酸性食品模拟物对金属罐甲醛迁移的适用性研究

马俊杰,仇凯,朱蕾,李倩云,邢航,张泓*,路秋勉,邱逊,徐彤彤,吴刚*

1(中国食品发酵工业研究院有限公司,北京,100015) 2(国家食品安全风险评估中心,北京,100022)3(义乌市易开盖实业公司,浙江 义乌,322000)

涂层金属罐被用来作为食品延长保质期的有效包装,具有悠久的历史。罐装食品的货架期可长达1、2年,甚至更长[1]。为了防止金属罐与食品发生相互作用,通常会在金属罐内壁涂覆一层聚合物涂层[2]。目前,金属罐内涂层主要采用酚醛树脂、环氧树脂以及乙烯基有机溶胶(聚氯乙烯)等涂料[3-6]。

为了评估涂层金属罐的食品安全,许多研究者展开了对涂层金属罐中包括甲醛在内的一些高关注物质的检测及迁移规律的研究[4,5,7-16]。一些研究者称,在对金属罐进行迁移测试时,采用乙酸溶液作为食品模拟物会使金属罐发生严重的腐蚀[1,15,17],而灌装真实食品的金属罐却不会发生腐蚀。GB 31604.1—2015《食品安全国家标准 食品接触材料及制品迁移试验通则》的一个关键原则是迁移测试不应使测试样品发生物理或其他变化。因此,采用乙酸溶液作为酸性食品用金属罐的食品模拟物可能存在适用性问题。

对于涂层金属罐迁移测试所用的酸性食品模拟物,各国家或地区进行了相应的规定。欧盟发布了EU 10/2011[18],规定了塑料制品以30 g/L乙酸作为酸性食品的食品模拟物,并未单独对涂层金属罐的食品模拟物进行规定;而在2013年,欧盟[19]为了确保与食品直接接触的金属包装材料的稳定性和安全性,使用5 g/L柠檬酸(pH 2.4)代替(31.5 g/L醋酸、pH 2.4)模拟酸性食品;美国Guidance for Industry:Preparation of Premarket Submissions for Food Contact Substances (Chemistry Recommendations) DECEMBER 2007[20]中规定了金属容器以10%(体积分数)乙醇作为酸性食品的食品模拟物;韩国Standards and Specifications for Food Utensils, Containers and Packages[21]中规定了pH≤5的酸性食品测定总迁移量时食品模拟物为4%(体积分数,下同)乙酸,金属容器罐装pH≤5的酸性食品测定金属元素时采用食品模拟物5 g/L柠檬酸溶液(用氢氧化钠溶液调节pH值至3.5)。日本法规[22]与韩国法规类似。GB 31604.1—2015规定了pH<5的酸性食品测定总迁移量与特定迁移量的食品模拟物为4%乙酸,而GB 4806.9—2016《食品安全国家标准 食品接触用金属材料及制品》规定金属制品罐装pH<5的酸性食品,采用食品模拟物5 g/L柠檬酸溶液测定金属元素。

国际可持续发展联盟TSC34[23]建议,对于涂层金属罐可使用10%(体积分数,下同)乙醇溶液替换30 g/L乙酸开展总迁移测试,30 g/L乙酸仍可用于特定迁移测试。欧洲标准化委员会发布的技术规范文件DD CEN/TS 14235—2002[24]指出,当涂层金属罐出现腐蚀情况时,30 g/L乙酸不适合作为该类材质的酸性食品模拟物。另外,一些专家则建议对于不发生腐蚀的金属罐可以仍采用4%或30 g/L乙酸作为模拟液,发生腐蚀的金属罐采用5 g/L柠檬酸替代30 g/L乙酸作为酸性食品模拟物。因此,针对涂层金属罐酸性食品模拟物选择的问题,有必要对酸性食品模拟物适用性进行研究。

