基于GC-MS和化学计量法探究边角料添加比例对食品接触用再生PE薄膜的影响

郭 盼, 曾少甫, 3, 朱 蕾, 吴永宁, 王志伟, 3*, 胡长鹰, 2*

（1. 暨南大学 包装工程学院, 广东省普通高校产品包装与物流重点实验室, 广东 珠海 519070；2. 暨南大学食品科学与工程系, 广东 广州 510632；3. 暨南大学 力学与建筑工程学院, 广东 广州 510632；4. 国家食品安全风险评估中心, 北京100022）

塑料被广泛应用于食品包装, 其需求呈指数性增长。再生聚乙烯（PE）作为第二大食品接触塑料包装材料, 可通过挤出流延、吹塑成型等方式加工制备各种包装容器或薄膜等制品, 其制品具有良好的机械性能、加工性能以及优异的阻隔性能。食品接触用塑料约占塑料使用量的27. 9%[1］, 而塑料包装回收率仅为14%[2］, 其中大部分被填埋或焚烧, 造成环境污染和资源浪费。目前已有多位学者和相关机构证实食品接触用PE材料可实现同级回收[3-7］, 使其再次应用于食品包装。

针对食品接触用再生塑料的研究主要集中在“瓶对瓶”闭环回收模式。由于分拣难度大、脱墨处理复杂、复合薄膜回收技术不发达等问题, 导致薄膜回收技术尚不成熟。目前, 回收薄膜的主要来源是工业边角料和消费后薄膜, 而消费后的薄膜会受到复杂流通环境、污染物等因素的影响, 其回收难度较高, 因此加工后废弃边角料的闭环回收成为薄膜回收的重点关注方式[7-9］。欧盟允许将边角料、加工废料作为回收材料使用, 并更新相关法规确定安全评估程序以取代原有法规[10］。美国食品药品监督管理局（FDA）《在食品包装中使用再生塑料的注意事项：化学方面的考虑》行业指南中, 提出了“初级再生”边角料的概念, 不同于消费后回收的塑料, 未经消费使用的边角料可作为食品接触材料使用[11］。

欧洲食品安全局（EFSA）批准少量高密度聚乙烯（HDPE）硬质包装可作为食品接触材料使用[4-5］, 但食品接触用再生PE薄膜的安全性研究仍处于实验室阶段。Radusin等[3］对再生PE作为中间层的食品接触用复合塑料进行迁移研究, 发现样品在95%乙醇食品模拟物中的总迁移量均低于10 mg/dm2, 抗氧剂及其降解产物、增塑剂、低聚物等化合物的特定迁移量（SML）均在规定限值内, 但未进行再生PE作为直接接触食品内层的迁移研究。Curtzwiler等[6］研究发现不同比例再生料的HDPE样品萃取残留物均符合美国联邦法规的食品接触材料应用要求, 但未使用食品模拟物进行迁移研究。边角料作为工业生产中被忽略的回收材料, 尽管未受到消费、回收等过程的污染, 其作为食品接触用回收塑料的安全性还有待研究, 需要进一步关注含边角料食品接触用再生PE材料中潜在的风险物质。已有学者使用化学计量法鉴别原生和再生聚合物, 取得良好的效果[12-13］。为了探究边角料含量对再生PE薄膜的影响, 可使用化学计量法对PE薄膜中边角料比例进行评估分类。

本研究采用不同比例边角料制备再生PE薄膜样品, 对其进行颜色、总迁移量测定, 利用气相色谱-质谱联用（GC-MS）结合MS-DIAL和保留指数对挥发性化合物进行非靶向筛查, 并建立主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘-判别分析（OPLS-DA）模型对特征化合物进行筛选, 以分析不同比例边角料对再生PE薄膜样品的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

