骼、肾、肝、肺、 角化组织等部位蓄积而引起慢性砷中毒，潜伏期可达几年甚至几十年之久。 4 海藻中砷化合物检测技术研究及食用安全性评价 p o = a s v 一a h i 寸 a r s o n a t 0 一o d u c t i t s 4 a r n o n i t o q h i 。 h o a 对ii o h a f s o n l l o m o t h y l l r a n s f e r l e e o h l o 茹”钒 冀燃l 铷 c h 哇o h i f 归哥眠一 c 如 图0 - 2 无机砷在生物体内的转化路径 f i g 0 - 2 t h ep u t a t i v et r a n s f o r m a t i o np a t h w a yo fi n o r g a n i ca r s e n i ci no r g a n i s m c s a n a k y 等用a s ( v ) 和a s ( i i i ) 静脉给药( 5 0 m g k g ) 鼠、豚鼠和兔，h p l c 检测 给药2 h 后胆汁和尿液中的砷及其代谢产物。除豚鼠( 不能使无机砷甲基化) 外， 当所给制剂为a s ( v ) 时，砷基本上从尿中排泄；当制剂为a s ( i i i ) 时，砷主要从胆 汁排泄，且砷的价态几乎均为十3 价( m m a ( i i i ) 和d m a ( i i i ) ) ；而+ 5 价的代谢产物 ( 如d m a ( v ) ) 及原形则存在于尿液中；所形成的m m a ( i i i ) 仅占所给剂量的8 【1 4 1 。 无机砷和m m a 的甲基转移酶以a s ( i i i ) 而不是以a s ( v ) 作为反应底物，因此 进入体内的a s ( v ) 首先被还原为a s ( 1 1 1 ) ，部分有机砷在体内也可转变为三价砷后， 再进入甲基化循环【1 5 】。三价砷( 包括三价的无机砷i n 舢和有机砷o r - a s ) 易与巯 基( s m 结合形成稳定的络合物，经人体吸收后不易排泄，而累积致毒。 总之，砷在机体内的代谢是一个复杂过程，既有组织特异性又存在个体差异。 而且代谢产物的种类及毒性，受机体内外一系列因素的影响，因此需要进一步做 更深层次的研究，为探索无机砷及甲基代谢产物的毒性作用机理提供有力的科学 指导。 5 海藻中砷化合物榆测技术研究及食用安伞住评价 o 2 我国海藻产业发展概况【2 l 】 藻类在海洋生物资源中有着特殊的重要地位，是维系整个海洋生命系统的基 础，它吸收二氧化碳和海水中无机元素进行光合作用，产生大量的有机物质和氧 气，为海洋动物提供初始的食物。海藻善于吸附、浓缩大海中的营养物质。据专 家估计，全球每年约有2 0 0 0 多万吨氮和2 0 0 多万吨钾从陆地通过雨水流入海洋， 是海藻利用了这些营养要素并转化成有机物。如果没有海藻，海水将富营养化， 海洋生态、地球生态将严重恶化。因此，海藻在保护海洋和地球生态安全方面， 起到十分重要的作用。 我国藻类资源丰富，大型经济藻类大约有1 0 0 多种，主要分红藻、绿藻和褐 藻等三类，主要品种有海带、裙带菜、马尾藻、羊栖菜、海蒿子、石花菜、蜈蚣 藻、石莼、海萝、鹿角菜、鸡毛菜、紫菜、海黍子、宣藻、浒苔、鹧鸪菜、海人 草等。还有陆生藻类，如念珠藻( 葛仙米) 和发状念珠藻( 发菜) 等。 近代，我国藻类开发利用取得了重大成就，成为世界上海藻生产规模最大的 国家。科学家积极研究海藻优良品种，推广海带和江蓠南移、紫菜北移养殖技术， 政府鼓励渔民积极发展裙带菜、江蓠、麒麟菜、石花菜、羊栖菜、浒苔等新品种 的养殖，使海藻产量得到快速增长，以海藻为原料的食品加工、海藻化工、保健 品、海藻肥产业得到长足进步。