蔬菜水果重金属膳食暴露评估中风险权重的确定方法

程加迁，王俊平*

（1.天津科技大学 教育部食品营养与安全重点实验室，天津 300457；2.天津科技大学经济与管理学院，天津 300457）

蔬菜水果重金属膳食暴露评估中风险权重的确定方法

程加迁1,2，王俊平1,*

（1.天津科技大学 教育部食品营养与安全重点实验室，天津 300457；2.天津科技大学经济与管理学院，天津 300457）

以天津塘沽地区居民日常食用的蔬菜和水果为研究对象，使用微波消解对样品进行消化，用电感耦合等离子体质谱对样品中Cr、As、Cd、Hg、Pb 5 种重金属含量进行检测，结果表明蔬菜和水果部分样品存在重金属含量超标情况，其中蔬菜Pb和水果Pb超标率均高于10%。为精确评估各种重金属对于膳食风险的贡献率，引入层次分析法确定各元素的风险权重。应用暴露评估法和目标风险系数（target hazard quotient，THQ）将风险量化，结合THQ值和各元素超标情况使用层次分析法计算各重金属元素风险权重。结果表明，平均暴露水平下5 种元素的风险权重为Cr 0.141 1、As 0.157 0、Cd 0.341 1、Hg 0.040 4、Pb 0.320 4，风险等级Cd、Pb＞As、Cr＞Hg，确定了不同重金属基于摄入量和超标情况的膳食风险贡献率，为食品中多元危害物风险评价提供了一种方法。

重金属；暴露评估；目标危害系数；层次分析法；风险权重

蔬菜和水果是居民的主要食品，2014年我国居民的蔬菜年平均消费量为94.1 kg，水果为38.6 kg，分别占食品消费量的第二位和第三位[1]。目前，我国受Cd、As、Pb、Hg等重金属污染的耕地面积有2 000万 hm2，约占总耕地面积的1/5[2]。土壤中的重金属容易被农作物富集、吸收，通过食物链进入人体，是最主要的污染途径之一[3]。重金属对人体的危害是多系统、多器官、多指征和不可逆的[4]，对健康构成严重威胁，是国内外研究的热点课题[5-9]。

目前重金属污染评价主要有单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法[10-12]，基于膳食暴露评估的目标危害系数（target hazard quotient，THQ）法等[13-15]。由于影响重金属对人体危害的因素是多元的，包括其种类特性、在不同食品中的含量、摄入量等，因此，需要一种方法能够精确合理的评估不同重金属对健康风险的贡献率。

层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是20世纪70年代由美国运筹学家Saaty教授提出的一种定性分析和定量分析相结合的决策方法，适用于解决多目标复杂性问题，被广泛应用于经济计划、资源分配、结果预测和绩效评估等方面[16-17]。

本研究通过检测天津地区蔬菜水果的重金属含量，应用暴露评估、目标危害系数和层次分析法，综合考虑重金属摄入量、不同食物摄入量和不同元素超标情况，通过计算各元素的风险权重来评价不同重金属对健康的危害程度，探讨了层次分析法在解决不同危害物风险定权问题的可行性，为膳食暴露评估中多元危害物的风险评价问题提供了一种合理的解决方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

水果蔬菜样品采购于天津塘沽地区各大超市及农贸市场。

浓硝酸（优级纯） 德国Merck公司；双氧水国药集团化学试剂有限公司；混合标准储备液（Pb、Cd、Hg、As、Cr）、混合内标储备液（Sc、Ge、In、Bi）美国Agilent公司；豆角（GBW10021）、胡萝卜（GBW10047）、芹菜（GBW10048）成分分析标准物国家标准物质中心；实验用水均为实验室自制超纯水。

1.2 仪器与设备

7500电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS） 美国Agilent公司；MARs6微波消解仪 美国CEM公司；电子分析天平 德国Sartorius公司；Milli-Q超纯水仪 美国Millipore公司。

