超高效液相色谱-四极杆-飞行时间质谱对含PET食品接触材料中可迁移非挥发性物质的筛查研究

2022-10-26邓玉明罗世鹏

中国塑料 2022年10期

邓玉明，唐蕾，罗世鹏

（1.内蒙古乳业技术研究院有限责任公司，上海 200245；2.常州工业及消费品检验有限公司，江苏常州 213000；3.江苏理工学院化学化工学院，江苏常州 213001）

0 前言

PET是对苯二甲酸与乙二醇的缩聚产物，它是一种最重要的热塑性聚酯产品。因其具有良好的力学性能、耐腐蚀性能、卫生性能以及易加工成型等特点[1]，再加上具有潜在的可回收性能，在“限塑令”的背景下，PET逐渐成为各类食品包装的优选材料，被广泛应用于各类饮品包装以及食品级复合包装材料当中[2]。

随着我国经济水平的不断增长，消费者对于食品安全的关注度日益提升，也逐渐从关注食品本身，扩大到关注食品生产所涉及的全流程。作为食品盛放、加工、储运的载体，食品接触材料中的可迁移风险物质与食品安全密切相关[3]，尤其是食品接触材料的生产涉及产业链条较长，且彼此之间信息披露不够透明，其不可控因素众多。除了用于生产材料本身的原料、添加剂、加工助剂等有意添加物（IAS），还存在很多在生产过程中引入或形成的NIAS[4]、不法分子以次充好而使用的非法添加物（UAS）。此外，还有部分产品在扩大使用过程中添加不同的起始原料进行了局部改性，传统的肯定列表的管控形式往往无法完全消除食品接触材料带来的食品安全风险[5]。因此，建立更加全面的食品接触材料风险控制方案具有重要的研究意义和经济价值。

为了识别这些迁移水平极低，来源复杂而且信息未知的痕量物质，传统的靶向筛查无法胜任。非靶向筛查（NTS）检测技术是近年来相关科研人员利用高灵敏的高分辨质谱仪[6]，通过全扫描的方式，对所有具有质谱响应的物质都进行筛查扫描分析，然后通过强大的软件进行数据处理，得到分析目标的（准）分子离子峰以及二级碎片离子信息，从而将各类迁移到食品模拟物中的痕量物质识别出来。四极杆-飞行时间高分辨质谱（Q-TOF）在全扫描模式下兼具极高的分辨率和精确度，能够极大程度地降低检测化学噪音，将分析目标从复杂信号中有效提取出来。检测时可根据测定目标的准分子离子峰（高精确质量数）、保留时间、同位素强度、同位素分布比例等信息，再结合内部积极的行业数据库、材质信息以及专业知识推测出其分子式及分子结构[7]。同时通过仪器的信息依赖性扫描功能能够对检出物进行二次碰撞裂解，结合分析软件以及有机小分子裂解规律对二级碎片进行印证解析确认，达到对未知化合物进行无标准品快速筛查定性，且理论上其目标物的扫描数量没有限制，从而实现快速采集数据的高通量检测[8]。高分子材料在合成过程中会生成聚合度较低的各类链状、环状低聚物及NIAS，这些物质大多具有较高的沸点，而且它们既没有对照标准品也不包含在现有商业数据库中。与气相色谱-质谱（GC-MS）固有的局限性相比，UPLC-Q-TOF既能够对高沸点和热不稳定的物质进行有效检测，同时采用软电离的方式又能够有效地得到分析目标的精确质量数信息（提供准分子离子峰），从而提高定性结果的可靠性，尤其适合复杂基质中痕量目标物的快速筛查分析。

