BCR 提取法測定白酒陶瓷包裝中重金屬形態

李楊楊，董黎明,2,*，周 祺，李影影

（1.北京工商大學 中國輕工業清潔生產和資源綜合利用重點實驗室，北京 100048；2.中國輕工業濃香型白酒固態發酵重點實驗室，四川 宜賓 644000）

陶瓷作為白酒包裝是我國幾千年以來的傳統。陶瓷包裝材料在燒制過程中需添加含重金屬氧化物的助溶劑和著色劑，這些重金屬在一定條件下會溶出遷移至其接觸食品中，從而對人體健康產生影響[1]。陶瓷包裝的白酒中重金屬主要來源于陶瓷釉層，通常采用白酒或食物模擬物（4%乙酸）浸泡陶瓷包裝分析Pb和Cd的溶出量[2-5]。研究表明陶瓷包裝白酒中的Pb和Cd溶出量分別為11.67～799.00 μg/L和0.06～1.20 μg/L[6-8]，其中部分Pb溶出量已經超出GB 2762—2017《食品中污染物限量》對白酒中Pb的限值（Pb≤500 μg/kg），可見白酒陶瓷包裝的重金屬溶出風險不容忽視。

1993年由歐洲共同體標準物質局基于Tessier[9]、Forstnerd[10]等沉積物重金屬提取方法的基礎上，提出對重金屬形態測定的3 步提取法（BCR連續提取法）[11]。該方法通過分步提取將重金屬形態分為弱酸提取態、可還原態、可氧化態和殘渣態，主要用于評價各類固態物質中重金屬形態的生物有效性與健康風險[12-14]，目前鮮見采用該方法研究白酒陶瓷包裝中重金屬形態及溶出風險的報道。本實驗采用BCR提取法、總量消解法和乙酸提取法對照研究白酒陶瓷包裝中Pb、Cd、Zn、Ni和Co的溶出量及形態分布，以期進一步揭示白酒陶瓷包裝中重金屬的溶出機制。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

陶瓷包裝購置于景德鎮某青花陶瓷廠，平均質量為496.73 g，平均內表面積為6.58 dm2。

硝酸（67%～70%，痕量級） 美國賽默飛世爾科技有限公司；冰醋酸（優級純） 國藥集團化學試劑有限公司；鹽酸羥胺（優級純）、醋酸銨（優級純）上海麥克林生化科技有限公司；鎘、鉛、鎳、鋅、鈷、銦、鈧、鉍單元素標準溶液（1 000 μg/mL）國家有色金屬及電子材料分析測試中心；超純水（≥18.25 MΩ·cm）由Genpure UVTOC Xcad plus超純水儀制備。

1.2 儀器與設備

Mars 5微波密閉消解儀 美國CEM公司；iCAP Q型電感耦合等離子體質譜（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）儀 美國賽默飛世爾科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 重金屬形態BCR提取方法

陶瓷釉層重金屬形態分析參考改進的BCR三步提取法[15-16]。弱酸提取態：0.50 g陶瓷樣品置于50 mL離心管中，加入40 mL 0.11 mol/L HOAc，室溫振蕩18 h后3 000 r/min離心20 min，取5 mL上清液待測；可還原態：上一步殘渣中加0.5 mol/L的NH2OH·HCl溶液（HNO3溶液調節pH 2）40 mL，恒溫水浴振蕩18 h后3 000 r/min離心20 min，取5 mL上清液待測；可氧化態：上一步殘渣中加10 mL 30% H2O2溶液，室溫反應1 h后（85±2）℃水浴硝化1 h，蒸發至體積大約1 mL時冷卻并加1.0 mol/L NH4OAc（用 HNO3溶液調節pH 2）溶液40 mL，室溫振蕩18 h后3 000 r/min離心20 min，取5 mL上清液待測；殘渣態：方法同重金屬總量分析方法。

