高分辨率精确质谱非靶标分析塑料食品接触材料迁移化合物综述

2021-06-19上海市质量监督检验技术研究院李洁君张丽媛王永香

上海包装 2021年5期

■ 文/上海市质量监督检验技术研究院李洁君，张丽媛，王永香

0 引言

近年来，食品接触材料（Food Contact Materials，FCMs）的生产和使用有所增加。三分之一以上的食品接触材料是由塑料制成的，通常是通过将不同的聚合物胶粘结合在一起来制作[1]。在食品包装中使用多层材料时，由于扩散和分配过程，迁移不仅会从食品包装的内侧（食品接触面）发生，而且还会从食品包装内层发生[2-3]。

在欧盟法规10/2011中[4]中对于与食品接触的塑料材料安全使用有具体规定，该法规规定了肯定列表。这些授权用于制作塑料的化合物（＞ 150种化合物）就是所谓的有意添加物质（Intentionally Added Substances，IAS）；其他未出现在允许成分列表中化合物通常称为非故意添加物质（Non-Intentionally Added Substances，NIAS）。

FCMs中添加IAS以增强其性能，比如抗氧化剂、光稳定剂和表面活性剂。Alin[6]和Burman[7]等分别对抗氧化剂降解产物进行研究。聚乙氧基壬基酚是生产塑料瓶常用清洁剂中的表面活性剂[8-9]。偶氮颜料本身是用于配制油墨的有意添加物质，用于印刷油墨的偶氮颜料中存在伯芳族胺和β-萘酚，这2种化学物质作为杂质存在于偶氮颜料和最终油墨配方中，因此伯芳族胺、β-萘酚是非故意添加物质[10-11]。使用频率较高的聚氨酯粘合剂一般是通过多元醇和二异氰酸酯单体的聚合反应制成，若粘合剂未被正确固化或组分未被正确混合，会造成聚合反应的不完全，并且剩余的未聚合芳族异氰酸酯会与水反应形成伯芳族胺[12]，形成新的非故意添加物质就是伯芳族胺[13]。环氧漆可能含有双酚A和双酚A二缩水甘油醚，双酚A二缩水甘油醚可以与食物蛋白反应形成副产物也是非故意添加物质[14]。污染物也属于非故意添加物质，污染物有可能迁移到食品中，因而需要将污染物包括在风险评估中[15]。到目前为止，在食品迁移研究中已经报道了一些非故意添加物质，例如双酚A（BisPhenol A，BPA）、双酚A二缩水甘油醚（Bisphenol A DiGlycidyl Ether, BADGE）和相关化合物、紫外线墨水光引发剂(UV-Ink Photoinitiatiors)、全氟化合物（PerFluorinated Compounds，PFCs）、邻苯二甲酸酯、芳香族胺（Primary Aromatic Amines，PAAs），上述非故意添加物质的表征已在一些综述文章中进行了详尽表述[2,16-17]。Gallart-Ayala等人[16]综述了从2009年至2013年使用液相色谱—质谱联用（Liquid Chromatography Mass Spectrometry，LC-MS）分析FCMs中邻苯二甲酸盐、双酚A和相关化合物。之后，Nerin等人[18]和Sanchis等人[17]分别在2013年和2017年综述了有关应用高分辨率精确质谱（High Resolution Accurate Mass Spectrometry，HRAMS）分析挥发性和非挥发性化合物。

对食品接触材料中迁移出的化合物进行定性和定量分析仍然具有挑战性，是一个值得高度关注的问题，为了确保食品的质量和安全。为了分析从食品接触材料中迁移出的化合物，欧盟法规10/2011[4]建立了标准化测试方法，适用于与食品直接接触的所有塑料。通常对塑料食品接触材料中迁移出的未知化合物的表征是非常困难。迁移出的化合物由于浓度很低、成分的信息不完整，缺少分析标准以及许多此类化合物并未包含在化学、光谱数据库中。根据食品接触材料迁移出的化合物的物理化学特性选择合适的分离和测定方法，气相色谱法（Gas Chromatography，GC）是最适合分析极性较低的挥发性和半挥发性迁移化合物的分析技术，而液相色谱法（Liquid Chromatography，LC）是最常用于分析热不稳定和非挥发性化合物的分析技术。GC和LC均可以连接不同的质量分析仪分析从FCMs迁移出的化合物。低分辨率质谱仪是三重四极杆质谱、离子阱质谱[19-21]；高分辨率质谱仪是飞行时间质谱[22-24]。低分辨率质谱结合商业/内部质谱库分析目标化合物。分析包括NIAS在内的未知迁移化合物，需要使用高分辨率质谱仪和非靶标分析法。HRAMS是分析FCMs中非常强大的应用技术。HRAMS可在全扫描模式下提供准确的质量测定。通过选择不同的数据采集模式，可以根据母离子和碎片离子提供的图谱信息，鉴定未知化合物的化学结构。

