一次性紙杯中全氟辛酸及全氟辛烷磺酸的膳食暴露研究

魏靜娜,王亞旭,周 茜,趙 文,劉征輝,*

(1.天津市農業質量標準與檢測技術研究所,天津 300381;2.河北農業大學食品科技學院,河北保定 071000)

全氟化合物(perfluorinated compounds,PFCs)由于其獨特的理化性質,而被廣泛的用于工業品及日用品的表面涂層中,由于其長期的廣泛應用,人類生存的環境、水、空氣、食品中[1-5]都被檢測到PFCs的存在,甚至人的血液、血清樣品中也檢測到PFCs,因此引起了各國政府和國際組織對PFCs的潛在毒性及人類攝入PFCs的途徑研究的重視。

毒理學研究表明,PFCs具有肝毒性、胚胎毒性、生殖毒性、神經毒性、致癌性、免疫毒性、內分泌毒性等[6-8]。從目前的統計數據來看,8個碳原子的全氟辛酸(perfluorooctanoic acid,PFOA)和全氟辛烷磺酸(perfluorooctanesulfonic acid,PFOS)是檢出率最高的PFCs,PFOA可導致肝臟、胰腺等臟器癌癥的發病率升高[9-10],可顯著降低黑斑蛙精子的數量及活性[11],對人肺Ⅱ型上皮細胞株A549產生毒性作用[12];PFOS可對機體的神經系統[13]、生殖系統、內分泌系統及免疫系統產生損傷[14],并具有胚胎發育毒性[15]和遺傳毒性。

一次性紙杯由于價格低廉且方便攜帶和使用而廣受消費者和飲品商家青睞。隨著消費量的不斷上升,一次性紙杯的使用安全問題越來越受關注,吳遠嬋等[16]、來守軍等[17]分別開發了一次性紙杯中雙酚A的臧紅T-Fenton試劑熒光光譜測定法、鉛的鉻天青S分光光度測定法,Zabaleta等[18]、Zafeiraki等[19]和馮盤[20]均開發了包括一次性紙杯在內的食品接觸材料中PFCs殘留量的LC-MS/MS測定法,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》[21]也適用于一次性紙杯中PFOA及PFOS的殘留量測定;而關于一次性紙杯在與食品接觸時,PFCs向食品中的遷移狀況的研究未見報道。

本文通過遷移試驗,采用UPLC-MS/MS法測定銷量較大的20種一次性紙杯中PFOA及PFOS向不同食品中的遷移量,并結合消費量調查,評估不同人群通過此類商品的消費暴露于PFOA及PFOS的風險。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

一次性紙杯(均為單面淋膜的紙杯,品牌名:妙潔、美麗雅、茶花、潔成、百草園bicoy、利得、天平朝暉、宜潔yekee、尚島宜家、member’s mark、潔能、新鮮生活、泉林本色、依帝歐Edo、云蕾、優奧、心相印、克林萊、特美居、岸寶) 京東商城;Greole 弱陰離子交換(Weak Anion Exchanger,WAX)固相萃取小柱(150 mg/6 mL) 天津歐姆尼基因科技有限公司;長壽花金胚玉米油 山東三星玉米產業科技有限公司;全氟辛酸銨(純度95.5%)、全氟辛烷磺酸鹽(純度98.5%) 德國 Dr.Enrenstorfer GmbH 公司;乙腈、甲醇(均為色譜純) 美國Fisher公司;純水由milli Q超純水系統制備;蒸餾水 永清源純水制造中心;乙酸銨(優級純) 天津市光復科技發展有限公司;冰乙酸、無水乙醇、氫氧化鈉、氨水、甲醇 分析純,天津市風船化學試劑科技有限公司;25 mmol/L乙酸銨緩沖液:取1.925 g乙酸銨,用900 mL水溶解,加冰乙酸調節pH至4±0.5,用水定容至1 000 mL;0.1%氨化甲醇:取200 mL甲醇于250 mL容量瓶中,準確移取250 μL氨水于甲醇中,用甲醇定容,超聲混勻。

