李杨杨，董黎明,2,*，周 祺，李影影

（1.北京工商大学 中国轻工业清洁生产和资源综合利用重点实验室，北京 100048；2.中国轻工业浓香型白酒固态发酵重点实验室，四川 宜宾 644000）

陶瓷作为白酒包装是我国几千年以来的传统。陶瓷包装材料在烧制过程中需添加含重金属氧化物的助溶剂和着色剂，这些重金属在一定条件下会溶出迁移至其接触食品中，从而对人体健康产生影响[1]。陶瓷包装的白酒中重金属主要来源于陶瓷釉层，通常采用白酒或食物模拟物（4%乙酸）浸泡陶瓷包装分析Pb和Cd的溶出量[2-5]。研究表明陶瓷包装白酒中的Pb和Cd溶出量分别为11.67～799.00 μg/L和0.06～1.20 μg/L[6-8]，其中部分Pb溶出量已经超出GB 2762—2017《食品中污染物限量》对白酒中Pb的限值（Pb≤500 μg/kg），可见白酒陶瓷包装的重金属溶出风险不容忽视。

1993年由欧洲共同体标准物质局基于Tessier[9]、Forstnerd[10]等沉积物重金属提取方法的基础上，提出对重金属形态测定的3 步提取法（BCR连续提取法）[11]。该方法通过分步提取将重金属形态分为弱酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态，主要用于评价各类固态物质中重金属形态的生物有效性与健康风险[12-14]，目前鲜见采用该方法研究白酒陶瓷包装中重金属形态及溶出风险的报道。本实验采用BCR提取法、总量消解法和乙酸提取法对照研究白酒陶瓷包装中Pb、Cd、Zn、Ni和Co的溶出量及形态分布，以期进一步揭示白酒陶瓷包装中重金属的溶出机制。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

陶瓷包装购置于景德镇某青花陶瓷厂，平均质量为496.73 g，平均内表面积为6.58 dm2。

硝酸（67%～70%，痕量级） 美国赛默飞世尔科技有限公司；冰醋酸（优级纯） 国药集团化学试剂有限公司；盐酸羟胺（优级纯）、醋酸铵（优级纯）上海麦克林生化科技有限公司；镉、铅、镍、锌、钴、铟、钪、铋单元素标准溶液（1 000 μg/mL）国家有色金属及电子材料分析测试中心；超纯水（≥18.25 MΩ·cm）由Genpure UVTOC Xcad plus超纯水仪制备。

1.2 仪器与设备

Mars 5微波密闭消解仪 美国CEM公司；iCAP Q型电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）仪 美国赛默飞世尔科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 重金属形态BCR提取方法

陶瓷釉层重金属形态分析参考改进的BCR三步提取法[15-16]。弱酸提取态：0.50 g陶瓷样品置于50 mL离心管中，加入40 mL 0.11 mol/L HOAc，室温振荡18 h后3 000 r/min离心20 min，取5 mL上清液待测；可还原态：上一步残渣中加0.5 mol/L的NH2OH·HCl溶液（HNO3溶液调节pH 2）40 mL，恒温水浴振荡18 h后3 000 r/min离心20 min，取5 mL上清液待测；可氧化态：上一步残渣中加10 mL 30% H2O2溶液，室温反应1 h后（85±2）℃水浴硝化1 h，蒸发至体积大约1 mL时冷却并加1.0 mol/L NH4OAc（用 HNO3溶液调节pH 2）溶液40 mL，室温振荡18 h后3 000 r/min离心20 min，取5 mL上清液待测；残渣态：方法同重金属总量分析方法。

1.3.2 重金属总量分析方法

实验为消除陶瓷坯体中重金属对测定结果的影响，参照Mann[17]、李文清[18]等对固体物质重金属的测定方法，用HNO3-H2O2对陶瓷碎片进行微波消解后定容至50 mL，取5 mL提取液通过ICP-MS测定Cd、Pb、Zn、Ni、Co元素的总量。

1.3.3 短期接触溶出迁移方法

测定陶瓷制品的重金属溶出量，现阶段国内外检测陶瓷中重金属溶出主要采用4%乙酸作为提取溶液[19-20]，依据GB 4806.4—2016《陶瓷制品》和ISO 6485-1-1999《与食物接触的陶瓷制品、玻璃陶瓷制品和玻璃餐具铅、镉溶出量 第1部分：检验方法》取550 mL 4%乙酸溶液倒入陶瓷包装中并用塑封膜封口，置于避光且温度为20 ℃恒温恒湿培养箱0.5、24、48、72、120、144、168 h后，提取5 mL浸泡液并通过ICP-MS测定Cd、Pb、Zn、Ni、Co元素溶出量。