食品接触用PE颗粒和破碎后PE边角料（同一批次）均由浙江某公司提供；二氯甲烷、乙醇（色谱纯, 上海麦克林生化科技有限公司）；冰乙酸（分析纯, 上海麦克林生化科技有限公司）；正构烷烃（C7～C40, 1 000 mg/L, 上海安谱璀世标准技术服务有限公司）。UltraScan PRO型分光测色仪（美国HunterLab公司）；DRK203B薄膜测厚仪（济南德瑞克仪器公司）；JYLG-30型双螺杆挤出流延机（广东金中河机械有限公司）；Agilent 7890A-5975C气相色谱-质谱仪（美国Agilent公司）；DHG-9140A型电热鼓风干燥箱（上海精宏仪器设备有限公司）；AR224CN电子天平（奥豪斯仪器有限公司）。

1.2 总迁移量实验

根据GB 31604. 1-2015[14］要求, 总迁移条件为70℃, 2 h, 选取4%（体积分数, 下同）乙酸、10%乙醇、50%乙醇、95%乙醇为食品模拟物, 选用直径75 mm的迁移池, 参考GB 31604. 8-2021[15］实验步骤对样品进行总迁移量的测定, 做3组平行并设置空白组。计算公式如下：X=（m1-m2）V/（V1S）。式中：X为总迁移量（mg/dm2）；m1为样品浸泡液残渣的质量（mg）；m2为空白浸泡液残渣的质量（mg）；V为浸泡液总体积（mL）；V1为样品浸泡液体积（mL）；S为样品与浸泡液的接触面积（dm2）。

1.3 GC-MS仪器条件

气相色谱条件：色谱柱：DB-5MS（30 m×0. 25 mm×0. 25μm）；升温程序：50℃保持1 min, 以15℃/min升至300℃, 保持8 min；载气（氦气）流速：1. 2 mL/min；进样量：1μL；不分流；传输线温度：280℃。

质谱条件：电子轰击离子源（EI源）；电离能量：70 eV；离子源温度：230℃；四极杆温度：150℃；检测方式：全扫描模式；溶剂延迟：3 min；选择离子监测模式；质量扫描范围（m/z）：50～650。

1.4 实验方法

1.4.1 样品制备与处理将破碎的边角料与PE原生母粒分别按质量比0%、3%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、50%、75%、100%混合均匀, 在40℃下烘干2 h。含不同比例边角料的再生PE薄膜样品由双螺杆挤出流延机制得。熔融区温度分别为：175、180、185℃；合流区和模具区温度均为185℃；主机螺杆转速为20 rad/min, A、B、C辊轮速度分别为10、10、11 rad/min。使用UltraScan PRO型分光测色仪测得并记录每个样品的颜色参数L*、a*、b*, 每种样品平行测定5次。

将样品剪成规格约5 mm×5 mm的碎片, 称取1. 00 g（精确至0. 01 g）样品于试管中, 加入15 mL二氯甲烷, 密封后超声萃取0. 5 h, 过0. 22μm有机滤膜, 取1 mL提取液于进样小瓶, 待检测。

1.4.2 正构烷烃混合标准溶液配制取正构烷烃（C7～C40）标准品稀释至1 mg/L, 按照“1. 3”实验条件上机检测, 结合NIST17谱库和线性升温公式计算保留指数[16］。

式中：RI为保留指数；n为正构烷烃碳数；tx为被测组分的保留时间（min）；tn为碳数为n的正构烷烃的保留时间（min）；tn+1为碳数为n+1的正构烷烃的保留时间（min）；且tx＜tn＜tn+1。

1.4.3 数据处理使用MS-DIAL和NIST17质谱库, 结合保留指数, 对所有挥发性化合物进行定性。NIST17谱库可增加检索结果的可信度, MS-DIAL能对化合物的色谱峰进行解卷积分析, 提高重叠峰的解析能力。参数设置如下：质量数分析范围50～650 Da, 最小峰高1 000, 定性时保留指数容差为20%, 保留时间容差为0. 5 min, 质荷比容差为0. 5 Da, EI相似度为70%, 总体得分不低于70%。峰对齐处理时设置保留指数容差值为20%, EI相似度不低于70%。

