食品接触硅橡胶制品中5 种高关注物质的分析

戚冬雷，张喜荣，王文娟，贾春萌，封 棣*

（北京工商大学食品学院，北京市食品添加剂工程技术研究中心，食品质量与安全北京实验室，北京 100048）

食品接触材料中有毒有害物质的迁移会造成食品污染，给人类带来健康风险，因此近些年来一直是食品安全研究的重点及热点。食品接触材料中除了配方成分外，还会在生产过程中生成新的物质，也即非有意添加物（non intentionally added substance，NIAS），而其中高检出率、高含量及高毒性的物质被称为高关注物质（substance of very high concern，SVHC）。尽管硅橡胶材料以其独特的优点被广泛应用于食品接触材料，如婴幼儿喂食用具、烘焙用具以及餐厨用具等，但实验室前期研究结果显示，食品接触硅胶制品中的NIAS种类繁多，其中一些SVHC包括酚类、苯胺类、脂肪族醛和噻唑类物质被检出[1-4]，如N-甲基苯胺（N-methylaniline，NMA）、N,N-二甲基苯胺（N,N-dimethylphylamine，DMA）、壬醛、2,6-二叔丁基对甲苯酚（butylated hydroxytoluene，BHT）及苯并噻唑（benzothiazole，BTZ）5 种物质。这5 种物质名称及缩写、CAS号、分子式、分子质量、沸点、在制品中的检出率及相对含量[1,5]等具体信息见表1，分子结构式见图1。

表1 5 种物质的名称、缩写、CAS、分子式、沸点、检出率和相对含量Table 1 English names, abbreviations, CAS numbers, molecular formulas, molecular weights, boiling points, detection rates and relative contents of fi ve SVHCs

图1 5 种物质的结构式Fig. 1 Structural formulas of the fi ve substances

这5 种物质具有一定的内脏毒性（肺、肝、脾、肾等）[6-7]、致癌性[8-10]、内分泌干扰性[11]、生殖毒性[12-13]等，可能来源于硅橡胶材料的有机染料、硫化促进剂、抗氧化剂以及防老剂等橡胶助剂。GB 2760—1996《食品添加剂使用卫生标准》规定壬醛可作为暂时使用的食用香料，在不同食品类型中其使用限量范围为1.3～6.0 mg/kg[14]；GB 9685—2016《食品接触材料及制品用添加剂使用标准》规定食品接触橡胶材料中BHT的特定迁移限量和最大残留量均为3 mg/kg[15]；苯并噻唑被广泛认为是重要的环境污染物之一，尚未有限量要求；关于拟于食品接触橡胶产品的ResAP（2004）4决议附件中1号技术文件规定，芳香胺类物质不得在喂食奶嘴和接触婴幼儿橡胶产品等检出[16]。5 种物质常见的样品前处理方法有固相微萃取（solid phase microextraction，SPME）[17-18]、吹扫捕集（Pruge & Trap，P&T）[1,19]、固相萃取（solid phase extraction，SPE）[20-22]、溶剂萃取[23]等，检测方法主要有气相色谱-质谱联用法[24-27]、高效液相色谱法[28]、液相色谱-质谱联用法[29-31]、红外光谱法[32]等。但目前尚未有这5 种物质同时检测的方法研究。

结合5 种物质的物理化学性质，同时考虑硅胶制品的复杂样品基质，本研究采用SPME和超声辅助萃取技术（ultrasonic-assisted solvent extraction，UASE）进行样品前处理，利用气相色谱-串联质谱（gas chromatographytandem mass spectrometry，GC-MS/MS）进行高效分离和高灵敏度的定量分析。相关方法已用于橡胶制品中迁移物的研究，如李英等[33]建立了SPME-GC-MS/MS法用于塑料、橡胶及木制品中的多环芳烃的测定，清江等[34]用UASE-GC-MS/MS法测定了食品接触橡胶材料中的多环芳烃。但利用这2 种方法同时进行硅橡胶制品中5 种SVHC（NMA、DMA、壬醛、BHT及BTZ）的研究鲜见报道。

