PET/PE复合膜中初级芳香胺及2种塑料添加剂的迁移研究及安全评估

罗任杰,林勤保*,颜建伟,2*,马俊杰,李忠

1(暨南大学 包装工程研究所,广东 珠海,519070)2(华东交通大学 土木建筑学院,江西 南昌,330052)3(拱北海关技术中心,广东 珠海,519020)

初级芳香胺(primary aromatic amines,PAAs)是一类典型的有毒有害物质[1],食品接触材料中PAAs主要由复合软包装中使用的聚氨酯胶黏剂和印刷油墨引起的,可能会进入食品中,通过呼吸道、胃肠道和皮肤进入人体,致病甚至致癌[2]。目前对PAAs的检测主要参照欧盟标准,新推行的(EU)2020/1245[3]法规规定：PAAs不得检出,对于列入(EC)1907/2006/REACH附录,但未在(EU)No 10/2011[4]有迁移限量要求的PAAs,设定每一项的限值为2 μg/kg,其他种类PAAs的迁移总量限值为10 μg/kg。我国与美国食品及药品管理局尚未推出关于油墨及黏合剂中PAAs的检测标准和相关法规。国内对PAAs的研究集中在环境[5]和纺织品[6]中,而与食品包装安全相关的问题则是在近年成为研究热点。

PAAs多采用液相色谱-质谱法进行测定,该方法操作简便,无需复杂的前处理过程；对检测环境没有要求,检测对象广泛,且对色谱上的分离状态没有要求,即使没有分离的PAAs通过特征离子色谱图也能得到准确分析[7]。国内外已将该方法应用于油墨[8-9]、纸包装[10]、塑料餐具[11-12]以及塑料包装[13-16]的检测。这些研究工作一方面利用高分辨质谱进行了定性筛查,探究了可能出现的PAAs的种类；另一方面建立准确、快捷、可靠的方法,实现了μg/kg级别精度的检测。虽然这些工作取得了卓越的成果,但整体上对塑料包装中的PAAs可能存在的种类,在不同条件及工况下的迁移行为及迁移规律,毒理学评估及安全限量等问题都还不明确,仍需更多的研究去补充和完善。

食品接触材料中所有可能迁移到食品中的物质均需要评估[17]。面对名目繁多、广泛使用的各类添加物,建立高通量的检测手段并对其进行研究分析,显得尤为重要[18]。食品接触用塑料复合膜中的有益添加物,包括抗氧化剂、爽滑剂、紫外吸收剂等,也可能会进入食品中产生安全问题。例如,爽滑剂芥酸酰胺(erucamide,EAD)在高温下水解生成的芥酸容易引起皮肤损伤[19]。抗氧剂2246作为一种阻酚类抗氧剂,对小鼠的半致死量为6 500 mg/kg,在食品接触材料中过量添加将会对人体造成危害[20]。EAD[21-22]和抗氧剂2246[23-24]的液相研究方法已经分别建立。

本文首先对PET/PE复合膜和PET/AL/PE复合膜的提取液进行筛查,对可能存在的PAAs以及其他风险物进行定性分析,然后建立了一种使用液质联用技术(HPLC-MS)直接进样的方法,快速测定2种复合膜中25种PAAs、2类塑料添加剂EAD和抗氧剂2246,同时对它们在不同迁移条件下和不同模拟物中的迁移行为及迁移规律进行探究,旨在为塑料食品接触材料中PAAs的研究和测定提供补充和参考。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

乙醇、甲醇,均为色谱纯,上海麦克林生化科技有限公司；甲酸,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司；C18固相萃取柱Agilent EC-C18色谱柱(4.6 mm×100 mm,2.7 μm),安捷伦科技(中国)有限公司(Agilent)；26种初级芳香胺混标,上海安谱实验科技股份有限公司；芥酸酰胺(112-84-5,纯度85%)、抗氧剂2246(119-47-1,纯度>98%),北京百灵威科技有限公司；聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯复合膜(PET/PE70)、聚对苯二甲酸乙二醇酯/铝/聚乙烯复合膜(PET/AL/PE70),均由同一家制造公司提供,采用相同的复合和熟化工艺,所用薄膜均为非印刷膜,目的是为了排除油墨中可能产生的芳香胺的影响。

Agilent InfinityLab LC/MSD 单四极杆HPLC-MS,安捷伦科技(中国)有限公司；Thermo TSQ Quantum Ultra三重四极杆液质联用仪,赛默飞世尔科技(中国)有限公司；DHG-9145A电热鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司；FA1604 N电子天平(准确度等级I),上海菁海仪器有限公司；KQ5200DE超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司；TPTC超纯水器,湖南力辰仪器科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 添加物的筛查

