60Co-γ辐照对食品接触用复合包装袋中挥发性化合物的影响

赵子青, 李佳怡, 林勤保, 叶智康, 李 河

（1. 山西锦烁生物医药科技有限公司, 山西 晋中 030600；2. 暨南大学 包装工程研究所, 广东 珠海 519070；3. 中北大学 化学工程与技术学院, 山西 太原 030051）

辐照技术是源自核技术的新型食品杀菌技术, 是现今食品加工领域的高新技术之一, 其原理是用放射性同位素60Co或137Cs产生的γ射线或电子加速器产生的高能电子束对食品及其包装进行辐射, 加速食品中病原微生物和其他腐败细菌的凋亡以达到防腐保鲜的效果, 可用于预包装食品的杀菌[1-5］。国际原子能机构（IAEA）公布了医疗器械中可用于电离辐射杀菌的塑料材料, 包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、尼龙（PA）等[2, 5-6］。

辐照技术一方面可提升食品及包装杀菌保鲜过程的加工效率, 有效延长食品保存期；另一方面则会引起塑料包装中高分子的降解、交联、接枝共聚等化学反应, 从而导致塑料包装外在性状的变化, 影响包装的使用观感和效果, 并可能生成许多低分子量的辐解产物, 影响食品安全[7-10］。目前针对塑料材料辐解产物的检测方法主要有气相色谱-质谱联用法（GC-MS）[11-13］、顶空气相色谱-质谱法（HS/GC-MS）[14］、固相微萃取/气相色谱-质谱联用技术（SPME/GC-MS）[15-17］、液相色谱-质谱联用法（LC-MS）[18］等。Oliveira等[19］采用HS-SPME结合GC-MS方法, 分析了γ辐照后柔性多层食品包装样品生成的主要挥发性辐解产物, 包括1, 3-二叔丁基苯、2, 6-二叔丁基-1, 4-苯醌、4-叔丁基苯酚及异味化合物丁酸和戊酸等。Chytiri等[20］测定了伽玛辐照（5～60 kGy）后PA与原生或回收低密度聚乙烯（LDPE）复合食品包装膜中的挥发性和非挥发性辐解产物及膜感官变化, 发现复合膜产生了大量的放射性裂解产物, 如烃类、醇类、羰基化合物、羧酸等, 且产物的数量和浓度随着辐射剂量的增加逐渐增加, 回收LDPE中未检出新的化合物。Demertzis等[13］采用GC-MS法研究了γ辐照（44 kGy）对6种食品药品软包装材料中辐解产物组成的影响, 结果表明辐照后PE和PP中的低挥发性化合物有所增加, PVC材料不耐辐照, 产生大量挥发性物质, 而PET、PA和聚苯乙烯（PS）中化合物的量无显著变化。Félix等[17］采用SPME/GC-MS法研究了多层PA-6薄膜辐照（3～12 kGy）后的降解产物, 鉴定出己内酰胺、2-环戊基环戊酮和癸醛等物质。王旖旎等[21］采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UPLCQTOF MS）方法对商用PVC/PE复合材料中的潜在迁移物质进行鉴定, 并对其迁移行为进行研究, 检出抗氧化剂、增塑剂、粘合剂等助剂的辐解产物、低聚物及非有意添加物（NIAS）等物质共30多种, 所有添加剂对水的迁移均不明显, 而对40%和95%乙醇的迁移均遵循Fick扩散行为。赵胜男等[22］研究了复合PE薄膜中芥酸酰胺在不同剂量60Co-γ辐照下的稳定性, 结果表明, 随着辐照剂量的增加, 薄膜中的芥酸酰胺含量先升高后降低, 且向脂肪食品模拟物中的迁移量随辐照剂量的增加缓慢上升。

塑料材料受到辐照后, 低分子量的挥发性有机化合物（VOCs）更容易释放。本实验采用HS/GC-MS结合化学计量学方法, 对辐照前后复合食品包装袋中释放的VOCs的组成与释放量进行分析, 旨在探讨辐照对复合塑料包装VOCs组成的影响。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

于网络随机购买不同材质及用途的各类复合食品包装袋共19种, 具体材料信息见表1。

表1 样品信息Table 1 Information of samples

正构烷烃（C7～C40, 1 000 mg/L）购于上海Sigma-Aldrich公司。

1.2 仪器与设备

Q（H）型60Co-γ辐照装置（北京三强核力辐射工程技术有限公司）；7890A-5975C型气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）、7697A型顶空自动进样器、顶空瓶（20 mL）（美国安捷伦科技有限公司）；AR224CN型电子天平（中国奥豪斯仪器有限公司）。