这篇综述概述了用HRAMS分析来自塑料食FCMs的未知迁移化合物。由于近年来对FCMs日益关注，发表的相关论文数量很多，因此着重选择了一些关于FCMs非靶标分析法的论文。

1 非靶标分析法中的分析仪器和数据采集模式

到目前为止，使用HRAMS分析塑料食品包装材料中未知迁移化合物的大多数研究都是非靶标分析法[3,22-34]，相关主题总共17篇论文中，有15篇使用LC进行分析[3,22-25,28-31,33,34]，而仅有5篇使用GC进行分析[23,26,27,30,32]，其中有3篇同时使用了两种分析技术GC和LC，旨在尽可能多地分析从塑料FCMs迁移出的物质（挥发性和非挥发性物质）[23,30,31]。

关于电离源，电喷雾电离（ElectroSpray Ionization，ESI）的正离子模式是 LC中非靶标分析法分析塑料FCMs迁移化合物的最常用的技术，而电子撞击（Electron Impact，EI）和大气压化学电离（Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI）在GC中同样适用。Canellas等人于2012年发表了应用APCI电离源与高分辨率质量分析仪相结合以分析FCMs中的NIAS的论文，这项工作探索了FCMs领域中新技术气相色谱—大气压化学电离—四极飞行时间质谱（Gas Chromatography- Atmospheric Pressure Chemical Ionization- Quadrupole Time-Of-Flight Mass Spectrometry，GC-(APCI)-QTOF-MS）的潜力。在当前的其他工作中，采用非靶标分析法结合三种电离源（ESI、EI和APCI），用以分析来自塑料婴儿奶瓶的未知迁移化合物。采用液相色谱—电喷雾电离—四极飞行时间质谱（Liquid Chromatography- Electrospray Ionization-Quadrupole Time-Of-Flight Mass Spectrometry，LC-ESIQTOF-MS）全扫描数据以正负离子模式采集，以便检测具有不同电离条件的化合物[40-42]。电离源（EI、APCI和ESI +/-）互补使用可以对FCMs进行有效且宽范围的非靶标分析，从而获得母离子（或质子化分子）的准确质量数据，还可以获得碎片的信息。

目前两种高分辨率质量分析仪用于分析从塑料FCMs释放的迁移化合物：四极飞行时间质谱（Quadrupole Time-Of-Flight，Q-TOF）和四极杆静电场轨道阱质谱（Quadrupole-Orbitrap，Q-Orbitrap）。这两种高分辨率质量分析仪交替使用不仅比单一使用一种高分辨率质量分析（TOF/Orbitrap）得到更多的碎片信息，还能得到其他结构信息，并确保分析更多的未知化合物。因此，高分辨率质量分析仪交替使用是非靶标分析法最常用的方法。Q-TOF在塑料FCMs领域的应用比Q-Orbitrap多，这可能与Orbitrap是目前市场上一种更昂贵、更新的质谱仪有关。有关HRAMS技术应用的大多数研究基于非靶标分析法[3,23-34]。采用LC / GC-HRAMS靶标分析从塑料FCMs迁移出的化合物，这方面的研究很少[17,35-38]。

