全氟化合物在食品中的污染情况及检测方法研究进展

郑 翌,冷桃花,潘煜辰,陈贵宇,秦 宇,顾宇翔

(上海市质量监督检验技术研究院,上海 200233)

全氟化合物(perfluorinated compounds,PFCs)化学结构上通常含有一个疏水的烷基链和一个亲水的功能基团(如羧酸和磺酸),烷基链一般由4～18个全氟化的碳链构成;主要包括全氟羧酸(perfluorocarboxylic acids,PFCAs)、全氟磺酸(perfluorinated sulfonic acids,PFSAs)等,其中全氟辛酸(perfluorooctanoic acid,PFOA)和全氟辛烷磺酸(perfluorooctane sulfonate,PFOS)是目前应用最广泛的两种全氟有机物。PFCs于20世纪50年代被3M公司开发出,由于氟具有最大的电负性,使得C-F键具有强极性,因此PFCs能够经受强的紫外光照、加热、化学作用、微生物以及代谢作用而很难降解[1-2];这样特殊的结构和性能使其具备显著的疏水、疏油性、较好的表面活性和非常稳定的化学性质,因此被广泛应用于纺织品、皮革、阻燃剂和表面活性剂等诸多领域[3]。然而,大量含PFCs商品的研发、生产、使用和处置,使其通过多种途径迁移至环境介质及生物体内[4-5],并且被发现的种类也越来越多,随着研究的深入,其已被证明对生态环境及人类健康构成了威胁。

本文对PFCs的危害、国内外已出台的限制规定以及食品中的PFCs污染水平进行了综述,通过分析食品中PFCs检测技术的现状和发展趋势,为后续研究和风险评估提供参考。

1 全氟辛酸和全氟辛烷磺酸等全氟化合物的危害

2004年“杜邦特氟龙”事件爆发后,国际社会开始高度关注全氟化合物,由于PFCs难以被新陈代谢、水解、光解、生物降解,导致它会在环境中持久存在,而且PFCs不同于其它持久性有机污染物疏水的特性,其在水中的溶解度比较大,能在水体中长期大量存在[4,6],导致高生物富集性,使处于食物链最顶端的人类存在健康风险[7]。摄入过多PFOS与PFOA可引起癌症[8]、甲状腺毒性[9]、免疫系统毒性[10-11]、生殖毒性[12]等病症。研究表明,孕期母亲PFCs暴露对新生儿及婴儿生理、心理发育均存在近期及可能的远期危害效应[13],因此建议育龄期妇女尽量减少与其相关的一次性纸质包装食品、室内外灰尘等途径的接触。

此外,PFCs的前体物质也是生物体内PFCs污染的主要来源[14]。如PFOS的前体物质包括N-甲基全氟辛基磺酰胺和N-乙基全氟辛基磺酰胺,二者为原料可以继续合成前体物质N-甲基全氟辛基磺酰氨基乙醇和N-乙基全氟辛基磺酰氨基乙醇[15]等化合物。PFCs前体物质分布范围广泛[16-17],在自然条件下可通过不同方式富集于生物体内并转化为毒性更大和半衰期更长的PFCs,而且前体物质自身或所转化的中间体也具有类激素作用、细胞毒性等生物学毒性[14]。

2 国内外全氟辛酸和全氟辛烷磺酸等全氟化合物法规

2009年斯德哥尔摩公约第四次缔约方大会决定将PFOS及其盐类与全氟辛烷磺酰氟列入公约附件B(限制类)。2015年斯德哥尔摩缔约方大会通过了PFOA及其盐类和相关化合物的附件D审查(持久性有机污染物特性筛选),决定在其附件E审查时应纳入可降解为PFOA的盐类和相关化合物。目前不少全氟化合物的毒理学性质尚不清楚,虽然目前公约主要考虑PFOS和PFOA,但是普遍认为应该有更多PCFs属于持久性有机污染物。

2008年欧盟食品安全局食物链污染物科学专家组把0.03 mg/(kg·d)(b.w.)作为未观察到损害作用水平(NOAEL)值[18],再乘以不确定性因子200得出人均每天可承受PFOS摄入量为150 ng/(kg·d),PFOA 1500 ng/(kg·d)。此外还有多个机构对PFOA和PFOS的居民每日的耐受摄入量进行了规定[7]。2011年欧盟发布调查报告,认为水产动物源性食品中PFCs残留水平明显高于陆源性动物食品,进而提出水产动物源性食品常态化监控PFCs的建议。2017年欧盟发布法规(EU)2017/1000[19],正式将PFOA新增为第68项REACH法规限制物质,2020年7月4日之后,除豁免情况外,当PFOA及其盐类含量≥25 μg/kg,PFOA相关物质单项或者多项总含量≥1000 μg/kg时不得生产或投放市场。