超高效液相色譜-三重四級桿串聯質譜儀(Waters Acquity I-class/Xevo TQ-S,配備電噴霧離子源ESI以及Masslynx4.1數據采集軟件) 美國waters公司;Heuzbad Hei-VAP旋轉蒸發儀一體機 德國Heidolph;SevenEasy實驗室pH計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;TTL-DC II型氮吹儀 北京同泰聯科技發展有限公司;QL-901 Vortex渦旋器 海門市其林貝爾儀器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 食品模擬物的選擇 根據GB 31604.1-2015《食品接觸材料及制品遷移試驗通則》[22]的相關規定,選用蒸餾水作為礦泉水、純凈水等水性飲品的模擬物,4%的乙酸水溶液作為pH<5的酸性飲料的模擬物,10%乙醇作為透明澄清的非酒精飲料或酒精飲料(乙醇含量≤10%)的模擬物,20%乙醇作為豆漿、發酵豆漿飲品及酒精飲料(乙醇含量>10%且≤20%)的模擬物,50%乙醇作為渾濁飲料及酒精飲料(乙醇含量>20%且≤50%)的模擬物,玉米油作為浸泡于油脂類液體調味料中的食品的模擬物。

1.2.2 其它數據來源 為了更好的評估PFOA及PFOS對不同性別、不同年齡段人群的暴露風險,課題組對人群每周使用一次性紙杯的數量進行調查[22],共獲得有效調查問卷2532份。問卷中將食品接觸材料的消費人群按年齡段分為11～19歲的青少年組、20～24歲的成人組、25～39歲成人組,40～59歲成人組、60歲以上成人組,每個年齡段再細分為男女兩組。各組調查人群的平均體重,采用國家體育總局公布的《2014年國民體質監測公報》中的數據[23],詳見表1,用于下文膳食暴露的評估。

表1 不同被調查人群的體重

1.2.3 遷移量的測定

1.2.3.1 遷移試驗 根據GB 31604.1-2015《食品接觸材料及制品遷移試驗通則》[22]的要求,進行遷移試驗時,食品接觸材料及制品的接觸面積(S)與食品或食品模擬物體積(V)的比值(S/V)應反映實際的使用情形,且應取可預見使用情況下的最大S/V(如最小包裝),液態食品的密度通常以1 kg/L計,且遷移試驗條件應盡可能反映實際使用條件。本實驗中S與V的比值參考一次性紙杯的實際情況確定,計算本實驗所用紙杯的內表面積與容積的比值,確定每7 dm2的材料接觸1 kg的模擬物。模擬物與一次性紙杯的接觸時間及溫度根據所模擬的食品的實際使用情況確定,具體數據見表2。本實驗中將紙杯剪成1.0 cm×3.5 cm的條狀,卷折于100 mL的三角瓶中,分別準確加入100 mL模擬物,另取不加紙杯材料組作為空白,空白試驗與各遷移試驗均設三個平行,按照表2的條件進行遷移試驗(介質與紙杯內表面以單面接觸[24])。

表2 遷移試驗條件

1.2.3.2 食品模擬物處理 按照表2的遷移試驗條件與一次性紙杯接觸后的食品模擬物的處理方式如圖1所示,參與后續處理的模擬物體積為100 mL,即遷移試驗階段的全部模擬液。

圖1 與一次性紙杯接觸后的食品模擬物處理示意圖

1.2.3.3 測定條件 液相條件:色譜柱為Waters AQUITY BEH C18(2.1 mm×100 mm,1.7 μm),柱溫30 ℃,以乙腈(A)、水(B)為流動相進行梯度洗脫,0～2 min,10% A→60% A,2～4 min,60% A→100% A,4～6 min,100% A,6～8 min,100% A→10% A,進樣體積為1 μL。

質譜條件:電噴霧負離子模式(ESI-),多反應監測(MRM),毛細管電壓1.5 kV,離子源溫度150 ℃,脫溶劑氣溫度400 ℃,脫溶劑氣流速900 L/Hr,錐孔反吹氣流速150 L/Hr,以質荷比(m/z)413.07→168.85和m/z 413.07→368.95為PFOA的定性和定量離子對,錐孔電壓為27 V,碰撞能量分別為23、15 V,m/z 499.04→98.78和m/z 499.04→79.77分別為PFOS的定性和定量離子對,錐孔電壓25 V,碰撞電壓均為50 V。

1.2.3.4 定量方法 本實驗中PFOA及PFOS的測定采用外標法定量。

1.2.4 未檢出數據的處理 由于樣品處理方法及儀器靈敏度的缺陷,檢測結果中會出現未檢出的情況,在計算PFOA及PFOS向被調查人群的慢性暴露量時,將低于檢出限的數據(not detected,ND)假定為ND=0、ND=1/2LOD及ND=LOD三種情況,用于計算一次性紙杯中PFOA及PFOS的慢性人群暴露量。

1.2.5 膳食暴露評估方法 本實驗采用點評估法進行分析,該方法在均數水平上估計人群污染物膳食攝入暴露量,原理明確易懂,簡便易行,是我國膳食暴露評估應用的主要方法之一[25]。急性點評估和慢性點評估的暴露量分別按公式(1)和(2)計算。