1.3 实验方法

1.3.1 60Co-γ辐照方法将19种复合包装袋在室温下进行动态辐照处理, 辐照源为60Co-γ射线放射源, 实际装源量1 200 kCi, 剂量率20 Gy/min, 辐照气氛为大气环境, 以重铬酸钾（银）跟踪样品吸收剂量计, 测定条件为440 nm、25℃, 辐照剂量为5 kGy和10 kGy。辐照设备及技术由广州辐锐高能技术有限公司提供。

1.3.2 样品制备将辐照前后的包装材料裁剪为约5 mm×5 mm大小的碎片, 分别准确称取1. 0 g样品（精确至0. 01 g）于20 mL顶空瓶中, 压盖封口, 上机检测。每种样品取3个平行。

1.3.3 HS/GC-MS条件平衡温度：120℃；定量环温度：130℃；传输线温度：140℃；平衡时间：30 min；GC循环时间：43 min；压力平衡时间：1 min。

色谱条件：色谱柱：DB-5MS毛细管柱（30 m×0. 25 mm×0. 25μm, 苯基亚芳基聚合物, 美国Agilent公司）；升温程序：初始温度50℃, 保持2 min, 以5℃/min的速率升至150℃, 再以10℃/min的速率升至280℃, 保持3 min（共38 min）；进样口温度：250℃；载气（He, 纯度＞99. 999%）流速：5. 0 mL/min；进样量：1μL；进样方式：分流进样, 分流比5∶1。

质谱条件：电子轰击离子源；电子能量70 eV；传输线温度280℃；离子源温度230℃；四极杆温度150℃；全扫描（SCAN）模式；质量扫描范围：m/z 40～700。

1.3.4 HS/GC-MS条件优化平衡温度优化：分别称取0. 5 g（精确至0. 01 g）S17、S18、S19号样品, 在60、80、100、120℃下平衡30 min, 通过HS/GC-MS测定样品中的挥发性物质。每种样品取2个平行。

平衡时间优化：分别称取0. 5 g（精确至0. 01 g）S17、S18、S19号样品, 在120℃下分别平衡20、30、40、50 min, 通过HS/GC-MS测定样品中的挥发性物质。每种样品取2个平行。

取样量优化：分别称取0. 2、0. 5、1. 0、2. 0 g（精确至0. 01 g）S18号样品, 在120℃下平衡30 min, 通过HS/GC-MS测定样品中的挥发性物质。每种样品取2个平行。

1.3.5 挥发性化合物的定性分析对复合包装材料进行非靶向物质筛查时, 由于检出物质组成十分复杂, 采用人工解析非常繁琐且耗时。本文使用MS-DIAL软件（v4. 48, http：//prime. psc. riken. jp/compms/msdial/main. html）进行处理, 该软件支持自动峰值检测、解卷积、对齐、减除空白、结合保留指数（RI）识别等功能解释数据。

MS-DIAL参数：峰检测最小峰高为1 000, sigma窗口值为0. 5, 解卷积EI光谱截断值为10, 保留时间允许值为0. 5 min, EI相似性为70%, 分值截断值为70%。将所得质谱图与NIST 14谱库进行比对。手工检查生成的化合物列表, 剔除对比总评分与RI相似度低于80分的数据, 以确保识别的准确性。

由于MS-DIAL不提供所识别物质的CAS编号, 文中所有已鉴定化合物的CAS编号与信息均参考自PubChem（https：//pubchem. ncbi. nlm. nih. gov/）与Chemical Book（https：//www. chemicalbook. com/）。采用Toxtree（v3. 1. 0. 1851）中的Cramer决策树评估所鉴定化合物的风险等级, Ⅰ～Ⅲ级分别为低风险、中风险与高风险等级。

1.3.6 数据处理与多元统计分析热图可视化分析：使用TBtools[23］软件对不同紫外照射时长的样品中的目标物质峰面积进行数据处理与热图绘制。

统计分析：采用SIMCA 14. 1（Umetrics, Umeå, Sweden）对不同辐照时长的各样品进行正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）。分析前, 所有数据进行转置和对齐处理, 消除零值占比75%以上的变量, 并将剩余变量中的零值替换为该变量中最小正值的二分之一。通过模型R2X、R2Y和Q2评估OPLS-DA模型的解释度, 其中R2X和R2Y代表矩阵X和矩阵Y的解释方差, R2的值越高则适应性越好, Q2代表模型的预测能力。通过置换检验（n=200）判定模型是否存在过度拟合。

