GC-MS和LC-MS技術(shù)用于食品接觸高分子中非有意添加物的檢測(cè)研究

(北京市理化分析測(cè)試中心，有機(jī)材料檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100089)

食品接觸材料中的有毒有害物質(zhì)在某些環(huán)境下會(huì)從接觸材料中向與其直接接觸的食品中遷移，從而對(duì)人體健康產(chǎn)生一定的危害。食品接觸材料的安全風(fēng)險(xiǎn)除了已被批準(zhǔn)使用的化學(xué)物質(zhì)向食品的超量遷移外，非有意添加物(non intentionally added substance, NIAS)遷移造成的污染也日益成為主要的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源。評(píng)價(jià)食品接觸材料的衛(wèi)生安全情況主要就是考察其含有的各物質(zhì)組分是否會(huì)遷移，遷移量是否會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生影響。NIAS一般包括原料中含有的雜質(zhì)、反應(yīng)生成的副產(chǎn)物、使用周期中的降解產(chǎn)物以及各種外部污染物等。根據(jù)歐盟EC 10/2011法規(guī)的定義，NIAS是指所用物質(zhì)殘留的雜質(zhì)，或制造過(guò)程中形成的反應(yīng)中間體，或是分解產(chǎn)物和副反應(yīng)產(chǎn)物[1-3]。如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)食品接觸材料中的丙烯腈單體殘留，聚碳酸酯(PC)食品接觸材料熱分解釋放出的雙酚A，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)食品接觸材料生產(chǎn)中的副反應(yīng)產(chǎn)物乙醛等[4-6]。要研究NIAS遷移對(duì)食品安全的影響首先需要對(duì)NIAS種類進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，而這些NIAS來(lái)源復(fù)雜且相當(dāng)數(shù)量是未知和難以預(yù)測(cè)的，這給檢測(cè)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。氣-質(zhì)和液-質(zhì)聯(lián)用技術(shù)，兼具色譜的高分離能力和質(zhì)譜的高鑒別特性，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜混合樣品的分離、定性及定量工作，并且其分析精度高，速度快，分析范圍廣，恰好適于食品接觸材料中微量未知NIAS的檢測(cè)[7-9]。

本文簡(jiǎn)要介紹了GC-MS和LC-MS分析技術(shù)及食品接觸材料中NIAS的來(lái)源，討論了GC-MS和LC-MS用于NIAS檢測(cè)的可行性，為NIAS的遷移測(cè)試及對(duì)食品安全的評(píng)估提供依據(jù)。

1 食品接觸材料中NIAS主要來(lái)源

1.1 降解過(guò)程

食品接觸材料降解是產(chǎn)生NIAS的最主要途徑，這其中包括食品接觸材料自身的降解，包括材料中添加劑的降解，還包括材料中膠黏劑、涂料、油墨等物質(zhì)的降解。食品接觸材料加工時(shí)經(jīng)歷的熱化學(xué)過(guò)程，生產(chǎn)時(shí)暴露于高能量輻照的滅菌過(guò)程及使用時(shí)的微波過(guò)程等都會(huì)引起材料降解從而產(chǎn)生具有高擴(kuò)散系數(shù)及高遷移風(fēng)險(xiǎn)的小分子[10-12]。

1.2 雜質(zhì)

用于生產(chǎn)食品接觸材料的原料中的雜質(zhì)是NIAS的另一個(gè)來(lái)源。這些雜質(zhì)不會(huì)包含在材料的信息表里，因此我們也無(wú)法提前預(yù)知這些物質(zhì)的成分。塑料所使用的單體劑助劑的殘留是雜質(zhì)的主要來(lái)源，包括苯乙烯、氯乙烯、異氰酸酯等。非塑料類食品接觸材料如金屬合金或金屬涂層中也可能殘留有雜質(zhì)元素如鉛、砷、鋇等[13]。

1.3 副反應(yīng)產(chǎn)物

食品接觸材料，尤其是高分子聚合物類材料，其在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)涉及到大量的化學(xué)物質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)除了會(huì)生成最終所需的高分子聚合物外，還會(huì)生成低聚物、中間產(chǎn)物及副產(chǎn)物等非目標(biāo)結(jié)構(gòu)物質(zhì)[14]。比如甲基丙烯酸甲酯(MMA)聚合中，由于MMA是一種極性單體，分子鏈上同時(shí)含有碳碳雙鍵和酯羰基，且酯羰基具有一定活性，在聚合過(guò)程中極易受到活性種的進(jìn)攻發(fā)生端基環(huán)化等副反應(yīng)[15]。

