环境科学  2019, Vol. 40 Issue (5): 2010-2018   PDF    
餐饮排放有机颗粒物的质量浓度、化学组成及排放因子特征
王红丽, 景盛翱, 乔利平     
上海市环境科学研究院, 国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室, 上海 200233
摘要: 餐饮废气是大气有机颗粒物的重要排放源.本研究基于模拟实验,研究了烹饪方式、食材以及油品等因素对餐饮废气排放有机颗粒物浓度、组成以及排放因子的影响.结果表明,餐饮排放有机颗粒物的特征受烹饪方式、烹饪食材与烹饪油品等因素影响较大.在所有模拟实验条件下,餐饮废气中可定量的有机颗粒物中,正构烷烃、甾醇和脂肪酸(包括饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸)所占的平均质量分数分别为68.9%、20.3%和4.2%,其余的有机物还包括二元羧酸、多环芳烃、单糖以及藿烷类化合物等.有机颗粒物的平均食材排放因子为0.0131 g·kg-1,变化范围为0.0014~0.0271 g·kg-1.肉类烹饪过程的食材排放因子远大于蔬菜烹饪过程.基于油品的平均排放因子为1.8230 g·kg-1,变化范围为0.0019~10.1730 g·kg-1.铁架烧烤烹饪方式的油品排放因子大于其他烹饪方式.
关键词: 有机颗粒物(POMs)      餐饮排放      化学组成      质量浓度      排放因子     
Chemical Compositions, Mass Concentrations, and Emission Factors of Particulate Organic Matters Emitted from Catering
WANG Hong-li , JING Sheng-ao , QIAO Li-ping     
State Environmental Protection Key Laboratory of Formation and Prevention of the Urban Air Complex, Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China
Abstract: Catering is an important emission source of atmospheric particulate organic matters (POMs). Mass concentrations, chemical compositions, and emission factors of POMs emitted from catering were studied based on simulation experiments. The effects of different cooking methods, various ingredients, oils, and other factors were investigated. The results showed that the species of POMs emitted from catering were largely influenced by cooking methods, ingredients, and oils. Among all the quantified POMs, the average mass fraction was 68.9%, 20.3%, and 4.2% for N-alkanes, sterols, and fatty acids (including saturated fatty acids and unsaturated fatty acids), respectively. The remaining 5.42% was constituted by dicarboxylic acids, polycyclic aromatic hydrocarbons, monosaccharide anhydrides, and hopane compounds. The average ingredient emission factor was 0.0131 g·kg-1, ranging from 0.0014 g·kg-1 to 0.0271 g·kg-1. The ingredient emission factors of the meat cooking process were much larger than those of the vegetable cooking process. The average oil emission factor was 1.8230 g·kg-1, ranging from 0.0019 g·kg-1 to 10.1730 g·kg-1. The oil emission factors of barbecuing were much larger than those of other cooking methods.
Key words: particulate organic matters (POMs)      catering      chemical compositions      mass concentrations      emission factors     

餐饮废气是大气有机颗粒物的重要来源.研究显示, 肉类炭烤和煎炸过程有机颗粒物的排放量占洛杉矶大气总有机颗粒物的20%, 占总细颗粒物质量的7%[1, 2].有机颗粒物由成百上千种有机化合物组成, 这些物质可以参与大气化学转化过程从而影响空气质量及太阳辐射[3~6], 其中一些物质还具有致癌和诱变性质, 健康影响明显[7~9].

国内外众多文献就烹饪废气中有机颗粒物的组成进行了详细的研究.结果显示, 餐饮废气的有机颗粒物组成主要取决于烹饪方式与食材[10].该废气中常见的有机化合物主要包括正构烷烃、异构烷烃、烯烃、脂肪酸、酮、芳香族化合物、多环芳烃和内酯[11].

中西方烹饪方式的不同以及不同中式烹饪中所用食材与油品的不同, 导致餐饮排放的有机颗粒物组成存在较大的差异[12]. Rogge等[13]的研究发现, 肉类烹饪过程排放的C16和C18脂肪酸(包括饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸)是城市大气细颗粒混合物中的主要有机物. He等[12]就深圳的湖南菜餐馆与广东菜餐馆的排放进行了比较, 探讨了不同的中式烹饪方式下有机颗粒物的排放情况, 在可定量的有机物中, 超过90%为脂肪酸; 脂肪酸、二元羧酸和甾醇是湖南菜系和广东菜系餐馆主要的有机排放物; 湖南菜与广东菜在正构烷烃和多环芳烃分子分布上存在一定的差异, 且湖南菜排放的脂肪酸相对贡献约为广东菜的2.5倍. Zhao等[14]比较了广州市内广东菜、湖南菜、四川菜和东北菜4类菜系餐饮废气中有机颗粒物的组成, 发现广东菜和湖南菜排放量最大的脂肪酸为油酸; 而东北菜排放量最大的脂肪酸为棕榈酸, 其棕榈酸排放量与四川菜的油酸排放量接近.

