第02章-食品毒理学基础

食品毒理学

FoodToxicology主讲人：赖朋生物工程学院

Teacher：Dr.LaiEmail:lai211@教材：《食品毒理学》严卫星丁晓雯主编

中国农业大学出版社

毒性和毒性作用

剂量与剂量-反应关系

化学结构与毒性效应

联合作用

第二章食品毒理学基础

毒性参数和安全限值

理解食品毒理学的基本概念和常用术语，如剂量、效应与反应、联合作用、毒性参数和安全限值等。

掌握食品毒理学的基础知识。学习目的与要求2.1

毒性和毒性作用

2.1.1毒物（toxicants/poison）定义：一般认为，一定条件下，较小剂量进入机体就能干扰正常的生化过程或生理功能，引起暂时或永久性的病理改变，甚至危及生命的化学物质。毒物可以是固体、液体和气体。瑞士医师Paracelsus

指出：所有物质都是毒物，没有不是毒物的物质，只是剂量决定了它是毒物还是药物。分类：（1）按其来源：分天然、合成和半合成；（2）按其用途和分布范围可分为：工业化学品、食品中的有毒物质、环境污染物、日用化学品、农用化学品、医用化学品、生物毒素、军事毒物；（3）按其毒性强弱分：剧毒、高毒、中毒、低毒、微毒。From:/敌敌畏（DDVP）叠氮钠（NaN3）砒霜（As2O3）LD50:80mg/kgLD50:27mg/kgLD50:20mg/kg氰化钾（KCN）LD50:5mg/kg基本特征：对机体不同水平的有害性，但具备有害性特征的并不是毒物，如单纯性粉尘；经过毒理学研究之后确定的；必须能够进入机体，与机体发生有害的相互作用。

具备以上3点才能称为毒物。靶器官(targetorgan)定义：外源化学物进入机体后，对体内各器官的毒作用并不一样，往往有选择毒性(selectivetoxicity)，外源化学物可以直接发挥毒作用的器官或组织就称为该物质的靶器官。2.1.2毒性(toxicity)定义：外源化学物与机体接触或进入体内的易感部位后，能引起损害作用的相对能力。可简述为外源化学物在一定条件下损伤生物体的能力。影响因素：剂量、接触途径、接触期限、速率和频率等。接触途径：经口、经皮、经呼吸道等。接触期限、速率和频率：在毒理学研究中，通常按给动物染毒的时间长短分为急性、亚慢性和慢性毒性试验。

毒性作用定义：也叫毒性反应，外源化学物引起机体发生生理生化机能异常或组织结构病理变化的反应。有机磷农药对胆碱酯酶有抑制作用；苯可抑制造血功能，导致贫血；强酸、强碱可引起局部的皮肤粘膜的灼伤等。毒性作用分类：(1)

过敏反应(hypersensitivity)或变态反应(allergicreaction)(2)

特异体质反应(idiosyncraticreaction)

(3)

速发与迟发性作用(immediateversusdelayedtoxicity)(4)

局部与全身作用(localversussystemictoxicity)(5)

可逆与不可逆作用(reversibleversusirreversibletoxiceffect)(6)功能、形态损伤作用2.1.3

损害作用与非损害作用外源化学物在机体内可引起一定的生物学效应，其中包括损害作用和非损害作用。损害作用是外来化合物毒性的具体表现。损害作用具有以下特点：机体的正常形态学、生理学、生长发育过程收到影响，寿命可能缩短。机体功能容量降低。机体维持稳态的能力下降和机体对额外应激的代偿能力降低。机体对其他某些环境因素不利影响和易感性增高。2.1.4毒作用生物学标志生物学标志(biomarker,biologicalmarker)是指针对通过生物学屏障进入组织或体液的化学物质及其代谢产物以及它们所引起的生物学效应而采用的检测指标。分为：接触生物学标志

(biomarkerofexposure）效应生物学标志

(biomarkerofeffect)易感性生物学标志

(biomarkerofsusceptibility)GroupTreatmentAST

(U/L)ALT

(U/L)ⅠControl56.29

±

8.65118.49

±

6.12ⅡCCl4

(10ml/kg,

i.p.)134.50

±

10.19a220.33

±

15.32aⅢCCl4

+

silymarin

(100

mg/kg,

p.o.)67.70

±

7.09b128.47

±

8.20bⅣCCl4

+

PT

(50

mg/kg,

p.o.)111.35

±

9.19b155.83

±

13.53bⅤCCl4

+

PT

(100

mg/kg,

p.o.)86.32

±

9.13b135.13

±

17.42bⅥCCl4

+

PT

(200

mg/kg,

p.o.)72.63

±

6.87b121.39

±

8.02bEffects

of

PT

administration

on

the

levels

of

AST

and

ALT

in

serum

in

the

liver

damaged

mice

induced

by

CCl4.2.2

剂量与剂量-反应关系2.2.1剂量

(dose)定义：既可指机体接触化学物的量，或在实验中给予机体受试物的量，又可指化学毒物被吸收的量或在体液和靶器官中的量。单位：通常以单位体重接触的外源化学物数量(mg/kg体重)或环境中的浓度(mg/m3空气，mg/L