本研究首先调查了灌装4%乙酸的21种金属空罐在迁移测试后(60 ℃,10 d)的腐蚀情况。对发生腐蚀与未发生腐蚀的空罐及实罐样品,分别使用6种溶液[10%乙醇、3 g/L柠檬酸、5 g/L柠檬酸、1%(体积分数)乙酸、3%(体积分数)乙酸和4%乙酸]作为酸性食品模拟物进行迁移测试,采用高效液相色谱法检测食品模拟物中甲醛的迁移量和真实酸性罐装食品中的甲醛含量,并将结果进行比较分析,以评估6种溶液作为金属罐酸性食品模拟物的适用性。本研究旨在为金属容器罐装酸性食品时选择食品模拟物提供数据支撑,为中国酸性食品用金属容器迁移试验的相关标准修订提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 试剂

甲醛标准品(10 000 mg/L),上海安谱实验科技股份有限公司;2,4-二硝基苯肼(2,4-dinitrophenylhydrazine, DNPH),西格玛奥德里奇贸易有限公司;磷酸(分析纯)、柠檬酸(色谱纯),北京化工厂;冰乙酸(分析纯),天津市大茂化学试剂厂;甲醇、乙腈、无水乙醇(色谱纯),北京诺其雅盛生物科技有限公司;无水硫酸钠(分析纯),天津市光复科技发展有限公司。

1.1.2 样品

为了研究的科学性,本次实验的样品根据食品类型、食品pH、金属罐材质及涂层类型进行选择。具体选择用于盛装典型酸性食品(pH<4.6)的金属空罐(镀锡薄钢板和铝材)和对应的同批次罐装食品(新生产的),选择的食品类型包括水果罐头、蔬菜罐头、饮料、酒类作为实验样品。涂层材料为环氧酚醛和环氧改性丙烯酸树脂。本实验所用收集的罐装食品及相应的金属空罐均由罐装食品企业提供,其中罐装食品均为新出厂的产品。罐装食品样品信息见表1。

表1 食品样品信息

1.1.3 仪器与设备

电热恒温干燥箱,吴江市亚太电热设备有限公司;AB201-N分析天平(感量为0.1 mg),梅特勒一托利多仪器厂;PHS-3C型酸度计,上海雷磁有限公司;YXQ-LS-50A全自动立式电热压力蒸汽灭菌器,上海博讯实业有限公司医疗设备厂;LC-20AD型高效液相色谱-紫外检测器,日本岛津仪器有限公司;超纯水发生器,美国Millipore公司;YI-DER-400 内涂膜完整性测试仪,肇庆市易测仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 内涂膜完整性试验

按照GB/T 14251—2017《罐头食品金属容器通用技术要求》规定的试验方法,测试21种金属空罐的缺陷电流值。每组3个平行。

1.2.2 食品模拟物的选择

本次研究收集的罐装食品均为pH<5的酸性食品,根据GB 31604.1—2015的相关规定,应选择4%乙酸作为酸性食品模拟物进行迁移试验。参考其他国家和地区的相关要求,本次研究还选取了5 g/L柠檬酸、10%乙醇、1%乙酸、3%乙酸以及3 g/L柠檬酸等酸性溶液进行甲醛迁移量的测定,以研究酸性食品模拟物。

1.2.3 甲醛迁移量的测定

涂层金属罐先用清水冲洗后用餐具洗涤剂清洗,再用清水反复冲洗后,用蒸馏水冲2～3次,置于烘箱中烘干。清洗后的样品分别罐装不同的食品模拟物,金属罐的灌装体积与对应罐装食品的体积保持一致。根据实际的灭菌条件(参见表1),先对灌装食品模拟物后的金属罐进行灭菌处理,再放入烘箱中进行60 ℃、10 d迁移试验。已灭菌处理的罐装食品在60 ℃烘箱中放置10 d。迁移结束后,采用我们先前建立的方法[12]检测甲醛的迁移量。

1.2.4 罐装食品中甲醛含量的测定

将罐装食品放入烘箱中,并在60 ℃条件下放置10 d。将样品取出后冷却至室温,准确称取均质样品(2.0±0.01) g,置于20 mL具塞塑料离心管中,用3 mg/mL的DNPH衍生化试剂定容至10 mL。旋紧塞子,涡旋混匀后置于60 ℃恒温振荡器中,振荡1 h后取出冷却至室温。将提取液以不低于5 000 r/min离心5 min。用0.22 μm有机滤膜过滤,滤液待HPLC测定,色谱条件与空罐中甲醛迁移量的测定相同。每组3个平行,同时做空白对照。为了避免食品的基质效应,采用相同类型的非金属罐装食品作为空白基质,再进行标准曲线绘制和测定。