以往研究主要集中在不同菜系排放有机颗粒物特征的比较, 而对于食材、油品以及烹饪方式对有机颗粒物排放特征的影响探讨比较少.因此, 本研究通过模拟不同餐饮排放过程, 重点探讨食材、油品以及烹饪方式等因素对餐饮排放有机颗粒物特征的影响.

1 材料与方法 1.1 模拟实验

本模拟实验采用的烹饪方式包括铁架烧烤、铁板烧、煎炸与炒这4类, 食材包括玉米、土豆、五花肉、鸡肉、鱿鱼和猪排这5类, 油品包括大豆油、玉米油和葵花籽油3类.所用燃料均为无烟煤炭与液化气.共设计15组实验, 每组实验进行2次平行实验, 本文的数据均为2次平均实验的均值.采样时间30~60 min, 烹饪过程时长40~70 min, 废气管道平均流速7.4 m·s-1, 平均温度27℃, 瞬间油温130~290℃, 细颗粒物使用TH16A采样器配合PM2.5切割头采样, 流量约为16.4 L·min-1, 采样体积385~1400 L.

本模拟实验主要研究了烹饪方式、食材以及油品对有机颗粒物排放的影响(见表 1).在研究烹饪方式的影响时, 共设计了9组室验, 分别选取五花肉、猪排、鸡肉以及蔬菜等4种食材作为室验食材, 各选择了3种、2种、2种和2种方式进行烹饪; 同时为了降低油品及食材用量对研究结果的影响, 均采用大豆油作为共同的油品, 并尽量统一油品的用量, 其中肉类的用量均为5 kg左右, 蔬菜类的用量均为10 kg左右.

表 1 模拟实验汇总 Table 1 Simulation experiments'conditions

在研究食材的影响时, 共设计了4组实验, 分别选取玉米、五花肉、鱿鱼、鸡肉等4种食材作为实验食材, 基于统一的油品(大豆油)、统一的烹饪方式(铁架烧烤)、统一的食材用量以及烹饪时间, 其中水产类以及肉类的用量均为5 kg左右, 蔬菜用量均为10 kg左右, 烹饪时间均为60 min左右.

在研究油品的影响时, 共设计了6组实验, 分别选取大豆油、玉米油、葵花籽油作为不同种类的油品, 其中3组实验以玉米为食材, 以铁架烧烤为烹饪方式, 另外3组实验以土豆为食材, 以炒为烹饪方式.为降低油品用量与食材用量对研究结果的影响, 实验时, 油品用量基本保持一致, 玉米用量均为9 kg左右, 土豆用量均为7 kg左右.

1.2 有机颗粒物分析方法

采用超声提取、柱前衍生、气相色谱-质谱(GC-MS)方法对采集到石英滤膜上颗粒物中的有机物种类和浓度进行分析, 利用内标-工作曲线法进行定性定量测定, 共分析正构烷烃、多环芳烃、脂肪酸、二元羧酸、芳香酸、甾烷甾醇、左旋葡聚糖等符合餐饮源排放特征的94种有机物[12].具体而言, 采集颗粒物的石英膜首先加入定量的同位素标记内标20 μL, 然后用甲醇/二氯甲烷(1:3, 体积比)混合液提取3次, 提取液合并后, 经旋转蒸发、过滤、氮吹, 浓缩净化为500 μL澄清透明的溶液, 取其中一半直接进GC-MS, 另一半与200 μL的BSTFA/TMCS进行衍生反应后进GC-MS, 分别测定其中的非极性和极性有机物.色谱条件参照EPA标准方法TO-13A, 设定为:进样口温度300℃; 不分流进样; 柱箱起始温度60℃, 保持10 min, 以6℃·min-1升温到300℃, 保持40 min; 质谱用SCAN扫描方式; 离子源温度290℃; 扫描范围40~550 u; 溶剂延迟时间4.0 min.

1.3 排放因子的计算方法

排放因子基于有机化合物浓度、排风管截面积、管道流速、采集时间、食材质量以及油品质量计算获得.有机化合物的浓度乘以管道流量与采集时间得到有机化合物质量, 再除以食材质量, 可得基于食材的有机化合物排放因子, 同样用所得有机化合物质量除以油品质量, 可得基于油品的有机化合物排放因子.