据f a o 统计，2 0 0 5 年全球海藻鲜重总产量为1 3 5 6 万吨，其中中国为8 7 1 万吨，占全球总产量的6 4 2 。2 0 0 6 年我国海带、裙带菜、 紫菜、江蓠、羊栖菜等各种海藻( 按产品重量计) 的产量1 5 0 多万吨，占我国主要 海水养殖物种总产量的1 1 。2 0 0 6 年我国出口各类海藻产品4 。7 万吨，换汇1 2 亿美元，占全球市场份额的1 4 左右；出口海藻化工产品约2 6 万吨，换汇1 3 亿美元，占全球市场份额的7 0 以上。海藻保健品产业也崭露头角，海藻肥产业 已蜚声中外。 o 2 1 海藻养殖业 我国海藻养殖业发展比较早，1 9 2 7 年我国初次发现海带配子体，到了5 0 年 代，在曾呈奎等老一辈科学家的努力下，海带与紫菜苗种培育与海上养殖技术的 相关研究分别获得突破性进展，这些成果的推广应用掀起了海藻养殖的第一次浪 潮。随后，我国在海带、裙带菜配子体克隆技术，纯系雌性孢子体的培育，种内 和种间的杂交，单细胞克隆技术等方面都取得一系列的进展，海带、裙带菜、紫 6 海藻中砷化合物检测技术研究及食用安全性评价 菜、江蓠、羊栖菜等各种海藻的育苗以及海上养殖技术进一步完善；海带、紫菜 通过育种工作已经培育出了系列抗高温、生长快、产量高、品质优良的食用新 品种( 品系) ，如荣成培育的“荣福 海带、烟台培育的“9 0 1 ”和“东方2 号 海带，中国海洋大学培育的龙须菜新品种等。 经过半个多世纪的发展，我国海藻苗种培育与海上养殖技术日臻成熟，相关 技术在世界上处于领先水平，使我国海藻养殖在沿海各地遍地开花，逐渐成为辽 宁、山东、江苏、浙江、福建、广东、海南等省海藻养殖主产区渔民的重要民生 产业，产生显著的经济效益、社会效益和生态效益。2 0 0 6 年，我国海藻养殖总 面积达9 4 2 万公顷，总产量1 5 0 多万吨，其中海带8 4 7 万吨，紫菜9 2 万吨， 裙带菜位1 9 8 吨，江蓠1 0 5 万吨，麒麟菜1 2 万吨，羊栖菜1 3 万吨；年产值估 计超过1 0 0 亿元。海藻养殖业的发展，也为净化海洋环境，保持海洋生态平衡， 维护海洋生物多样性，保持海洋生态安全方面做出了突出贡献。 0 2 2 海藻化工业 我国海带资源丰富，发展海带提碘是最现实和可行的途径，而且制碘工业联 产大量的褐藻胶、甘露醇产品，为制碘工业注入新的活力。琼胶工业是传统的海 藻化工业，它以江蓠、石花菜等为原料，生产琼脂。随着国内外市场需求量的增 加，我国琼脂产品在食品工业、医药、生化领域的用途越来越广泛，生产规模也 在不断扩大，成为海藻工业产品出口创汇主力之一。卡拉胶工业是新兴的海藻工 业，随着食品工业和美容业的快速发展，卡拉胶产品在食品、化妆品行业的应用 越来越广，为我国卡拉胶工业提供了良好的发展机遇。 2 0 0 6 年，我国褐藻胶生产企业3 4 家，产量约3 万吨，产值约1 0 亿元；琼 胶生产企业数十家，产量约8 0 0 0 吨，产值约6 亿元；卡拉胶生产企业也是几十 家，产量约1 万吨，产值约5 亿元。出口褐藻胶约1 5 万吨，创汇4 6 0 0 多万美 元；出口琼胶4 5 0 0 吨，创汇4 3 0 0 多万美元；出口卡拉胶约5 0 0 0 吨，创汇约3 5 0 0 万美元；甘露糖醇出口量为2 3 5 0 吨，创汇4 6 8 万美元。我国海藻化工产品出口 总额约1 3 亿美元，在国际市场上所占份额7 0 以上。 o 2 3 海藻食品、保健品工业 海藻风味独特、营养丰富、具有药用和保健功效，已渐渐成为世界人民食谱 中的海洋健康食品。