1.2.5 数据处理

利用岛津LC Solution和LC MS Solution软件对数据进行处理,使用Origin 2019软件绘图。

2 结果与分析

2.1 内涂膜完整性试验结果

缺陷电流值是内涂膜完整性的表征指标之一,因原材料或加工过程中引起的内涂膜表面出现的微孔或损伤而引起的传导电流值,电流值越小,表明内涂膜完整性越好。由于生产加工过程导致金属罐内涂膜完整性受损等缺陷会降低金属罐的耐腐蚀性,为了排除这一影响因素,随机抽取实验样品,进行内涂膜完整性测试。试验结果显示,所有样品内涂膜均满足GB/T 14251—2017的要求(单个电流值≤15 mA、平均值≤8 mA),表明所有样品内涂膜完整性良好,排除了因涂布和涂膜固化过程引起的涂层损伤。

2.2 感官试验结果

当灌装食品模拟物1%、3%和4%乙酸溶液、(3、5 g/L)柠檬酸溶液和10%乙醇的金属罐和同批次真实罐装食品完成迁移测试(60 ℃,10 d)后,观察并记录所有空罐的腐蚀情况,见表2。

表2 金属罐腐蚀情况

在21种金属罐中,灌装(3、5 g/L)柠檬酸溶液和10%乙醇的所有测试金属罐均未发现腐蚀情况。其中编号为1、9、14和15的空罐在灌装1%、3%和4%乙酸溶液时,罐身及罐底处均发生不同程度的腐蚀,且随着乙酸溶液浓度的增加腐蚀程度加剧。灌装4%乙酸溶液时,罐内壁腐蚀严重并发生膜的脱落。然而,在相同的迁移测试条件下,所有灌装真实食品的金属罐均未发生腐蚀。

2.3 方法验证

分别使用食品模拟物和食品基质进行配制标准溶液,绘制不同食品模拟物和不同基质的罐装酸性食品下的甲醛标准工作曲线,得到线性方程回归方程和检出限(limit of detection,LOD)、定量限(limit of quantification,LOQ),以3倍信噪比来计算检出限,以10倍信噪比来计算定量限。结果如表3所示。

表3 甲醛在食品模拟物和食品中的线性关系和检出限及定量限

由表3可知,甲醛在质量浓度范围内线性关系良好,相关系数R>0.99,在食品模拟物中检出限为0.001 7～0.005 9 mg/kg,定量限为0.005 7～0.019 6 mg/kg;在真实食品中,检出限为0.009 9～0.043 mg/kg,定量限为0.033 0～0.143 3 mg/kg。为了确保结果的可靠性,计算了平均回收率和精密度。甲醛在浓度范围内线性关系良好,平均回收率为80.22%～107.41%,重复测定6次的相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)小于6.57%。方法的精密度和准确度满足本研究定量分析要求。

2.4 样品测试

将同一批次的金属罐装食品模拟物中迁移出的甲醛与罐装食品中的甲醛含量进行比较。为了确保罐装食品中的甲醛来自金属包装容器而非食品本底,本研究检测了未经过保温试验和经过60 ℃保温10 d的罐装食品中的甲醛,并将经过60 ℃、10 d的罐装食品中迁移出的甲醛减去未经过保温试验的罐装食品中的甲醛。对不同食品用金属容器罐装不同食品模拟物和食品中的甲醛迁移量进行检测,测试结果如表4所示。

表4 食品模拟物和真实食品中的甲醛迁移量 单位:mg/kg

根据表4可知,对于21种样品,在食品模拟物和真实食品中均检测到甲醛。其中1号样品因灌装乙酸溶液后腐蚀程度严重,未进行甲醛迁移量的测定。对于乙酸溶液,随着乙酸浓度的增大,不同的金属罐中迁移出的甲醛含量依次升高;对于柠檬酸,不同的金属罐中灌装5 g/L柠檬酸比3 g/L柠檬酸中迁移出的甲醛高。编号为2、8、19号样品灌装4%乙酸后甲醛迁移量均超过了GB 9685—2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品用添加剂使用标准》规定的甲醛迁移限量值(15 mg/kg)。真实食品中的甲醛含量均未超过限量要求。