联合国经济合作和发展组织提出过关于限制使用PFOS和PFOA的导则,美国国家环保局将PFOA定义为人类可能致癌物。根据中国《产业结构调整指导目录(2011年本)》[20],涂料等用途的PFOS将全部淘汰,用于消防和全封闭体系电镀等用途的PFOS尚未列入名单中。

3 全氟辛酸和全氟辛烷磺酸等全氟化合物在食品中的污染情况

1968年就有报道在人体血液中检测到了有机氟[21],此后随着检测技术的进步,全世界范围内的水资源、生态环境样品、野生动物和人体内都已经检测到PFCs的存在[5-6,16-17]。目前,生物体内的PFCs的确切来源尚不完全清楚,但膳食是途径之一[22-23]。2012年,欧盟对欧洲13个国家2006～2012 年间全氟化合物检测数据的统计发现,膳食摄入能导致人体具有暴露PFCs的潜在风险,并且儿童的暴露水平是成人的2～3倍[24],因此分析食品中的PFCs污染状况具有重要的意义。

3.1 水产品及其制品

结构中末端不同的亲水基团使得不同种类PFCs的理化性质各异,从而在水中和沉积物中的含量情况不一致,使不同生活习性的水生生物的富集能力存在差异[23,25]。美国从164个城市河流取样点和157个近岸大湖取样点检测的鱼类样品表明,PFOS的检出频率最高[23],其次是全氟癸酸、全氟十一酸和全氟十二酸。城市河流样品和大湖样品的最大PFOS含量分别为127、80 μg/kg。Vassiliadou等[26]对地中海鱼类和贝类进行了PFCs分析,除沙丁鱼、贻贝和鱿鱼外,所有样品均检出PFCs。污染物以PFOS为主,含量最高的是棒鲈,达20.4 μg/kg,其余样品含量低于5.66 μg/kg。Domingo等[27]对西班牙加泰罗尼亚地区水产品的研究中检出了7种PFCs,各种鱼、甲壳和贝类中至少检出一种PFCs,平均含量最高的PFOS为2.70 μg/kg,PFOA平均含量为0.074 μg/kg,其中最高的是虾(0.098 μg/kg)和鳕鱼(0.091 μg/kg)。

从国内来看,青藏高原、丹江口和汉江的淡水鱼中PFCs含量不高[28-29],其中青藏高原鱼类的PFOS为未检出～7.54 μg/kg;PFOA为未检出～1.86 μg/kg;丹江口和汉江鱼类为的PFOS为未检出～1.11 μg/kg;PFOA为未检出～3.17 μg/kg。长江流域5个省份10个城市27种水产品中黄鳝PFOS的检出比例最高[30],为78.95%;河蟹中PFOS含量水平最高,达6.29 μg/kg;PFOS的含量范围整体较PFOA高,前者为未检出～11.53 μg/kg,后者为未检出～2.18 μg/kg。北京市水源地的鱼体中PFCs也存在不同程度的检出[31],PFOS、PFOA、全氟壬酸、全氟癸酸、全氟十一酸和全氟十二酸的检出率达到100%,其中PFOS和长链PFCAs是鱼体中的主要污染物,PFCs总量浓度为1.70～14.32 μg/kg,肉食性鱼类中PFOS含量大多高于杂食性鱼类。

上述研究表明,国内外水生生物体内广泛存在PFCs,平均含量在μg/kg级别,以PFOS最为普遍。水产品在生长过程中体内会不断富集PFCs,其在水产品中的含量具有随食物链生物累积放大的效应。由于近年来各种饮食和健康节目和宣传都建议人们少吃畜禽肉,多吃水产品,使得水产品在人类饮食上所占的比重加大,经由水产品摄入导致的人体PFCs暴露量增加,虽然尚未达到对人体健康具有风险的水平,但有必要加强监控。

