食品中常见化学污染物及其检测方法研究进展

刘瑞菁，金玉龙，白卫滨，刘柏平*

1. 华南农业大学材料与能源学院（广州 510642）；2. 暨南大学食品科学与工程系（广州 510632）

近年来，食品安全问题得到愈来愈多的关注，而食品污染则是引发食品安全问题的主要因素，据统计，全球每年约有10%的人因食用受污染的食品而患病[1]。其中，由于食品化学污染来源广、种类多、易蓄积，可通过生物富集作用对人体产生健康损害，引起社会广泛关注。有研究表明，由于重金属冶炼，中国东北工业区，遭到汞、铅、镉、锌、铜等重金属的严重污染。重金属可通过土壤、水进入到动植物体内，从而造成食品污染[2]，人类通过摄入被污染的食物，污染物富集到一定程度便会对机体产生不同程度的损伤。因此对于食品中化学污染物，有必要建立有效的检测技术和监测系统，以减少其进入食物供应链的概率，保证食品的安全。对食品中几种常见化学污染物以及其检测技术方法及优缺点进行总结，对进一步提高我国食品安全与质量及检测技术水平具有重要意义。

1 食品中常见化学污染物

1.1 农药和兽药污染

农药被认为是现代农业的重要组成部分，在维持农业高生产率方面发挥重要作用。因此，高投入集约化农业生产系统被引入之后，用于害虫控制的杀虫剂的增加和广泛使用成为主导因素。然而，农药的滥用导致的残留是危害食品安全主要原因之一。农药残留主要有有机磷农药（约占杀虫剂总量的50%）、拟除虫菊酯类、氨基酸甲酯类（见表1）。Bakirci等[3]对1 423个样品（包含573种水果和850种蔬菜）进行农药残留调查，结果发现在蔬菜中检测出的超过最大残留限量（maximum residue limit，MRLs）的农药含量要高于水果，检出最多的农药是啶虫脒、多菌灵和毒死蜱（见图1），在2010—2012年，超过MRLs的农药残留百分比有所下降。田丽等[4]在对1 049个样品进行检测分析，数据显示：50种农药残留的总检出率为14.11%，高于标准1.91%；拟除虫菊酯、有机磷、氨基甲酸酯检出率分别为7.98%，5.89%和3.30%，分别超过标准0.66%，0.90%和0.70%，有机氯的检出率为0.68%，显示不超标，拟除虫菊酯的最高检出率是三氟氯氰菊酯（3.61%），有机磷的最高检出率为毒死蜱（2.70%）。氨基甲酸酯的最高检出率为克百威（1.80%），有机氯的检出率最高为硫丹（0.68%）。检出率较高的蔬菜为块茎植物、鲜豆类和茎类，高于检测标准的蔬菜是韭菜、豇豆和芹菜。

图1 常见残留农药结构

集约化畜牧业这一饲养模式，导致动物更容易导致疾病的传播，因此，兽药通常不仅用于治疗，还用于预防，其中抗生素类药物、促生长剂、镇静剂、抗球虫药、非甾体抗炎药及消炎类药物是可能污染肉质食品的主要兽药（表1）。Lee等[5]通过对我国台湾地区2011—2015年商业畜产品抽检的共1 487个样本进行分析发现，这些样品主要含有的抗生素残留有氯霉素、硝基呋喃代谢物、β激动剂、四环素、磺胺及喹诺酮类药物、卡巴氧及其代谢物、氨基糖苷类、杀虫剂、己烯雌酚、17α-雌二醇、17β-雌二醇、黄体酮。

表1 农兽药常见种类

1.2 重金属污染

据估计，全国每年有1200 t粮食受到土壤重金属污染，有约1000万hm2的耕地受到污染[15]。而造成食品中重金属污染来源主要包括：（1）农业活动，采用受污染的水灌溉农田以及含有微量重金属的矿物肥料；（2）工业生产中废水、废气和废渣的不合理排放，导致土壤耕地和水源被污染[16]；（3）在农田附近直接废物处理、采矿活动及在汽油中使用铅作为抗爆剂等[17]。重金属通过植物、动物食物链逐步富集到人类的食物中，进而威胁人体健康。Piglowski[18]分析波兰食物和饲料的快速报警系统中1980—2016年的检测数据发现，通报最多的是汞（Hg，36%）、镉（Cd，27%）、铬（Cr，14%）、铅（Pb，9%）、砷（As，6%）和镍（Ni，4%）。

