柳州螺螄粉原料螺螄中五種重金屬元素的測定及安全性評價

覃冬杰，吳婧，許蓉蓉，陳鐵英，盧藝，陳榮珍，劉永逸

(柳州市質(zhì)量檢驗檢測研究中心，廣西 柳州，545006)

隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量的重金屬隨著廢水排放到天然水體，導(dǎo)致水體重金屬污染。重金屬難降解、毒性大并易于在食物鏈中積累[1-3]。大量研究表明，水生生物對環(huán)境污染物尤其是重金屬具有較強的富集作用[4-5]，媒體報道的水產(chǎn)品中重金屬超標(biāo)屢見不鮮，重金屬已然成為水生生態(tài)系統(tǒng)最危險的物質(zhì)之一[6-10]。

近年來，柳州螺螄粉以其獨特的口感一躍成為網(wǎng)紅產(chǎn)品，市場需求量巨大。而螺螄作為柳州螺螄粉的主要原料，其受重金屬的污染狀況及安全性研究未見報道。螺螄中重金屬易結(jié)合人體酶蛋白，使蛋白質(zhì)失去活性，進(jìn)而損傷組織細(xì)胞，在食用含有重金屬污染的食材后會對人體器官造成傷害，也會對柳州螺螄粉品牌質(zhì)量造成影響，有損口碑。因此，為保證柳州螺螄粉行業(yè)的健康發(fā)展，同時為政府監(jiān)管部門提供監(jiān)管依據(jù)，研究其原料螺螄中的重金屬元素具有重要意義。

本文以不同來源螺螄為研究對象，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma massspectrometry，ICP-MS)法測定其中鉛、砷、汞、鎘、鉻5種重金屬元素含量，并運用相關(guān)性分析、聚類分析、主成分分析和正交偏最小二乘判別分析對重金屬元素進(jìn)行統(tǒng)計分析，再運用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對重金屬元素進(jìn)行安全性評價，以期為科學(xué)評價螺螄食用安全性提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

硝酸(優(yōu)級純)，德國默克公司；試驗用水,自制一級純化水；鉛(批號19C045-8)、砷(批號19C028-8)、汞(批號18B012-2)、鎘(批號203006-2)、鉻(批號20C008-8)標(biāo)準(zhǔn)溶液(質(zhì)量濃度均為1 000 μg/mL)國家有色金屬及電子材料分析中心；ICP-MS混合內(nèi)標(biāo)液(批號50-025CRY2,質(zhì)量濃度100 μg/mL)，美國安捷倫科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

7700x型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，美國安捷倫科技有限公司；MARS-6型微波消解儀，美國CEM公司；BHW-09C型趕酸儀，上海博通化學(xué)科技有限公司；XS205型電子分析天平，瑞士梅特勒-托利多公司；明澈24UV型超純水器，德國默克密理博公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品來源及制備

20批螺螄樣品由13家柳州螺螄粉生產(chǎn)企業(yè)提供，來源分布于柳州市市區(qū)、柳城縣以及湖北省洪湖市等螺螄養(yǎng)殖基地。以其鮮品去殼，取可食用部位，絞碎，置于冰箱中冷凍保存。

1.3.2 儀器條件

ICP-MS射頻功率1 320 W；載氣流速1.15 L/min；采樣深度8 mm；蠕動泵轉(zhuǎn)速0.45 r/s；重復(fù)次數(shù)3次；碰撞反應(yīng)池模式。微波消解從室溫經(jīng)20 min升至180 ℃，保持25 min，然后經(jīng)15 min降至室溫。

1.3.3 測定方法

采用GB 5009.268—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測定》進(jìn)行前處理及測定。以扇貝標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW10024)為質(zhì)控樣品對檢測過程進(jìn)行隨行質(zhì)量控制(包括精密度試驗、重復(fù)性試驗及準(zhǔn)確度試驗)。

1.3.4 多元統(tǒng)計分析方法

將不同來源螺螄中5種重金屬測定結(jié)果導(dǎo)入SPSS及SIMCA軟件，按樣品對重金屬測定值進(jìn)行變換處理，再進(jìn)行相關(guān)性分析、聚類分析、主成分分析和正交偏最小二乘判別分析。