本研究首先建立食品接触硅胶制品中NMA、DMA、壬醛、BTZ、BHT这5 种SVHC的UASE-GC-MS/MS和SPME-GC-MS/MS 2 种检测方法，通过比较选择最优方法；其次对市售56 种样品中5 种物质的含量进行测定；最后通过对样品中5 种物质的含量、来源及限量要求等进行综合的分析研究，从而对食品接触制品中这5 种物质进行安全评价。该研究为食品接触硅橡胶材料后续的迁移研究、安全评价和相关限量法规的建立提供了科学依据，为建立建全食品接触硅橡胶材料安全体系提供基础保障。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 实验样品

2017年从电商及各地超市处购买56 种品牌的食品接触硅胶制品，包括29 种婴幼儿喂食奶嘴和27种烘焙模具，具体信息样品信息见表2。将样品洗净，自然晾干，用经溶剂清洗的剪刀将样品剪成3 mm×3 mm的碎片，待用。

表2 样品信息Table 2 Information about the samples tested in this study

续表2

1.1.2 试剂及耗材

NMA（＞98.0%）、BHT（＞99.0%） 梯希爱（上海）工业发展有限公司；DMA（≥99.0%）、BTZ（≥96.0%） 上海安谱实验科技股份有限公司；壬醛（纯度为95%） Sigma-Aldrich（上海）贸易有限公司；正己烷（色谱纯，99.9%） 赛默飞世尔科技（中国）有限公司；无水乙醇（≥99.7%） 北京化工厂；高纯氮气（99.999%）、高纯氦气（99.999%） 北京氦普北分气体工业有限公司；NaCl（≥99.5%） 天津市光复科技发展有限公司。

50/30 μm二乙烯基苯-碳分子筛-聚二甲基硅氧烷（divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane，DVB/CAR/PDMS）纤维头 美国Supelco公司；20 mL SPME样品瓶 上海安谱实验科技股份有限公司；有机相滤膜（0.45 μm） 天津市科亿隆实验设备有限公司；2 mL一次性注射器 上海治宇医疗器械有限公司；磁力搅拌子（5 mm） 北京博雅宏兴有限公司。

1.2 仪器与设备

7890B-7000C GC-MS/MS仪、HP-5MS色谱柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm） 美国Agilent公司；PC-420D SPME采样平台 美国Corning公司；SPME手动进样手柄 美国Supelco公司；KQ5200E型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；ME104E电子分析天平 瑞士梅特勒-托利多公司；移液器 德国Eppendorf公司。

1.3 方法

1.3.1 混合标准液的配制

将5 种标准品（NMA、DMA、壬醛、BTZ和BHT）用正己烷配制成混合标准品母液，母液中5 种物质的质量浓度分别为766.50、662.40、811.60、990.00、689.40 μg/mL。将母液逐级稀释，配制出质量浓度范围为1.00～2 000.00 ng/mL的标准品工作溶液。放于冰箱中4 ℃贮存。

1.3.2 样品前处理

1.3.2.1 UASE方法

准确称取0.5 000 g样品，置于25 mL具塞锥形瓶中，加入5 mL正己烷提取液，盖紧瓶塞并用封口膜密封，60 ℃超声2 min，超声频率为40 kHz，冷却至室温，一次性注射器吸取1.0 mL提取液，过滤膜待GC-MS/MS分析。

1.3.2.2 SPME方法

将DVB/CAR/PDMS纤维头在250 ℃条件下老化至基线稳定，背景干净。准确称取0.300 0 g样品，装入20 mL的SPME样品瓶中，加入5 mL超纯水和磁力搅拌子，涡旋10 s。将样品瓶置于SPME采样平台的磁力中心（磁力搅拌速率为400 r/min）在60 ℃平衡10 min后，插入手柄推出纤维头，使纤维头底部距离液面上方1 cm，在60 ℃萃取50 min。萃取结束后收回纤维头，拔出手柄，立即在GC进样口解吸，解吸时间为5 min。