3.2 乳及乳制品

通过向母牛喂养含PFCs污染物的饲料的方法,可以研究牛奶中PFCs的含量变化情况,Kowalczyk等[32]饲养的奶牛日平均采食全氟丁烷磺酸、全氟己烷磺酸、PFOS、PFOA的量分别为3.4、4.6、7.6和2.0 μg/kg体重。结果表明,随着喂养时间的延长,PFCs在牛奶中的浓度也随之增加,其中浓度最高的是PFOS;饲喂结束时,牛奶中PFOS含量为14 μg/kg,其次为全氟己烷磺酸2.5 μg/kg,而另外两种几乎不分泌到牛奶中。

我国市售牛奶普遍存在全氟化合物的污染问题[33],检出最多的是PFOS,PFOA和全氟十一酸,含量范围分别为未检出～127.0、未检出～431.9、未检出～15.95 ng/L;此外,还检测出3种全氟化合物前体物质,分别为1H,1H,2H,2H-全氟己基磺酸、1H,1H,2H,2H-全氟辛基磺酸和lH,1H,2H,2H-全氟辛基-2-磷酸盐,含量水平低于PFCs,分别为3.75、未检出～2.49、未检出～24.56 ng/L。母乳中也存在全氟化合物前体物质的人体暴露[34],在1237个样品中检测出3种全氟化合物前体物质,为2H-全氟-2-辛烯酸、1H,1H,2H,2H-全氟辛基磺酸和lH,1H,2H,2H-全氟辛基-2-磷酸盐,含量范围分别为未检出～47.46、未检出～70.68、未检出～35.08 ng/L。

由于牛奶普遍被PFCs所污染,由其制成的乳制品中必然也会存在这些成分,曹民等[35]报道在婴幼儿乳制品中总PFCs浓度为35.3～282.8 ng/kg,中位数为223 ng/kg;成人乳制品中总PFCs含量为58.3～306.8 ng/kg,中位数为231.1 ng/kg。

上述研究表明,乳及乳制品中PFCs的含量水平明显低于水产品,含量在ng/kg 级别,但由于婴幼儿仅摄入乳制品且代谢、解毒能力弱,因此可能存在一定的潜在风险。

3.3 肉及肉制品

据报道[35],鸡肉中PFCs的主要污染物是PFOA、全氟戊酸和全氟壬酸,平均值分别为0.0579、0.0584和0.0134 μg/kg。在江西省5个畜禽主产区市售猪、鸡、鸭肉和肝脏样品中[36],猪肝PFOA的污染水平最高,平均0.24 μg/kg,其次为鸡肝的0.14 μg/kg,猪肉、鸡肉、鸭肉均未检出PFOA;PFOS仅在猪肝中检出,均值为0.20 μg/kg。北京市售猪和鸡产品的研究也报道了相似的结果[37],猪肝中总PFCs含量最高(3.438 μg/kg),其次为猪肾(0.508 μg/kg),然后依次为猪心(0.167 μg/kg)、鸡肝(0.098 μg/kg)、鸡心(0.050 μg/kg)、猪肉(0.018 μg/kg)和鸡肉(0.012 μg/kg)。饲喂PFOS污染的饲料后,牛肝脏、肾脏中全氟己烷磺酸残留的量分别达到61、98 μg/kg,而肌肉中基本未检出[32]。

肉类中的PFCs含量较低的原因是动物体所摄入的PFCs易与体内的蛋白质产生结合[37],在动物内脏等蛋白含量较高的组织中残留,而非脂肪组织和肌肉组织中,这导致喜食内脏类食品的消费会摄入较多PFCs。相对水产品而言,肉类及内脏中PFCs的含量普遍要低1～2个数量级,不会对人体造成即时危害。

3.4 蔬菜

在北京果蔬样品中检出了5种PFCs[5],其中水果样品中总PFCs含量为103.8～227.8 ng/kg,中位数为170.7 ng/kg;蔬菜样品中总PFCs含量为67.3～170.7 ng/kg,中位数为113.4 ng/kg。赵玉乐等[38]对江苏的50种蔬菜进行了测定,在10个样品中检出了全氟丁烷羧酸,含量为0.4～11.5 μg/kg;两个样品检出了全氟庚烷羧酸,含量为0.1～0.2 μg/kg;27个样品检出了PFOA,含量为0.3～3.7 μg/kg;仅有一个样品检出了0.5 μg/kg全氟己基磺酸。Ji等表明[39],居民对马铃薯的日常消费量与人体血液中PFOA的暴露水平呈线性关系。