1.3 方法

1.3.1 样品采集

2015年分3 个季度分别对天津塘沽地区的超市及农贸市场进行随机抽样，样品包括居民日常消费量较大的水果、蔬菜种类。共采集蔬菜样品150 个，包括叶菜类（白菜、油菜、菠菜、生菜等）63 个，根茎类（胡萝卜、土豆、藕、莴苣等）42 个，茄果类（茄子、西红柿、辣椒等）19 个，瓜类和豆类（冬瓜、南瓜、四季豆等）26 个；水果样品82 个，包括仁果类（苹果、梨等）26 个，热带类（香蕉、芒果等）23 个，柑橘类（桔子、橙子）14 个，浆果类（草莓、葡萄等）11 个，瓜类（西瓜、甜瓜）8 个。样品采集后-20 ℃冷冻贮藏。

1.3.2 样品前处理

取样品的可食用部位搅碎混合均匀，称取0.200 g搅碎的样品置于聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL硝酸，浸泡2 h，加入2 mL过氧化氢，盖上密封盖，置于微波消解仪中进行消解，消解结束后待消解罐冷却至室温，将消解液转移至50 mL容量瓶，用超纯水定容至刻度线[18]。用5 mL无菌注射器吸取稀释定容后的消解液，过0.22 μm水系针头滤器至15 mL聚丙烯离心管，同时做空白试剂对照。

1.3.3 样品检测

样品检测方法采用ICP-MS进行检测，使用Sc、Ge、In和Bi作为混合内标，对标准物质和处理好的样品在线加内标进行检测。由工作站软件分析数据，建立标准曲线，计算样品重金属含量。每次测定前重新绘制标准曲线。

1.3.4 暴露评估方法

使用Crystal Ball软件对检测样本的重金属含量进行分布拟合，根据A-D（Anderson Darling）、K-S（Kolmogorov-Smirnov）和χ2（Chi-Square）拟合优度检验结果，确定其最优分布类型及分布参数，应用Monte Carlo模拟，从分布中随机抽取数据获得重金属含量C，再根据评估模型进行暴露评估。重金属膳食暴露量（estimated daily intake，EDI）根据式（1）计算。

式中：C为重金属含量/（mg/kg）；¯I为食物平均摄入量/（g/d），根据2015年中国统计年鉴，我国居民蔬菜人均日摄入量为257.8 g/d，水果人均日摄入量为105.8 g/d[1]；m为平均体质量/kg，根据2015年中国居民营养与慢性病状况报告，我国居民平均体质量为61.8 kg[19]。

1.3.5 THQ的计算方法

THQ法是2000年美国国家环境保护局建立的一种评价非致癌污染物风险的方法[20]。该方法基于污染物暴露剂量和参考剂量的比值[21]，根据式（2）计算。

式中：EF为暴露频率/（d/年）；ED为暴露持久性/年；FIR为膳食摄入量/（g/d）；C为危害物含量/（mg/kg）；RFD为参考剂量/（mg/（kg·d））；m为平均体质量/kg；t为非致癌性暴露的平均时间/d。

1.3.6 AHP法分析

AHP首先将要分析的问题层次化，构建层次分析模型，将不同重金属元素两两比较构成判断矩阵，按照其相对风险程度根据1～9标度法进行打分[22]（表1），进行一致性检验后根据矩阵的特征值和特征向量计算指标权重。

表1 判断矩阵标度含义Table 1 Scaling of judgment matrix

2 结果与分析

2.1 标准物质测定结果

对标准物质豆角、胡萝卜、芹菜进行检测，Cr、As、Cd、Hg、Pb的检测结果均在标准物质含量的许可范围之内，说明样品的前处理及检测方法可信。

2.2 蔬菜水果中重金属含量检测结果

重金属超标情况参考GB 2762—2012《食品安全国家标准 食品中污染物限量》[23]，蔬菜中Pb超标率较高，达到10.67%；Cr超标率达到3.33%，与2012年宇妍[24]对天津市近郊蔬菜重金属检测的结果接近；水果Pb超标率也比较高，达到14.63%；Cr、Cd超标率分别达到2.44%、8.54%（表2）。