1.3.5 安全性評價方法

以GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》作為評價依據(jù)，即鉛≤0.5 mg/kg，砷≤0.5 mg/kg，汞≤0.5 mg/kg，鎘≤0.5 mg/kg，鉻≤2 mg/kg。采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對重金屬污染進(jìn)行評價。單因子污染指數(shù)計算方法如公式(1)所示：

Pi=Ci/Si

(1)

式中:Pi為污染物i的單因子指數(shù)，Ci為污染物i的實測值，Si為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)值。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計算方法如公式(2)所示：

(2)

式中:P綜為綜合污染指數(shù)，Pave為單因子污染指數(shù)平均值，Pmax為所有單因子污染指數(shù)最大值。污染評價等級標(biāo)準(zhǔn)[11-13]見表1。

表1 污染評價等級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard for rating of pollution assessment

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量控制結(jié)果

取質(zhì)控樣品溶液1份，重復(fù)測定6次，作為精密度試驗，結(jié)果各元素RSD為1.57%～3.74%，表明精密度良好；取質(zhì)控樣品，平行制備6份質(zhì)控樣品溶液，測定，作為重復(fù)性試驗，結(jié)果各元素RSD為2.66%～4.89%，表明重復(fù)性良好；以重復(fù)性試驗結(jié)果考察準(zhǔn)確度，結(jié)果見表2。由表2可知，準(zhǔn)確度良好。

表2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定結(jié)果 單位：mg/kg

2.2 樣品測定結(jié)果

20批樣品測定結(jié)果見表3。由表3可知，不同產(chǎn)地鉛、砷、汞、鎘、鉻含量分別為0.10～0.25、0.01～0.06、0.01～0.02、0～0.02、0.11～0.35 mg/kg，平均含量分別為0.18、0.03、0.01、0.01、0.20 mg/kg，不同重金屬元素含量差異較大，樣品中各重金屬元素含量均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 不同產(chǎn)地螺螄中重金屬測定結(jié)果 單位：mg/kg

2.3 多元統(tǒng)計分析

2.3.1 相關(guān)性分析

采用IBM SPSS Statistics 23.0軟件對20個不同來源的螺螄中鉛、砷、汞、鎘、鉻5種重金屬含量進(jìn)行相關(guān)性分析，Pearson相關(guān)系數(shù)結(jié)果見表4。由表4可知，鉛與砷呈顯著正相關(guān)，表明鉛與砷有互相協(xié)同的作用，其余重金屬元素之間相關(guān)性不顯著。

表4 重金屬元素相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of heavy metal elements

2.3.2 聚類分析

采用IBM SPSS Statistics 23.0軟件對20個不同來源的螺螄中鉛、砷、汞、鎘、鉻5種重金屬含量進(jìn)行分析，采用離差平方和法，平方Euclidean距離，進(jìn)行系統(tǒng)聚類，結(jié)果見圖1。由圖1可知，當(dāng)平方Euclidean距離為25時，20個樣品共分為兩大類，1～13號為第一類，此類樣品均來源于廣西柳州本地；14～20號為第二類，此類樣品均來源于湖北洪湖市。對樣品進(jìn)一步細(xì)分，柳州市區(qū)(1～9號)與縣份(10～13號)樣品各自聚為一類。聚類分析結(jié)果與產(chǎn)地來源基本一致，表明螺螄的重金屬含量與地域、環(huán)境等因素有一定相關(guān)性。

圖1 不同產(chǎn)地螺螄中重金屬聚類分析結(jié)果Fig.1 The cluster analysis results of heavy metals in snails from different places of origin