近年来，在食品接触材料领域，国内外科研人员已采用气相色谱四级杆-飞行时间质谱（GC-Q-TOF）以及液相色谱-四级杆-飞行时间质谱（LC-Q-TOF）等高分辨质谱仪，对部分食品接触材料中的风险物质进行了筛查识别，并取得了一定的研究成果，如Nerin[8-10]、杜振霞[11-12]、钟怀宁[13-15]、夏伊宁[16-18]等课题组均对部分食品接触材料中的可迁移物质进行了深入的非靶向筛查识别研究。由于非靶向筛查分析所需设备较为昂贵，对未知物解析专业难度较高，尚有很多类型的食品接触材料，以及不同使用工况条件下的可迁移风险物质尚处于研究的初始阶段，利用高分辨质谱对食品接触材料在使用过程中迁移出来的有害物质，以及NIAS进行识别，对于我国食品接触材料安全控制提供重要的数据支撑基础。

本研究选取市面上正常流通的4种含PET材质的不同类型食品接触材料产品，研究它们在4%乙酸、50%乙醇两种常用的食品模拟物条件下的迁移场景。利用UPLC-Q-TOF对迁移出的风险物质进行筛查识别解析，并利用毒理学关注阈值法（TTC）对识别出的物质初步进行潜在风险归类[19]。这既能丰富PET材质产品中可迁移风险物质数据库的数量，也有助于为后续不同PET产品使用时的暴露风险评估提供数据支持。

1 实验部分

1.1 主要原料

无水乙醇、甲酸铵，色谱纯，中国上海安谱实验科技股份有限公司；

甲醇，质谱纯，中国上海安谱实验科技股份有限公司；

冰醋酸，优级纯，中国国药集团化学试剂有限公司；

实验用水为GB/T 6682—2016规定的一级水；

一次性针式注射器，5 mL，中国上海安谱实验科技股份有限公司；

亲水PTFE针式滤器，25 mm×0.22 μm，中国上海安谱实验科技股份有限公司；

从市场上采集具有代表性的含PET材质的食品接触材料样品12批（4种类型，每种3批），其中包括PET共混3批、塑-塑复合（PET/PS/PE-EVOH）3批、铝塑复合1（PET/Al/PET/NY/PE）3批、铝-塑复合2（PET/Al/PET/PE-HD）3批，每个样品平行采集3份。

1.2 主要设备及仪器

UPLC-Q-TOF，X500 R，配有 Waters T3（3.0×100 mm，2.7 μm）色谱柱，美国AB SCIEX公司；

万分之一分析天平，XS 205DU，瑞士Mettler Toledo公司；

纯水仪，Milli-Q Advantage，美国Millipore公司；

烘箱，F115D，德国宾德公司。

1.3 样品制备

按 GB 31604.1—2015[20]和 GB 5009.156—2016[21]的要求，根据所采购产品所接触的食品类型，分别采用4%（v/v）乙酸溶液模拟酸性食品，以及50%（v/v）乙醇溶液模拟酒精类食品，对含PET的食品接触品进行迁移实验（60°C，10 d），迁移试验结束后，迁移试验所得模拟物加入内标并充分混匀后，进行HPLC-Q-TOF筛查测试，为了减小各类空白及污染带来的假阳性结果，每个样品做3个平行样进行测试，并做一个全流程迁移试验空白测试，一个模拟物溶剂空白测试。

1.4 性能测试与结构表征

液相色谱条件：色谱柱：WatersT3（3.0mm×100mm，2.7 μm）；流动相：5.0 mmol/L甲酸铵的水溶液+甲醇；洗脱方式：梯度洗脱；流速：0.3 mL/min；柱温：35°C；进样量：2.0 μL。梯度洗脱条件如表1所示。