1.3.2 重金屬總量分析方法

實驗為消除陶瓷坯體中重金屬對測定結果的影響，參照Mann[17]、李文清[18]等對固體物質重金屬的測定方法，用HNO3-H2O2對陶瓷碎片進行微波消解后定容至50 mL，取5 mL提取液通過ICP-MS測定Cd、Pb、Zn、Ni、Co元素的總量。

1.3.3 短期接觸溶出遷移方法

測定陶瓷制品的重金屬溶出量，現階段國內外檢測陶瓷中重金屬溶出主要采用4%乙酸作為提取溶液[19-20]，依據GB 4806.4—2016《陶瓷制品》和ISO 6485-1-1999《與食物接觸的陶瓷制品、玻璃陶瓷制品和玻璃餐具鉛、鎘溶出量 第1部分：檢驗方法》取550 mL 4%乙酸溶液倒入陶瓷包裝中并用塑封膜封口，置于避光且溫度為20 ℃恒溫恒濕培養箱0.5、24、48、72、120、144、168 h后，提取5 mL浸泡液并通過ICP-MS測定Cd、Pb、Zn、Ni、Co元素溶出量。

1.3.4 標準溶液的配制

為了消除不同基體對實驗的影響，各工作曲線都需要相應的基體溶液配制工作曲線。

弱酸提取態/可還原態/可氧化態混合標準工作溶液：分別以0.044 mol/L HOAc/0.2 mol/L NH2OH·HCl（HNO3溶液調節pH 2）/0.5 mol/L NH4OAc（HNO3溶液調節pH 2）將質量濃度為1 000 μg/mL的Cd、Pb、Zn、Ni、Co單元素標準溶液溶液配制成0.01、0.1、0.5、1、2、5、10、20、50 μg/L的混合標準溶液。

總量檢測：以5% HNO3溶液將質量濃度為1 000 μg/mL的Cd、Pb、Zn、Ni、Co單元素標準溶液配制成0.1、0.5、1、2、5、10、20、50、100 μg/L的混合標準溶液（5% HNO3）。

浸泡液混合標準溶液：以4%乙酸將質量濃度為1 000 μg/mL的Cd、Pb、Zn、Ni、Co單元素標準溶液配制成0.01、0.1、0.5、1、2、5、10、20、50 μg/L的混合系列標準溶液，并以4%乙酸做空白。

內標溶液：以5% HNO3將質量濃度為1 000 μg/mL鈧、銦、鉍的單元素標準溶液配制成10 μg/L的混合內標溶液。Sc為Co、Ni、Zn的內標溶液，In為Cd的內標溶液，Bi為Pb的內標溶液。

1.3.5 工作曲線的建立

BCR提取法重金屬形態工作曲線如表1所示。

表1 重金屬不同形態工作曲線Table 1 Calibration curves of four species of each heavy metal

1.4 數據分析及重金屬潛在溶出風險分析方法

利用Origin 8.0對數據進行處理及作圖，以SPSS 22.0對陶瓷包裝重金屬形態和溶出量進行相關性分析。重金屬溶出風險依據Jamali等[21]對Pb、Cd等重金屬潛在風險的評價方法，對陶瓷包裝中重金屬潛在溶出風險進行評估。

式中：Cf為某重金屬潛在溶出風險；重金屬溶出風險分為4 級：Cf≤1，表示無溶出風險；1＜Cf≤2，表示溶出風險低；2＜Cf≤3，表示溶出風險中等；Cf＞3，表示溶出風險高。

2 結果與分析

2.1 BCR提取陶瓷包裝重金屬形態及溶出風險分析

2.1.1 BCR提取重金屬形態分析及風險分析

表2 BCR提取重金屬形態含量及占比（n=9）Table 2 Speciation and percentages of BCR extracted heavy metals (n= 9)