1.4 污染物

食品接觸材料中的污染物是指非預(yù)期、非正常途徑引入的化學(xué)物質(zhì)。主要包括三個(gè)方面：一是使用再生料生產(chǎn)食品接觸材料所帶來(lái)的污染物，如制品在第一次使用過(guò)程中殘留的內(nèi)容物；二是食品接觸材料生產(chǎn)時(shí)使用的加工設(shè)備可能帶來(lái)的污染物，如加工設(shè)備上的潤(rùn)滑油會(huì)造成食品接觸材料中礦物油污染；三是外部環(huán)境帶來(lái)的污染物，如水、粉塵、微生物等[16]。

2 NIAS的GC-MS和LC-MS分析方法

目前尚沒(méi)有識(shí)別NIAS的標(biāo)準(zhǔn)方法。要進(jìn)行NIAS分析首先應(yīng)該對(duì)包裝材料、包裝食品及其生產(chǎn)工藝有充分的了解，才能夠保證設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驒z測(cè)到足夠多種的NIAS。實(shí)驗(yàn)對(duì)象既可以是樣品本身，也可以設(shè)計(jì)遷移實(shí)驗(yàn)檢測(cè)食品模擬物中遷移出的NIAS。實(shí)驗(yàn)過(guò)程通常有4種方法可以選擇：頂空或固相微萃取直接熱解析氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)分析；直接實(shí)時(shí)分析(DART)、大氣探針固體分析(ASAP)、解析電噴霧離子化分析(DESI)等直接質(zhì)譜(MS)分析技術(shù)；樣品全部溶解后GC-MS或液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)分析；樣品溶劑萃取后GC-MS或LC-MS分析。前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是上機(jī)前不需要對(duì)樣品進(jìn)行前處理，缺點(diǎn)是樣品濃度低且成分復(fù)雜不易開(kāi)展識(shí)別工作，所以這兩種方法多用于對(duì)篩查出的可疑物質(zhì)做最后的確證。后兩種方法首先要將樣品溶解或者做萃取的前處理，提取液進(jìn)行濃縮之后再進(jìn)行分析。由于濃縮液中通常含有多種化合物，色譜和質(zhì)譜聯(lián)用分析就成為NIAS分析不可缺少的技術(shù)(圖1)[17-19]。其中GC-MS主要用于易揮發(fā)性化合物檢測(cè)而LC-MS主要用于熱穩(wěn)定難揮發(fā)的物質(zhì)檢測(cè)。

圖1 基于GC-MS和LC-MS的食品接觸材料中NIAS確證流程示意圖

2.1 揮發(fā)性化合物的檢測(cè)

小分子易揮發(fā)性NIAS的識(shí)別主要是利用GC-MS技術(shù)。GC-MS對(duì)NIAS的快速識(shí)別要借助于成熟的質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)。較通用的有美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究院出版的NIST譜庫(kù)、Willey質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)等。除通用質(zhì)譜庫(kù)還有一些專用質(zhì)譜庫(kù)，如標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)藥庫(kù)、藥物庫(kù)、揮發(fā)油庫(kù)等。譜庫(kù)中的質(zhì)譜圖都來(lái)自于四級(jí)桿質(zhì)譜儀，采用正常(70eV)EI電離方式。當(dāng)儀器類型、操作條件有變化時(shí)，質(zhì)譜圖會(huì)發(fā)生變化。僅通過(guò)譜庫(kù)比對(duì)再高相似度的化合物也只能是初步懷疑，對(duì)化合物的確認(rèn)還需要更多的證據(jù)，比如保留時(shí)間和保留指數(shù)的匹配，標(biāo)準(zhǔn)品的確證等。

Salafranca[20]等用GC-MS方法結(jié)合頂空固相微萃取(HS-SPME)研究了聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯復(fù)合食品包裝材料經(jīng)過(guò)伽馬輻照后的降解產(chǎn)物。結(jié)果表明包裝材料中含有的主要降解產(chǎn)物包括碳4到碳8的直鏈和支鏈的酸、醛、酮、醇等。Casajuana[21]等利用GC-MS在5種不同包裝的市售全脂牛奶中都檢測(cè)出非有意添加物壬基苯酚，其含量范圍在16.5～34.8 μg/kg。推測(cè)牛奶中的壬基苯酚來(lái)源于包裝材料中抗氧劑亞磷酸三(壬基苯基)酯的氧化降解。Karlsson[22]選用GC-MS方法對(duì)同時(shí)添加了受阻酚類抗氧劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和受阻胺類光穩(wěn)定劑944的低密度聚乙烯食品接觸材料進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種添加劑及其降解產(chǎn)物在使用過(guò)程中會(huì)相互反應(yīng)生成新的化合物2,4-二-叔丁基-6-硝基-苯酚、2-環(huán)己烯-1-酮-2,5-二甲基-O-甲基肟等。