取2种样品薄膜各0.1 g,经5 mL最佳提取溶剂乙酸乙酯[25]超声萃取并过滤后,用赛默飞Thermo TSQ Quantum Ultra三重四极杆液质联用仪进行全扫描分析。筛查结果出现3种高响应峰239.01、338.21(ESI+)以及340.10(ESI-)。测试物质经标准品二级离子、保留时间验证比对认为分别是4,4′-二氨基二苯硫醚、EAD以及抗氧剂2246。

4,4′-二氨基二苯硫醚是欧盟法规所列出的聚氨酯胶粘剂中可能产生的10种芳香胺[26]外的一种PAA,常用作聚氨酯橡胶的硫化剂。它的出现表明胶水和塑料的生产过程中也可能存在着芳香胺的产生。行业标准SNT 2893—2011[27]基本能涵盖了聚氨酯胶粘剂生产中可能产生的芳香胺的种类,因此采用其规定的26种偶氮标准品。

1.2.2 标准溶液配制

标准品储备液：准确称取0.117 6 g EAD标准品及0.1 g抗氧剂2246标准品,分别用甲醇配制质量浓度为1 000 mg/L的标准溶液母液,用甲醇稀释至300 mg/L后与300 mg/L的26种PAAs混合标准溶液进行混合得到100 mg/L的26种PAAs及2种添加物混合标准储备液,置于-17 ℃储存备用。另将上述储备液稀释为5 mg/L的标准溶液用于质谱条件优化。

混合标准品中间液：准确移取26种PAAs及2种添加物混合标准品储备液0.1 mL于10 mL容量瓶,用甲醇定容得到1 mg/L混合标准中间溶液,于-17 ℃避光保存。

混合标准品工作液：分别准确移取26种PAAs及2种添加物混合标准品中间液于容量瓶,用甲醇配制成0.01～1 mg/L的混合标准工作溶液,经0.22 μm滤膜过滤,-17 ℃保存,储存期为5 d。

1.2.3 样品处理条件

为了避免实验器皿及耗材带来的EAD污染,实验过程避免使用塑料滴管、针式过滤器和注射器等塑料制品,对于移液所需的耗材则通过仪器测量进行甄选,选用污染在信噪比为5以下实验耗材。实验过程中所使用玻璃器皿(量器除外)经反复洗净并测量污染值在检出限之下后使用。

根据欧盟法规NO 10/2011[4]和3种复合包装材料的实际应用条件,选择了(70±2)℃、2 h和(40±1)℃、10 d 2种迁移实验条件,食品模拟物分别选用体积分数为10%乙醇溶液、体积分数为4%乙酸溶液、体积分数为95%乙醇溶液,采用制袋单面迁移的方法,6 dm2食品接触材料及制品接触1 kg的食品或食品模拟物。对每个试验进行3次重复分析。样品采用HPLC-MS分析。

1.2.4 LC-MS条件

液相条件：C18固相萃取柱Agilent EC-C18色谱柱,柱温36 ℃；进样量6 μL；流速：0.6 mL/min；H-ESI+流动相：A为甲醇溶液,B为0.1%甲酸溶液；梯度洗脱程序：0～1.5 min,5% A 95% B；1.5～2.5 min,5%～20% A；2.5～11.0 min,20%～60% A；11.0～12.0 min,60%～80% A；12.0～13.5 min,80% A；13.5～18.0 min,80%～65% A；18.0～20.5 min,65%～5% A；20.5～22.0 min,95% A 5% B。

H-ESI-流动相：A为甲醇溶液,100% A等度洗脱6.0 min；质谱条件：扫描模式SIM；离子源类型H-ESI+,正电喷雾电压4 500 V,离子传输管温度320 ℃,雾化气8 L/h,干燥气温度300 ℃,干燥气流速35 L/h。离子源类型H-ESI-,负电喷雾电压3 000 V,离子传输管温度320 ℃,雾化气8 L/h,干燥气温度300 ℃,干燥气流速35 L/h。

2 结果与分析

2.1 流动相的优化

以Agilent EC-C18为色谱柱,考察不同流动相对26种PAAs及EAD和抗氧剂2246混合标准品的影响。有研究表明,PAAs在甲醇中的信号响应优于乙腈[12]。因此选用甲醇作为实验的的流动相,在此基础上分别比较了甲醇、0.1%甲酸溶液、水和它们不同比例的混合物的响应。结果表明,甲醇-甲酸体系对PAAs的离子化效果、色谱峰分离、信号响应都优于甲醇-水体系。以A为甲醇溶液,B为0.1%甲酸溶液,进一步优化梯度洗脱程序。在洗脱过程中,一方面要调整流动相的极性以及pH值来保证PAAs色谱峰的最优分离效果,另一方面还要兼顾添加剂EAD的出峰效果。在优化的过程中发现与联苯胺质荷比相同的背景峰离子185会对其他芳香胺的出峰产生严重的干扰。为了排除干扰,将联苯胺去除,最终确定25种PAAs及EAD作为目标检测物。26种正离子的标准溶液的色谱图见图1,质谱条件见表1。