2.3.3 主成分分析

以樣品鉛、砷、汞、鎘、鉻測定結(jié)果導(dǎo)入SIMCA 14.1軟件，進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表5、圖2、圖3。由表5可知，前2個主成分累積方差貢獻(xiàn)率為93.2%，且特征值均大于1，因此，選擇前2個主成分進(jìn)行分析。由圖2可知，不同產(chǎn)地螺螄在主成分空間位置上能夠分散開。其中，柳州市區(qū)、柳城縣及湖北洪湖市螺螄按照產(chǎn)地在主成分空間位置上各自較為集中，各自特征分別為：柳州市區(qū)螺螄鉛、砷、汞含量相對較高；柳城縣螺螄鉻含量相對較高；湖北洪湖市螺螄鎘含量相對較高，此結(jié)果與聚類分析結(jié)果一致。由圖3可知，引起差異貢獻(xiàn)最大的重金屬元素是鉻，其次是鉛、砷、鎘、汞。

表5 主成分分析結(jié)果Table 5 The PCA results

圖2 不同產(chǎn)地螺螄中重金屬主成分分析得分圖Fig.2 The PCA score plot of heavy metals in snails from different places of origin

圖3 五種重金屬元素載荷圖Fig.3 Loading plot of five heavy metals

2.3.4 正交偏最小二乘判別分析

在主成分分析的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行正交偏最小二乘判別分析，結(jié)果見圖4、圖5。由模型驗證參數(shù)可知，數(shù)據(jù)矩陣的解釋率參數(shù)R2X=0.932，模型區(qū)分參數(shù)R2Y=1，模型預(yù)測參數(shù)Q2=0.927，均大于0.5，表明建立的數(shù)學(xué)模型穩(wěn)定且預(yù)測能力較強。根據(jù)變量重要性投影值(variable importance in the projection，VIP)篩選出引起差異的主要標(biāo)志性成分，以VIP>1的成分確定為貢獻(xiàn)較大的成分。由圖5可知，VIP>1的成分有2個，按照大小依次為鉻和鉛，表明這2種重金屬元素是產(chǎn)生差異的主要標(biāo)志性成分，該結(jié)果與主成分分析結(jié)果一致。

圖4 不同產(chǎn)地螺螄中重金屬正交偏最小二乘判別 分析得分圖Fig.4 The OPLS-DA score plot of heavy metals in snails from different places of origin

圖5 不同重金屬元素VIP圖Fig.5 The VIP plot of different heavy metals

2.4 安全性評價

20批樣品安全性評價表見表6。由表6可知，各重金屬元素單因子污染指數(shù)為0～0.50，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為0.15～0.37，評價等級均為安全級，表明螺螄所受重金屬污染較小，食用安全性高。

表6 不同產(chǎn)地螺螄中重金屬安全性評價結(jié)果Table 6 The safety evaluation results of heavy metals in snails from different places of origin

3 結(jié)論

本研究通過對不同來源的螺螄進(jìn)行重金屬含量測定，發(fā)現(xiàn)螺螄中鉛、砷、汞、鎘、鉻含量均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。相關(guān)性分析表明，鉛與砷呈顯著正相關(guān)，其余重金屬元素之間相關(guān)性不顯著。聚類分析、主成分分析和正交偏最小二乘判別分析能將螺螄的各產(chǎn)地區(qū)分開，并篩選出特征元素。各重金屬元素單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均小于0.7，為安全級，表明各產(chǎn)地螺螄所受重金屬污染較小，安全等級高。

螺螄中重金屬含量主要受三方面因素影響。(1)自身因素，主要取決于螺螄的生理特征、生活習(xí)性、對重金屬的富集和代謝機理;(2)人文因素，主要是人員在飼養(yǎng)螺螄過程中所投喂的餌料所帶來的的影響;(3)環(huán)境因素，水源是螺螄生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，水質(zhì)、泥沙、空氣等環(huán)境因素對螺螄的生長及重金屬的積累有一定影響。從本次結(jié)果來看，湖北螺螄所受重金屬污染較柳州本地小，整體質(zhì)量較優(yōu)，再加上價格及供求關(guān)系等因素，致使部分生產(chǎn)企業(yè)更傾向于購買湖北螺螄。建議相關(guān)部門從以上三方面出發(fā)，加強對螺螄中重金屬的持續(xù)監(jiān)測，以保證螺螄的安全性，繼而從源頭上保障柳州螺螄粉行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。