表1 液相色谱梯度洗脱条件Tab.1 The gradient elution conditions of HPLC

质谱条件：离子源：电喷雾离子源（ESI）；正离子模式：（a）离子源气路1∶55 PSI；（b）气帘气：30 PSI；（c）CAD 气：7 PSI；（d）温度：550 °C；（e）TOF MASS扫描范围：100～1 500 Da；（f）采集模式：IDA（信息依赖性采集）；（g）极性：正离子模式；（h）喷嘴电压：5 500 V；（i）去簇电压：60 V；（j）碰撞能量：10 V；（k）二级质谱扫描范围：30～1 500 Da；（l）二级质谱去簇电压：60 V；（m）二级质谱碰撞能量：35 V；（n）二级质谱调节范围：15 V。负离子模式：除了极性选择“负离子模式”，以及喷嘴电压改为“-4 500 V”外，其他参数设置与正离子模式一致。测试过程中设置每进样5针采用对应模式的校正液对仪器进行一次质量校正。

数据分析：本实验采用SCIEX公司X500R仪器配套的OS软件中，Analytics模块，结合Finder模块进行数据分析。主要以非靶向筛查的方式，对食品模拟物中的风险物质进行筛查定性解析。选择全流程迁移空白样以及测试平行样作为数据组进行比较分析，设置峰面积对于空白样6倍以上的响应目标进行解析。利用实验室自建的数据库，以及同行共享的行业数据库中的质核比、二级裂解碎片与仪器检测到的质核比、二级碎片进行匹配，若匹配度purity≥70，且准分子离子峰的质量精度误差小于5 ppm时，可确认未知物的化学结构。对于不在数据库中的物质，可根据OS软件中非靶向分析处理步骤，根据一级谱图信息以及所设置的元素组成，通过软件推导出对应的可能分子式，同时注意同一保留时间条件下，可能同时存在[M+H]+、[M+NH4]+和[M+Na]+的准分子离子峰，从而能够更加准确地推断出其精确分子质量。对于部分物质，如甘油单酯类物质，还需要考虑其脱水的碎片[M+H-H2O]+为主要的一级质谱信息体现形式。然后对推断出的各分子式进行 ChemSpider数据库（www.chemspider.com）以及Chemical Book网站（www.chemicalbook.com）进行检索，并结合样品的材质组成、常见的添加剂等行业信息及专业知识，推测最可能的化学结构；然后进一步在软件中导入该化学结构的MOL文件与仪器采集的二级裂解碎片进行比对，从而实现未知物的准确定性解析。

风险评估：我国针对食品模拟物中迁移出的各类风险物质，主要通过GB 9685—2016法规以肯定列表的形式规定了允许用于食品接触材料中的各类化学物质及它们对应的特定迁移限量（SML）。由于数据的可及性，主要是对各类有意添加物进行了限定。而对于一些NIAS或者UAS，不在GB 9685—2016管控范围内，则需要对它们进行危害评估，我们参考以TTC方法结合Cramer等建立的化学物质分类决策规则来进行，各类化学物质主要分为Cramer I（低毒）、Cramer II（中毒）、Cramer III（高毒）3个类别。同样参考该方法，对所筛查解析出的物质进行初步归类。

2 结果与讨论

2.1 色谱条件的优化

根据文献调研[18]和日常检测经验，最终选用适用性强、广谱性的特殊封端、能耐100%水相的Waters T3（2.1 mm ×100 mm，2.7 μm）作为高通量筛查非挥发性物质的分析色谱柱。

由于食品接触材料中可迁移的物质类型广泛，沸点及极性分布也不尽相同中，有些在所采用离子源条件下容易电离，而有些则较难离子化，文献调研了解到，在各类液相色谱-串联质谱的检测过程中，科研人员往往采用甲酸铵水溶液或者0.1%甲酸和甲醇作为流动相，以增强待测目标物的离子化强度以提高灵敏度。UPLCQ-TOF仪器虽然能够识别保留时间叠加时的峰，独立把每一个峰通过质谱软件单独处理识别出来，但是如果叠加太多的话会影响扫描次数，从而影响定性，因此需要设置一个梯度洗脱程序，洗脱能力由小到强，并且在强洗脱条件下保持一段时间，从而使极性不同的物质充分被洗脱并尽可能实现分离。此外，由于PET类材质会形成一些环状寡聚物，这些环状物质在离子化时，容易与分子体积极大的NH4+或Na+结合形成稳定的加合离子，更容易在正离子模式时产生[M+NH4]+峰，经过试验发现，采用甲酸铵水溶液既能改善部分分析目标的色谱峰形，又能够使一些环状寡聚物得到稳定而又高响应强度的[M+NH4]+准分子离子峰，从而有助于定性识别以及提高重复性。因此选择流动相时，以5.0 mmol/L的甲酸铵水溶液为水相，以甲醇溶剂为有机相，采用表1中的梯度洗脱条件，有利于各类极性不同的物质尽可能地有效分离，并产生高灵敏的质核比信号。