表2 蔬菜、水果中重金属含量检测结果Table 2 Detection of heavy metals in vegetables and fruits

图1 蔬菜重金属含量对比图Fig. 1 Comparison among contents of heavy metals in vegetables

由蔬菜重金属含量箱线图（图1）可以看出，5 种重金属的含量均集中在低含量水平，Cr和Pb有异常值出现。

图2 水果重金属含量对比图Fig. 2 Comparison among contents of heavy metals in fruits

由水果重金属含量箱线图（图2）可以看出，5 种重金属除Cr外含量均集中在低含量水平，Cr的含量分布稍广。Cr、Cd和Pb有异常值出现。

2.3 膳食暴露评估结果

2.3.1 暴露评估参数

使用Crystal Ball软件对重金属检出数据进行拟合分布，分布类型及参数见表3。

表3 暴露评估参数Table 3 Parameters of exposure assessment

2.3.2 重金属膳食暴露评估

根据数据分布模型和评估模型，使用Monte Carlo模拟进行暴露评估（表4）。

暴露评估获得不同重金属的EDI值，由于不同重金属的允许摄入剂量不同，因此使用THQ来评价重金属膳食摄入风险。

表4 蔬菜和水果膳食重金属暴露评估结果Table 4 Dietary exposure assessment to heavy metals in vegetables and fruits

2.4 THQ值的计算

由于人每天都要摄入蔬菜水果，因此EF取值为365 d/年；ED在数值上等于人的平均寿命，根据2015年国民经济和社会发展统计公报，我国人均预期寿命为76.34 岁[25]，取值为76 年；t＝365 d/年×76 年＝27 740 d。

表5 参考剂量取值及参考依据Table 5 Reference doses of heavy metals and related standards

RFD采用JECFA制定的PTWI或我国制定的相关标准（表5）[26-30]：Cr的价态影响其对人体作用，目前国际上缺乏统一标准，故采用我国营养学会制定的每日可耐受最高摄入量；As由于形态多样，毒性不同，采用JECFA制定的无机As的PTWI；2010年JECFA将Cd的PTWI修改为PTMI；2011年JECFA将无机汞的PTWI下调至4 μg/（kg·周），2010年JECFA取消了Pb的PTWI，并且认为难以制定新的指导值，因此本研究Pb采用JECFA之前制定的PTWI值。

表6 平均暴露水平、P90、P99暴露水平的THQTable 6 THQ of mean, P90 and P99 dietary exposure

由表6可知，平均暴露水平的THQ值远小于1，说明天津塘沽地区居民的蔬菜水果重金属平均摄入水平是安全的。与平均暴露水平THQ值相比，P90和P99暴露水平的THQ值明显提高，但仍小于1，说明在高百分位居民通过蔬菜水果摄入的重金属仍处于相对安全水平。由于重金属的风险还受其他因素影响，比如超标情况、不同食物摄入比例等，因此引入适用于多目标决策的层次分析法来确定不同重金属元素的风险权重。

2.5 风险权重的判别

2.5.1 层次分析模型

将重金属风险分解为蔬菜重金属风险与水果重金属风险，并将风险细分为Cr、As、Cd、Pb和Hg 5 种元素，使用层次分析法构建层次分析模型，结果见图3。

2.5.2 判断矩阵

根据蔬菜、水果的平均摄入量，两两比较其重要性并进行打分，结果见表7。

表7 蔬菜、水果重要性赋值Table 7 Importance values of vegetables in comparison with fruits

表8 蔬菜和水果重金属指标重要性赋值Table 8 Relative importance values of heavy metals in vegetables and fruits

选择平均暴露水平的THQ值作为判断依据，对各个重金属指标两两比较其风险程度并根据1～9标度法进行打分，由于超标率是一种高风险因素，蔬菜水果中Pb的超标率均较高，因此适当提高对Pb的赋值，对于超标率低于10%的，赋值不变，高出10%的，每增加10%，重要性赋值增加1。构造判断矩阵，结果见表8。

2.5.3 风险权重计算结果

表9 平均暴露水平和P90, P99暴露水平风险权重值Table 9 Risk weight values of mean, P90 and P99 dietary exposure

风险权重的结果见表9，Cd、Pb＞As、Cr＞Hg，说明平均暴露水平下，果蔬中Cd和Pb的风险最高，As和Cr次之，Hg的风险最小。通过层次分析风险权重值与THQ值比较可以发现，THQ值排序为Cd＞Pb＞As、Cr＞Hg，而在层次分析法获得的权重值中Pb权重有所提高，这是因为超标率在膳食暴露中属于高风险因素，食品超标，则会对健康产生危害，因此在两两比较各元素重要性时，提高了超标率较高的Pb的赋值。因此，在处理具有多种影响因素的不同危害物风险定权问题时，使用层次分析法可以综合考虑多种因素，对重要程度进行综合赋值，使得权重结果更加准确合理。选择P90和P99暴露评估的THQ值作为判断依据，利用层次分析法计算相应权重。