非靶标分析法可以采用两种不同的数据采集模式：数据依赖采集(Data Dependent Acquisition，DDA)和与数据非依赖采集（Data Independent Acquisition，DIA）。在DDA模式下，仪器使用预定的规则进行数据收集，在分析模式之间切换，切换由观察到的母离子的强度自动控制，也可以使用其他附加条件（例如同位素模式等）来完成。在DIA模式下，在选定质荷比（mass to charge ratio，m/z）范围内的所有离子在串联质谱的第二阶段进行破碎和分析，以便检测尽可能多的未知化合物。质谱（Mass Spectrometry，MS）和串联质谱（Tandem Mass Spectrometry，MS/MS）之间的切换会自动执行，以获得所有母离子的碎片，一次色谱运行可同时获得未知化合物的MS和MS/MS的数据。与其他采集方法相比，DIA模式在分析未知化合物方面具有显著优势，这是因为它可以全面检测所有可检测到的峰，并获取相应的MS/MS谱图，而无需在进样前设置任何质量过滤器或强度阈值。目前发表的大多数用于分析塑料FCMs中未知迁移化合物的非靶标分析法都是采用DIA模式（见表1）。相反，非靶标分析应用DDA较少[37-39]，分析了接触食品的聚酯罐头中29种非挥发性低聚物[39]。

表1 概述液相色谱和气相色谱结合高分辨率精确质谱分析塑料FCMs中迁移化合物的最新研究

塑料包装材料分析仪器采集数据处理表征出迁移化合物数据参考文献聚碳酸酯食品接触塑料UPLC-(ESI+/-)-QOrbitrap全扫描质谱模式和多级质谱模式依赖采集强度阈值5×104;自建数据库；用模拟物比较同位素模式；现有的化学数据库IAS：着色剂、塑料添加剂（抗氧化剂、紫外线吸收剂、稳定剂、增白剂）NIAS：BPA-聚碳酸酯降解产物[37]可重复使用的塑料容器UPLC-(ESI+/-)-QOrbitrap全扫描质谱模式和多级质谱模式依赖采集主要检测信号，质量误差≤2ppm；用模拟物比较同位素模式;现有的化学数据库;通过重建全扫描色谱图中可见的最具代表性的分子离子的质谱图谱进行鉴定IAS：BPA，着色剂NIAS：聚碳酸酯降解产物和未反应的分子[36]含有丙烯酸粘合剂用于食品包装的多层层压板（聚丙烯/醋酸纤维素/对苯二甲酸乙二酯）GC-(APCI)-QTOF-MS APCI探针(30 V)全扫描多级质谱模式非依赖采集（碰撞能量梯度：20-40 V）质量扫描范围45-350 Da；色谱峰解卷积；空白和样品的数据比较；母离子和碎片离子的精确质量（质量误差:15 mDa）；保留时间±0.2 min NIAS：己醇-2-乙基、乙酸-2-乙基己酯、正丁酸-2-乙基己酯；2，4，7，9-四甲基-5-癸炔-4，7-二醇; 2，4，7，9-四甲基-5-癸炔-4，7-二醇乙氧基化物[29]直接接触食品的自动粘贴标（对苯二甲酸乙二酯）GC-(APCI)-QTOF-MS APCI探针（30 V）全扫描多级质谱模式非依赖采集（碰撞能量梯度：20-40 V）质量扫描范围45-450 Da；色谱峰解卷积；母离子的精确质量（质量误差: 3 mDa，同位素模式）；用标准物质表征NIAS：甲基-3-(3，5-二叔丁基-4羟苯基)丙酸甲酯和二环己基膦基异构体[30]多层包装材料UPLC-(ESI+/-)-QTOF-MS全扫描多级质谱模式非依赖采集(碰撞能量梯度：5-30 V)质量扫描范围10-1200 Da；在确定粘合剂成分后使用包装材料进行迁移研究；母离子和碎片离子的精确质量（质量误差：3 mDa)；用标准物质表征IAS：己二酸、2-甲基-2H-异噻唑-3-酮、1，2-苯并异噻唑-3-(2H)- 酮NIAS：其他成分之间反应产生的新形成的内酯[31]