式(1)

式中:EXPacute為PFCs的急性人群暴露量(ng/(kg·d));xk,97,5為第k類食品接觸材料消費量分布的97.5分位數(只);ck,max為第k類食品接觸材料某一種PFCs的最大遷移量(ng/cm2)與紙杯內表面積(cm2)的乘積;p為某天消費的食品接觸材料種類數目;bw為被評估人群的平均體重(kg)。

式(2)

式中:EXPchronic為PFCs的慢性人群暴露量(ng/(kg·d));xk,average為第k類食品接觸材料的平均消費量(只);ck,average為第k類食品接觸材料中某一種PFCs的平均遷移量(ng/cm2)(將遷移試驗中20種紙杯6種模擬使用狀態下所得遷移量數據賦予相等的權重,計算平均值所得)與紙杯內表面積(cm2)的乘積;p為某天消費的食品接觸材料種類數目;bw為被評估人群的平均體重(kg)。

公式(1)中的xk,97,5及公式(2)中的xk,average根據調查問卷所得消費量數據,使用SPSS25.0計算所得,紙杯內表面積采用常見規格的早餐杯的內表面積(下底直徑5.5 cm,上口直徑8.0 cm,高11.5 cm)。

式(3)

式(4)

式中:ArfD為急性每日參考劑量,RfD為每日參考劑量,ArfD(%)(RfD(%))≤100%時,表明膳食攝入風險處于可接受的范圍,ArfD(%)(RfD(%))值越小,風險越小;反之,當ArfD(%)(RfD(%))>100%時,表明膳食攝入風險超出可接受范圍,ArfD(%)(RfD(%))越大,風險越大。

由于目前各國政府及組織均未對PFCs的ArfD、RfD值作出規定,為了評估膳食攝入風險,2008年,歐盟開展風險評估調查,推薦PFOA及PFOS的每日攝入耐受量(TDI)分別為1500、150 ng/(kg·d)[26],本文在進行PFOA及PFOS的急慢性膳食風險評估中,將公式(3)(4)中的ArfD及RfD值用TDI代替,相應的將ArfD(%)、RfD(%)分別以TDIacute(%)及TDIchronic(%)代替,用以評估PFOA及PFOS的急慢性膳食攝入風險。

1.3 數據處理

遷移試驗時,每個平行試驗重復測定3次取平均值,采用SPSS 25.0統計軟件、Excel 2016進行調查及測定數據的統計、計算,測定數據以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 方法學驗證結果

方法學驗證數據表明,本實驗采用的測定方法符合實驗要求,見表3。以PFOA及PFOS各自的定性離子對及定量離子對提取的空白樣品色譜圖中,未出現與PFOA及PFOS出峰時間相同的色譜峰;PFOA和PFOS在0.1～2.0 ng/mL范圍內線性良好;方法回收率測定設低、中、高三水平,在100 mL相應的空白食品模擬物中加入不同量的PFOA及PFOS標準品,其中低水平加標量為2.0×10-3ng PFOA、4.0×10-3ng PFOS,中水平加標量為7.0×10-3ng PFOA、13.5×10-3ng PFOS,高水平加標量為0.070 ng PFOA,0.14 ng PFOS,回收率為87.05%～103.54%;以信噪比(S/N)=3及S/N=10對應的標準品溶液濃度結合食品模擬物的處理方法及加標回收率,計算檢測方法的LOD及LOQ,并制備對應濃度的空白樣品加標溶液進行驗證,LOD分別為0.029×10-3、0.057×10-3ng/cm2,LOQ分別為0.095×10-3、0.19×10-3ng/cm2。

表3 方法學驗證數據

2.2 PFOA及PFOS的檢出情況

遷移試驗中選用的20種一次性紙杯中的PFOA及PFOS,在各種模擬使用狀態下,向食品中的遷移量見表4,其中遷移量數據已根據GB 31604.1-2015的相關要求,將向食品模擬物中的遷移量轉換為向真實食品中的遷移量,以玉米油作為模擬物測得的遷移量,應乘以校正因子1/3才可轉化為PFOA及PFOS向浸泡于油脂類調料中的食品的遷移量,以其它模擬物測得的遷移量數據無需校正。表4中,PFOA的檢出率較高,達到98.3%,PFOS的檢出率61.7%;PFOS的遷移量普遍低于PFOA,而且當模擬用一次性紙杯飲用白開水時,20種紙杯中PFOS向水中的遷移量甚至全部低于檢出限;兩種PFCs遷移量的高值普遍出現在利用紙杯飲用豆漿和低濃度飲料及食用浸泡于油脂類液體調味料中的食品的模擬試驗中,建議盡量少用紙杯盛放這幾類食品。

