食品中常見化學污染物及其檢測方法研究進展

劉瑞菁，金玉龍，白衛濱，劉柏平*

1. 華南農業大學材料與能源學院（廣州 510642）；2. 暨南大學食品科學與工程系（廣州 510632）

近年來，食品安全問題得到愈來愈多的關注，而食品污染則是引發食品安全問題的主要因素，據統計，全球每年約有10%的人因食用受污染的食品而患病[1]。其中，由于食品化學污染來源廣、種類多、易蓄積，可通過生物富集作用對人體產生健康損害，引起社會廣泛關注。有研究表明，由于重金屬冶煉，中國東北工業區，遭到汞、鉛、鎘、鋅、銅等重金屬的嚴重污染。重金屬可通過土壤、水進入到動植物體內，從而造成食品污染[2]，人類通過攝入被污染的食物，污染物富集到一定程度便會對機體產生不同程度的損傷。因此對于食品中化學污染物，有必要建立有效的檢測技術和監測系統，以減少其進入食物供應鏈的概率，保證食品的安全。對食品中幾種常見化學污染物以及其檢測技術方法及優缺點進行總結，對進一步提高我國食品安全與質量及檢測技術水平具有重要意義。

1 食品中常見化學污染物

1.1 農藥和獸藥污染

農藥被認為是現代農業的重要組成部分，在維持農業高生產率方面發揮重要作用。因此，高投入集約化農業生產系統被引入之后，用于害蟲控制的殺蟲劑的增加和廣泛使用成為主導因素。然而，農藥的濫用導致的殘留是危害食品安全主要原因之一。農藥殘留主要有有機磷農藥（約占殺蟲劑總量的50%）、擬除蟲菊酯類、氨基酸甲酯類（見表1）。Bakirci等[3]對1 423個樣品（包含573種水果和850種蔬菜）進行農藥殘留調查，結果發現在蔬菜中檢測出的超過最大殘留限量（maximum residue limit，MRLs）的農藥含量要高于水果，檢出最多的農藥是啶蟲脒、多菌靈和毒死蜱（見圖1），在2010—2012年，超過MRLs的農藥殘留百分比有所下降。田麗等[4]在對1 049個樣品進行檢測分析，數據顯示：50種農藥殘留的總檢出率為14.11%，高于標準1.91%；擬除蟲菊酯、有機磷、氨基甲酸酯檢出率分別為7.98%，5.89%和3.30%，分別超過標準0.66%，0.90%和0.70%，有機氯的檢出率為0.68%，顯示不超標，擬除蟲菊酯的最高檢出率是三氟氯氰菊酯（3.61%），有機磷的最高檢出率為毒死蜱（2.70%）。氨基甲酸酯的最高檢出率為克百威（1.80%），有機氯的檢出率最高為硫丹（0.68%）。檢出率較高的蔬菜為塊莖植物、鮮豆類和莖類，高于檢測標準的蔬菜是韭菜、豇豆和芹菜。

圖1 常見殘留農藥結構

集約化畜牧業這一飼養模式，導致動物更容易導致疾病的傳播，因此，獸藥通常不僅用于治療，還用于預防，其中抗生素類藥物、促生長劑、鎮靜劑、抗球蟲藥、非甾體抗炎藥及消炎類藥物是可能污染肉質食品的主要獸藥（表1）。Lee等[5]通過對我國臺灣地區2011—2015年商業畜產品抽檢的共1 487個樣本進行分析發現，這些樣品主要含有的抗生素殘留有氯霉素、硝基呋喃代謝物、β激動劑、四環素、磺胺及喹諾酮類藥物、卡巴氧及其代謝物、氨基糖苷類、殺蟲劑、己烯雌酚、17α-雌二醇、17β-雌二醇、黃體酮。

表1 農獸藥常見種類

1.2 重金屬污染

據估計，全國每年有1200 t糧食受到土壤重金屬污染，有約1000萬hm2的耕地受到污染[15]。而造成食品中重金屬污染來源主要包括：（1）農業活動，采用受污染的水灌溉農田以及含有微量重金屬的礦物肥料；（2）工業生產中廢水、廢氣和廢渣的不合理排放，導致土壤耕地和水源被污染[16]；（3）在農田附近直接廢物處理、采礦活動及在汽油中使用鉛作為抗爆劑等[17]。重金屬通過植物、動物食物鏈逐步富集到人類的食物中，進而威脅人體健康。Piglowski[18]分析波蘭食物和飼料的快速報警系統中1980—2016年的檢測數據發現，通報最多的是汞（Hg，36%）、鎘（Cd，27%）、鉻（Cr，14%）、鉛（Pb，9%）、砷（As，6%）和鎳（Ni，4%）。