图1 26 种正离子目标物的总离子流图

表1 27种目标化学物的质谱条件及质谱定量离子

2.2 检出限、线性范围和线性方程

在最优化的实验条件下,对27种目标物混合标准工作溶液进行检测,以质量浓度(μg/L)为横坐标,以对应峰面积响应为纵坐标,绘制标准工作曲线。结果表明,在对应浓度范围内,27目标物线性关系良好,线性相关系数为0.997 3～0.999 9。由表2可知,除了邻氨基偶氮甲苯、2-氨基-4硝基甲苯、苯胺、对苯二胺外,其余21种芳香胺的检出限(limit of detection,LOD)和定量限(limit of quantitation,LOQ)分别为0.2～5 μg/kg和1～10 μg/kg,低于欧盟规定的10 μg/kg迁移量检出限值。采用标准加入法对试验方法的可靠性进行验证,以3种食品接触材料模拟物(4%乙酸溶液,10%乙醇溶液,95%乙醇溶液)为空白样品,分别添加浓度水平为10、50和200 μg/L的混合标准工作液,按照实验方法进行回收实验,对每个浓度水平平行测定3次,27种目标物的加标回收率均在76.9%～108.2%,相对标准偏差为4%～12.5%。

表2 27种目标化学物的线性方程、相关系数、LOD及LOQ(n=3)

2.3 目标物迁移结果

在40 ℃的条件下,PET/PE实验组中检测到了4种PAAs(图2),分别是2,4-二氨基苯甲醚、3,3′-二甲氧基联苯胺、4,4′-二氨基二苯硫醚和邻甲苯胺。在70 ℃/2 h的实验中,如图3所示,3,3′-二甲氧基联苯胺和邻甲苯胺未检出,取而代之的是一种新的芳香胺——3,3′-二甲基-4,4′-二氨基二苯甲烷。对这些检出的芳香胺进行比较发现,除了酸性模拟物中4,4′-二氨基二苯硫醚(图2-c图3-c)在70 ℃条件下比40 ℃的条件下的迁移量略高之外,其余的PAAs在40 ℃条件下比70 ℃具有更多的迁出种类以及更高的迁移量。上述差别可能与迁移时间有关。芳香胺的迁移是一个持续的过程,在70 ℃/2 h的条件下,虽然温度升高可能导致迁移速率增加,但由于迁移时间较短,因此最终的迁移量要比40 ℃/10 d要低。另外,新的芳香胺的出现意味着在高温条件下存在更多芳香胺迁出的可能性。

图2 40 ℃/10 d条件下2种材料中初级芳香胺在3种模拟物中的迁移量

图3 70 ℃/2 h条件下2种材料中初级芳香胺在3种模拟物中的迁移量

2种添加剂也有不同程度的迁出,见图4和图5。EAD在油性模拟物中最易迁出,在酸性模拟物中迁出量非常小,在中性模拟物中不迁出。实验材料和实验条件对其迁移的影响不大。另一种添加剂抗氧剂2246仅在油性模拟物中有检出。其镀铝复合膜与未镀铝复合膜的结果基本相同,因此材料带来的影响非常小。而迁移条件的影响十分显著：抗氧剂2246在40 ℃的条件下迁移非常的微弱,而在70 ℃/2 h的条件下大大增强。

图4 不同条件下2种材料中芥酸酰胺在3种模拟物中的迁移量

图5 不同条件下2种材料中抗氧剂2246在3种模拟物中的迁移量

不同的实验材料产生的迁移结果也存在着差异。在实际的复合膜生产过程中,PET/PE的上胶量相对PET/AL/PE小,一般认为PET/AL/PE中PAAs的含量会更高。而从图2-a、b、c中可以看到PET/AL/PE材料中3种芳香胺的迁出量明显低于PET/PE材料,甚至存在未检出的情况,据此测镀铝层对芳香胺的迁出有一定的阻碍效果。不过该现象并没有在70 ℃的实验中以及添加剂的迁移中重现,这说明镀铝层可能只在较低温度的条件下(40 ℃)产生阻隔效果,在高温条件下会失效。