通过比较可以发现，平均暴露水平和P90暴露水平的风险权重值基本保持一致，而P99暴露水平的风险权重值则出现明显变化，其中Pb及Cr的权重值变大，As权重值变小。说明极端暴露人群与一般人群相比，不同重金属元素对健康的危害程度发生了变化，Pb对于健康的危害更加显著。

3 结 论

本研究对天津塘沽地区居民日常食用的蔬菜和水果的重金属含量进行了检测。检测结果表明，部分蔬菜样品的Cr、Pb和部分水果样品的Cr、Cd和Pb含量存在超标情况，其中蔬菜Pb和水果Pb超标率高于10%，其他样品符合限量标准要求。

通过应用暴露评估法、目标危害系数和层次分析法，计算不同重金属元素的风险权重，探讨了层次分析法在重金属膳食暴露评估中确定不同危害物风险贡献率的可行性。与THQ值相比，由于风险权重综合考虑了不同重金属摄入量、不同种类食品摄入量和超标情况多种影响因素，因此可以更精确地评估不同危害物的风险。平均暴露水平和P90暴露水平的风险权重值相一致，说明不同重金属对于健康的风险程度顺序在大部分人群中相一致。风险权重值Cd、Pb＞As、Cr＞Hg，说明果蔬重金属中Cd和Pb的风险较高，As和Cr次之，Hg的风险最低；因此建议对重金属实行分级监测，加强对Cd和Pb污染监测工作。

在今后的研究中，可以再综合考虑其他风险影响因素，会使风险评价更加合理，也可以将此方法应用到其他重金属元素及农药残留、兽药残留等膳食暴露评估和风险评价工作中。

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A Method to Determine Risk Weight in Dietary Exposure Assessment to Heavy Metals in Vegetables and Fruits

CHENG Jiaqian1,2, WANG Junping1,*
(1. Key Laboratory of Food Nutrition and Safety, Ministry of Education, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China;2. College of Economics and Management, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

This paper is focused on assessing the health risk associated with dietary intake of heavy metals from vegetables and fruits in the Tanggu district of Tianjin. A microwave digestion system was used to digest food samples for the determination of the concentrations of Cr, As, Cd, Hg and Pb by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).The results showed that heavy metal contents of some samples exceeded the standard limits. The over-standard rates of Pb in vegetables and fruits were higher than 10%. In order to accurately assess the contribution rates of hazardous heavy metals to health risk, the analytic hierarchy process (AHP) was introduced to determine their risk weights. The exposure assessment and the target hazard quotient (THQ) were used to quantify the risk. Based on the THQ value combined with the overstandard rates of heavy metals, the risk weight was calculated. The results showed that the risk weights of Cr, As, Cd, Hg,and Pb were 0.141 1, 0.157 0, 0.341 1, 0.040 4 and 0.320 4, and the risk levels decreased in the order of Cr, Pb ＞ As, Cr ＞Hg at the average exposure level. The contribution rates of these metals to health risk based on the daily intake and the overstandard rates was determined. This study may provide a new method for evaluating the risk levels of multiple hazardous substances in foods.

heavy metals; exposure assessment; target hazard quotient; analytic hierarchy process; risk weight

10.7506/spkx1002-6630-201801007

TS201.6

A

1002-6630（2018）01-0047-06

程加迁, 王俊平. 蔬菜水果重金属膳食暴露评估中风险权重的确定方法[J]. 食品科学, 2018, 39(1): 47-52.

10.7506/spkx1002-6630-201801007. http://www.spkx.net.cn

CHENG Jiaqian, WANG Junping. A method to determine risk weight in dietary exposure assessment to heavy metals in vegetables and fruits[J]. Food Science, 2018, 39(1): 47-52. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201801007. http://www.spkx.net.cn

2016-09-28

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2012AA101604）

程加迁（1992—），男，硕士研究生，研究方向为食品安全风险评估。E-mail：chengjiaqian1@163.com

*通信作者简介：王俊平（1969—），男，教授，博士，研究方向为食品安全。E-mail：wangjp@tust.edu.cn