采用BCR連續提取法和微波總量消解對選取的陶瓷包裝進行處理，提取液經過ICP-MS測定后重金屬形態及總量結果如表2所示。經過微波消解后陶瓷包裝重金屬總量測定結果相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）（n=9）為0.16%～8.88%；BCR提取中可還原態Cd測定結果RSD（n=9）高于20%，可還原態Cd的溶出量接近檢測下限（0.011 μg/L）致使RSD值偏高[22-23]，其他4 種重金屬溶出測定結果RSD（n=9）為1.83%～10.55%。BCR提取法的重金屬形態之和與微波消解后陶瓷酒瓶中重金屬總量順序均為Zn＞Ni＞Pb＞Co＞Cd，5 種重金屬形態之和為總量的84.90%～109.38%之間，說明BCR提取法中重金屬形態與消解法總量測定結果基本一致。重金屬4 種形態中弱酸提取態、可還原態及可氧化態為可提取形態，其中弱酸提取態、可還原態在酸性環境中最易溶出[24-25]。陶瓷包裝中Cd、Pb、Zn、Ni、Co在弱酸提取態及可還原態比例為10.81%～20.18%、17.35%～42.44%，其中 Cd和Pb在弱酸提取態比例為10.81%、14.14%，在可還原態比例為38.19%和29.68%，表明在酸性條件中弱酸提取態及可還原態Pb、Cd較易溶出。實驗結果顯示陶瓷包裝前3 種形態之和占比為Zn（88.67%）＞Ni（81.09%）＞Co（66.30%）＞Pb（54.93%）≈Cd（49.00%），Pb、Zn、Ni、Co可提取形態比例基本均大于50%。依據重金屬潛在溶出風險評估方法，以BCR提取后的弱酸提取態、可還原態和可氧化態之和與殘渣態的比值可評價重金屬溶出風險，陶瓷包裝重金屬的溶出風險為Cd（0.96）＜Pb（1.21）＜Co（1.96）＜Ni（4.28）＜Zn（7.82），表明陶瓷包裝中重金屬在接觸酸性白酒時具有較高的釋放能力及溶出風險。此外，相比與普遍關注Pb和Cd，Co、Ni和Zn的溶出風險更高，可能對白酒酒質與人體健康的影響也需引起足夠的重視。

2.1.2 BCR提取形態相關性分析

對陶瓷包裝中重金屬形態相關性分析如表3所示。結果表明，同形態Cd、Pb、Zn、Ni、Co之間具有著一定的相關性。弱酸提取態中Co-Cd呈極顯著正相關（r=0.834，P＜0.01），Ni-Cd、Ni-Pb呈極顯著正相關（r=0.959，P＜0.01；r=0.949，P＜0.01），Zn-Pb呈顯著正相關（r=0.713，P＜0.05），Cd-Pb呈極顯著正相關性（r=0.979，P＜0.01）；可還原態中Co-Zn、Co-Cd呈顯著正相關（r=0.681，P＜0.05；r=0.731，P＜0.05），Zn-Cd、Zn-Pb呈現極顯著正相關（r=0.953，P＜0.01；r=0.894，P＜0.01），Cd-Pb呈極顯著正相關（r=0.827，P＜0.01），實驗中陶瓷包裝Cd、Pb、Zn、Ni、Co弱酸提取態和可還原態重金屬占比在30.33%～62.62%且Cd、Pb總量小，表明弱酸提取態中重金屬會隨Pb的溶出而成對溶出，除重金屬Zn外其他重金屬會隨Cd的溶出而成對遷移，即協同溶出。可還原態重金屬不具有弱酸提取態中重金屬統一溶出的規律，Co、Zn、Cd會隨Pb、Cd的溶出而成對溶出。可氧化態中Co-Zn、Co-Pb呈極顯著正相關（r=0.846，P＜0.01；r=0.965，P＜0.01），Ni-Zn、Ni-Pb呈極顯著正相關（r=0.988，P＜0.01；r=0.878，P＜0.01），Zn-Pb呈極顯著正相關性（r=0.927，P＜0.01），表明陶瓷包裝中重金屬在具有氧化性物質條件下會隨Pb溶出而成對溶出。研究表明重金屬形態的協同溶出會更易增加重金屬的溶出風險[26]，并且有文獻報道白酒中含有的還原性和氧化性物質在白酒貯存過程中會發生氧化還原反應[27-29]，李家民[27]、海超[28]發現白酒中還原性成分（高級脂肪酸乙酯、醇等）貯存過程中受到空氣、熱等作用會發生氧化反應生成醛、酮和酸。重金屬4 種形態中弱酸提取態、可還原態及可氧化態重金屬大多與Cd或Pb或兩者呈顯著相關性，說明用陶瓷包裝含有酸、還原性和氧化性物質的白酒可能會增加重金屬溶出的風險。

