江西省稻米中總砷和無機砷含量的測定與分析

董曉麗，王步軍

(中國農業科學院 作物科學研究所/農業部谷物產品質量安全風險評估實驗室，北京 100081)

砷是劇毒物質，俗稱砒霜，是一種與環境和人體健康關系密切的有害元素，國際癌癥組織(International Agency for Research on Cancer，IARC)已確認砷及其化合物為致癌物。砷的生物毒性不僅與其含量有關，與其存在形態更是密切相關，不同形態的砷化合物的毒性差異很大；自然界存在的砷可以分為有機砷和無機砷兩種狀態，而無機砷的毒性遠大于有機砷；無機砷主要包括三價無機砷As3+和五價無機砷As5+，As3+毒性遠大于As5+[1-2]。

稻米是一種比較特殊的農作物，比其他旱地農作物更容易富集水中的砷，而且在我國稻米生產區砷通過水體遷移污染土壤的情況比較普遍，通過食物鏈的生物放大作用對人類的生存和健康構成了嚴重威脅[3-6]。眾多研究結果表明，在中國食物中無機砷致癌風險研究中，大米是食物無機砷攝入的首要貢獻因素，占據所有食品無機砷攝入的60%[4,7]。因此大米中砷形態的分析與風險評價已成為食品安全領域的研究熱點，成為食品監測領域中的強制項目。我國是世界水稻播種面積第二大國家，在我國大約65%的人口以大米為主食，大米更是眾多農副產品的主原料，因此檢測稻米樣品中總砷和無機砷的含量，有助于正確評價稻米中砷含量對人體健康的影響，對其后期的防治和治理具有重要的意義。

江西省是我國重要的稻米大省，素有“江南糧倉”之稱，其稻米種植面積和產量分別位居全國第2位和第3位，江西省稻米的質量安全狀況將直接影響我國的糧食安全。本文以江西省稻米為實驗材料，利用電感耦合等離子體質譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)和高效液相色譜- 電感耦合等離子體質譜法(high performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry,HPLC-ICP-MS)研究測定了稻米中總砷和無機砷的含量及變化范圍，該方法檢出限低，靈敏度高，穩定性和重復性良好，能快速準確地檢測稻米中的總砷和無機砷形態及其含量。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

測試樣品：按照江西省的地理位置，抽取10個稻米主產縣市(包括余干縣、樂平縣、鄱陽縣、萬年縣、德興縣、修水縣、新建縣、都昌縣、南昌市、寧都縣)，每個縣市10份樣品，依據GB 5491—1985 《糧食、油料檢驗 扦樣、分樣法》，共抽取生產基地100份剛收割的稻米樣品作為實驗材料。稻米脫殼后取其完整籽粒粉碎，過60目篩，放干燥器中備用。

化學試劑：硝酸，色譜純，美國Fisher公司；過氧化氫，色譜純，北京化學試劑研究所；磷酸二氫銨，化學純，北京化工廠；超純水，電阻率18.2 MΩ·cm；砷酸根(五價砷)溶液標準物質和砷酸根(三價砷)溶液標準物質，中國計量科學研究院；ICP-MS調諧液(5185-5959)、ICP-MS混合內標液(5188-6525)和ICP-MS多元素混合標準溶液(8500-6940)，美國Agilent公司。

標準物質：稻米粉標準物質(GBW(E)080684a)，優級純，國家標準物質中心；米粉標準物質(Nist1568b)，優級純，美國NIST公司。

1.2 儀器與設備

1260型高效液相色譜儀配有自動進樣器，美國Agilent公司；7900型電感耦合等離子體質譜儀，美國Agilent公司；MARS Xpress高通量密閉微波消解系統，美國CEM公司；XP204型電子天平，瑞士Mettler-Toledo公司；Milli-Q型超純水儀，美國Millipore公司；FE-20型pH酸度計，瑞士Mettler-Toledo公司；THU35B型礱谷機，日本satake佐竹公司；1093型旋風磨，瑞典Tecator公司；標準篩，浙江省上虞縣沙篩廠。

1.3 標準曲線的繪制

總砷實驗：吸取適量ICP-MS多元素混合標準溶液，用φ=5%的硝酸溶液配制質量濃度分別為0、2.5、5、10 ng/mL的標準系列溶液。

無機砷實驗：分別吸取適量三價和五價無機砷標準溶液，用超純水配制質量濃度分別為5、10、30、60 ng/mL的混合標準系列溶液。

1.4 測試方法

總砷：參照GB 5009.11—2014《食品安全國家標準 食品中總砷及無機砷的測定》，以及 GB 5009.268—2016 《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》，ICP-MS方法，結果以mg/kg表示。