1.3.4 标准溶液的配制

为了消除不同基体对实验的影响，各工作曲线都需要相应的基体溶液配制工作曲线。

弱酸提取态/可还原态/可氧化态混合标准工作溶液：分别以0.044 mol/L HOAc/0.2 mol/L NH2OH·HCl（HNO3溶液调节pH 2）/0.5 mol/L NH4OAc（HNO3溶液调节pH 2）将质量浓度为1 000 μg/mL的Cd、Pb、Zn、Ni、Co单元素标准溶液溶液配制成0.01、0.1、0.5、1、2、5、10、20、50 μg/L的混合标准溶液。

总量检测：以5% HNO3溶液将质量浓度为1 000 μg/mL的Cd、Pb、Zn、Ni、Co单元素标准溶液配制成0.1、0.5、1、2、5、10、20、50、100 μg/L的混合标准溶液（5% HNO3）。

浸泡液混合标准溶液：以4%乙酸将质量浓度为1 000 μg/mL的Cd、Pb、Zn、Ni、Co单元素标准溶液配制成0.01、0.1、0.5、1、2、5、10、20、50 μg/L的混合系列标准溶液，并以4%乙酸做空白。

内标溶液：以5% HNO3将质量浓度为1 000 μg/mL钪、铟、铋的单元素标准溶液配制成10 μg/L的混合内标溶液。Sc为Co、Ni、Zn的内标溶液，In为Cd的内标溶液，Bi为Pb的内标溶液。

1.3.5 工作曲线的建立

BCR提取法重金属形态工作曲线如表1所示。

表1 重金属不同形态工作曲线Table 1 Calibration curves of four species of each heavy metal

1.4 数据分析及重金属潜在溶出风险分析方法

利用Origin 8.0对数据进行处理及作图，以SPSS 22.0对陶瓷包装重金属形态和溶出量进行相关性分析。重金属溶出风险依据Jamali等[21]对Pb、Cd等重金属潜在风险的评价方法，对陶瓷包装中重金属潜在溶出风险进行评估。

式中：Cf为某重金属潜在溶出风险；重金属溶出风险分为4 级：Cf≤1，表示无溶出风险；1＜Cf≤2，表示溶出风险低；2＜Cf≤3，表示溶出风险中等；Cf＞3，表示溶出风险高。

2 结果与分析

2.1 BCR提取陶瓷包装重金属形态及溶出风险分析

2.1.1 BCR提取重金属形态分析及风险分析

表2 BCR提取重金属形态含量及占比（n=9）Table 2 Speciation and percentages of BCR extracted heavy metals (n= 9)

采用BCR连续提取法和微波总量消解对选取的陶瓷包装进行处理，提取液经过ICP-MS测定后重金属形态及总量结果如表2所示。经过微波消解后陶瓷包装重金属总量测定结果相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）（n=9）为0.16%～8.88%；BCR提取中可还原态Cd测定结果RSD（n=9）高于20%，可还原态Cd的溶出量接近检测下限（0.011 μg/L）致使RSD值偏高[22-23]，其他4 种重金属溶出测定结果RSD（n=9）为1.83%～10.55%。BCR提取法的重金属形态之和与微波消解后陶瓷酒瓶中重金属总量顺序均为Zn＞Ni＞Pb＞Co＞Cd，5 种重金属形态之和为总量的84.90%～109.38%之间，说明BCR提取法中重金属形态与消解法总量测定结果基本一致。重金属4 种形态中弱酸提取态、可还原态及可氧化态为可提取形态，其中弱酸提取态、可还原态在酸性环境中最易溶出[24-25]。陶瓷包装中Cd、Pb、Zn、Ni、Co在弱酸提取态及可还原态比例为10.81%～20.18%、17.35%～42.44%，其中 Cd和Pb在弱酸提取态比例为10.81%、14.14%，在可还原态比例为38.19%和29.68%，表明在酸性条件中弱酸提取态及可还原态Pb、Cd较易溶出。实验结果显示陶瓷包装前3 种形态之和占比为Zn（88.67%）＞Ni（81.09%）＞Co（66.30%）＞Pb（54.93%）≈Cd（49.00%），Pb、Zn、Ni、Co可提取形态比例基本均大于50%。依据重金属潜在溶出风险评估方法，以BCR提取后的弱酸提取态、可还原态和可氧化态之和与残渣态的比值可评价重金属溶出风险，陶瓷包装重金属的溶出风险为Cd（0.96）＜Pb（1.21）＜Co（1.96）＜Ni（4.28）＜Zn（7.82），表明陶瓷包装中重金属在接触酸性白酒时具有较高的释放能力及溶出风险。此外，相比与普遍关注Pb和Cd，Co、Ni和Zn的溶出风险更高，可能对白酒酒质与人体健康的影响也需引起足够的重视。