水)表示。2.2.2效应、反应和剂量-反应关系效应(effect)/量反应：机体接触一定剂量化学物后引起的生物学改变。此种变化的程度用计量单位来表示，如毫克、单位等。反应(response)/质反应：机体接触一定剂量化学物后，表现出某种生物学效应并达到一定强度的个体在群体(population)中所占的比例。一般以百分率或比值来表示。如死亡率、肿瘤发生率等。剂量-反应关系(dose-responserelationship)：随着外源化学物剂量的增加，对机体毒效应的程度增加，或出现某种效应的个体在群体中所占比例增加。剂量-反应曲线的形式：以表示量反应强度的计量单位或表示质反应的百分率为纵坐标、以剂量为横坐标绘制散点图，可得到一条曲线。

1、直线2、S形曲线3、抛物线A、B两外源化学物的LD50

相同，但其曲线斜率不同。A物质的曲线斜率小，需要有较大的剂量变化才能引起明显的死亡率改变；而B物质的曲线斜率大，相对小的剂量变化即可引起明显的死亡率改变。在较低剂量时，A物质的危险性较大，而在较高剂量时，B物质的危险性较大。2.3

化学结构与毒性效应

各种外源化学物的毒性与其结构有关，同一类化合物，由于结构（包括取代基）不同，其毒性也有很大差异。

结构决定活性，结构也决定毒性。

2.3.1

有机化合物与毒性的关系官能团与毒性的关系烃类、卤代烃类、醇酚和醚、醛酮和醌、羧酸和酯类、磺酸亚磺酸、砜和亚砜、硝基和亚硝基化合物、氨基化合物、偶氮化合物、羟基和巯基、有机磷化合物电负性基团与毒性的关系电负性基团多，可与机体中带正电荷的基团相互吸收，毒性大亲电物与亲核物与毒性的关系旋光异构与毒性的关系动物体内的酶对光学异构体有高度的特异性。官能团与毒性的关系

烃类毒性：碳原子数↑，毒性↑；但当碳原

子数超过7~9时，毒性反而↓。

直链>支链；成环>不成环；不饱和>饱和

芳烃毒性较强，但若苯环上带有侧链烷基，因侧链易氧化生成苯甲酸，故毒性较小。

卤素有强烈的吸电子效应，在化合物结构中增加卤素就会使分子的极化程度增加，更容易与酶系统结合，使毒性增强。

醇类中，甲醇、丁醇、戊醇毒性较强，卤代醇毒性很强。

硝基化合物毒性很强，氨基化合物毒性大小为：伯胺、仲胺、叔胺。2.3.2

无机化合物与毒性的关系金属毒物无机化合物的毒性与溶解度有关，难溶于水的金属单质及盐类毒性较低；金属的有机物比无机物易吸收，故毒性较大；同一金属低价态毒性高于高价态，但铬例外。氧化还原剂和酸碱活泼的化学物质毒性较大；强酸强碱离解度大，毒性大于弱酸弱碱。2.3.3毒物的理化性质与毒性效应（1）脂水分配系数化合物在脂（油）相和水相的溶解分配率。脂水分配系数大：简单扩散，通过生物膜，易在脂肪组织蓄积，侵犯神经系统；脂水分配系数小：离子化基团，水溶性强，不容易通过生物膜，易随尿排出体外。（2）电离度即化合物的pka值，

pka值不同的化合物在不同的pH环境中电离度不同，影响其跨膜转运；化合物在一定pH条件下呈现离子型的比例越高，易溶于水，难以吸收，易随尿排出。（3）挥发度和蒸气压常温下易挥发的化合物，易形成较大蒸气压，易于经呼吸道吸收；经皮吸收的液态化合物，挥发性大的较挥发性小、粘稠不易去除的危害性小。（4）分散度分散度越大颗粒越小，表面积越大，生物活性也越强大于10μm的颗粒在上呼吸道被阻；5μm以下的颗粒可达呼吸道深部；小于0.5μm的颗粒易经呼吸道再排出；小于0.1μm的颗粒易沉积于肺泡壁。2.3.4