表3 BCR提取不同重金屬形態之間Person相關性分析（n=9）Table 3 Person correlation analysis of different species of BCR extracted heavy metals (n= 9)

2.2 4%乙酸提取重金屬溶出行為分析

以4%乙酸于20 ℃條件下短期浸泡陶瓷包裝，5 種重金屬隨時間的溶出量如圖1所示。在24 h內Cd、Pb、Ni、Zn溶出量顯著增加，24 h后溶出量逐漸增長緩慢并趨于穩定。Cd、Pb溶出量在24～48 h之間僅增加了1%和5%，并且隨著時間的延長溶出量保持穩定。Cd、Pb溶出量趨勢與Dong Zhanhua[30]、Mizuno[31]等的研究結果基本一致，但Co在第48小時溶出量（0.745 μg/L）是第24小時溶出量（0.368 μg/L）的2 倍左右，與其他4 種重金屬在48 h內的溶出變化存在顯著差異，說明4%乙酸提取條件下重金屬Co的溶出行為可能區別于其他4 種重金屬。

圖1 4%乙酸提取條件下陶瓷包裝中Cd、Pb、Zn、Ni、Co溶出量隨時間的變化趨勢Fig. 1 Change in dissolution of Cd, Pb, Zn, Ni, and Co from ceramic packaging with contact time

4%乙酸浸泡重金屬24 h溶出量的相關性分析結果如表4所示。Cd、Pb、Zn、Ni、Co溶出量之間有顯著相關性且與Cd、Pb呈極顯著關系。Cd-Pb呈極顯著正相關（r=0.981，P＜0.01），Zn-Cd、Zn-Pb呈極顯著正相關（r=0.965，P＜0.01；r=0.973，P＜0.01），Ni-Zn、Ni-Cd、Ni-Pb呈極顯著正相關（r=0.986，P＜0.01；r=0.965，P＜0.01；r=0.970，P＜0.01），表明在短期接觸內，Cd、Pb、Zn、Ni元素會成對協同溶出。有研究發現陶瓷制品中Pb、Cd在以4%乙酸或真實食物進行溶出實驗中是成對溶出[32-33]，但對于其他重金屬的溶出與Cd、Pb的聯系并沒有詳細的報道。Co-Zn、Co-Cd、Cd-Pb溶出量呈顯著負相關（r=-0.683，P＜0.05；r=-0.798，P＜0.01；r=-0.812，P＜0.01），說明Co溶出量受到Zn、Cd、Pb等溶出量的抑制，與圖1中0～24 h間Co溶出量趨勢一致。說明采用陶瓷作為白酒的包裝貯存材料在短期接觸內會使陶瓷制品中的重金屬成對溶出，因此采用短期浸泡的方式對陶瓷包裝進行清洗有利于降低重金屬的溶出風險。

表4 4%乙酸浸泡重金屬24 h溶出量Person相關性分析（n=9）Table 4 Pearson correlation analysis of dissolved heavy metals in 4% acetic acid after 24 hours (n= 9)