OPLS-DA在PLS-DA的基础上进行正交变换的矫正, 分析数据时, 样本间的分组关系已知, 属于有监督模式的模型方法, 确立样本关系效果更好。在OPLS-DA模型中投影变量重要度（Variable importance in the projection, VIP）可用于筛选对分类有较大贡献的化合物, 本研究选择VIP值大于1的物质为重点关注物质。

2 结果与讨论

2.1 辐照条件优化

图1为未辐照和经10 kGy辐照后S17、S18、S19三种样品分别在120℃条件下平衡20、30、40、50 min时所检出物质的总峰面积。由图可知, 经10 kGy辐 照后, S18和S19样品在平衡30 min时总峰面积最大；对于未辐照的样品, S17样品在平衡30 min时总峰面积最大, 而未辐照的S18和S19样品检出物质的总峰面积随平衡时间的增长变化不大。综合考虑选择平衡30 min。

图1 60Co-γ辐照前后S17、S18、S19三种样品于不同平衡时间检出物质的总峰面积对比（120℃, 0. 5 g）Fig. 1 Comparison of total peak areas of detected substances in S17, S18 and S19 samples before and after60Co-γirradiation at different equilibrium times（120℃, 0. 5 g）

图2为10 kGy辐照前后S17、S18和S19三 种样品分别在60、80、100、120℃下平衡30 min时所检出物质的总峰面积。由图可知, 未辐照和经10 kGy辐照后的3种样品在120℃下平衡时检出物质的总峰面积均最大, 故选择平衡温度为120℃。

图2 60Co-γ辐照前后S17、S18、S19三种样品于不同平衡温度下检出物质的总峰面积对比（30 min, 0. 5 g）Fig. 2 Comparison of total peak areas of detected substances in S17, S18 and S19 samples before and after60Co-γirradiation at different equilibrium temperatures（30 min, 0. 5 g）

考察了取样质量分别为0. 2、0. 5、1. 0、2. 0 g的S18样品分别在未辐照和经10 kGy辐照后于120℃温度下平衡30 min时所检出物质的总峰面积。结果显示, 10 kGy辐照后的样品在1. 0 g取样量时检出物质的总峰面积最大, 2. 0 g时反而降低。这是因为取2. 0 g时样品过多, 在辐照后轻微熔融聚集成较密集的团状物, 使气体难以向外扩散。而未辐照样品的总峰面积随取样量的上升而增大, 但1. 0 g与2. 0 g时相差不大, 故选择取样量为1. 0 g。

2.2 60Co-γ辐照前后复合包装中的VOCs组分分析

通过HS/GC-MS法对辐照前后复合食品包装袋中的挥发性成分进行筛查, 共确定74种VOCs, 将其按官能团划分为烷烃类、烯烃类、醇类、醛类、酯类、酮类和其他7个类别, 且以烃类物质为主, 见表2。聚合物受到辐照时会产生自由基, 与氧气接触时还会发生热氧化反应, 导致聚合物降解, 生成的产物通常为烷烃、烯烃、酮类和醛类物质[24-25］, 其他（如部分醇类、醛类、酯类、酮类、环状烃类等）物质可能来自于添加剂或粘合剂的降解、原料中存在的反应中间体或生产储运过程中的污染物, 也可能来自于材料中的挥发性添加剂。

表2 60Co-γ辐照前后复合包装材料中VOCs及其相对含量的HS/GC-MS筛查清单Table 2 HS/GC-MS screening checklist for VOCs and their relative content in composite packaging materials before and after60Co-γirradiation

（续表2）

在74种VOCs中, 包含2种CramerⅡ级物质4-甲基-2-庚酮（No. 59）、2, 6-二叔丁基苯醌（No. 72）和17种CramerⅢ级物质, 包括双环[3. 2. 0］庚-3, 6-二烯（No. 38）、3-丁炔-1-醇（No. 44）、4-戊炔-2-醇（No. 45）、2-硝基乙醇（No. 47）、磷酸三乙酯（No. 55）、3-羟基-3-甲基-2-丁酮（No. 58）、异丁腈（No. 60）、异丙基过氧化氢（No. 61）、环丙基甲基胺（No. 63）、甲基二硫化氢（No. 64）、5-甲基 唑烷（No. 66）、N-仲丁基正丙胺（No. 67）、O-戊基羟胺（No. 68）、二叔丁基过氧化物（No. 69）、2, 2'-亚乙基双（5-甲基呋喃）（No. 70）、己内酰胺（No. 71）、1-碘-2-甲基十一烷（No. 74）。