蔬菜中PFCs的含量也低于水产品,但蔬菜中的PFCs可通过食物链的富集和放大,最终也可能给人类带来一定的风险。

3.5 其它产品

我国沿海9个省/市1060份鸡蛋样品中PFCs检出率接近50%[40],检出的PFCs以中短链为主,以PFOS、PFOA、全氟戊酸、全氟壬酸为主,占总量的82%。各省市鸡蛋样品中的残留受环境影响较大,由于江苏是我国重要的氟工业基地,因此江苏鸡蛋样品残留最高,达1.24 μg/kg,浙江最低,为0.124 μg/kg。国外有研究在爆米花类食品中发现了较高浓度的PFCs[41-42],推测是来源于食品包装材料的迁移。

4 食品中全氟辛酸和全氟辛烷磺酸等全氟化合物的检测

4.1 全氟化合物检测标准

由于多类食品中检测到了PFCs的污染,因此近年来相关检测技术的研究成为了一个热点。目前国家和行业检测PFCs的标准有不少,如GB 31604.35-2016《食品接触材料及制品全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)的测定》、SN/T 3694.7-2014《进出口工业品中全氟烷基化合物测定》、QB/T 4554-2013《鞋类化学试验方法全氟辛烷磺酸盐和全氟辛酸的测定液相色谱-串联质谱法》等,但食品领域的只有2个,分别为SN/T 3544-2013《出口食品中全氟辛酸和全氟辛烷磺酸盐的测定液相色谱-质谱/质谱法》和GB 5009.253-2016《动物源性食品中全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)的测定》,前者适用于鱼、虾、蛋,后者适用于动物源性食品。标准的缺乏给监管部门对植物性样品以及PFOS和PFOA以外的PFCs风险监测带来了困难。目前食品中多种PFCs同时测定的方法主要集中于文献报道,因此将文献方法进行标准化也是今后的一个重点方向。

4.2 全氟化合物检测前处理方法

由于PFCs分布广泛,很多情况下其含量又是处于痕量水平,所以对前处理要求较高,现在应用于食品基质的前处理手段主要有液液萃取、离子对液液提取、固相萃取等。溶剂提取是最简便的方法,但容易同时提取出杂质,给后续的仪器测定带来较大的基质干扰,现在已基本不会单独采用。离子对液液提取的原理是利用离子对试剂与待测PFCs离子通过静电吸引力结合形成的电中性化合物,此物质具有疏水性,从而能被有机溶剂萃取;该方法多用于生物样品[43],行业标准SN/T 3544-2013也有采用,优点是操作简单,缺点是脂质等共萃取物干扰大,有机溶剂再提取时由于溶剂的改变或挥发,易导致的目标物损失。固相萃取法是利用填料与样品中的杂质相互作用,吸附杂质从而达到降低基质干扰的目的,现已成为实验室最常用的前处理方法之一,应用在了鱼类、蛋类等产品PFCs测定领域[44-46],杂质去除效果要远好于溶剂提取和离子对萃取,并且可以浓缩样品中的待测物质,有效降低检出限。基质分散固相萃取和QuEChERS方法[47-50],通过将吸附剂投入提取液中萃取杂质然后再离心分离的方式,将普通固相萃取的提取、洗脱程序简化为一步,优点是样品量低、提取率和检测效率高,常用的吸附剂有碳黑、C18等,也有如GB 5009.253-2016一样混合使用几种吸附剂。综合以上的分析,固相萃取尤其是基质分散固相萃取方式,是目前最适合食品中PFCs检测的前处理方法。

此外,痕量PFCs检测过程中对本底的控制也是难点,聚四氟乙烯是一类在实验器材中广泛使用的材料,目前很多质谱检测仪器中的管路会使用上述材料,这类含氟的化合物对于测定的准确度存在影响,所以在样品的采集、存储、前处理以及分析过程中应该尽量避免使用该材料。同时由于PFCs类化合物会不同程度地吸附在玻璃仪器的表面而很难去除,所以应该采用不锈钢、聚乙烯或者聚丙烯材料的器具。

4.3 全氟化合物的仪器检测方法

由于PFCs不具有紫外吸收和荧光性质,不能用紫外检测器或荧光检测器进行检测,目前普遍采用的是质谱检测器或生物标记的方式,食品中PFCs的检测方法有气相色谱-质谱法[51]、生物法[52-53]和液相色谱-串联质谱法[44-50]。