表4 PFOA及PFOS向食品中的遷移量

一次性紙杯中PFOA及PFOS向食品中的最高遷移量分別為23.70×10-3、4.10×10-3ng/cm2,馮盤[20]檢測得到的一次性紙杯中PFOA及PFOS的殘留量高達8.835和30.29 ng/cm2,遠遠高出本試驗所測遷移量數值,總殘留量高于向食品中的遷移量為正常現象;而且所用紙杯品牌不同,紙杯質量不同,檢測所得數據也會有差別;PFCs的危害引起重視后,紙杯內涂層材料的更新換代,也是本試驗所得遷移量數據較低的一個原因。

2.3 一次性紙杯的消費量

2018年9月～2019年3月,課題組對不同人群進行的消費量調查結果顯示(見表5),青少年及中青年為一次性紙杯(碗)的消費主體,而60歲以上的人群,由于生活方式的改變及對健康的關注度提高,使用一次性紙杯的量大幅降低。

中國產業信息網根據調查推斷,2019年我國一次性紙杯的消費量將達到835億只[27],國家統計局數據顯示2018年末,我國總人口為13.9億[28],以此計算,我國每周一次性紙杯的人均消費量為1.2只,若以此平均值計算膳食暴露風險,則無法估算高端暴露人群的風險值,相比之下,表5的數據更能比較真實的反映消費量隨年齡性別的變化,以此計算所得暴露風險數值能更真實的反映一次性紙杯在它的消費群體內的風險水平。

表5 不同人群一次性紙杯的消費量

2.4 PFOA及PFOS的膳食暴露風險

根據遷移試驗數據和消費量數據,采用公式(1)～(4)計算一次性紙杯中PFOA及PFOS的急慢性膳食暴露量,評估PFOA及PFOS的急慢性膳食暴露風險,具體數據見表6、表7。PFOA及PFOS對各被評估人群的急性及慢性暴露水平均遠低于相應的TDI值,而且由于遷移試驗部分的檢出限較低,未檢出數據的取值在0和LOD之間變化,對遷移量平均值的影響不大,以ND=0、1/2LOD、LOD計算所得兩種PFCs的慢性暴露水平差異很小。

表6 PFOA及PFOS對不同人群的急性暴露水平

表7 PFOA及PFOS對不同人群的慢性暴露水平

20～59歲的大學生及上班族由于使用紙杯的頻率高,通過此途徑攝入PFOA及PFOS的風險較高,60歲以上的老年人由于自由支配時間的增多及對健康的關注增多,使用一次性紙杯的頻率明顯降低,攝入PFOA及PFOS的風險也隨之明顯降低。

3 討論與結論

測定市場上銷量較好的20種一次性紙杯中的PFOA及PFOS在與不同食品接觸時向食品中的遷移量,PFOA的檢出率98.3%,PFOS檢出率61.7%,但兩種PFCs的遷移量值均較低。采用點評估法對一次性紙杯中PFOA及PFOS對不同人群的暴露風險進行了評估,結果顯示,急慢性膳食暴露風險均處于較低水平,但是人群攝入PFCs的途徑是多方面的,Haug等[29]通過研究挪威175位志愿者的飲食和血液血清中PFOA、PFOS及perfluoroundecanoic acid(PFUnDA)的相關性,發現飲食尤其是海鮮類的食品是人們攝入PFCs的主要途徑。Shoeib等[30]采集并測定了加拿大溫哥華152個家庭中的空氣、灰塵和干衣機棉絮樣本,幾乎在每個樣品中都檢測到了PFCs和(或)其前體的存在,尤其是空氣和灰塵中,說明呼吸也成為人類攝入PFCs的一個重要途徑。本文只計算了通過消費一次性紙杯包裝的食品攝入PFOA及PFOS的風險值,所以此值可能遠遠低于某些高暴露人群實際攝入PFOA及PFOS的風險水平;再者,本文用于急慢性膳食暴露評估的TDI值,顯著高于RfD值[31],這也導致PFOA及PFOS實際暴露風險的低估。

從保護人類自身健康的角度來說,雖然一次性紙杯中PFOA及PFOS向食品中的遷移量很低,但是由于此類化合物在人體內的半衰期很長,長期攝入,會在體內累積,所以盡量還是少用為好,尤其要少用來盛放低濃度酒精飲料及浸泡于油脂類液體中的食品。