图3为19种样品辐照前后VOCs总峰面积的对比图, 可以看出辐照后19种不同材质的复合食品包装袋中VOCs的总检出量均有所上升, 且随辐照剂量的上升而增加。根据样品材质及图3中VOCs总量选择有代表性的几种材料（S1、S6、S8、S9、S13、S16）, 对其辐照前后各类VOCs的总含量绘制雷达图, 如图4所示。可以看出, 各类物质均存在随辐照剂量上升而增长的趋势。在所有材料中, 醛类检出量都不多, 烷烃类、醇类、酯类和其他类物质检出量较大, 酮类物质只在S1和S8样品中检出量较高, 可推测酮类物质主要来自这两种样品中CPP的降解, 烯烃类物质只在S6样品中检出量较高。由于辐照会增大材料降解程度, 并促进挥发性降解产物的生成, 复合包装袋中VOCs的释放量随辐照剂量的增加而递增, 说明辐解产物对复合包装材料中VOCs的组成有较大影响。

图3 复合食品接触材料样品经60Co-γ辐照前后的VOCs总峰面积变化Fig. 3 Comparison of total VOCs peak areas of 19 samples before and after60Co-γirradiation

图4 6种典型样品经60Co-γ辐照前后各类物质总峰面积的雷达图Fig. 4 Radar diagrams of total VOCs peak areas of all kinds of substances of 6 samples before and after60Co-γirradiation

2.3 60Co-γ辐照对复合包装中VOCs的影响

在辐照前后的全部样品中共检出74种物质, 其中部分物质含量受辐照行为影响而发生变化。为了探究辐照对复合包装材料挥发性物质含量的影响, 采用OPLS-DA模型分析各材料辐照前后的得分差异。按是否经过辐照处理将所有样品分为两组, OPLS-DA模型（图5A）分析结果表明, 材料中VOCs组成在辐照前后具有显著差异。模型解释度为R2X（cum）=0. 747, R2Y（cum）=0. 979, Q2（cum）=0. 972。一般来说, R2X和Q2高于0. 5时结果较好, 因此该模型分析结果可信。在OPLS-DA模型中, VIP值是区分变量对模型贡献度的重要指标, 通常, VIP＞1的变量可认为是对不同样本组间进行区分起重要作用的变量[26-27］。如图5B所示, 74种检出物质中VIP＞1的变量共有17种, 说明这17种物质是对辐照导致复合包装中VOCs产生差异贡献较大的物质, 将其列为重点关注物质, 并对所有VIP＞1的变量计算平行实验所得的平均峰面积（表3）。对OPLS-DA模型进行200次置换检验（图5C）, 得到R2=（0. 0, 0. 171）, Q2=（0. 0, -0. 295）, 且R2和Q2的模拟值均小于真实值, 因此模型不存在过拟合现象。

图5 60Co-γ辐照前后复合包装样品中VOCs化学计量学统计结果Fig. 5 Stoichiometric statistics of VOCs in composite packing samples before and after60Co-γirradiation

如表3所示, 在17种高关注物质中, 大多数物质的检出量均呈现随辐照剂量升高而增长的趋势, 但2, 5-二叔丁基酚（No. 73）在大多数材料中呈现随辐照剂量的升高, 检出量先增长后降低的趋势, 即在10 kGy辐照的材料中检出量较5 kGy辐照的材料中低, 但高于未辐照材料。

表3 60Co-γ辐照前后复合包装样品中重点关注挥发性物质（VIP＞1）清单Table 3 List of volatile substances of focus（VIP＞1）in composite packing samples before and after60Co-γirradiation