楊岳平[23]等建立了經(jīng)過(guò)紫外或微波處理的食品接觸聚丙薄(PP)膜中抗氧劑168的降解產(chǎn)物的GC-MS分析方法。結(jié)果表明微波處理后PP薄膜中抗氧劑168的降解產(chǎn)物主要為2,4-二叔丁基苯酚，紫外處理后PP薄膜中抗氧劑168主要生成3個(gè)降解產(chǎn)物，其中通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)品可以確定的其中兩個(gè)分別為2,4-二叔丁基苯酚和(2,4-二-叔丁基苯基)磷酸酯，另一個(gè)無(wú)法確認(rèn)的產(chǎn)物推測(cè)為抗氧劑168失去一個(gè)叔丁基苯酚后的產(chǎn)物。王美華[24]用乙醇回流食品包裝用聚乙烯再生料樹(shù)脂后對(duì)回流液進(jìn)行了GC-MS分析。在再生料回流液中檢測(cè)到很多長(zhǎng)鏈的烷烴結(jié)構(gòu)，并且檢測(cè)到荷質(zhì)比m/z 220的抗氧劑叔二丁基羥基甲苯(BHT)及其抗氧劑叔丁基上甲基斷裂形成的m/z 205的碎片離子。復(fù)合包裝材料中聚氨酯類膠黏劑極易水解生成2,4-二氨基甲苯。陳旭明[25]等建立了氣-質(zhì)聯(lián)用測(cè)定復(fù)合食品包裝膜袋中2,4-二氨基甲苯的方法，其檢出限為0.2 μg/L。并用該方法對(duì)隨機(jī)抽樣的30個(gè)復(fù)合食品包裝膜袋樣品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示有5個(gè)樣品檢出2,4-二氨基甲苯，其質(zhì)量濃度在1.1～6.4 μg/L之間，檢出率為16.7%。

2.2 非揮發(fā)性化合物的檢測(cè)

非揮發(fā)性化合物的檢測(cè)主要是借助于LC-MS技術(shù)。盡管可以與LC連接的檢測(cè)器有多種，但紫外(UV)、二極管陣列(PDA)、示差折光(RI)和熒光(FL)檢測(cè)器并不能提供足夠的NIAS識(shí)別的信息，它們更多的用來(lái)做確證。LC連接MS檢測(cè)器是最有利的用來(lái)做非揮發(fā)性NIAS鑒別的工具。由于使用LC-MS缺乏大范圍的質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)，LC-MS的識(shí)別過(guò)程比GC-MS更困難也更費(fèi)時(shí)。質(zhì)譜檢測(cè)器有多種，包括四級(jí)桿(Q)、離子肼(TRAP)、飛行時(shí)間(TOF)等。四級(jí)桿的優(yōu)勢(shì)在于定量的靈敏度和穩(wěn)定性；離子肼的優(yōu)勢(shì)在于可通過(guò)碎片信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)推斷；飛行時(shí)間的優(yōu)勢(shì)在于精確分子量的測(cè)定。而將多級(jí)質(zhì)譜串聯(lián)則可以獲得包括質(zhì)量數(shù)、碎片結(jié)構(gòu)等多重信息，因此LC-MS已經(jīng)在NIAS確證中廣泛應(yīng)用。要完成一個(gè)樣品的分析，獲得盡可能多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，多個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)包括碰撞能、電離源、電壓、質(zhì)量數(shù)范圍等可供調(diào)節(jié)。識(shí)別NIAS的第一步是識(shí)別色譜圖中的未知峰。有許多輔助工具，比如Waters公司的Markerlynx和Agilent公司的MassHunter Profiling都能夠從色譜圖中提取那些直觀不易觀察到的特征信息幫助完成這一工作。然后根據(jù)質(zhì)譜數(shù)據(jù)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)軟件得出物質(zhì)元素和化學(xué)式的信息。下一步是確定碎片離子的結(jié)構(gòu)，Waters的MassFragment軟件可以幫助完成這個(gè)工作，軟件能夠根據(jù)碎片的可能性給出一個(gè)1到14的得分，得分越低產(chǎn)生碎片的可能性越大。最后，如果可能還是要用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來(lái)做確證。