图2和图3还体现出PAAs在3种食品模拟物中迁移行为的差异。PAAs主要集中在中性模拟物及油性模拟物中,而酸性模拟物中仅有2,4′-二氨基二苯硫醚(图2-c、图3-c)和3,3′-二甲氧基联苯胺(图3-a)被检出。导致PAAs迁移行为的差异的原因可能有2个：一是由于PAAs的极性不同,导致在不同模拟物对不同芳香胺的溶解能力不同,从而产生了差异;另一个原因是pH值对PAAs的迁出产生了影响。这个现象不是特例,在其他风险物的迁移研究中已有体现：pH 4.0～7.0,pH值越低,邻苯二甲酸酯的迁移量越高[28]。PAAs含有氨基呈碱性,在酸性模拟物会与乙酸发生反应,这就导致其在酸性模拟物中的加标回收率普遍比另2种食品模拟物低。除此之外,在迁移的过程中PAAs的氨基官能团可能与酸性模拟物中的氢离子产生了分子间的作用力,阻碍了PAAs的迁移。这个结果对现实中各类食品接触材料中PAAs的检测有着一定的指示作用,即对酸性食品的风险较小,而中性食品和油性食品的风险较大,需要进行重点关注。

2.4 安全评估

对实验结果进行安全评估。由于目前我国现行法规仅有GB 9683—1988规定了甲苯二胺的限量,因此对于本研究中的PAAs均参照欧盟标准进行安全评估。(EU)2020/1245法规中规定到：PAAs不得检出,对于列入(EU)1907/2006/REACH附录XVII第43条附录8,但未在(EU)No 10/2011有迁移限量要求的PAAs,设定每一项的限值为2 μg/kg,其他种类的PAAs的迁移总量限值为10 μg/kg。表3、表4给出了2种复合膜在不同实验条件及不同模拟物中的迁移量,可以看到4,4′-二氨基二苯硫醚和邻甲苯胺的特定迁移量远远高于标准,而其他的PAAs的总迁移量也严重超标,存在极大的安全风险。

表3 PET/PE复合包装中27种化学物在不同条件下的迁移量 单位：μg/L

表4 PET/AL/PE复合包装中目标物在不同条件下的迁移量 单位：μg/L

2种塑料添加剂中抗氧剂2246在国标GB 9685—2016和欧盟标准(EU)No 10/2011中均规定了“抗氧剂2246与抗氧剂245的总限量为1 500 μg/L”。由于本实验中未发现抗氧剂245,因此直接对表3和表4中抗氧剂2246的迁移量进行评估,结果为抗氧剂2246的迁移量远远低于限量,安全风险较低。

由于欧盟标准(EU)No 10/2011与国标GB 9685—2016中并未规定具体迁移限量,因此采用毒理学关注阈值法(TTC)计算出EAD及抗氧剂2246理论允许迁移量(μg/kg),按公式(1)计算。

EDI=migration×food intake×fc

(1)

式中：EDI为估计每日摄入量[mg/(人·d)],Cramer结构类I化合物对应EDI值为1 800 μg/(人·d),0.09/(人·日)；food intake,每人每天食物摄入量,3 kg；fc,消费因子,0.12。

由此得到,Cramer结构类I化合物对应理论允许最大迁移量为5 000 μg/kg,表3及表4所示的EAD的迁移量在TTC所计算限量要求之内,从理论上认为是安全的。

3 结论

本研究建立了同时测定PET/PE复合包装中25种PAAs及2种添加物EAD和抗氧剂2246的高效液相色谱-串联质谱方法,准确、快速地测定PET/PE复合膜和PET/AL/PE复合膜在40 ℃/10 d和70 ℃/2 h 2种迁移条件下及体积分数为4%乙酸溶液、体积分数为10%乙醇溶液、体积分数为95%的乙醇溶液3种模拟物中的迁移量,并进行探究讨论。迁移结果表明：40 ℃/10 d条件下迁移出的PAAs种类及迁移量均高出70 ℃/2 h下的迁移。对于EAD,它的迁移几乎不会因温度的改变而发生变化。对2种复合膜的迁移进行比较发现,在较低使用温度(40 ℃)下,复合膜镀铝可以有效地减少芳香胺及添加物的迁出。检出的芳香胺在3种模拟物的迁移行为存在着差别。PAAs的极性差异使得它们在不同模拟物的溶解性不同。pH值也会对PAAs的迁移产生影响：PAAs是碱性有机物,酸性条件对其迁移会产生阻碍。因此PAAs主要在中性模拟物和油性模拟物中迁出,在酸性模拟物中的迁出种类少,迁移量也大幅降低。最后,对迁移结果进行安全评估：对国标和欧标中没有明确规定限量的EAD用TTC法进行评估发现EAD的迁移量低于TTC估算的安全阈值,因此理论上认为是安全的。抗氧剂2246迁移量也远小于欧盟规定的限量,安全风险较小,而检出的芳香胺浓度均不能够满足欧盟标准的要求,存在安全风险。