(1)
(2)

式中, EF(食材)和EF(油品)分别为基于食材和基于油品的排放因子(g·kg-1); ci为第i种化合物的浓度(ng·m-3); S为管道截面积(m2); v为管道流速(m·s-1); t为采样时间(min); m(食材)和m(油品)分别为实验所用的食材和油品质量(kg).

2 结果与讨论 2.1 有机颗粒物排放浓度及组成特征 2.1.1 不同烹饪方式有机颗粒物排放浓度及组成特征

烹饪方式是影响烹饪废气中有机颗粒物的化学含量及其组成的1个重要因素[15].图 1为不同烹饪方式烹饪废气中有机化合物的浓度及组成特征.可以看到, 以五花肉为食材时, 在炒、铁架烧烤、煎炸这3种烹饪方式下, 有机颗粒物的排放浓度依次递减.炒五花肉时, 有机颗粒物的排放浓度高达4.42×104 ng·m-3, 其中正构烷烃的占比(质量分数, 下同)达96.3%;而铁架烧烤五花肉时, 有机颗粒物的排放浓度为3.42×104 ng·m-3, 正构烷烃占比为90.5%;煎炸五花肉时, 有机颗粒物的排放浓度为2.80×104 ng·m-3, 其中的甾醇的质量分数高于正构烷烃, 为61.2%.而在鸡肉烹饪中, 炒鸡肉时有机颗粒物的排放浓度较铁架烧烤时低.铁板烧猪排时, 有机污染物的排放浓度达3.62×104 ng·m-3, 其中正构烷烃、甾醇和二元羧酸分别占59.8%、23.9%和14.4%;而煎炸猪排时, 排放浓度仅为0.49×104 ng·m-3, 其中正构烷烃达91.5%.铁板烧玉米时, 有机化合物的排放量也同样高于其他烹饪方式, 其排放量为0.74×104 ng·m-3, 其中正构烷烃、二元羧酸和甾醇分别占39.5%、32.7%和26.0%.通过比较可得, 烹饪方式为铁板烧时, 废气中含量较多的有机化合物为正构烷烃、二元羧酸和甾醇; 而烹饪方式为炒时, 废气中正构烷烃含量高达95.0%.

图 1 不同烹饪方式烹饪废气中有机颗粒物浓度及组成特征 Fig. 1 Concentration and composition characteristics of POMs emitted from different cooking styles

2.1.2 不同食材有机颗粒物排放浓度及组成特征

不同食材烹饪废气中有机颗粒物浓度及组成特征见图 2.从中可见, 铁架烧烤玉米时, 有机颗粒物的排放浓度仅为0.32×104 ng·m-3, 而相同条件下烹饪五花肉时, 有机颗粒物的排放浓度达3.42×104 ng·m-3, 约为铁架烧烤玉米时的11倍.这与已有研究中肉类烹饪过程排放的有机颗粒物高于蔬菜烹饪过程排放的有机颗粒物的结论一致[16].铁架烧烤肉类时, 有机颗粒物的排放浓度在(2.16~3.42)×104 ng·m-3之间.

图 2 不同食材烹饪废气中有机颗粒物浓度及组成特征 Fig. 2 Concentration and composition characteristics of POMs emitted from different cooking ingredients

玉米烹饪过程的餐饮废气中含量较多的有机颗粒物为正构烷烃、饱和脂肪酸和甾醇, 其质量分数分别为77.8%、8.6%和7.1%;五花肉和鱿鱼烹饪过程的废气中含量最高的有机颗粒物均为正构烷烃, 分别占90.5%与97.1%;而在鸡肉烹饪的废气中含量最高的有机颗粒物为甾醇, 占74.0%, 这是由于鸡肉中脂肪的含量高于其他食材[16].

2.1.3 不同油品有机颗粒物排放浓度及组成特征

烹饪使用的油品种类也会影响烹饪烟气中有机颗粒物的浓度及组成[15, 17].图 3为不同油品烹饪废气中有机颗粒物的浓度及组成特征.可以看到在2组实验中, 使用葵花籽油烹饪时, 有机颗粒物的排放浓度均高于使用玉米油与使用大豆油时.葵花籽油铁架烧烤蔬菜时, 有机颗粒物的平均排放浓度达4.63×104 ng·m-3, 分别高于使用玉米油时的2.16×104 ng·m-3和使用大豆油时的0.83×104 ng·m-3.葵花籽油铁架烧烤玉米时, 餐饮废气中含量最高的有机颗粒物为甾醇(72.5%), 其次是二元羧酸(19.2%)和正构烷烃(6.8%); 而大豆油与玉米油铁架烧烤玉米时, 含量最高的有机颗粒物则均是正构烷烃, 其质量分数分别为77.8%和89.2%, 这可能是由于种子油与大豆油组成之间存在的差异所导致的.