代表性化学物的化学结构与毒性关系2.3.4.1苯并芘简称B(a)P，又名3,4-苯并芘，分子式C20H12；无色至淡黄色、针状、晶体(纯品)；熔点178℃，沸点495℃，高熔点高沸点化合物；不溶于水微溶于乙醇，溶于氯仿等有机溶剂；碱性介质中稳定，酸性介质中不稳定；一种高活性间接致癌物，而非直接致癌物，必须经细胞微粒体中的混合功能氧化酶激活才具有致癌性；具有致畸、致突变作用，还可损害中枢神经、血液等。2.3.4.2六六六/666又叫六氯环己烷、六氯化苯，是环己烷每个碳原子上的一个氢原子被氯原子取代形成的饱和化合物。结构式因分子中含碳、氢、氯原子各6个，可以看作是苯的六个氯原子加成产物。分子式C6H6Cl6，白色晶体，有8种同分异构体。熔点159～160℃，沸点288℃；易溶于氯仿、苯等；随水蒸气挥发；具有持久的辛辣气味；对酸稳定，在碱性溶液中易分解，长期受潮或日晒会失效，进入机体后主要蓄积于中枢神经和脂肪组织中，为神经及实质脏器毒物；α-六六六具有很高的致癌性，无明显的致突变性。六六六的化学名称是1、2、3、4、5、6-六氯环己烷（六氯化苯），它有几种常见的异构体，六六六的杀虫活性取决于其中γ-六六六的含量。六六六对光、空气、热和二氧化碳都很稳定，又耐强酸。2.3.4.3

DDT又叫滴滴涕，化学名为双对氯苯基三氯乙烷；化学式(ClC6H4)2CH(CCl3)。白色晶体，不溶于水，溶于煤油，可制成乳剂，是有效的杀虫剂。在环境中非常难降解，并可在动物脂肪内蓄积，从70年代后滴滴涕逐渐被世界各国明令禁止生产和使用。DDT一般毒性与六六六相同，属神经及实质脏器毒物，对人和大多数其它生物体具有中等强度的急性毒性。它能经皮肤吸收，是接触中毒的典型代表。

2.3.4.5

苏丹红“苏丹红”是一种化学染色剂，它的化学成份中含有一种叫萘的化合物，该物质具有偶氮结构，由于这种化学结构的性质决定了它具有致癌性，对人体的肝肾器官具有明显的毒性作用。苏丹红有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号四种，经毒理学研究表明，苏丹红具有致突变性和致癌性，苏丹红Ⅰ号在人类肝细胞研究中显现可能致癌的特性，在我国禁止使用于食品中。

2.3.4.5

苏丹红苏丹红Ⅰ号：1-苯基偶氮-2-萘酚：C16H12N2O

苏丹红Ⅱ号：1-[(2,4-二甲基苯)偶氮]-2-萘酚苏丹红Ⅲ号：1-[4-(苯基偶氮)苯基]偶氮-2-萘酚苏丹红Ⅳ号：1-2-甲基-4-[(2-甲基苯)偶氮]苯基偶氮-2-萘酚2.4

联合作用定义：一种外源化学物对机体的毒性作用，可以由于同时或先后接触另一种外源化学物使其所表型的联合毒性比任一单一的外源化学物的毒性增强或减弱，毒理学将两种或两种以上的外源化学物对机体的交互作用称为联合毒作用(jointaction)。分类：相加作用(additionaljointaction)：靶器官相同，1+1=2独立作用(independentjointaction)：靶器官不同协同作用(synergisticjointaction)：1+1>2拮抗作用(antagonisticjointaction)：1+1<2增强作用(potentiationjointaction)硒与镉的拮抗作用多氯联苯(PCBs)与苯并(a)芘(BaP)作为两种重要的污染物，因其在环境中广泛存在并可对人体造成包括致癌、致突变在内的多种有害效应而备受关注。现有的研究证实，PCBs在体内可有效的促进BaP的代谢活化，诱导后者转化生成其终致癌物，从而在联合作用时显著增强BaP的遗传毒性效应。综上所述二甲苯可与某些化学物联合作用于神经系统、肝脏等。甲苯、丁酮、乙苯等可使二甲苯的代谢速度下降、代谢产物排泄时间延长,因此体内二甲苯浓度增高。推测,由于这种代谢抑制作用可使二甲苯的毒性大大增加。2.4.1

联合作用的评价1.

联合作用系数法联合作用系数（K）=预期LD50/实测LD50K>1协同K=1相加K<1拮抗分别测A、B的LD50及95%可信限按等效比混合测定混合物实测LD50求混合物LD50中A、B化合物的实际剂量绘图两种化合物A、B2.