無機砷：參照GB 5009.11—2014《食品安全國家標準 食品中總砷及無機砷的測定》中的LC-ICP-MS方法，無機砷含量為三價As3+和五價As5+之和，結果以 mg/kg 表示。

1.5 儀器檢測工作參數

儀器檢測的主要工作參數見表1。

表1 HPLC和 ICP-MS 主要工作參數Tab.1 Operation parameters for HPLC and ICP-MS

1.6 測定步驟

1.6.1總砷測定

稻米使用礱谷機脫殼后磨粉，過0.3 mm(60目)篩。稱取0.250 0 g(精確到0.0001 g)粉末樣品于消解罐中，加入4.0 mL濃硝酸和2 mL雙氧水，冷消解1 h后加入2 mL水，按照微波消解系統的預設系統(見表2)進行消解，然后冷卻至室溫，用超純水定容到25 mL，搖勻之后待ICP-MS測定。同時進行試劑空白。

1.6.2無機砷測定準確稱取1.000 g(精確至0.001 g)稻米粉末樣品于50 mL聚丙烯離心管中,加入20 mL 0.15 mmol/L硝酸溶液，靜置過夜。第2天拿出樣品于渦旋儀渦旋混勻，置于90 ℃恒溫烘箱中加熱提取2.5 h，每隔0.5 h取出渦旋一次。提取后將樣品放到4 ℃冰箱中靜置5 min，取上清液置10 mL離心管中，8 000 r/min離心15 min，取上清液過0.22 μm水系濾膜，濾液收集至液相進樣小瓶待測。同時進行試劑空白。

表2 微波消解程序相關參數Tab.2 Operation parameters for microwave digestion

1.7 不同地區砷含量差異顯著性比較

稻米中總砷和無機砷含量結果采用SPSS 19.0進行數據分析，各縣之間含量用單因素方差分析(one-way ANOVA)中的 LSD 檢驗對實驗數據進行統計分析，進行三次平行實驗。

1.8 江西省稻米中無機砷的健康風險評估

根據美國環境保護署(US Environmental Protection Agency,USEPA)發布的健康風險模型，采用周暴露量(weekly dose of intake,WDI)對江西省稻米中無機砷污染對人群健康風險進行評估，以風險系數HQ表示稻米中無機砷的風險大小。HQ<1，則表示無健康風險，HQ≥1，則表示存在健康風險。計算公式見式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，HQ為健康風險系數；WDI為無機砷的周暴露量，mg/(kg·周)；Cf為稻米中無機砷的含量，mg/kg；IR為大米日攝入量，kg/d；EF為暴頻頻率，d/a；ED為暴露年限，a；D為每月天數，d/月；BW為體重，kg；AT為平均時間，d；PTWI為每周可耐受攝入量，mg/(kg·周)。

2 結果分析與討論

2.1 測定精密度和質量控制

質量控制采用標準物質測定法，結果見表3。

GBW(E)080684a稻米粉標準物質中，總砷標準值為(0.423±0.023)mg/kg，測定平均值為 0.429 mg/kg；Nist1568b米粉標準物質中，無機砷標準值為(0.092±0.010)mg/kg，測定平均值為 0.091 mg/kg。表3的結果表明，本實驗方法的準確度和精密度良好，均滿足實驗檢測分析的要求。

表3 總砷和無機砷含量的標準物質測定結果Tab.3 Determination results and value of certified reference materials mg/kg

2.2 標準曲線的繪制及線性方程和相關系數

總砷含量和無機砷含量(As3+、As5+)標準曲線的線性方程和相關系數分別為y=3 568.5x+278.26(r=0.999 9)；y=13 284x-2 969(r=0.999 7)；y=6 710.6x-690.69(r=0.999 3)。由相關系數可知，測定總砷及無機砷的標準曲線線性關系均良好，滿足實驗需求。

2.3 稻米樣品中總砷含量的測定結果

本次實驗共監測江西省10個縣市的100份稻米樣品，總砷含量的結果見表4。結果表明，對于江西省總體來講，總砷含量為0.045～0.382 mg/kg，均值為0.170 mg/kg；10個縣市的稻米中總砷含量平均值之間存在差異，變異系數為11.1%。總砷含量最大值0.382 mg/kg和最小值0.045 mg/kg均來源于德興縣；總砷含量平均值的最大值0.217 mg/kg來源于修水縣，最小值0.149 mg/kg來源于余干縣。現有國家標準中，未對總砷含量的限量做出要求。

用SPSS軟件的LSD檢驗(one-way ANOVA)可知，對于總砷含量而言，余干縣總砷含量最低，而且與其他9個縣的總砷含量比較均體現出顯著的差異性(P<0.05)；修水縣的總砷含量最大，其與鄱陽縣和寧都縣的總砷含量之間比較差異不顯著(P>0.05)；寧都縣除了與余干縣差異顯著外，與其他8個縣的總砷含量相比差異均不顯著。