图 3 不同油品烹饪废气中有机颗粒物浓度及组成特征 Fig. 3 Concentration and composition characteristics of POMs emitted from different cooking oils

2.2 基于食材与油品的有机颗粒物排放因子 2.2.1 基于食材的有机颗粒物排放因子

图 4给出了不同烹饪方式、食材和油品条件下的基于食材的有机颗粒物排放因子.有机颗粒物的排放因子随着所用烹饪装置、烹饪条件与肉类脂肪含量的不同而变化[18].

图 4 基于食材的排放因子 Fig. 4 Emission factors by to amount of ingredients

烹饪肉类食材(五花肉、猪排和鸡肉)时, 铁架烧烤、铁板烧、炒和煎炸这4类烹饪方式的平均排放因子分别为0.0229、0.0217、0.0146和0.0143 g·kg-1.其中, 炒和煎炸2种烹饪方式的食材排放因子相近; 铁板烧和铁架烧烤2种烹饪方式的排放因子相近, 且大于炒和煎炸2种烹饪方式.这与已有研究中, 炭烤比油炸排放产生更多有机颗粒物的结论一致[18].具体到单一食材时, 以五花肉为食材时, 炒和铁架烧烤2种烹饪方式的食材排放因子大于烹饪方式为煎炸时; 以猪排为食材时, 烹饪方式为铁板烧的食材排放因子大于烹饪方式为煎炸时; 以鸡肉为食材时, 烹饪方式为铁架烧烤的食材排放因子大于烹饪方式为炒的.

蔬菜烹饪过程的食材排放因子远小于肉类烹饪过程[16].大豆油铁架烧烤玉米时的食材排放因子为0.0014 g·kg-1; 而相同实验条件下烹饪五花肉、鸡肉和鱿鱼时的食材排放因子分别为0.0265、0.0184和0.0153 g·kg-1, 分别为烹饪玉米时的18、13和11倍; 这与以往研究结论基本一致[16].

油品为葵花籽油时的食材排放因子远大于油品为玉米油与大豆油时.铁架烧烤玉米时, 油品为葵花籽油时的食材排放因子为0.0210 g·kg-1, 远大于玉米油的0.0048 g·kg-1和大豆油的0.0014 g·kg-1.炒土豆时, 油品为葵花籽油时的食材排放因子为0.0150 g·kg-1, 大于玉米油的0.0129 g·kg-1和大豆油的0.0037 g·kg-1.

2.2.2 基于油品的有机颗粒物排放因子

不同烹饪方式、食材和油品条件下的基于油品的有机颗粒物排放因子见图 5.油品排放因子也很大程度地受到烹饪方式、食材与油品的影响.

图 5 基于油品的排放因子 Fig. 5 Emission factor by to amount of oils

以肉类为食材时, 烹饪方式为铁架烧烤时有机颗粒物的单位油品排放量远大于其他烹饪方式[18].以五花肉为食材, 烹饪方式为铁架烧烤时的有机颗粒物的油品排放因子高达10.1730 g·kg-1, 分别为烹饪方式为煎炸与炒时的5倍和24倍.以鸡肉为食材时, 烹饪方式为铁架烧烤时的有机颗粒物油品排放因子达5.0630 g·kg-1, 是烹饪方式为炒时的262倍.

蔬菜烹饪过程的油品排放因子远小于肉类烹饪过程.以铁架烧烤为烹饪方式, 以玉米为食材时的油品排放因子为0.0203 g·kg-1, 分别为以五花肉、鸡肉和鱿鱼为食材时的1/501、1/249和1/21, 这与已有研究中铁架烧烤肉类时的油品排放因子远大于铁架烧烤蔬菜时的油品排放因子的结论一致[16].

不同油品的油品排放因子存在一定差异.铁架烧烤玉米时, 以葵花籽油为油品时的油品排放因子为0.408 g·kg-1, 高于玉米油的0.0716 g·kg-1与大豆油的0.0203 g·kg-1.与铁架烧烤玉米有所不同, 炒土豆时, 以玉米油为油品时的油品排放因子为0.1930 g·kg-1, 略高于葵花籽油的0.1620 g·kg-1, 远高于大豆油的0.0481 g·kg-1.