由于PFCs沸点高,无法对其直接气化进行气相色谱-质谱法检测,因此需要进行衍生化处理,衍生化虽然能够提高灵敏度,但是会带来其它干扰物,且步骤繁琐,在实际操作中需着重考虑衍生条件及衍生效率,因此对复杂食品基质中PFCs的测定很少采用这种方式。

生物法是基于PFOS和PFOA在体内的作用途径是通过过氧化物酶增值激活受体(PPAR)的α受体所介导的原理建立的[53],该方法通过检测PFOS和PFOA激活的PPAR受体上荧光探针的信号强度来进行定量,特异性较强。目前此项研究集中在环境水样的分析,今后有望应用在饮用水中PFCs的批量筛选中,但生物法尚未见报道能适用于其它基质的食品。

现阶段PFCs检验方法中应用最广泛的是液相色谱-串联质谱法,其与气相色谱质谱法相比不需要衍生化,简化了操作步骤;与生物法相比,适用范围广泛,包括水产品、肉制品、蛋、内脏等[49-50],而且通常在检测过程中加入同位素内标,使结果更加准确、可靠,各种食品中PCFs的检测方法简要比较可见表1。目前液相色谱-串联质谱法已经较为成熟,所使用色谱柱基本为C18柱[45-46,48],流动相通常为乙酸铵-甲醇梯度洗脱,都采用ESI源、负离子、MRM模式检测,检出限普遍达到10-2～10-3μg/kg级别,回收率在60%～120%之间,能够满足绝大多数食品中PFCs检测的需求。今后该方法主要的研究方向是继续拓展应用领域,比如之前报道很少涉及的植物性食品、婴幼儿食品和婴幼儿辅助食品等。

表1 食品中PCFs的典型检测方法Table 1 Typical methods of determination of PCFs in food

4.4 全氟化合物检测方法的发展方向

与液相色谱-串联质谱法相比,液相色谱-飞行时间质谱法具有高选择性和高灵敏度,可将共流物和基质干扰尽可能地减小,进而有助于消除复杂基质干扰造成的假阳性结果,多用于分析复杂基质样品;缺点是线性范围偏窄,拥有该设备的机构相对不多,使全国范围内推广应用受限。目前纺织品的PFCs检测已有使用液相色谱-飞行时间质谱法的报道[54],对于复杂基质食品中痕量PFCs的测定完全可以借鉴该项技术,利用其精确质量数匹配和标准谱库检索进行快速筛查,并使用保留时间和多级特征碎片离子进行定性确证,具有简便、高效、准确等优点。而且随着我国经济水平的不断提高,液相色谱-飞行时间质谱仪也会越来越普及,不再会制约该项技术的应用。

此外,目前国外对于食品中PFCs和其前体物质的检测,有的文献采用了不同的前处理方法分开实施[55],有的文献虽然对鱼和贻贝中 14 种 PFCs和10 种前体物质能同时进行提取,但分别采用了不同液相色谱流动相进行测定[56];国内相关研究也多是采用不同条件分别测定乳制品中PFCs及其前体物质[33-34],尚未实现真正意义上的同时检测。而且上述方法中部分目标物的检出限为较高,不利于食品中痕量污染物的检出。今后食品中PFCs和其前体物质检测的前处理技术需要着重研究能同时提取、相同仪器条件测定的技术,从而提高检测效率,还能兼顾各个组分的检出限和回收率。

5 结论与展望

随着对PFCs及其前体物质研究的深入,越来越多环境和生物体样品中的PFCs污染被发现,今后各国对其使用的限制会更加严格。虽然从目前的暴露风险情况分析,只有水产品中PFCs的含量相对较高,正常饮食不会对人体造成健康问题。但持续监控食品中全氟化合物及其前体物质的含量水平仍然十分必要。为满足复杂食品基质中PFCs测定的需求,今后的研究可以基于基质分散固相萃取-液相色谱-飞行时间质谱的检测技术,通过其所提供的准确分子质量推断出待测组分的分子结构,从而高效地进行PFCs的确证与定量分析;还可以基于目前处于发展初期的生物受体结合技术,通过增强结合的特异性以及复杂食品基质的适应性,应用于PFCs的快速筛查;在样品前处理领域,可以采用液相微萃取的技术,通过优化萃取解吸溶剂种类、盐析效果、萃取及洗脱条件,从而达到更高的富集度,有利于痕量PFCs的检测。