1.3.3 GC条件

Agilent HP-5MS色谱柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；载气为高纯氦气；流速1.5 mL/min（恒流）；进样口温度280 ℃；分流进样，分流比10∶1；升温程序为初始温度50 ℃，先以25 ℃/min升到180 ℃，再以10 ℃/min升至300 ℃（保持10 min），自动进样，进样量1 μL，溶剂延迟时间为2.5 min。

1.3.4 质谱条件

表3 多反应监测模式下5 种SVHC的保留时间、监测离子（m/z）及碰撞电压Table 3 Retention times, monitoring ions and collision voltages of the fi ve SVHCs in MRM mode

电子电离源；电子能量70 eV；辅助加热区温度310 ℃；离子源温度250 ℃；MS1温度150 ℃，MS2温度150 ℃；碰撞气：高纯氮气，流速1.5 mL/min；采用多反应监测模式进行数据采集，5 种SVHC的保留时间、监测离子（m/z）及碰撞电压见表3。

1.4 数据处理

使用SPSS（17.0）统计软件运用均值t检验方法对不同制品中5 种物质含量进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 UASE条件优化

UASE方法是利用超声波的辐射压力，增加物质分子的运动频率和速率，促进目标物质分子的溶出。本实验以一本底干净，峰形良好的某品牌样品作为研究对象，考察溶剂（正己烷、乙腈、甲醇、乙醇）、温度（30、40、50、60、70 ℃）及时间（2、5、10、20、30、40、50 min）3 个参数对5 种物质峰面积的大小的影响。

2.1.1 超声溶剂的选择

本实验在60 ℃超声10 min的实验条件下，考察不同极性的正己烷、乙腈、甲醇和乙醇对5 种物质峰面积的影响。由图2可知，在该萃取条件下，对5 种物质的总峰面积来说，溶剂萃取效率大小依次为正己烷＞乙醇＞甲醇＞乙腈。对于其中萃取效果较好的乙醇和正己烷来说，乙醇对NMA、DMA、壬醛3 种物质的萃取效率较高，这是由于NMA、DMA、壬醛在中、强极性的溶剂中溶解度较好，而在极性较弱的溶剂中溶解度较差，所以乙醇对这3 种物质萃取效率较高，但与正己烷萃取效果差距不明显；而正己烷对BHT、BTZ的萃取效率高，尤其是对BHT的萃取效率明显高于乙醇，是由于BHT、BTZ易溶于弱极性和非极性溶剂中，在极性高的溶剂中溶解度较差。综合考虑上述情况，最终选择正己烷作为萃取溶剂。

图2 超声溶剂对奶嘴中5 种SVHC峰面积的影响Fig. 2 Effect of UASE solvents on the peak area of 5 SVHCs from nipples

2.1.2 超声温度的选择

本实验将超声时间保持在10 min，考察超声温度对萃取效果的影响，结果见图3。30 ℃时提取效率较低，在30～60 ℃范围内，5 种物质的峰面积随着温度的升高而增大，在60 ℃时，萃取效率达到最大。60～70 ℃范围内，NMA、DMA、BTZ、BHT的峰面积有明显下降趋势，壬醛基本保持不变，呈现微弱的下降趋势。这是由于一方面，超声波降低了体系的黏度，使得传质过程加快；另一方面，超声波使得溶剂之间更易形成超声空化泡，增加了空化泡与物料的接触，但是过高的温度会使表面张力的降低和空化泡内的蒸气压力的增加，造成超声阻尼效应。因此，超声温度选在60 ℃。

图3 超声温度对奶嘴中5 种SVHC峰面积的影响Fig. 3 Effect of UASE temperature on the peak area of 5 SVHCs from nipple

2.1.3 超声时间的选择

图4 超声时间对奶嘴中5 种SVHC峰面积的影响Fig. 4 Effects of UASE time on the peak area of 5 SVHCs from nipples