2.3 有机颗粒物物种组分特征

总体平均而言, 在可定量的餐饮排放有机颗粒物中, 正构烷烃的平均占比为68.5%, 甾醇的平均占比为21.1%, 而脂肪酸(包括饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸)的平均占比为5.0%, 其余的有机物还包括二元羧酸、多环芳烃、单糖酸酐以及藿烷类化合物等.本研究获得的餐饮排放可定量有机颗粒物的浓度相对贡献如图 6所示.

图 6 烹饪过程排放有机颗粒物的平均源谱特征 Fig. 6 Average source spectrum characteristics of POMs emitted from the cooking process

2.3.1 正构烷烃

31种C10~C40的正构烷烃被量化, 平均贡献总有机物的68.9%, 其中C28~C35的正构烷烃的累计平均贡献正构烷烃的99.5%, C31和C33的平均贡献分别为24.4%和73.7%, 为烹饪过程排放有机颗粒物中含量最为丰富的正构烷烃类物质(图 6). C13~C27分布呈明显的奇数碳优势[13, 19], 最高浓度出现在C17与C21处, 从不同油品(大豆油、玉米油、葵花籽油)来看, 正构烷烃的分布趋势基本相似[11].

2.3.2 甾醇

甾醇广泛地存在于动物和植物的身体组织中, 其中植物细胞膜含有C28和C29植物甾醇, 如豆甾醇以及谷固醇等; 而胆固醇在高等动物体内生物合成, 主要存在于动物脂肪和油品中[10, 20~22].在本研究中(图 6), 甾醇是餐饮废气排放中含量贡献第二多的有机物, 平均贡献总有机物的20.3%, 其中胆甾醇贡献最高(90.1%).就不同烹饪方式而言, 烹饪方式为煎炸时甾醇的贡献最高, 分别为烧烤和炒时的7倍和66倍; 煎炸和烧烤五花肉时胆甾醇的相对贡献可达95%以上, 而豆甾醇的排放量几乎为零[10, 18, 23].对于不同食材而言, 烧烤鸡肉时甾醇的贡献最高, 分别为烧烤五花肉和鱿鱼时的8倍和51倍, 且均以胆甾醇的相对含量最高(95.7%~97.4%), 这与这些食材中较高的胆固醇含量密切相关.就不同油品烹饪蔬菜而言, 使用大豆油和玉米油炒土豆时废气中豆甾醇的含量达到97.7%和74.1%, 这是由于豆甾醇主要存在于大豆油和其他豆类油品中[20].

2.3.3 脂肪酸

在动物与植物脂肪中, 含量最高的脂肪酸为棕榈酸甘油酯与磷酸. C16和C18脂肪酸(包括饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸)是种子油和高等动物脂肪中甘油酯的主要成分[20, 24].在烹饪过程中甘油酯发生水解和热氧化, C16与C18脂肪酸会被释放[10].

13种C6~C30的偶数碳饱和脂肪酸被量化, 平均贡献总有机物的3.2%, 其中含量较高的3种饱和脂肪酸分别是棕榈酸(十六烷酸)、肉豆蔻酸(十四烷酸)和月桂酸(十二烷酸), 分别平均贡献饱和脂肪酸的34.3%、26.7%和20.4%, 累计平均贡献81.4%(图 6).对于不同烹饪方式, 炒五花肉排放的饱和脂肪酸远高于烧烤与煎炸时, 为烧烤和煎炸时的5倍左右.对于不同食材, 用大豆油烧烤鸡肉时饱和脂肪酸的排放量最高, 之后依次为五花肉与鱿鱼, 烧烤鸡肉时的排放量分别约为烧烤五花肉和鱿鱼时的5倍和7倍.

5种C16和C18的不饱和脂肪酸被量化, 平均贡献总有机物的1.0%, 其中平均含量最高的为油酸, 贡献不饱和脂肪酸的70.8%;其次为亚油酸(罂酸, 12.3%)和棕榈油酸(11.4%).对于不同烹饪方式, 炒和烧烤五花肉时的不饱和脂肪酸的排放量基本相当, 约为煎炸时的5倍; 炒和煎炸时, 油酸的相对含量基本相当, 高达84.6%和86.5%, 而烧烤时的油酸含量只有59.1%.就不同食材而言, 烧烤五花肉过程中不饱和脂肪酸的排放量远高于其他食材.这是由于脂肪含量较高的食材在相同的烹饪条件下, 相比于低脂肪含量的食材将排放更多的脂肪酸[10, 14, 25].