2.1.2 BCR提取形态相关性分析

对陶瓷包装中重金属形态相关性分析如表3所示。结果表明，同形态Cd、Pb、Zn、Ni、Co之间具有着一定的相关性。弱酸提取态中Co-Cd呈极显著正相关（r=0.834，P＜0.01），Ni-Cd、Ni-Pb呈极显著正相关（r=0.959，P＜0.01；r=0.949，P＜0.01），Zn-Pb呈显著正相关（r=0.713，P＜0.05），Cd-Pb呈极显著正相关性（r=0.979，P＜0.01）；可还原态中Co-Zn、Co-Cd呈显著正相关（r=0.681，P＜0.05；r=0.731，P＜0.05），Zn-Cd、Zn-Pb呈现极显著正相关（r=0.953，P＜0.01；r=0.894，P＜0.01），Cd-Pb呈极显著正相关（r=0.827，P＜0.01），实验中陶瓷包装Cd、Pb、Zn、Ni、Co弱酸提取态和可还原态重金属占比在30.33%～62.62%且Cd、Pb总量小，表明弱酸提取态中重金属会随Pb的溶出而成对溶出，除重金属Zn外其他重金属会随Cd的溶出而成对迁移，即协同溶出。可还原态重金属不具有弱酸提取态中重金属统一溶出的规律，Co、Zn、Cd会随Pb、Cd的溶出而成对溶出。可氧化态中Co-Zn、Co-Pb呈极显著正相关（r=0.846，P＜0.01；r=0.965，P＜0.01），Ni-Zn、Ni-Pb呈极显著正相关（r=0.988，P＜0.01；r=0.878，P＜0.01），Zn-Pb呈极显著正相关性（r=0.927，P＜0.01），表明陶瓷包装中重金属在具有氧化性物质条件下会随Pb溶出而成对溶出。研究表明重金属形态的协同溶出会更易增加重金属的溶出风险[26]，并且有文献报道白酒中含有的还原性和氧化性物质在白酒贮存过程中会发生氧化还原反应[27-29]，李家民[27]、海超[28]发现白酒中还原性成分（高级脂肪酸乙酯、醇等）贮存过程中受到空气、热等作用会发生氧化反应生成醛、酮和酸。重金属4 种形态中弱酸提取态、可还原态及可氧化态重金属大多与Cd或Pb或两者呈显著相关性，说明用陶瓷包装含有酸、还原性和氧化性物质的白酒可能会增加重金属溶出的风险。

表3 BCR提取不同重金属形态之间Person相关性分析（n=9）Table 3 Person correlation analysis of different species of BCR extracted heavy metals (n= 9)

2.2 4%乙酸提取重金属溶出行为分析

以4%乙酸于20 ℃条件下短期浸泡陶瓷包装，5 种重金属随时间的溶出量如图1所示。在24 h内Cd、Pb、Ni、Zn溶出量显著增加，24 h后溶出量逐渐增长缓慢并趋于稳定。Cd、Pb溶出量在24～48 h之间仅增加了1%和5%，并且随着时间的延长溶出量保持稳定。Cd、Pb溶出量趋势与Dong Zhanhua[30]、Mizuno[31]等的研究结果基本一致，但Co在第48小时溶出量（0.745 μg/L）是第24小时溶出量（0.368 μg/L）的2 倍左右，与其他4 种重金属在48 h内的溶出变化存在显著差异，说明4%乙酸提取条件下重金属Co的溶出行为可能区别于其他4 种重金属。

图1 4%乙酸提取条件下陶瓷包装中Cd、Pb、Zn、Ni、Co溶出量随时间的变化趋势Fig. 1 Change in dissolution of Cd, Pb, Zn, Ni, and Co from ceramic packaging with contact time