1.3 鄰苯二甲酸酯類及酚類污染

用于食品包裝的材料常見的有塑料包裝、紙質包裝以及金屬包裝材料，由于塑料包裝材料具有生產工藝簡單、價格低廉、耐化學腐蝕等優點，在食品包裝中應用最為廣泛，但隨著使用時間的延長，這一部分物質如鄰苯二甲酸酯類（phthalic acid esters，PAEs）、雙酚A（bisphenol A，BPA）等就有可能遷移到食品中，從而產生食品安全問題[19]。Yang等[20]對我國不同產地的283份方便食品樣品進行PAEs遷移研究及對健康風險評估，結果發現，鄰苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（di-（2-ethylhexyl）-phthalate，DEHP）被檢出的頻率在PAEs中最高，并且隨著時間和溫度增加，PAEs在食物中的遷移也隨之增加，接近保質期的方便食品中的PAEs含量明顯高于剛生產食品中其含量。吳越[21]通過對97份徐州地區市售不同類型食品中BPA的含量進行檢測分析，結果發現：罐頭類食品中檢出率為69.23%，含量為18.22～92.38 μg/kg；瓶裝水及飲料中檢出率為70.59%，含量為1.19～69.01 μg/kg；禽畜肉樣品中檢出率為22.22%，含量為0.48～18.65 μg/kg；魚類樣品中檢出率為38.89%，雙酚A含量為1.33～17.48 μg/kg。

2 食品中常見化學污染物檢測技術

2.1 常規檢測技術手段

針對食品中污染物廣泛存在的問題，食品中有毒有害物質的檢測技術得到迅速發展（見表2），農獸藥殘留、鄰苯二甲酸酯類及酚類檢測檢測技術有高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）法、氣相色譜（gas chromatography，GC）法、液相色譜串聯質譜（liquid chromatography tandem-mass spectrometry，LC-MS/MS）、氣相色譜串聯質譜（gas chromatography tandem-mass spectrometry，GCMS/MS）等。Srivastav等[25]改良QuEChERS（quick，easy，cheap，effective，rugged and safe）萃取方法聯合GC-MS方法，對印度種植的芒果中17種有機磷進行檢測，結果發現，在160例抽檢樣本中，有32例樣本檢測到毒死蜱和馬拉硫磷殘留。梁秀美等[22]采用QuEChERS-HPLC-MS/MS法對水果中噻蟲嗪、吡蟲啉、啶蟲脒等38種農藥進行同時檢測，結果顯示，檢出限在0.3～26.2 μg/kg，定量限在0.6～52.4 μg/kg，該方法適用于水果和蔬菜中農藥殘留的檢測，具有較好的回收率。李仲超[23]采用LC-MS/MS技術建立水產品（魚、蝦和貝類）中78種獸藥的同時測定方法，方法檢測限為0.1～0.5 μg/kg，目標獸藥在0.1～100 μg/kg范圍內線性關系良好。曹曉琴等[24]采用超高效液相色譜-串聯質譜同時檢測14種藥食同源動物性食品中4種甾體激素，結果顯示，線性關系良好，各組分的檢出限在0.13～0.27 μg/kg，定量限在0.46～0.61 μg/kg。對于食品中重金屬例如砷、鉛、鎘、鉻、汞，常用檢測方法包括火焰原子吸收光譜（flame atomic absorption spectroscopy，FAAS）法、石墨爐原子吸收光譜（graphite furnace atomic absorption spectrometry，GFAAS）法、原子熒光（atomic fluorescence spectrometry，AFS）法、電感耦合等離子體質譜（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）法、電感耦合等離子體發射光譜（inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES）法、毛細管電泳法、離子色譜等多種方法。質譜法一般被應用于多種元素的痕量及超痕量分析。上述儀器檢測方法具有靈敏度高、選擇性好、可準確定性定量分析、能同時測定多種農藥、獸藥殘留等優點，但這些檢測方法也存在樣品前處理復雜、對檢測人員要求較高、檢測耗時較長、不能用于快速檢測分析等問題。