以正己烷为萃取溶剂，将温度保持在60 ℃，考察超声时间对5 种物质萃取效果的影响，结果见图4。在2 min时，提取效率达到最高。超声时间对壬醛的萃取效率影响不大，其他4 种物质随着时间延长，峰面积减小，尤其BTZ、BHT、NMA和DMA的峰面积受时间变化的影响较大。这可能是一方面，在正己烷对硅橡胶材料具有较强的溶胀作用；另一方面，由于5 种物质可通过扩散和渗透作用脱离硅橡胶材料，而较快达到平衡。但是随着超声时间的延长，目标组分可能会发生降解以及穿透[35]，使得提取效率降低。因而选取超声时间为2 min。

2.2 SPME条件优化

基于本实验室前期研究结果[1]，本研究选用灰色的DVB/CAR/PDMS纤维头。本实验考察SPME温度（40、50、60、70、80 ℃）、萃取时间（10、20、30、40、50、60 min）和NaCl（不添加、添加饱和）对5 种物质峰面积的影响。

图5 SPME温度对5 种SVHC峰面积的影响Fig. 5 Effect of SPME temperature on the peak area of 5 SVHCs

如图5所示，壬醛和BHT的峰面积受温度影响变化不大。在40～60 ℃范围，5 种物质的提取效率逐渐升高；60～80 ℃，除BHT外，其他物质呈现平衡或下降趋势。SPME温度对萃取效率具有双重作用，一方面随着萃取温度的增加，分子运动加快，挥发性物质更易于脱离基体物质，加快了萃取效率；但是萃取头的吸附作用为放热反应[36]，温度太高不利于物质的吸附，结果会使萃取效率降低。综合考虑，本实验最终选用60 ℃作为SPME温度。

图6 SPME时间对5 种SVHC峰面积的影响Fig. 6 Effect of SPME time on the peak area of 5 SVHCs

由图6可知，10～50 min范围内，NMA、DMA、BTZ和BHT，随着时间的延长，峰面积增大，50～60 min时，NMA、DMA、BTZ呈现下降趋势，BHT基本不变；但10～60 min范围内壬醛峰面积基本不受时间影响。随着时间的延长，有利于物质的吸附，当达到萃取平衡之后，随着时间的延长，吸附在SPME萃取头上的物质被部分解析。因此，最终选择50 min作为最佳萃取时间。SPME在60 ℃萃取50 min，考察向基质中添加和不添加饱和NaCl时对5 种物质的萃取效果的影响。实验结果表示添加饱和的NaCl萃取效率只能使NMA的萃取效率有所增加，但是对于其他4 种物质萃取效率基本无影响，考虑到本实验成本与实验效率等因素，选择不添加NaCl至样品基质。

2.3 UASE-GC-MS/MS与SPME-GC-MS/MS的方法学评价

使用1.3.1节所配制的混合标准溶液，按照1.3.2节与1.3.3节条件下上机测定，得出5 种物质在GC-MS/MS条件下的标准曲线、相关系数（R2）、线性范围、检出限（3 倍信噪比）和定量限（10 倍信噪比）。通过1 d内重复测定6 次峰面积的相对标准偏差表示日内精密度；连续6 d重复测定峰面积的相对标准偏差确定日间精密度。2 种方法结果分别见表4和表5。

表4 UASE-GC-MS/MS方法对奶嘴中5 种物质的标准曲线、相关系数（R2）、线性范围、精密度、检出限Table 4 Regression equations, correlation coef fi cients, linear ranges,within-day precision, intra-day precision, LOD and LOQ of 5 SVHCs in nipples by UASE-GC-MS/MS

化合物 线性方程 相关 定量限/（ng/mL）NMA y=107.16x-5 810.7 0.999 4 7.67～766.50 5.39 0.03 0.10 DMA y=71.572x+1 396.7 0.999 7 66.24～662.40 3.06 0.03 0.09壬醛 y=8.979x-889.43 0.999 4 81.16～811.60 1.41 0.10 0.33 BTZ y=43.903x+1 494.8 0.999 1 99.00～990.00 8.48 0.03 0.11 BHT y=40.043x-1 204.2 0.999 5 68.94～689.40 2.49 0.03 0.10系数R2 线性范围/（ng/mL）日内精密度/%检出限/（ng/mL）