将扣除空白值的定性数据矩阵导出, 对数据进行lg对数变换以缩小最大最小数据间的差异, 导入SIMCA软件建立PCA、OPLS-DA模型。

2 结果与讨论

2.1 再生薄膜色差分析

图1为实验室自制不同比例边角料的再生PE薄膜样品, 成卷样品外观颜色存在明显差异。借助分光测色仪测定样品的颜色指标（样品叠加至厚度1 mm）, 以原生薄膜为参考进行颜色参数ΔE*分析, 结果如表1所示。再生PE薄膜的L*、b*均比原生薄膜暗黄, b*随边角料比例的增加呈上升趋势, 且添加比例为75%、100%的样品与原生薄膜具有显著性差异, 这是由于边角料在破碎、电晕处理、破碎、熔融过程中发生氧化降解, 生成羰基、过氧化羟等发色官能团和自由基[3, 6, 17］。再生PE薄膜样品（厚度1 mm）的色差值ΔE*在2. 0～6. 0之间, 能够肉眼分辨颜色差异[18］, 但单层薄膜较薄, 添加边角料的再生薄膜实际色差引起的感官影响可忽略不计。

表1 不同比例边角料再生PE薄膜的色差分析（n=5）Table 1 Analysis of color difference of recycled PE films with different proportions of scraps（n=5）

图1 食品接触用再生PE薄膜样品图Fig. 1 Sample diagram of recycled PE film for food contact

2.2 再生薄膜总迁移量的测定

为验证添加边角料样品的安全性, 对样品的总迁移量进行测定。如图2所示, 原生和再生PE薄膜（100%边角料）在4种食品模拟物中的总迁移量均小于GB 4806. 7-2016[19］规定的塑料制品总迁移量限量标准10 mg/dm2。原生和再生PE薄膜在不同食品模拟物中的迁移量无显著性差异, 说明加入边角料对总迁移量的影响不明显。

图2 原生与再生PE薄膜在4种食品模拟物中的总迁移量（n=3）Fig. 2 Overall migration of virgin and recycled PE films in four food simulants（n=3）

2.3 再生薄膜GC-MS筛查

分别对不同边角料比例的再生PE薄膜样品进行GC-MS非靶向筛查, 总离子流图如图3所示。使用MS-DIAL软件结合保留指数解卷积处理和NIST17谱库检索共同定性, 由于边角料和原生母粒来自同一批次样品, 不同比例边角料样品色谱图的特征出峰位置基本相同, 而峰面积略有差异。共定性出90种挥发性化合物, 包括46种脂肪烷烃、14种酯类、3种脂肪醛、3种脂肪酸、2种脂肪酮、4种脂肪酰胺、6种脂肪醇、7种苯及其取代衍生物、5种其他物质。

图3 不同比例边角料再生PE薄膜的总离子流色谱图Fig. 3 Total ion flow chromatograms of recycled PE film with different proportion scraps

不同比例边角料样品均检测到脂肪烃, 如十四烷、十六烷、环二十烷、1-十六烯、1-十四烯、支链饱和烃等, 这是由于PE边角料在电晕处理、破碎、储存、高温熔融加工过程中发生机械和热（光）氧化降解、断链, 产生大量的链烷烃和烯烃等挥发性化合物, 并挥发到外界环境中[20-21］。随着边角料添加量的增多, 再生薄膜中脂肪烃化合物的峰面积逐渐减少[13］。此外在样品中还筛查出大量醛类、醇类等化合物, 如E-15-十七烯醛、3-十七酮、十六醇、二十酸等。由于PE聚合物在热（光）氧化下会夺取氢原子形成大量烷基自由基, 与不饱和基团或氧气形成初级氧化产物氢过氧化物或过氧化物, 通过O—O键断裂降解成烷氧自由基和羟基自由基, 形成各种化学物质, 例如醛、酮、醇、羧酸等氧化产物[22-24］。