海藻富含多糖类、纤维质、脂肪酸、矿物质、微量元素、维 7 海藻中砷化合物榆测技术研究及食用安伞性评价 生素，现已研制出海藻茶、海藻片、海藻糖、海藻冲剂等保健食品。 我国海带食品加工企业有上百家，主要分布在山东、辽宁、福建等省，主要 加工淡干海带、盐渍海带、干熟海带等中低档海带食品，年产量大约4 万吨，出 口约1 5 万吨，年产值约4 亿元。裙带菜食品加工企业有几十家，主要集中在辽 宁省，主要产品有盐渍裙带菜、干熟裙带菜、冷冻调味裙带菜等数个产品，年产 量大约2 万吨，出口1 万吨左右，年产值约6 亿元。紫菜食品加工企业上百家， 分坛紫菜和条斑紫菜两个系列，以福建为主的坛紫菜主要加工产品是小饼紫菜； 以江苏为主的条斑紫菜加工企业引进日本一次加工、二次加工生产线，生产方型 紫菜片和烤紫菜。坛紫菜产量约5 万吨，产值约1 0 亿元；条斑紫菜产量约2 5 亿 张，产值约8 亿元。此外，还有一些其他海藻食品加工企业，如羊栖菜、龙须 菜、浒苔等，规模相对较小，产量较少。据报道，同本约有4 0 0 多家海藻食品加 工厂，生产2 0 0 多种海藻食品。而我国海藻食品加工厂企业少于同本，估计有 3 0 0 家左右，生产的海藻食品也只有几十个品种，满足不了人民群众同益增长的 消费需求。 海藻类保健食品生产企业大约有几十家，螺旋藻保健品生产企业最多，产量 约6 0 0 0 吨，其他海藻保健品企业较少。主要产品有螺旋藻片、海藻片、岩藻多 糖、海藻精、海藻饮料、海藻茶，还有一些添加海藻粉或海藻提取物的食品。 o 2 4 海藻农用产品产业 海藻中含有丰富的碘化物、维生素、矿物元素及天然生长激素，海藻作为畜 禽动物的饲料，具有防治动物体内寄生虫和抗病毒作用，可以促进动物的生长发 育、改善动物肉类品质以及提高蛋、奶产量和质量等。目前，海藻粉加工企业有 十几家，海藻粉产量估计超过5 0 0 0 吨，已广泛应用于畜禽、水产饲料添加剂。 海藻肥是一种天然有机肥料，可用于生产绿色、有机食品，而且利用微生物 技术制成的海藻液体肥，更加全面地保留了海藻的营养成分，可有效地促进农作 物的生长、提高产量和果品质量。5 0 多年前，海藻肥在欧洲、澳洲、美国、南 非等国家已广为应用。我国开发海藻肥时间只有十几年，实际应用不到十年，在 农业上使用的效果已初步显现。目前，生产海藻肥的企业有3 0 家左右，年产量 约2 万多吨，年产值约2 亿元。总之，中国海藻产业不论是产业规模还是出口贸 易方面，在世界上都占有举足轻重的地位。 8 海藻中砷化合物检测技术研究及食用安全性评价 o 3 海藻含砷问题的探讨 目前影响藻类食品食用安全性的因素主要是天然毒素( 藻类毒素) 、环境污染 物( 砷) 、持久性有机污染物( 多氯联苯) 、加工污染及掺杂使假等。关于海藻中有 毒砷化合物含量的问题已经引起越来越多的关注。 海藻中总砷含量一般在4 0 m g k g ( 干重) 左右，羊栖菜中总砷含量甚至达到10 0 m g k g ( 干重) 以上，高出陆生动植物的几十倍【引。这是由于藻类的细胞壁主要由多 糖、蛋白质和脂肪构成的网状结构，带有一定的负电荷，且有较大的表面积与黏 性。此外，其细胞膜是具有高度选择性的半透膜，这些结构决定了藻类对高价离 子的富集倍数明显高于一般离子，对p b 、c u 、c d 、a s 的吸附容量，远高于其它 海产品和陆生植物。常秀莲等研究了几种海藻对重金属的富集规律，发现海带的 砷富集率为6 2 8 6 - - 1 0 3 5 7 ，紫菜的砷富集率为2 9 0 0 5 3 4 3 9 t 2 2 。 藻类中砷的化学形态和含量分布特征不仅与种类有关，而且与海水砷浓度、 生长季节、藻体部位等都有一定的关系【2 3 l 。海藻能从海水中摄取各种水溶性、脂 溶性物质。当海水中的砷酸酸盐被海藻摄取进入细胞后，砷可以取代磷脂酰