等效应线图法上限LD50下限下限LD50

上限BAⅠⅡⅢⅠⅡⅢ协同相加拮抗2.4.2

联合毒作用的机制两种或两种以上化学物联合作用可以出现在毒作用过程中的不同靶点及不同途径暴露相毒动学相毒效学相化学和/或物理学的交互作用2.5

毒性参数和安全限值2.5.1毒性参数

实验动物体内试验得到的毒性参数可以分为两类，一类是毒性上限参数，是在急性毒性试验中以死亡为终点的各项毒性参数；另一类为毒性下限参数，即观察到有害作用最低剂量及最大无害作用剂量，可以从急性、亚急性、亚慢性和慢性毒性试验中得到。毒性参数的测定是毒理学试验剂量-效应关系和剂量-反应关系研究的重要内容。

致死剂量(lethaldose)某种外源化学物能引起机体死亡的剂量。(1)绝对致死量(absolutelethaldose，LD100)指能引起一组受试实验动物全部死亡的最低剂量。“如再降低剂量，就有存活者。但由于个体差异的存在，受试群体中总是有少数高耐受性或高敏感性的个体，故LD100常有很大的波动性，实际意义不大。(2)半数致死量(medianlethaldose，LD50)指能引起一组受试实验动物半数死亡的剂量，又称致死中量。因为LD50较少受到个体耐受性差异的影响，比LD100更为准确。LD50是评价化学物质急性毒性大小最重要的参数，也是对不同化学物质进行急性毒性分级的基础标准。(3)最小致死量(minimumlethaldose，MLD或LD01或LDmin)指一组受试实验动物中仅引起个别动物死亡的最小剂量。低于此剂量即不能使机体出现死亡。(4)最大耐受量(maximaltolerancedose，MTD或LD0)指在一组受试实验动物中不引起死亡的最高剂量。接触此剂量的个体可以出现严重的毒性作用，但不发生死亡。(5)最小有作用剂量(minimaleffectivedose)，或称阈剂量。(6)最大无作用剂量(maximalno-effectivedose)，某种外源化学物在一定时间内按一定方式或途径与机体接触后，根据现有认识水平，用最灵敏的试验方法和观察指标，未能观察到对机体造成任何损害作用或使机体出现异常反应的最高剂量。作用水平(1)观察到有害作用的最低水平(lowestobservedadverseeffectlevel,LOAEL)(2)未观察到有害作用水平(noobservedadverseeffectlevel,NOAEL)(3)观察到作用的最低水平(lowestobservedeffectlevel,LOEL)(4)未观察到作用水平(noobservedeffectlevel,NOEL)

LOAEL或NOAEL是评价外源化学物毒作用与制定安全限值（如每日允许摄入量和最高容许残留限值）的重要依据，具有重要的理论和实践意义。

阈值(thresholddose)定义：一种物质使机体（人或实验动物）开始发生效应的剂量或浓度。也称最小有作用剂量。一种化学物对每种效应（有害作用和非有害作用）都可分别有一个阈值。对某种效应，对易感性不同的个体可有不同的阈值。同一个体对某种效应的阈值也可随时间改变。阈值应该在实验确定的NOEL和LOEL之间。2.5.2安全限值(safetylimit)定义：安全限值即卫生标准，是对各种环境介质(空气、土壤、水、食品等)中的化学、物理和生物有害因素规定的限量要求。在低于此种浓度和暴露时间内，对个体或群体健康的危险是可忽略的。类型：每日容许摄入量(ADI)、最高容许浓度(MAC)、阈限值(TLV)、参考剂量(RfD)。(1)

每日允许摄入量(ADI)：指允许正常成人每日由外环境摄入体内的特定外源化学物的总量。在此剂量下，终生每日摄入该外源化学物不会对人体健康造成任何可测量出的健康危害，单位用mg/kg体重表示。(2)

最高允许浓度(MAC)：在劳动环境中，指车间内工人工作地点的空气中某种外源化学物不可超越的浓度。在此浓度下，工人长期从事生产劳动，不致引起任何急性或慢性的职业危害。在生活环境中，MAC是指对大气、水体、土壤等介质中有毒物质浓度的限量标准。由于接触的具体条件及人群的不同，即使是同一化学物质，它在生活或生产环境中的MAC也不相同。(3)

阈限值(TLV)：

为美国政府工业卫生学家委员会推荐的生产车间空气中有害物质的职业接触限值。为绝大多数工人每天反复接触不致引起损害作用的浓度。由于个体敏感性的差异，在此浓度下不排除少数工人出现不适、既往疾病恶化、甚至罹患职业病。(4)

参考剂量(RfD)：

由美国环境保护局首先提出，用于非致癌物质的危险度评价。RfD为环境介质(空气、水、土壤、食品等)中外源化学物的日平均接触剂量的估计值。人群(包括敏感亚群)在终生接触该剂量水平外源化学物的条件下，预期一生中发生非致癌或非致突变有害效应的危险度可低至不能检出的程度。化学物质的安全限值一般是将LOAEL或NOAEL缩小一定的倍数来确定的。在选择安全系数或不确定系数时要考虑多种因素，如化学物质的急性毒性等级、在机体内的蓄积能力、挥发性、测定