样品中也检测到抗氧剂168、抗氧剂BHT、芥酸酰胺和邻苯二甲酸二（2-乙基己）酯等提高PE薄膜性能的添加剂。抗氧剂168和抗氧剂BHT可抑制聚合物氧化降解, 提高挤出流延加工过程中的热稳定性。同时检测出抗氧剂168的降解产物2, 4-二叔丁基苯酚, 说明边角料中的抗氧剂168在存储过程中发生了降解[25］。芥酸酰胺为爽滑剂, 可有效降低聚合物链间的摩擦力, 防止薄膜间粘连。邻苯二甲酸二（2-乙基己）酯为增塑剂, 可用于提高聚合物的柔韧性和可加工性。

结合SML、半数致死量（LD50）和Cramer法则对17种化合物进行重点关注, 以探究不同边角料比例样品中物质的潜在风险, 如表2所示。SML可参考欧盟食品接触塑料法规（EU）No. 10/2011授权物质清单[26］；LD50数 据 可 从PubChem（https：//pubchem. ncbi. nlm. nih. gov）、Chemical Book（https：//www. chemicalbook. com）检索获得；Cramer分类使用Toxtree软件将物质分为CramerⅠ、CramerⅡ、CramerⅢ3类, 安全阈值分别为1 800、540、90μg/（人·d）[27］。其中抗氧剂BHT、1-十六醇、棕榈酸、硬脂酸、抗氧剂168、芥酸酰胺、邻苯二甲酸二（2-乙基己）酯7种物质均在（EU）No. 10/2011添加剂清单中。抗氧剂BHT为3类致癌物（IARC）, 其SML限量为3 mg/kg, 邻苯二甲酸二（2-乙基己）酯为2B类致癌物（IARC）, 其SML限量为1. 5 mg/kg。部分脂肪酰胺类物质（如癸酰胺、十二酰胺、棕榈酰胺）被归类为CramerⅢ。

表2 不同比例边角料样品二氯甲烷萃取液中的重点关注化合物Table 2 Key compounds from dichloromethane extract of different proportions of scrap samples

PE聚合物断链、氧化降解产生大量相对无味的烷烃化合物以及烯烃、酮、醛、羧酸等挥发性有机物, 导致样品具有蜡质、脂肪等异味[28］。长链烷烃一侧带有双键的烯烃（十七烯除外）是引起异味的主要原因, 如1-十四烯、2-丁基-1-癸烯、1-十五烯、1-十六烯[29］。壬醛为爽滑剂芥酸酰胺或PE聚合物的热降解产物[22, 30］, 具有油脂味道和柑橙味[28］；抗氧剂168的降解产物2, 4-二叔丁基苯酚具有椰子味[29］；硬脂酸、棕榈酸具有类似于牛脂的特征气味[31］。这些气味会影响PE再生薄膜制品的感官评价。

2.4 PE薄膜样品中边角料含量分析

2.4.1 PCA与OPLS-DA分析主成分分析是一种无监督线性降维方法, 能够将大量数据通过线性变换转化为不相关特征变量, 可观察样品间的差异。基于GC-MS得到不同比例边角料样品中化合物峰面积所组成的矩阵X, 分别使用单位方差换算（UV）和帕莱托换算（Par）两种方法对数据矩阵X进行PCA分析, 结果表明样品均在t[1］轴具有明显差异（图4A、B）, 添加边角料≤10%（包括不添加边角料）的样品在t[1］轴负坐标轴区域, 而75%、100%边角料含量的样品主要分布在t[1］轴正坐标轴区域, 其余样品聚集在坐标原点附近。

图4 样品的UV-scaling PCA得分图（A）、Par-scaling PCA得分图（B）、UV-scaling OPLS-DA得分图（C）与Par-scaling OPLS-DA得分图（D）Fig. 4 UV-scaling PCA score（A）, Par-scaling PCA score（B）, UV-scaling OPLS-DA score（C）and Par-scaling OPLS-DA score（D）of samples