由表4和表5可知，SPME方法检出限低，但是其线性范围较窄，不能满足实际样品定量需要，而且其精密度较UASE方法差，此外，UASE提取时间段短、效率高、成本低，因此最终选用UASE法进行样品测定。

表6 UASE-GC-MS/MS方法对奶嘴样品中5 种目标物质加标回收率和相对标准偏差Table 6 Recoveries and relative standard deviations (RSDs) of 5 substances in nipple product by UASE-GC-MS/MS

选择一种基质干净的奶嘴样品，分别添加3 个不同水平的混合标准品溶液，使用UASE处理样品，平行3 次，进行GC-MS/MS测定，添加水平、回收率及相对标准偏差的结果见表6。由表6可以看出，5 种物质的平均回收率为90.41%～112.33%，相对标准偏差为2.83%～9.69%。方法满足测定要求。

2.4 样品含量的测定结果

按照上述所建立的UASE-GC-MS/MS及外标法对56 种食品接触硅橡胶制品（包括29 种奶嘴和27 种烘焙模具）中的5 种SVHC进行定量分析，检出率、最高含量、最低含量及平均含量结果见表7。

表7 29 种奶嘴和27 种烘焙模具中5 种SVHC的定量结果Table 7 Contents of 5 SVHCs in 29 nipples and 27 baking molds determined by UASE-GC-MS/MS

由表7可知，5 种SVHC在奶嘴和模具中的基本上是全部检出，检出率最低也为96.6%。奶嘴中含量最高的为壬醛（1 439.85 ng/g），其平均含量也最高，为614.04 ng/g；模具中含量最高的为BHT（4 828.78 ng/g），其平均含量也最高，为977.69 ng/g。29 种奶嘴中5 种物质的平均含量大小为：壬醛＞BTZ＞BHT＞NMA＞DMA；27 种模具中5 种物质的平均含量：BHT＞壬醛＞NMA＞BTZ＞DMA。模具中除了BTZ以外，NMA、DMA、壬醛和BHT的平均含量分别是奶嘴中的5.8、4.3、1.2 倍和16 倍。与前期研究结果（表1）相比，本研究中5 种物质得到了更高的检出率，这是由于利用GC-MS/MS（多反应监测模式）要比GC-MS（Scan模式）的灵敏度更高，因此可以满足高灵敏的定量分析要求。

2.5 5 种物质在两类样品中含量的差异性分析

将5 种SVHC在29 种奶嘴和27 种烘焙模具中的定量结果采用SPSS 17.0软件及均值t检验分析法对5 种物质在奶嘴和模具两类样品中含量的差异性进行分析。结果表明，在置信度为95%水平下，使用Levene法的F检验，得出：P（NMA）=P（DMA）=0.000＜0.05，P（BTZ）=0.001＜0.05，P（BHT）=0.003＜0.05，P（壬醛）=0.094＞0.05，可知壬醛在奶嘴和模具中含量无显著性差异。采用校正过的t检验法，由结果：P（NMA）=P（DMA）=P（BTZ）=P（BHT）=0.000＜0.05可知，NMA、DMA、BTZ和BHT 4 种SHVC在奶嘴与模具中的平均含量有显著性差异。其中，奶嘴与模具中的NMA、DMA差异值分别为-136.03、-29.69 ng/g，说明NMA和DMA在模具中的含量高于奶嘴。这可能是由于为满足人们对模具色彩的需求，模具中添加了更多的颜料物质（NMA、DMA是有机染料的中间体）。BTZ在奶嘴和模具中的差异值为+128.79 ng/g，表明奶嘴中BTZ的含量比模具多，BTZ类物质是硅胶材料的硫化促进剂，奶嘴中的BTZ类物质更高，这可能是奶嘴自身产品硬度及厚度的特殊需求。相反，BHT在奶嘴和模具的差异值为-896.48 ng/g，说明模具中BHT的含量要比奶嘴中高出很多。模具产品所使用的环境更加苛刻（长时间的高温高压），因而，在产品制作过程中，很可能会添加更多的抗氧化助剂。