2.3.4 二元羧酸

二元羧酸是二元醛的氧化产物[10], 其排放量小于脂肪酸[12].本研究中6种C4~C7的二元羧酸被量化, 平均贡献总有机物的0.3%, 其中庚二酸的平均相对含量最高(54.6%), 其次为己二酸(18.4%), 两者累计平均贡献C4~C7二元羧酸的73.0%.对于不同烹饪方式, 炒五花肉时C4~C7的二元羧酸排放量最高, 分别约为煎炸和烧烤时的4倍和13倍; 炒五花肉时, 废气中的二元羧酸以庚二酸和己二酸为主, 分别贡献51.5%和46.1%, 累计贡献97.6%.而已有研究显示, 与中式烹饪有所不同, 在烹饪西式快餐时, 二元羧酸C4~C8中排放量最大的为C6[10, 23].比较不同食材, 烧烤鸡肉时C4~C7二元羧酸的排放量最大, 分别为烧烤五花肉和鱿鱼时的7倍和28倍.这与鸡肉中脂肪含量较高密切相关[16].在使用不同种子油烧烤玉米时, 废气中含量最高的二元羧酸为富马酸(反丁烯二酸), 这是由于富马酸可以被用作食品添加剂(酸味剂), 出现在本次实验的食材中[26].

本研究还对4种二元苯甲酸进行了量化, 平均贡献总有机物的5.3%, 其中间-苯二甲酸的平均相对含量最高(57.0%), 其次为甲基邻苯二甲酸(23.8%), 两者累计贡献二元苯甲酸的80.8%.对于不同烹饪方式, 烧烤五花肉时二元苯甲酸的排放量最高, 分别为炒和煎炸时的10倍和33倍; 烤五花肉时间-苯二甲酸和对-苯二甲酸的贡献分别为48.1%和35.7%, 累计贡献83.8%.对于不同食材, 烧烤五花肉时的二元苯甲酸的排放量最高, 分别为烧烤鱿鱼和鸡肉时的16倍和20倍.从不同油品来看, 以葵花籽油烧烤玉米时二元苯甲酸排放量分别约为玉米油和大豆油的21倍和108倍; 以葵花籽油为烹饪油品时间-苯二甲酸的占比高达99.1%, 而以玉米油为烹饪油品时甲基邻苯二甲酸的含量最高(41.1%).

2.3.5 多环芳烃

多环芳烃主要来源于含碳氢有机化合物的不完全燃烧与热解, 是稳定的有机分子, 其中一些甚至是致癌物[27, 28].在中式烹饪废气中, 多环芳烃占总量化的化合物的百分数很小, 例如在深圳的中式餐馆中, 多环芳烃的排放量不超过量化化合物的0.15%[12].同样在本研究中, 相较于正构烷烃、甾醇与脂肪酸, 多环芳烃在餐饮废气中的含量非常小, 不超过总有机物的0.2%.餐饮废气中不同种类多环芳烃含量的多少与烹饪方式有着密切的联系.由于煎炸烹饪过程采用较高的温度且油品使用量较大, 导致多环芳烃的排放量大于其他烹饪方式[28].已有研究发现, 在中式烹饪中, 排放浓度最大的多环芳烃为芘[12], 还有较高的苯并[b]荧蒽、苯并[ghi]苝排放[29].而在本研究中(图 6), 烹饪食材以肉类为主, 与以蔬菜为主要食材的中式烹饪有所不同, 废气中含量最高的多环芳烃为晕苯, 贡献了29.8%;而在烹饪蔬菜时, 大量的苊烯、1-甲基萘与萘被排放, 分别贡献25.5%、25.7%和16.2%, 累计贡献达67.4%.且肉类烹饪相较于蔬菜烹饪有更多的多环芳烃被排放[20, 24]. Chiang等[30]在比较了葵花籽油、蔬菜油、玉米油的烟气提取物后, 发现葵花籽油烟气中含有较高浓度的苯并[a]芘(2.27×104 ng·m-3), 而玉米油烟气中含有最低浓度的苯并[a]芘(1.87×104 ng·m-3).同样在本研究中, 以葵花籽油为烹饪油品时, 多环芳烃的排放量分别约为使用玉米油和大豆油的5倍和6倍.叶素芬等[31]的研究得到基于油品的多环芳烃排放因子在1.67~2.28mg·kg-1, 而本研究中相应排放因子为0.01~4.07mg·kg-1.

2.3.6 其他组分

除上述组分外, 本研究还定量了2种单糖酸酐、3种藿烷类物质, 累计对可定量有机颗粒物的总量贡献不足0.5%.其中, 单糖酸酐组分主要是纤维素分解的主要产物[14];而藿烷类物质主要来自于烹饪过程中燃料的燃烧排放[30].