表4 江西省稻米中總砷含量測定結果Tab.4 Determination results of total arsenic in rice samples of Jiangxi mg/kg

不同字母表示含量之間差異的顯著性 (P<0.05)。

2.4 稻米樣品中無機砷含量的測定結果

江西省10個縣市的100份稻米樣品中無機砷檢出率為27%。As3+、As5+測定的質譜圖見圖1，無機砷含量的結果見表5。由圖1所示，As3+、As5+色譜峰分離效果良好，出峰時間分別為 2.418 min和12.703 min；通過分析100份稻米樣品的色譜圖，得知所有樣品中的As3+含量明顯高于As5+含量，As3+含量占無機砷總含量的90%以上，說明稻米無機砷的主要存在形態是As3+。表5結果表明，對于江西省總體來講，無機砷含量在 0.000～0.180 mg/kg，均值為 0.067 mg/kg；10個縣市的稻米中無機砷含量平均值之間存在比較大的差異，變異系數為53.6%。無機砷含量最大值 0.180 mg/kg 來源于修水縣和都昌縣；10個縣市中，無機砷平均含量最高的來源于修水縣為 0.107 mg/kg，最小值來源于余干縣為 0.000 3 mg/kg。文濤等[1]的研究表明，稻米中無機砷含量范圍為0.039～0.150 mg/kg；潘浩[4]研究表明，江西省無機砷含量為0.095 3 mg/kg；這些研究結果與本實驗結果趨勢相符合。

LSD檢驗 (one-way ANOVA)數據所示，對于無機砷含量而言，10個縣市的無機砷含量之間相比均體現出顯著性的差異。而且，無機砷占總砷含量的比值在0.223%～53.02%。

總砷包括有機砷和無機砷，而具有衛生學意義和食品安全意識的主要是無機砷。我國自2017年9月17日起實施的標準GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》中，規定了大米中無機砷的限量為 0.2 mg/kg，而對總砷的含量已不作要求。本次測定的江西省稻米中的無機砷含量均在國家限量標準范圍內。

圖1 標準溶液中As3+、As5+的HPLC色譜Fig.1 HPLC chromatogram of As3+ and As5+ standard solution

表5 江西省稻米中無機砷含量測定結果Tab.5 Determination results of inorganic arsenic in rice samples of Jiangxi province mg/kg

不同字母表示含量之間差異的顯著性 (P<0.05)。

2.5 江西省稻米中無機砷的健康風險評估分析

目前，聯合國糧農組織和世界衛生組織下的食品添加劑聯合專家委員會(Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives,JECFA)制定了無機砷的暫定每周耐受攝入量(provisional tolerable weekly intake,PTWI)為15 μg/(kg·周)，參照表6中的相關參數計算稻米中無機砷的周暴露量以及健康風險系數HQ，結果表明，江西省10個縣市稻米中無機砷的HQ在0.001～0.387 mg/kg，說明江西省稻米中無機砷含量對于普通人來講是沒有健康風險的。

3 結 論

本文選取了江西省10個縣市的100份生產基地的稻米樣品為實驗原料，采用ICP-MS和HPLC-ICP- MS方法，測定了稻米樣品中的總砷和無機砷含量。標準曲線、線性方程和相關系數以及標準物質的測定結果表明，該分析方法的準確度和精確度高，穩定性和重復性良好，滿足稻米中總砷和無機砷的測定需求。

表6 稻米中無機砷暴露量評價模型公式計算相關參數Tab.6 Parameters for probability model of inorganic arsenic in rice samples

測定結果表明，江西省10個縣市的稻米總砷含量在0.045～0.382 mg/kg之間，均值為0.170 mg/kg；無機砷含量在 0.001～0.180 mg/kg，均值為 0.067 mg/kg，按照GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》對無機砷含量進行判定，無超標樣品，含量均在國家限量標準范圍內。江西稻米中無機砷主要以As3+形態存在，As3+含量占無機砷總含量的90%左右。單因素方差分析結果顯示，各個縣市的稻米中總砷和無機砷含量之間均存在不同程度的差異性，其中無機砷含量的差異較大，10個縣市之間的無機砷含量相比均體現出顯著地差異性。通過USEPA公布的健康風險模型對江西稻米中無機砷含量進行暴露評估，結果表明無健康風險。

從食品安全角度出發，無機砷毒性大，食品風險評估中應該重點監測稻米中無機砷含量。本測定方法適合稻米及其大米食品中無機砷含量的測定，為有效執行國家食品安全標準，保證監管力度以及稻米及其大米副食品的食用安全性提供了可靠的技術支持。