2.6 5 种物质的安全性评价

欧盟法规中对食品接触硅橡胶材料中的壬醛物质未做出要求，但对其同系物乙醛规定，在塑料及涂料中的特定迁移量为6 mg/kg[16]。GB 2760—1996《食品添加剂使用卫生标准》规定为壬醛为暂时允许使用的食用香料，主要用于配制橙子、柠檬和白柠檬等型香精。其使用限量为软饮料1.3 mg/kg、冷饮1.3 mg/kg、糖果4.1 mg/kg、焙烤食品2.3 mg/kg、布丁类6.0 mg/kg[14]。壬醛在奶嘴和模具中最高含量均为1.4 mg/kg，假使全部迁移至食品中，也基本符合限量要求，因此，尽管壬醛有较高检出率，也可以认为食品接触硅胶制品中的壬醛含量在安全范围以内。

NMA和DMA属于芳香胺类物质，高毒性，其毒性和苯胺类物质相同，还是强致癌物亚硝胺的前体[1]。欧盟关于拟于食品接触的橡胶产品的ResAP（2004）决议附件中规定I类（包括喂食奶嘴和接触婴幼儿食品的橡胶产品）中芳香胺物质不得检出。欧盟在食品接触塑料材料中规定，芳香族伯胺不高于检出量为0.01 mg/kg，但是根据上述定量结果，奶嘴和模具中芳香胺物质全部检出，并且除了1 个奶嘴样品外，其他均高于检出量为0.01 mg/kg，最高超标38.5 倍。因而食品接触橡胶硅制品中的NMA和DMA的安全性问题应引起高度关注，有必要改进配方或工艺来控制苯胺类物质的生成。

BTZ类物质主要作为硫化促进剂而添加至橡胶材料中，根据以上均值差异性分析可知，奶嘴中的BTZ含量比模具中高，这可能是由于奶嘴特殊的厚度及形状要求所致。尽管目前我国和欧盟食品接触材料中未对其作出限量规定，但由于BTZ具有内分泌干扰作用[11]，还有必要对其进行进一步的迁移研究和暴露评估。BHT作为抗氧化剂允许添加至食品接触硅橡胶材料中，根据GB 9685—2016及欧盟标准规定，BHT的特定迁移量为3.0 mg/kg[15-16]，因此有必要进行深入的迁移实验研究，通过迁移量与特定迁移量的比较评价其安全性。

3 结 论

本实验首先建立了UASE-GC-MS/MS和SPME-GCMS/MS对食品接触硅橡胶制品中苯胺类物质、壬醛、BTZ及BHT 5 种SVHC的测定方法，优化并评价了这2 种方法，结果表明UASE-GC-MS/MS更满足对样品中5 种物质的定量要求。其次，利用该法对56 种样品中的5 种SVHC进行定量，结果显示奶嘴中壬醛含量最高，为1 439.85 ng/g；模具中BHT含量最高，为4 828.78 ng/g。再次，对5 种物质在奶嘴和模具中的差异性进行了分析并对这5 种SVHC的安全性进行评价。NMA和DMA在模具中的含量高于奶嘴，可能是由于模具中的有机染料所致，且根据法规要求，食品接触橡胶硅制品中的NMA和DMA的安全性问题应引起高度关注，有必要改进配方或工艺来控制苯胺类物质的生成。壬醛在奶嘴和模具中无显著性差异，根据法规要求，尽管有较高的检出率，仍然可以认为食品接触硅胶制品中的壬醛含量在安全范围以内。BTZ和BHT有必要进行进一步的迁移实验研究和暴露评估。总之，本研究为食品接触硅橡胶材料中SVHC的分析与安全评价等后续研究，以及相关标准法规的建立提供了研究思路和科学依据。