3 结论

(1) 正构烷烃、甾醇与脂肪酸是餐饮废气中含量较多的有机化合物.正构烷烃的平均含量为68.9%, 甾醇的平均含量是20.3%, 而脂肪酸(包括饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸)的平均含量为4.2%, 其余的有机物还包括二元羧酸、多环芳烃、单糖酸酐以及藿烷类化合物等.烹饪方式、食材及油品是影响颗粒有机物的组成特征的重要因素.

(2) 基于食材的排放因子范围在0.0014~0.0271 g·kg-1.不同种类的食材与油品对食材排放因子有着较大的影响.蔬菜烹饪过程的食材排放因子远小于肉类烹饪过程, 油品为葵花籽油时的食材排放因子大于油品为玉米油与大豆油时.

(3) 基于油品的排放因子范围在0.0019~10.1730 g·kg-1.油品排放因子很大程度上受到烹饪方式与食材的影响, 铁架烧烤烹饪过程的油品排放因子大于其他烹饪过程, 蔬菜烹饪过程的油品排放因子远小于肉类烹饪过程.

致谢: 感谢上海市环境科学研究院陶士康博士以及楼晟荣博士帮助开展排放模拟实验, 感谢中国科学院大学张元勋教授帮助分析有机组分, 感谢华东理工大学中德学院吴竹清同学帮助整理数据.
参考文献
[1] Hildemann L M, Markowski G R, Cass G R. Chemical composition of emissions from urban sources of fine organic aerosol[J]. Environmental Science &Technology, 1991, 25(4): 744-759.
[2] Schauer J J, Rogge W F, Hildemann L M, et al. Source apportionment of airborne particulate matter using organic compounds as tracers[J]. Atmospheric Environment, 1996, 30(22): 3837-3855. DOI:10.1016/1352-2310(96)00085-4
[3] Cruz C N, Pandis S N. A study of the ability of pure secondary organic aerosol to act as cloud condensation nuclei[J]. Atmospheric Environment, 1997, 31(15): 2205-2214. DOI:10.1016/S1352-2310(97)00054-X
[4] Novakov T, Penner J E. Large contribution of organic aerosols to cloud-condensation-nuclei concentrations[J]. Nature, 1993, 365(6449): 823-826. DOI:10.1038/365823a0
[5] Facchini M C, Mircea M, Fuzzi S, et al. Cloud albedo enhancement by surface-active organic solutes in growing droplets[J]. Nature, 1999, 401(6750): 257-259. DOI:10.1038/45758
[6] Wexler A S, Ge Z Z. Hydrophobic particles can activate at lower relative humidity than slightly hygroscopic ones:a Köhler theory incorporating surface fixed charge[J]. Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 1998, 103(D6): 6083-6088. DOI:10.1029/98JD00083
[7] Durant J L, Lafleur A L, Plummer E F, et al. Human lymphoblast mutagens in urban airborne particles[J]. Environment Science & Technology, 1998, 32(13): 1894-1906.
[8] Bi X H, Sheng G Y, Peng P A, et al. Extractable organic matter in PM10 from LiWan district of Guangzhou City, PR China[J]. Science of the Total Environment, 2002, 300(1-3): 213-228. DOI:10.1016/S0048-9697(02)00272-3
[9] Bi X H, Sheng G Y, Peng P A, et al. Size distribution of n-alkanes and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in urban and rural atmospheres of Guangzhou, China[J]. Atmospheric Environment, 2005, 39(3): 477-487. DOI:10.1016/j.atmosenv.2004.09.052
[10] Rogge W F, Hildemann L M, Mazurek M A, et al. Sources of fine organic aerosol. 1. Charbroilers and meat cooking operations[J]. Environmental Science & Technology,, 1991, 25(6): 1112-1125.
[11] Schauer J J, Kleeman M J, Cass G R, et al. Measurement of emissions from air pollution sources. 4. C1-C27 organic compounds from cooking with seed oils[J]. Environmental Science & Technology, 2002, 36(4): 567-575.
[12] He L Y, Hu M, Huang X F, et al. Measurement of emissions of fine particulate organic matter from Chinese cooking[J]. Atmospheric Environment, 2004, 38(38): 6557-6564. DOI:10.1016/j.atmosenv.2004.08.034
[13] Rogge W F, Hildemann L M, Mazurek M A, et al. Sources of fine organic aerosol. 4. Particulate abrasion products from leaf surfaces of urban plants[J]. Environmental Science & Technology, 1993, 27(13): 2700-2711.
[14] Zhao Y L, Hu M, Slanina S, et al. Chemical compositions of fine particulate organic matter emitted from Chinese cooking[J]. Environmental Science & Technology, 2007, 41(1): 99-105.