1.3 邻苯二甲酸酯类及酚类污染

用于食品包装的材料常见的有塑料包装、纸质包装以及金属包装材料，由于塑料包装材料具有生产工艺简单、价格低廉、耐化学腐蚀等优点，在食品包装中应用最为广泛，但随着使用时间的延长，这一部分物质如邻苯二甲酸酯类（phthalic acid esters，PAEs）、双酚A（bisphenol A，BPA）等就有可能迁移到食品中，从而产生食品安全问题[19]。Yang等[20]对我国不同产地的283份方便食品样品进行PAEs迁移研究及对健康风险评估，结果发现，邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（di-（2-ethylhexyl）-phthalate，DEHP）被检出的频率在PAEs中最高，并且随着时间和温度增加，PAEs在食物中的迁移也随之增加，接近保质期的方便食品中的PAEs含量明显高于刚生产食品中其含量。吴越[21]通过对97份徐州地区市售不同类型食品中BPA的含量进行检测分析，结果发现：罐头类食品中检出率为69.23%，含量为18.22～92.38 μg/kg；瓶装水及饮料中检出率为70.59%，含量为1.19～69.01 μg/kg；禽畜肉样品中检出率为22.22%，含量为0.48～18.65 μg/kg；鱼类样品中检出率为38.89%，双酚A含量为1.33～17.48 μg/kg。

2 食品中常见化学污染物检测技术

2.1 常规检测技术手段

针对食品中污染物广泛存在的问题，食品中有毒有害物质的检测技术得到迅速发展（见表2），农兽药残留、邻苯二甲酸酯类及酚类检测检测技术有高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）法、气相色谱（gas chromatography，GC）法、液相色谱串联质谱（liquid chromatography tandem-mass spectrometry，LC-MS/MS）、气相色谱串联质谱（gas chromatography tandem-mass spectrometry，GCMS/MS）等。Srivastav等[25]改良QuEChERS（quick，easy，cheap，effective，rugged and safe）萃取方法联合GC-MS方法，对印度种植的芒果中17种有机磷进行检测，结果发现，在160例抽检样本中，有32例样本检测到毒死蜱和马拉硫磷残留。梁秀美等[22]采用QuEChERS-HPLC-MS/MS法对水果中噻虫嗪、吡虫啉、啶虫脒等38种农药进行同时检测，结果显示，检出限在0.3～26.2 μg/kg，定量限在0.6～52.4 μg/kg，该方法适用于水果和蔬菜中农药残留的检测，具有较好的回收率。李仲超[23]采用LC-MS/MS技术建立水产品（鱼、虾和贝类）中78种兽药的同时测定方法，方法检测限为0.1～0.5 μg/kg，目标兽药在0.1～100 μg/kg范围内线性关系良好。曹晓琴等[24]采用超高效液相色谱-串联质谱同时检测14种药食同源动物性食品中4种甾体激素，结果显示，线性关系良好，各组分的检出限在0.13～0.27 μg/kg，定量限在0.46～0.61 μg/kg。对于食品中重金属例如砷、铅、镉、铬、汞，常用检测方法包括火焰原子吸收光谱（flame atomic absorption spectroscopy，FAAS）法、石墨炉原子吸收光谱（graphite furnace atomic absorption spectrometry，GFAAS）法、原子荧光（atomic fluorescence spectrometry，AFS）法、电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）法、电感耦合等离子体发射光谱（inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES）法、毛细管电泳法、离子色谱等多种方法。质谱法一般被应用于多种元素的痕量及超痕量分析。上述仪器检测方法具有灵敏度高、选择性好、可准确定性定量分析、能同时测定多种农药、兽药残留等优点，但这些检测方法也存在样品前处理复杂、对检测人员要求较高、检测耗时较长、不能用于快速检测分析等问题。