塑料包装材料分析仪器采集数据处理表征出迁移化合物数据参考文献由低密度聚乙烯、对苯二甲酸乙二酯、双向拉伸聚丙烯、聚乳酸塑料薄膜制备的多层材料UPLC-(ESI+/-)-QTOF-MS全扫描多级质谱模式非依赖采集（碰撞能量：4 V和碰撞能量梯度坡：5-30 V质量扫描范围10-1200 Da；空白数据与迁移数据之间的比较；母离子和碎片离子的精确质量（质量误差：3mDa)IAS：表面活性剂NIAS：甲基丙烯酸甲酯的丙二酸衍生物[32]聚乙烯和尼龙2种材料的多层塑料包装LC-(ESI+)-QTOF-MS DIA全扫描采集模式（碰撞能量：35±15 V）色谱峰解卷积；控制过滤器（比率x10）；选择最丰富的化合物（信号强度≥1×106）；母离子和碎片离子的精确质量(质量误差＜2ppm)IAS：己内酰胺、聚合物的添加剂NIAS：己内酰胺低聚物和原料副产物（主要是聚氨酯胶粘剂产生的环状低聚物）[23]多层包装材料（聚乙烯/铝和聚乙烯 /乙烯-乙烯醇共聚物/ 聚乙烯/铝）UPLC-(ESI+)-QTOF-MS全扫描多级质谱模式非依赖采集（碰撞能量梯度：20-40 V质量扫描范围50-1200 Da;空白数据与样品数据之间的比较；母离子和碎片离子的精确质量NIAS：潜在迁移物质、环状化合物[24]具有抗菌功能的新型活性纳米材料-氧化锌纳米颗粒与聚丙烯的组合GC-(EI)-QTOF-MS EI探针(70 V)；全扫描多级质谱模式非依赖采集。质量扫描范围45-550 Da;色谱峰解卷积；自建数据库（60种化学物质），包括添加剂、单体、聚合物生产中使用的原料和邻苯二甲酸酯NIAS：邻苯二甲酸二乙酯 [33]具有抗菌功能的新型活性纳米材料-氧化锌纳米颗粒与聚丙烯的组合UPLC-(ESI+)-QTOF-MS全离子多级质谱模式非依赖采集（破碎电压360 V）质量扫描范围50-1100 Da；自建数据库；母离子的精确质量(误差＜5 ppm)；质谱相似度≥75%；自建数据库(60种化学物质)，包括添加剂、单体、聚合物生产中使用的原料和邻苯二甲酸酯NIAS：2，4，6-三氨基-1，3，5-三嗪、(2E)-3-苯基丙-2-烯醛[33]

塑料包装材料分析仪器采集数据处理表征出迁移化合物数据参考文献开发的聚乳酸、丙烯和氧化锌纳米颗粒聚合物GC-(EI)-QOrbitrap-MS EI探针(70 V)；全扫描质谱模式非依赖采集质量扫描范围50-550 Da；色谱峰解卷积；信号强度（2×106）；质量误差：5 ppm；信噪比signal to noise，S/N（10）；空白数据与样品数据之间的比较；用标准物质表征NIAS：三丙烯酸二丙二醇酯、10-二十碳烯[22]开发的聚乳酸，丙烯和氧化锌纳米颗粒聚合物UPLC-(ESI+)-QOrbitrap全扫描/所有离子裂解质谱非依赖采集质量扫描范围80-800 Da；相对信号强度≥1×105；信噪比阈值≥10；Mass Frontier 7.0软件用于将获得的每个碎片与化合物进行匹配；Discoverer 2.0软件与数据库结合NIAS：1-棕榈酰甘油、N，N-乙基十二烷基酰胺、N-[(9Z)-9-十八碳烯-1-基]乙酰胺和甘油硬脂酸酯[22]塑料婴儿奶瓶-聚丙烯和尼龙GC-(EI)-TOF-MS和GC-(APCI)-QTOF-MS EI探针(70 V) 全扫描多级质谱模式非依赖采集；APCI探针(20 V)全扫描多级质谱模式非依赖采集（碰撞能量：4 V和碰撞能量梯度：25-40 V）质量扫描范围50-700 Da(EI)；质量扫描范围50-1200 Da(APCI)；色谱峰解卷积；将质谱与WILEY /NIST质谱库进行比较（库匹配＞ 700）母离子和碎片离子的精确质量（±5 mDa），特征同位素离子；用标准物质表征IAS：二环戊基二甲氧基硅烷、硬脂酸羟丙酯、1-羟基丙二基硬脂酸酯、对叔辛基苯酚[25]塑料婴儿奶瓶-聚丙烯和尼龙UPLC-(ESI+/-)-QTOF-MS全扫描多级质谱模式非依赖采集(碰撞能量：4 V和碰撞能量梯度：25-40 V)自建数据库；质子分子的精确质量（质量误差±0.002 Da）产品离子碎片；特征同位素离子；包含常见迁移化合物和塑料添加剂的自建数据库（欧盟授权用于塑料食品接触材料＞ 800种化合物IAS：十二内酰胺单体、双（3，4-二甲基亚苄基）山梨醇、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异丁酯；NIAS：十二内酰胺二聚体和三聚体、 2，5-双（50-叔丁基-2-苯甲酰）噻吩、苯甲酸4-乙氧基乙酯[25]聚酯罐涂料UPLC-(ESI+/-)-QOrbitrap全扫描质谱模式和多级质谱模式依赖采集强度阈值2×104；自建数据库包含单体、低聚物和添加剂IAS：单体和添加剂；-NIAS：低聚物[38]