[15] Abdullahi K L, Delgado-Saborit J M, Harrison R M. Emissions and indoor concentrations of particulate matter and its specific chemical components from cooking:a review[J]. Atmospheric Environment, 2013, 71: 260-294. DOI:10.1016/j.atmosenv.2013.01.061
[16] Buonanno G, Morawska L, Stabile L. Particle emission factors during cooking activities[J]. Atmospheric Environment, 2009, 43(20): 3235-3242. DOI:10.1016/j.atmosenv.2009.03.044
[17] ARB. Indoor air quality: residential cooking exposures[EB/OL]. https://www.arb.ca.gov/research/indoor/cooking/0-Cover-TOC-Exec-Summary.PDF, 2001-11-30.
[18] McDonald J D, Zielinska B, Fujita E M, et al. Emissions from charbroiling and grilling of chicken and beef[J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2003, 53(2): 185-194.
[19] Simoneit B R T. Characterization of organic constituents in aerosols in relation to their rigin and transport:a review[J]. International Journal of Environmental Analytical Chemistry, 1986, 23(3): 207-237. DOI:10.1080/03067318608076446
[20] 季鸿崑, 崔桂友, 徐传骏, 等. 烹饪化学基础[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1993: 674-676.
[21] Oros D R, Simoneit B R T. Identification and emission factors of molecular tracers in organic aerosols from biomass burning part 1. Temperate climate conifers[J]. Applied Geochemistry, 2001, 16(13): 1513-1544. DOI:10.1016/S0883-2927(01)00021-X
[22] Oros D R, Simoneit B R T. Identification and emission factors of molecular tracers in organic aerosols from biomass burning part 2. Deciduous trees[J]. Applied Geochemistry, 2001, 16(13): 1545-1565. DOI:10.1016/S0883-2927(01)00022-1
[23] Schauer J J, Kleeman M J, Cass G R, et al. Measurement of emissions from air pollution sources. 1. C1 through C29 organic compounds from meat charbroiling[J]. Environmental Science & Technology, 1999, 33(10): 1566-1577.
[24] 安银岭. 植物化学[M]. 哈尔滨: 东北林业大学出版社, 1996: 311-312.
[25] Zhao Y L, Hu M, Slanina S, et al. The molecular distribution of fine particulate organic matter emitted from Western-style fast food cooking[J]. Atmospheric Environment, 2007, 41(37): 8163-8171. DOI:10.1016/j.atmosenv.2007.06.029
[26] 邓虹, 雷燕. 饲用酸度调节剂中苹果酸、乳酸、乙酸、柠檬酸、富马酸、丙酸的同步测定[J]. 饲料博览, 2018(6): 8-12.
Deng H, Lei Y. Determination of malic acid, lactic acid, acetic acid, citric acid, fumaric acid, propionic acid in feed acidifier[J]. Feed Review, 2018(6): 8-12. DOI:10.3969/j.issn.1001-0084.2018.06.003
[27] US EPA. Emissions from street vendor cooking devices (charcoal grilling)[EB/OL]. https://www3.epa.gov/ttncatc1/dir1/mexfr.pdf, 1999-06.
[28] IARC. Household use of solid fuels and high-temperature frying: evaluation of carcinogenic risks to humans[R]. Lyon: IARC, 2010. 1-430.
[29] See S W, Karthikeyan S, Balasubramanian R. Health risk assessment of occupational exposure to particulate-phase polycyclic aromatic hydrocarbons associated with Chinese, Malay and Indian cooking[J]. Journal of Environmental Monitoring, 2006, 8(3): 369-376. DOI:10.1039/b516173h
[30] Chiang T A, Wu P F, Ko Y C. Identification of carcinogens in cooking oil fumes[J]. Environmental Research, 1999, 81(1): 18-22. DOI:10.1006/enrs.1998.3876
[31] 叶素芬, 张彬, 符海欢, 等. 模拟烹调中细颗粒及多环芳烃的排放特征[J]. 厦门大学学报(自然科学版), 2013, 52(6): 824-829.
Ye S F, Zhang B, Fu H H, et al. Emission of fine particles and fine particle-bound polycyclic aromatic hydrocarbons from simulated cooking fumes[J]. Journal of Xiamen University (Natural Science), 2013, 52(6): 824-829.