表2 食品中常见化学污染物及其检测方法

2.2 新型快速检测手段

由于食品安全问题层出不穷，对食品安全检测技术也提出新要求，为满足并适应快速、简单、低成本分析技术的需求，传感元件（酶、抗体等）和用于检测的信号转导（电化学、光学等）方法得到很大程度发展，酶联免疫法、核酸适配体、生物传感器和表面增强拉曼光谱（surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）法在快速检测食品中农兽药残留、重金属方面取得一定成果，并具有巨大应用潜力。Wang等[31]设计一种基于双特异性单克隆抗体间接竞争ELSIA（ic-ELISA）的方法，对水产品中呋喃他酮代谢物5-吗啉甲基-3-氨基-2-恶唑酮、隐孔雀石绿进行多组分免疫分析检测，检测限分别为0.2 ng/mL和4.8 ng/mL。Fu等[32]提出了一种基于特异性单克隆抗体的间接竞争酶联免疫吸附（ic-ELISA）法来快速检测Cd，此方法的半抑制浓度和检测灵敏度分别为5.53 ng/mL和0.35 ng/mL，回收率在89.03%～95.81%，与ICP-AES的检测结果比较，2种方法的相关系数为0.963 4。Estevez等[33]开发一种基于特异性表面等离子共振传感器（surface plasmon resonance sensor，SPR）的竞争性免疫分析检测噻菌灵（thiabendazole，TBZ），其灵敏度高、特异性强，在最佳检测条件下，基于SPR的免疫传感器可以检测到该农药的检出限（detection limit，LOD）为0.67 nmol/L（0.13 μg/L），IC50为3.2 nnmol/L（0.64 μg/L）。此外，基于智能手机的技术已被用于检测各种抗生素。Yang等[34]使用智能手机摄像头作为检测器的免疫层析技术，可用于检测牛奶中纳克级别的氯霉素，检测限为6 ng/mL；Wu等[35]采用核酸适配体与安装在安卓智能手机上的Touch Color应用程序相结合的方法检测氯霉素，其原理是在镧（La3+）存在情况下，适配体标记的金纳米粒子（AuNPs）会与其结合，然而，当检测样品中有氯霉素存在时，适配体适体很容易与氯霉素形成复合体，而未被结合的AuNPs则使得溶液的颜色恢复为红色，该方法的检出限为5.88 nmol/L。由此可见，新兴的基于智能手机与传感器相结合的检测分析方法可作为一种方便、可靠的技术手段监测食品中农药及兽药的残留，该类方法灵敏度高、成本低、响应快、易于在资源有限的地区实施等优点，被认为是传统测试方法的潜在替代品。

表面增强拉曼光谱（surface enhanced Raman spectroscopy，SERS）由于对靶分子有独特特异性，在食品应用中取得较好效果，正逐渐成为食品筛查领域的一种新兴技术。一般情况下，样品的拉曼信号非常微弱，但当待测样品吸附于粗糙的特殊制备的金属良导体（如金、银、铜）表面或溶胶结构表面时，吸附分析的拉曼散射信号比普通拉曼散射信号强度会增加104～107倍。SERS技术可以快速、直观地同时检测苹果表面福美双和甲胺磷2种农药，从农药提取到SERS测量的总分析时间仅30 min。Zhang等[36]在受污染的苹果表面滴入乙醇进行农药提取，加入金银核壳纳米棒（Au@Ag NRs）以产生农药的SERS信号，在632.8 nm的激光激发下，福美双的最低检测限为4.6×10-7mol/L，甲胺磷的最低检测限为4.4×10-4mol/L，该方法为同时检测果蔬表面多种农药提供一种简便方法。He等[37]采用SERS结合树状银纳米底物来快速检测和鉴定抗生素，通过简单的置换反应制备树状银纳米基底，在785 nm处近红外激发的SERS方法能够快速、准确地鉴定和表征3种抗生素（恩诺沙星、环丙沙星和氯霉素），抗生素的检出限和定量限可达20 μg/L。SERS通常具有特点：（1）增强效果与基底材料密切相关；（2）信号强度与分子和金属基底间的距离有关，随距离的增大而迅速减小；（3）与普通拉曼光谱相比，其信号强度要提高几个数量级；（4）表面粗糙化的基底材料才能产生SERS效应；（5）不受水的干扰，可直接用于水中样品的检测；（6）可用于原位检测、无损检测等特殊领域。

尽管生物传感器和SERS技术具有应用前景，但缺乏广泛的样品基质案例，且很少有生物传感器作商用；此外，抗体的生产相对昂贵，并且涉及动物方面的伦理问题；适配体等传感器易受到大气温度和湿度的影响，从而降低其稳定性。对于SERS技术而言，其局性主要有几个方面：（1）增强表面与分析物之间需要密切接触；（2）基片随时间缩短而降解，信号减小；（3）底物对给定分析物的有限选择性；（4）基板的可重复使用性有限；（5）食物基质复杂，背景干扰对SERS分析农药是一个很大挑战。

3 结语与展望

食品中化学污染物通过食物链最终对人类健康构成威胁，因此对于食品质量的把控、食品安全的监管始终不能放松，传统的食品安全分析方法难以满足食品样品中污染物的便携诊断和快速筛查的需要。生物传感器的设计为实现食品安全中食品污染物的快速和现场监测提供一种有前景的手段，然而如何有效地修饰抗体和适配体等亲和剂，则是一项非常具有挑战性的工作，此外由于传感系统的设计涉及各个科学领域，多学科交叉合作对于设计和推广用于检测食物中污染物的理想方法至关重要。