为进一步研究添加不同比例边角料样品间的差异并筛选特征化合物, 根据PCA模型初步将再生PE样品分为3类（A类：边角料含量为0%、3%、5%、10%；B类：边角料含量为15%、20%、25%、30%、50%；C类：边角料含量为75%、100%）, 建立具有监督模式的OPLS-DA模型, 对3类样品进行预测分析。如图4C、D所示, 相较于PCA非监督的模式识别方法, OPLS-DA对样品进行分组处理后, 基于正交信号校正方法滤除与分类无关的信息, 可更好地观察组间聚类趋势和组间差异。使用UV归一化（拟合参数：R2Xcum：0. 806, R2Ycum：0. 994, Q2cum：0. 825）比Par归一化（拟合参数：R2Xcum：0. 588, R2Ycum：0. 88, Q2cum：0. 749）建立的OPLS-DA模型具有更好的稳定性和预测性, 在UV-scaling OPLS-DA得分图中, 3组不同比例样品的聚集趋势更明显（图4C）。

2.4.2 特征成分的筛选为探索造成样品差异的特征成分, 根据UV-scaling OPLS-DA模型, 以每个变量投影重要性（VIP）＞1和|p（corr）值|＞0. 7为标准筛选出26个变量, 其中15个变量为脂肪烃化合物, 且再生PE薄膜（100%边角料）中上述15种脂肪烃化合物的峰面积约为原生薄膜的1. 5倍。由于PE边角料中的脂肪烃化合物经前述加工过程挥发至外界环境, 当与原生颗粒混合再次制备成薄膜时, 样品中脂肪烃化合物的峰面积会随之减少, 相关研究中也发现类似结论[13］。添加剂及其降解产物也是造成样品差异的原因, 如十二酰胺、7, 9-二叔丁基-1-氧杂螺（4, 5）癸-6, 9-二烯-2, 8-二酮、壬醛分别为表面活性剂、抗氧剂1010的降解产物[32-33］、爽滑剂芥酸酰胺或聚合物PE的降解产物[22, 30］, 在再生薄膜（C类）中的峰面积较高。因此经同批次边角料回收再次制备薄膜制品, 虽未出现明显的新物质, 但边角料经电晕、破碎、储存、高温熔融等加工过程会导致脂肪烃化合物的峰面积减少, 添加剂及其降解产物的峰面积增加。根据不同比例边角料样品的GC-MS筛查数据, 建立的PCA和OPLS-DA模型可将样品分为3类：边角料添加比例在10%以下的样品与原生薄膜较为相似；当添加比例为10%～50%时, 开始与原生薄膜产生差异, 需对其安全性进行进一步评估；当添加比例达到50%以上时与原生薄膜产生明显差异, 需对其安全性重点关注。

3 结 论

基于GC-MS对自制的不同比例PE再生薄膜进行了非靶向筛查, 检测出90种挥发性有机化合物, 主要为脂肪烃、添加剂及其降解产物、中间体等。分析发现了17种重点关注物质, 如抗氧剂BHT、抗氧剂168、芥酸酰胺、邻苯二甲酸二（2-乙基己）酯、1-十六烯等。通过建立PCA和OPLS-DA模型将样品分为3类, 发现边角料比例在10%以下的样品与原生薄膜差异不大, 比例在10%～50%之间需进一步评估其安全性, 比例在50%以上需重点关注。造成不同比例边角料再生PE薄膜差异的主要原因是脂肪烃、添加剂及其降解产物, 脂肪烃化合物的峰面积随边角料添加比例的增加而减少, 十二酰胺、抗氧剂1010的降解产物7, 9-二叔丁基-1-氧杂螺（4, 5）癸-6, 9-二烯-2, 8-二酮、芥酸酰胺或聚合物降解产物壬醛的峰面积随边角料添加比例的增加而增大。因此, 边角料作为再生料同级应用到食品接触用再生PE薄膜时, 需重点关注再生薄膜中添加剂及其降解产物的迁移情况。本研究为边角料应用于食品级“膜对膜”同级回收工艺提供了数据支持, 有助于加快塑料循环经济发展。