2.2 样品测试结果分析

按照本实验方法，对随机采集的4类含PET材质食品接触材料产品在4%乙酸、50%乙醇两种食品模拟物中，在60°C，10 d的迁移测试条件下迁移后进行UPLCQ-TOF筛查测试。对迁移测试结果的一级母离子进行分子结构推导并通过分析软件用二级碎片进行印证解析定性，必要时采用GC-MS对部分低沸点物质进行相互印证。典型样品的正离子模式采集的色谱图如图1所示，代表性迁移物的裂解质谱碎片对应的结构解析示意图如图2～3所示。一共解析出38种非挥发性迁移物，4类产品的筛查结果如表2所示。

图1 典型样品在信息依赖性扫描（IDA）模式下的总离子流色谱图Fig.1 The total ion chromatogram of the sample from IDA scaning

图2 环[TPA+NPG+DDA+NPG]的裂解碎片高分辨质谱解析图Fig.2 The cleavage mass spectrometry of Cy[TPA+NPG+DDA+NPG]

图3 甲苯-2，4-二氨基甲酸二乙酯（TDI的二乙醇衍生物）的裂解碎片高分辨质谱解析图Fig.3 The cleavage mass spectrometry of diethyl（4-methyl-1，3-phenylene）dicarbamate

表2 不同样品的非靶向测试结果Tab.2 Non-target screening test results of the different samples

2.2.1 PET共混材质产品

对检测结果进行分析可以看出，对于PET共混材质产品，它们在4%乙酸模拟物中没有检测出任何非挥发性物质，迁移风险极低，可以放心使用。在50%乙醇模拟物中，迁移出6种非挥发性物质，其中4种为PET的单体及寡聚物（1#～4#），它们是链状的对苯二甲酸乙二醇酯，以及二聚、三聚产物；此外，还检测出两个NIAS物质（5#、6#），从解析结果上可以看出，它们分别是对应的迁移单体（1#）、二聚体（3#）上乙二醇单元被乙醇醇解取代的产物。可见，在50%乙醇模拟物中，由于乙醇具有较好的渗透性和对有机物的溶解性，能够使食品接触材料中的小分子更容易迁移出来；同时，在对迁移物的检测过程中，也需要关注迁移出的物质是否会与乙醇发生醇解反应，必要时对其醇解产物进行检测分析。

2.2.2 塑-塑复合产品（PET/PS/PE-EVOH）

从迁移测试结果可以看出，与PET共混产品类似，塑-塑复合产品在4%乙酸模拟物中并检出可迁移非发性物质，可见在酸性食品中具有较高的使用安全性。在50%乙醇模拟物中，筛查到的迁移物质有抗氧剂1076（8#）、抗氧剂168的氧化产物（9#）、二乙醇胺类乳化增稠剂（10#～15#）以及油酸（7#）。上述迁移结果表明，并未发现PET层中物质产物迁移的现象，所检测到的迁移物质主要来自PE-EVOH层材质中的各类添加剂及加工助剂，如抗氧剂、增稠剂、润滑剂等，以及它们的降解产物，可见此类塑-塑复合产品，其PS层具有良好的阻隔性功能，只需要重点关注食品接触层的迁移风险。对迁移物质毒性分类来看，虽然食品接触层PEEVOH中的各类加工助剂的毒性较小，但是它们的降解产物（NIAS），例如抗氧剂168在生产、使用过程中被氧化之后的产物（9#）具有较高的毒性（Cramer III）。这些氧化降解新生成的NIAS需要我们特别关注，尤其是对于婴幼儿产品，必要时需将抗氧剂氧化产物的迁移纳入风险监测范围。