Bentayeb[26]等通過(guò)LC-MS在PET再生材料中檢測(cè)到了對(duì)苯二甲酸乙二醇酯二聚體和三聚體。70℃下，1g PET材料在20ml 95%的食品模擬物中處理2小時(shí)，實(shí)驗(yàn)選擇C18色譜柱，甲醇-水為流動(dòng)相，全掃描模式進(jìn)行檢測(cè)，質(zhì)量數(shù)387.5和578.8分別為二聚體和三聚體的加氫離子峰。Canellas[27]等借助LC-MS檢測(cè)到食品接觸用聚丙烯酸酯膠黏劑中的雜質(zhì)成分壬基酚聚氧乙烯醚，其分子量范圍從173到965。作者同時(shí)對(duì)其在固態(tài)食物模擬物Tenax(2,6-二苯呋喃多孔聚合物)中的遷移行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)能遷移到食品中的壬基酚聚氧乙烯醚的分子量范圍是從331～551，表明分子量是影響遷移過(guò)程的主要因素。Bignardi[28]等借助LC-MS技術(shù)對(duì)15個(gè)使用了不同時(shí)間(從2年到14年)的聚碳酸酯餐具中的NIAS向食品模擬物的遷移行為進(jìn)行了研究。研究表明聚碳酸酯中的可遷移NIAS主要有兩類：一類是含有兩個(gè)端羥基的寡聚物，這類物質(zhì)主要來(lái)源于聚碳酸酯的降解；另外一類是含有一個(gè)或不含端羥基的產(chǎn)物，這類物質(zhì)可能是碳酸酯聚合過(guò)程的副產(chǎn)物。月桂酰精氨酸乙酯常用作PET包裝里的抗菌劑，Aznar[29]通過(guò)遷移實(shí)驗(yàn)在食品模擬物及所包裝食品雞胸肉中都檢測(cè)到了來(lái)自抗菌劑的雜質(zhì)成分N2-十二烷酰-L-精氨酸。他們還在PP/EVOH和PET/EVOH復(fù)合膜中檢測(cè)到來(lái)自抗氧劑檸檬醛中的一種分子式為C10H16O2的雜質(zhì)成分。

復(fù)合食品包裝中的聚氨酯粘結(jié)劑水解及偶氮染料降解會(huì)釋放出初級(jí)芳香胺(PAAs)。李全忠[30]等建立了LC-MS同時(shí)對(duì)食品接觸材料中28種PAAs進(jìn)行定性定量檢測(cè)的方法。實(shí)驗(yàn)采用C3色譜柱，以甲醇-水為流動(dòng)相，電噴霧正離子模式下以多反應(yīng)監(jiān)測(cè)(MRM)方式進(jìn)行檢測(cè)，28種PAAs的檢出限和定量限分別為0.02～0.3μg/kg和0.1～1.0μg/kg。金屬包裝材料內(nèi)壁的環(huán)氧樹(shù)脂漆中往往含有雜質(zhì)成分雙酚A二縮水甘油醚(BADGE)，其在與食物接觸時(shí)會(huì)生成衍射物BADGE·H2O、BADGE·2H2O、BADGE·HCl、BADGE·2 HCl等。周勇[31]等應(yīng)用LC-MS建立了金槍魚罐頭中BADGE衍生物的檢測(cè)方法。金槍魚樣品經(jīng)乙酸乙酯超聲萃取，溶劑吹干后重新用甲醇與水(1∶1)溶解。選用C18色譜柱，醋酸銨-甲醇為流動(dòng)相梯度洗脫，MRM模式檢測(cè)，定量限為0.5μg/kg。食品接觸材料中的壬基酚可能來(lái)自于聚合物中添加的抗氧劑三(壬基酚)亞磷酸酯的降解，也可能來(lái)自于清洗劑中表面活性劑烷基酚聚氧乙烯醚的降解。陳益歐[32]建立了LC-MS方法對(duì)市售主要品牌的瓶裝水和桶裝水中的壬基酚含量進(jìn)行了檢測(cè)。建立方法檢出限為5 ng/mL，在7種瓶裝水和3種桶裝水中均檢測(cè)到壬基酚成分，其含量范圍在0.02～0.34μg/L之間。

3 結(jié)論

總體來(lái)說(shuō)食品接觸材料中NIAS的識(shí)別是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，能否成功要依賴于NIAS的性質(zhì)，NIAS在樣品中的濃度，NIAS是否有對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)品等多個(gè)因素。并且需要樣品前處理，成分分離，濃縮等多種技術(shù)相互配合來(lái)盡量排除各種干擾因素。盡管困難重重，但是隨著分析儀器精密度的提高，數(shù)據(jù)處理軟件及化學(xué)物質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的完善，NIAS的識(shí)別工作也將取得更大的進(jìn)展。