表2 食品中常見化學污染物及其檢測方法

2.2 新型快速檢測手段

由于食品安全問題層出不窮，對食品安全檢測技術也提出新要求，為滿足并適應快速、簡單、低成本分析技術的需求，傳感元件（酶、抗體等）和用于檢測的信號轉導（電化學、光學等）方法得到很大程度發展，酶聯免疫法、核酸適配體、生物傳感器和表面增強拉曼光譜（surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）法在快速檢測食品中農獸藥殘留、重金屬方面取得一定成果，并具有巨大應用潛力。Wang等[31]設計一種基于雙特異性單克隆抗體間接競爭ELSIA（ic-ELISA）的方法，對水產品中呋喃他酮代謝物5-嗎啉甲基-3-氨基-2-惡唑酮、隱孔雀石綠進行多組分免疫分析檢測，檢測限分別為0.2 ng/mL和4.8 ng/mL。Fu等[32]提出了一種基于特異性單克隆抗體的間接競爭酶聯免疫吸附（ic-ELISA）法來快速檢測Cd，此方法的半抑制濃度和檢測靈敏度分別為5.53 ng/mL和0.35 ng/mL，回收率在89.03%～95.81%，與ICP-AES的檢測結果比較，2種方法的相關系數為0.963 4。Estevez等[33]開發一種基于特異性表面等離子共振傳感器（surface plasmon resonance sensor，SPR）的競爭性免疫分析檢測噻菌靈（thiabendazole，TBZ），其靈敏度高、特異性強，在最佳檢測條件下，基于SPR的免疫傳感器可以檢測到該農藥的檢出限（detection limit，LOD）為0.67 nmol/L（0.13 μg/L），IC50為3.2 nnmol/L（0.64 μg/L）。此外，基于智能手機的技術已被用于檢測各種抗生素。Yang等[34]使用智能手機攝像頭作為檢測器的免疫層析技術，可用于檢測牛奶中納克級別的氯霉素，檢測限為6 ng/mL；Wu等[35]采用核酸適配體與安裝在安卓智能手機上的Touch Color應用程序相結合的方法檢測氯霉素，其原理是在鑭（La3+）存在情況下，適配體標記的金納米粒子（AuNPs）會與其結合，然而，當檢測樣品中有氯霉素存在時，適配體適體很容易與氯霉素形成復合體，而未被結合的AuNPs則使得溶液的顏色恢復為紅色，該方法的檢出限為5.88 nmol/L。由此可見，新興的基于智能手機與傳感器相結合的檢測分析方法可作為一種方便、可靠的技術手段監測食品中農藥及獸藥的殘留，該類方法靈敏度高、成本低、響應快、易于在資源有限的地區實施等優點，被認為是傳統測試方法的潛在替代品。

表面增強拉曼光譜（surface enhanced Raman spectroscopy，SERS）由于對靶分子有獨特特異性，在食品應用中取得較好效果，正逐漸成為食品篩查領域的一種新興技術。一般情況下，樣品的拉曼信號非常微弱，但當待測樣品吸附于粗糙的特殊制備的金屬良導體（如金、銀、銅）表面或溶膠結構表面時，吸附分析的拉曼散射信號比普通拉曼散射信號強度會增加104～107倍。SERS技術可以快速、直觀地同時檢測蘋果表面福美雙和甲胺磷2種農藥，從農藥提取到SERS測量的總分析時間僅30 min。Zhang等[36]在受污染的蘋果表面滴入乙醇進行農藥提取，加入金銀核殼納米棒（Au@Ag NRs）以產生農藥的SERS信號，在632.8 nm的激光激發下，福美雙的最低檢測限為4.6×10-7mol/L，甲胺磷的最低檢測限為4.4×10-4mol/L，該方法為同時檢測果蔬表面多種農藥提供一種簡便方法。He等[37]采用SERS結合樹狀銀納米底物來快速檢測和鑒定抗生素，通過簡單的置換反應制備樹狀銀納米基底，在785 nm處近紅外激發的SERS方法能夠快速、準確地鑒定和表征3種抗生素（恩諾沙星、環丙沙星和氯霉素），抗生素的檢出限和定量限可達20 μg/L。SERS通常具有特點：（1）增強效果與基底材料密切相關；（2）信號強度與分子和金屬基底間的距離有關，隨距離的增大而迅速減小；（3）與普通拉曼光譜相比，其信號強度要提高幾個數量級；（4）表面粗糙化的基底材料才能產生SERS效應；（5）不受水的干擾，可直接用于水中樣品的檢測；（6）可用于原位檢測、無損檢測等特殊領域。

盡管生物傳感器和SERS技術具有應用前景，但缺乏廣泛的樣品基質案例，且很少有生物傳感器作商用；此外，抗體的生產相對昂貴，并且涉及動物方面的倫理問題；適配體等傳感器易受到大氣溫度和濕度的影響，從而降低其穩定性。對于SERS技術而言，其局性主要有幾個方面：（1）增強表面與分析物之間需要密切接觸；（2）基片隨時間縮短而降解，信號減小；（3）底物對給定分析物的有限選擇性；（4）基板的可重復使用性有限；（5）食物基質復雜，背景干擾對SERS分析農藥是一個很大挑戰。

3 結語與展望

食品中化學污染物通過食物鏈最終對人類健康構成威脅，因此對于食品質量的把控、食品安全的監管始終不能放松，傳統的食品安全分析方法難以滿足食品樣品中污染物的便攜診斷和快速篩查的需要。生物傳感器的設計為實現食品安全中食品污染物的快速和現場監測提供一種有前景的手段，然而如何有效地修飾抗體和適配體等親和劑，則是一項非常具有挑戰性的工作，此外由于傳感系統的設計涉及各個科學領域，多學科交叉合作對于設計和推廣用于檢測食物中污染物的理想方法至關重要。