4%乙酸浸泡重金属24 h溶出量的相关性分析结果如表4所示。Cd、Pb、Zn、Ni、Co溶出量之间有显著相关性且与Cd、Pb呈极显著关系。Cd-Pb呈极显著正相关（r=0.981，P＜0.01），Zn-Cd、Zn-Pb呈极显著正相关（r=0.965，P＜0.01；r=0.973，P＜0.01），Ni-Zn、Ni-Cd、Ni-Pb呈极显著正相关（r=0.986，P＜0.01；r=0.965，P＜0.01；r=0.970，P＜0.01），表明在短期接触内，Cd、Pb、Zn、Ni元素会成对协同溶出。有研究发现陶瓷制品中Pb、Cd在以4%乙酸或真实食物进行溶出实验中是成对溶出[32-33]，但对于其他重金属的溶出与Cd、Pb的联系并没有详细的报道。Co-Zn、Co-Cd、Cd-Pb溶出量呈显著负相关（r=-0.683，P＜0.05；r=-0.798，P＜0.01；r=-0.812，P＜0.01），说明Co溶出量受到Zn、Cd、Pb等溶出量的抑制，与图1中0～24 h间Co溶出量趋势一致。说明采用陶瓷作为白酒的包装贮存材料在短期接触内会使陶瓷制品中的重金属成对溶出，因此采用短期浸泡的方式对陶瓷包装进行清洗有利于降低重金属的溶出风险。

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

2.3 BCR提取重金属形态与4%乙酸24 h溶出量关系

重金属形态可提取形态中以弱酸提取态和可还原态最易迁移[23]。陶瓷制品接触溶液的pH值越低，重金属溶出量越大[34]，弱酸提取态提取剂0.11 mol/L乙酸（pH 4.75）比4%乙酸溶液pH值高（pH 2.48），但还原态提取条件与4%乙酸溶液pH值相近（pH 2）。以弱酸提取态和可还原态重金属之和与4%乙酸浸泡24 h的重金属溶出量对比（图2），弱酸提取态Cd、Pb、Zn、Ni、Co为24 h溶出量的20.11%～90.90%，弱酸提取态和可还原态总和是24 h溶出量的79.55%～411.75%，Cd、Pb两种形态之和达到411.75%和124.22%，表明4%乙酸溶出主要提取的是陶瓷包装中弱酸提取态的重金属，可还原态重金属可能会在白酒长期贮存过程中逐渐溶出。

图2 BCR提取重金属形态与4%乙酸24 h溶出量关系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溶出量与BCR提取重金属形态进行相关性分析（表5）。结果表明弱酸提取态Cd与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溶出量呈极显著正相关， Pb与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溶出量呈现极显著正相关。可还原态Cd与Ni（r=0.970，P＜0.01）、Cd（r=0.906，P＜0.05）、Pb（r=0.939，P＜0.01）24 h溶出量呈显著正相关，Pb与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溶出量呈显著正相关。进一步说明了4%乙酸的短期接触内白酒中重金属溶出与陶瓷包装重金属弱酸提取态、可还原态均呈正相关，且与弱酸提取态的相关更显著，说明BCR提取法可以进一步分析与评价白酒陶瓷包装的重金属溶出风险。

表5 BCR提取重金属形态与4%乙酸24 h溶出量Person相关性分析（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 结 论

本研究对比分析BCR提取、微波消解和4%乙酸浸泡白酒陶瓷包装材料中Cd、Pb、Zn、Ni和Co的溶出特征，可以看出：1）BCR提取法的重金属形态之和与微波消解后陶瓷包装中重金属总量顺序均为Zn＞Ni＞Pb＞Co＞Cd，而基于BCR提取形态的重金属溶出风险为Zn＞Ni＞Pb＞Co＞Cd，其中Zn和Ni的溶出风险最高，Pb和Co的溶出风险中等，而Cd几乎无溶出风险。2）BCR提取重金属形态和4%乙酸接触24 h重金属溶出量的对比分析显示，在存在酸、还原性和氧化性的环境中大多数重金属会随Pb、Cd的溶出而成对迁移，4%乙酸浸泡主要提取的是陶瓷包装中弱酸提取态的重金属，陶瓷包装材料在长期贮存含有酸、还原性和氧化性物质的白酒时可能会增加重金属溶出的风险。因此，采用BCR提取法可进一步深入分析白酒陶瓷包装的重金属溶出特征，为探讨重金属溶出对白酒酒质与人体健康风险提供科学依据。