2.3 BCR提取重金屬形態與4%乙酸24 h溶出量關系

重金屬形態可提取形態中以弱酸提取態和可還原態最易遷移[23]。陶瓷制品接觸溶液的pH值越低，重金屬溶出量越大[34]，弱酸提取態提取劑0.11 mol/L乙酸（pH 4.75）比4%乙酸溶液pH值高（pH 2.48），但還原態提取條件與4%乙酸溶液pH值相近（pH 2）。以弱酸提取態和可還原態重金屬之和與4%乙酸浸泡24 h的重金屬溶出量對比（圖2），弱酸提取態Cd、Pb、Zn、Ni、Co為24 h溶出量的20.11%～90.90%，弱酸提取態和可還原態總和是24 h溶出量的79.55%～411.75%，Cd、Pb兩種形態之和達到411.75%和124.22%，表明4%乙酸溶出主要提取的是陶瓷包裝中弱酸提取態的重金屬，可還原態重金屬可能會在白酒長期貯存過程中逐漸溶出。

圖2 BCR提取重金屬形態與4%乙酸24 h溶出量關系Fig. 2 Relationship between BCR extracted species and dissolution of heavy metals in 4% acetic acid after 24 h

利用4%乙酸24 h溶出量與BCR提取重金屬形態進行相關性分析（表5）。結果表明弱酸提取態Cd與Ni（r=0.929，P＜0.01）、Zn（r=0.925，P＜0.01）、Cd（r=0.961，P＜0.01）、Pb（r=0.986，P＜0.01）24 h溶出量呈極顯著正相關， Pb與Ni（r=0.920，P＜0.01）、Zn（r=0.900，P＜0.01）、Cd（r=0.861，P＜0.01）、Pb（r=0.930，P＜0.01）24 h溶出量呈現極顯著正相關。可還原態Cd與Ni（r=0.970，P＜0.01）、Cd（r=0.906，P＜0.05）、Pb（r=0.939，P＜0.01）24 h溶出量呈顯著正相關，Pb與Ni（r=0.823，P＜0.05）、Zn（r=0.761，P＜0.05）、Cd（r=0.835，P＜0.05）、Pb（r=0.855，P＜0.05）24 h溶出量呈顯著正相關。進一步說明了4%乙酸的短期接觸內白酒中重金屬溶出與陶瓷包裝重金屬弱酸提取態、可還原態均呈正相關，且與弱酸提取態的相關更顯著，說明BCR提取法可以進一步分析與評價白酒陶瓷包裝的重金屬溶出風險。

表5 BCR提取重金屬形態與4%乙酸24 h溶出量Person相關性分析（n=9）Table 5 Pearson correlation analysis between BCR extracted species and dissolution of heavy metals in 4% acetic acid after 24 hours (n= 9)

3 結 論

本研究對比分析BCR提取、微波消解和4%乙酸浸泡白酒陶瓷包裝材料中Cd、Pb、Zn、Ni和Co的溶出特征，可以看出：1）BCR提取法的重金屬形態之和與微波消解后陶瓷包裝中重金屬總量順序均為Zn＞Ni＞Pb＞Co＞Cd，而基于BCR提取形態的重金屬溶出風險為Zn＞Ni＞Pb＞Co＞Cd，其中Zn和Ni的溶出風險最高，Pb和Co的溶出風險中等，而Cd幾乎無溶出風險。2）BCR提取重金屬形態和4%乙酸接觸24 h重金屬溶出量的對比分析顯示，在存在酸、還原性和氧化性的環境中大多數重金屬會隨Pb、Cd的溶出而成對遷移，4%乙酸浸泡主要提取的是陶瓷包裝中弱酸提取態的重金屬，陶瓷包裝材料在長期貯存含有酸、還原性和氧化性物質的白酒時可能會增加重金屬溶出的風險。因此，采用BCR提取法可進一步深入分析白酒陶瓷包裝的重金屬溶出特征，為探討重金屬溶出對白酒酒質與人體健康風險提供科學依據。