塑料包装材料分析仪器采集数据处理表征出迁移化合物数据参考文献2个含有聚氨酯粘合剂的多层袋UPLC-(ESI+/-)-QTOF-MS全扫描多级质谱模式非依赖采集(碰撞能量：4 V和碰撞能量梯度：15-30 V）迁移研究：分析从多层材料迁移到食品模拟物中的化合物；母离子和碎片离子的精确质量；用标准物质表征IAS：己内酰胺及其低聚物、增塑剂（乙酰柠檬酸三丁酯）、抗氧化剂、润滑剂（单十三烷酸甘油酯和其他衍生物）NIAS：来自聚氨酯胶黏剂的低聚物酯[27]

在DIA模式中，使用多级质谱模式是从2012年到至今报道最多的方法（见表1）。使用多级质谱模式记录数据，不需要进行任何预先选择，在同一运行过程中，多级质谱的数据采集可以在低碰撞能量梯度、高碰撞能量梯度下进行，以便获得尽可能多的质谱信息，低能量谱提供了母离子的信息，而高能量谱提供了碎片离子的信息。Onghema等人[32]使用4 V低碰撞能量和25 V～40 V高碰撞能量梯度，用于分析塑料婴儿奶瓶中的未知迁移化合物，在这项研究中，观察到当使用低碰撞能量时，只产生有限的碎片信息，相比之下，高碰撞能量碎片信息明显增多。

2 塑料食品接触材料的安全性评估

在欧盟内部，食品接触材料的安全性受到欧盟法规EC 1935/2004[43]和EU(2011)[4]的监管，EU (2011)[4]专门针对塑料材质。对于IAS，必须进行一套毒性试验，只有当被确定为安全的，并在欧洲食品安全管理局授权物质清单上注册才可以被使用[4]。允许在食品接触材料中使用的授权物质清单中不包括NIAS。2011年，欧盟提出NIAS被允许在最后的塑料制品中使用，但应由制造商按照国际公认的科学原理进行风险评估。然而没有指南指导NIAS应如何分析和评估或制造商应该遵循何种方法来证明NIAS的安全性[44]。

FCMs研究的主要挑战之一是NIAS的安全性评价。大多数NIAS没有毒理数据，也没有关于NIAS安全性评估的具体准则，因而需要一种评估NIAS安全性的方法[45]。问题是如何评价这些NIAS的安全性，因为没有分析标准，只能进行理论评价。

当已知NIAS的化学结构时，可选择使用毒物学关注阈值（Threshold of Toxicological Concern，TTC）方法；当接触量很低时，这种方法可用于评估NIAS的潜在毒性。在没有毒理学数据的情况下，TTC概念是一个实用的风险评估工具，它被认为对人类健康没有明显风险的人类接触水平[46,47]。TTC方法目前被欧盟接受使用[48,49]，也被美国接受使用[50]。

尽管2011年的一项研究报告称，在体外试验中大多数经过测试的塑料FCMs的提取物显示出雌激素活性，目前还没有对FCMs的内分泌干扰特性进行常规评估[51]。

在这类研究中，将影响导向分析与HRAMS结合起来，可能是一种有效的方法，优先确定对健康有潜在不利影响的迁移化合物。该方法尚未在任何塑料FCMs的迁移化合物的非靶标分析法中进行过探索，但在食品接触材料纸和纸板中非靶标分析法的研究中得到了应用[52]。