（续表3）

（续表3）

在17种物质中, 异辛烷（No. 2）、6-甲基十二烷（No. 25）、4-甲基-1-己烯（No. 35）、5-甲基-2-己烯（No. 36）、正戊醛（No. 49）、2-戊酮（No. 57）、3-羟基-3-甲基-2-丁酮（No. 58）可能来自于复合材料中聚合物层的降解, 包括分子链的断裂与材料中添加剂的辐解和氧化等。聚合物受到辐照时通常断裂（及降解）与交联同时发生, 且在真空或惰性环境下常以交联为主, 聚合物分子链通过桥式化学键互相连接；而有氧环境下则通常以断链为主, 生成许多小分子烃类化合物, 与氧结合后进一步生成醛类或酮类物质[21, 28］。其中部分物质也可能来自生产加工时原料中残留的杂质或中间产物等, 如正戊醛（No. 49）可以合成有机溶剂2-丙基-1-庚醇（2-PH）, 而2-PH是生产增塑剂和表面活性剂的一类原料；2-戊酮（No. 57）常用作合成树脂涂料的有机溶剂；3-羟基-3-甲基-2-丁酮（No. 58）也作为光引发剂使用。

一些醇类、酯类和醚类物质（No. 48、52、53、54）可能来自于复合包装材料中的添加剂或粘合剂。如丙二醇（No. 48）在包装行业用途广泛, 主要用于合成不饱和聚酯、环氧树脂、聚氨酯树脂等, 也可用于合成增塑剂、表面活性剂和乳化剂等。乙酸丙酯（No. 53）和异丁醚（No. 62）主要用于油墨、涂料等, 也是油墨和粘合剂中常见的溶剂, 由于在印刷或复合过程中溶剂往往不能全部挥发, 进而造成在包装材料中的残留[29］。

环丙基甲基胺（No. 63）可认为是来自材料中烷基胺类添加剂的降解, 烷基胺是指烃类（包括链烃类和脂环烃）的氨基取代物, 在塑料制品生产中一般作为亲核型固化促进剂使用, 能同时对环氧树脂和酸酐起双重作用[30］。甲基二硫化氢（No. 64）可能来自于复合包装材料中巯基化合物的氧化降解, 如塑料工业中常用的稳定剂巯基乙酸异辛酯、交联剂巯基乙醇等。两个巯基氧化脱水可生成一个二硫键, 因此可以推测甲基二硫化氢是添加剂氧化反应的产物。2, 6-二叔丁基苯醌（No. 72）仅在未辐照产品中不检出或检出量极低, 推测其为2, 6-二叔丁基苯酚的氧化产物。2, 6-二叔丁基苯酚既是一种抗氧剂, 也用于制造多种抗氧剂和光稳定剂, 受辐照后可与氧反应生成2, 6-二叔丁基苯醌。

2, 5-二叔丁基酚（No. 73）的检出量在部分材料中随辐照剂量的增加而增加（S2、S6、S12、S14、S15、S16）, 但在其余大部分材料中的检出量随辐照剂量的增加先升高后降低。2, 5-二叔丁基酚常作为抗氧剂、紫外吸收剂等用于橡胶、塑料或粘合剂的生产加工, 辐照虽然可加速聚合物的降解, 促进2, 5-二叔丁基酚的析出, 但随着辐照剂量增大, 部分材料中的2, 5-二叔丁基酚可能与辐照产生的自由基反应, 导致检出量下降。

3 结 论

本实验采用HS/GC-MS结合化学计量学方法对市面上的19种商用复合膜在60Co-γ辐照前后的VOCs组成进行研究, 共筛查出74种VOCs, 以烷烃和烯烃类物质为主, 其次是醇类、酯类和酮类物质, 这些物质主要来源于聚合物的降解。通过对样品VOCs总峰面积的比较发现, 19种样品的VOCs总含量均随辐照剂量的增加而上升, 其中烷烃类、醇类、酯类和其他类物质检出量较大, 也呈随辐照剂量增加递增的趋势, 表明辐照后复合包装袋中的VOCs主要以降解产物为主, 且辐照处理令降解程度加深, 并促进了挥发性降解产物的生成。根据OPLS-DA分析结果, 辐照前后的样品差异明显, 并由VIP值筛选出17种对辐照前后复合材料差异贡献较大的物质, 这些物质大多为材料的降解产物, 含量随辐照剂量的增加而递增, 但2, 5-二叔丁基酚在大部分材料中呈现检出量随辐照剂量增加先升高后降低的趋势, 这可能是因为辐照程度加深后, 2, 5-二叔丁基酚发生了进一步的反应, 导致检出量下降。综上所述, 辐照可促进复合包装材料的降解, 导致材料中降解产物的种类和含量增长, 进而导致VOCs的释放量增加, 成分更加复杂, 辐照处理时应多加关注。