2.2.3 铝-塑复合

对于铝-塑复合产品，本文监测了两类不同的铝塑复合产品，其中铝塑复合产品1（PET/Al/PET/NY/PE）迁移出的非挥发性物质最多，在50%乙醇模拟物中，其迁移出的寡聚物中链状的对苯二甲酸乙二醇酯形成的寡聚物（1#～4#），同时发现有PET的合成单体经部分改性替换后的寡聚物（16#～26#），主要体现为将对苯二甲酸部分（亲电体）采用己二酸替换，而乙二醇部分（亲核体）采用新戊二醇替换，从结构上来看，可能原因是己二酸以及新戊二醇均为柔性链状结构，能够增强塑料层的延展性和加工性能，有助于形成的聚合物与金属铝进行复合。此外，还检测到抗氧剂168的氧化产物（9#）以及润滑剂的迁移（27#～31#），这两类物质主要来自于PE层。有所不同的是，在4%乙酸模拟物中，同样看到部分改性单体寡聚物的迁移发生（17#～20#、23#）说明铝塑复合产品在4%乙酸模拟物中的迁移风险要大于塑-塑复合产品，其可能原因为金属与塑料进行复合，塑料层与金属层结合的均匀性、相容性要差于塑-塑复合，导致乙酸食品模拟物也能发生渗透致使塑料层中有害物质发生迁移。

对于铝塑复合产品2（PET/Al/PET/PE-HD）分析可知，在50%乙醇模拟物中，其主要迁移出的非挥发性物质为各类寡聚物，包括链状的对苯二甲酸乙二醇酯寡聚物（1#～4#），以及改性的环状寡聚物（32#～37#），与铝塑复合1类似，该产品中PET层也是采用了部分改性，在传统的PET合成中加入了柔性的癸二酸单元和新戊二醇单元，其主要聚合单体为对苯二甲酸、癸二酸、乙二醇、新戊二醇。因此，这些单体采用不同方式组合而成的环状寡聚体在50%乙醇条件下发生了迁移。此外，对于铝-塑复合产品2，除了环状寡聚体发生迁移外，还筛查出一个产品胶黏剂合成单体发生迁移后的醇解产物（38#），结合前期残留量筛查结果综合分析，结果表明该物质为产品中的胶黏剂单体甲苯-2，4-二异腈酸酯发生了迁移，由于异腈酸酯基团活性较高，因此进一步与乙醇发生了加成反应（质谱碎片解析见图3）。毒理学数据表明，该物质属于高毒类物质（Cramer III），具有较大的迁移风险，需要进一步监测其迁移行为，结合生产工艺进行优化改进，消除其迁移风险。

从上述4类不同产品的迁移测试结果可以看出，对于含PET材质的食品接触产品，它们在50%乙醇模拟物中的可迁移非挥发性物质远多于4%乙酸模拟物，仅铝-塑复合产品1中有发现少量的迁移物质。因此后续在产品风险控制时可以优先进行50%乙醇模拟物的迁移风险监测，若50%食品模拟物中没有迁移风险则无需进行4%乙酸迁移测试，节约时间和经济成本。对于不同的PET材质的产品而言，铝-塑复合产品的迁移风险要大于塑-塑复合，纯PET产品的迁移风险最小。此外，材质中迁移出的物质，可能会与乙醇发生反应，或者发生降解氧化，因此在风险控制时，需要对产品中的抗氧剂氧化产物，聚合单体与乙醇发生反应的产物进行关注。