2.5 腐蚀样品中甲醛向不同食品模拟物的迁移

对灌装4%乙酸后发生腐蚀的3种样品(编号为9、14和15的样品)进行不同酸性食品模拟物的适用性研究(1号样品因腐蚀程度严重,未进行物质迁移量的测定)。以甲醛为迁移目标物质,通过比较甲醛在不同食品模拟物[(3、5 g/L)柠檬酸溶液、10%乙醇]中的迁移量与同批次罐装食品中甲醛含量,探索适用于发生腐蚀金属罐中甲醛特定迁移测试的酸性食品模拟物。

图1显示了腐蚀样品中甲醛在不同食品模拟物中的迁移情况。不同体积分数的1%、3%、4%乙酸溶液均会导致金属罐发生不同程度的腐蚀。而在3%、4%乙酸中,甲醛迁移量明显高于真实食品及柠檬酸溶液中的迁移量,这可能是由于金属罐的内部发生腐蚀从而促进了甲醛的迁移[2,25]。对于10%乙醇,在编号为9和15两种样品中,10%乙醇中甲醛迁移量略高于真实食品。而在14号样品中,10%乙醇中甲醛迁移量略低于真实食品中的甲醛含量。由于10%乙醇作为食品模拟物会导致对真实食品中甲醛的低估,因此不建议使用10%乙醇作为此类产品的酸性食品模拟物。对于柠檬酸溶液,3、5 g/L柠檬酸中甲醛迁移量无显著差异,均略高于真实食品中的。尽管食品模拟物中物质的迁移量高于真实食品中的物质含量有些保守,但从食品安全风险控制的角度考虑是有益的。综上所述,对于灌装4%乙酸后发生蚀腐的样品,就金属罐中甲醛的特定迁移测试而言,建议选择5 g/L柠檬酸溶液作为酸性食品模拟物,该建议与日本和韩国相应的法规(5 g/L柠檬酸)一致[21-22]。

图1 腐蚀样品中甲醛在食品模拟物和真实食品中的迁移量

2.6 未腐蚀样品中甲醛向不同食品模拟物的迁移

对未发生腐蚀样品进行不同酸性食品模拟物的适用性研究,通过对17种未发生腐蚀的金属罐中甲醛的迁移量和真实食品中甲醛含量进行比较,探索适用于未发生腐蚀金属罐特定迁移测试的酸性食品模拟物。根据食品模拟物中目标物迁移量大于、等于或者小于食品中目标物含量分类并统计样品数量,具体结果见表5。

表5 不同食品模拟物对未腐蚀样品中甲醛迁移量的模拟情况

表5显示,对于10%乙醇,17种食品模拟物样品中甲醛迁移量均低于真实食品中的甲醛含量。这表明,使用10%乙醇进行甲醛迁移量测试的结果会低估实际情况,因此不适合作为酸性食品模拟物。对于5 g/L柠檬酸,有15种食品模拟物样品中甲醛迁移量明显低于真实食品中的,2种样品中甲醛迁移量高于真实食品中的。说明5 g/L柠檬酸也不适用于涂层金属罐中甲醛迁移量的酸性食品模拟物。3 g/L柠檬酸由于酸性更低,仅有1种食品模拟物样品的甲醛迁移量高于真实食品,其余样品中甲醛迁移量均低于真实食品。对于4%乙酸,有3种样品中甲醛迁移量低于真实食品,14种样品中甲醛迁移量高于或等于真实食品。表明4%乙酸会导致对多数真实食品内容物中的甲醛迁移量的高估。而采用3%乙酸作为食品模拟物时,分别有10种样品中甲醛的迁移量低于真实食品中的,7种样品中甲醛的迁移量高于真实食品中的。采用体积分数更低的1%乙酸时,有12种样品中甲醛迁移量低于真实食品,有5种样品中甲醛迁移量高于真实食品。

通过对比10%乙醇、3 g/L与5 g/L柠檬酸溶、1%乙酸、3%乙酸以及4%乙酸6种模拟物对空罐中甲醛迁移量与真实食品中甲醛的含量,除4%乙酸外,与真实食品比较,几种溶液均会低估大多数样品中甲醛的含量。尽管4%乙酸的甲醛迁移结果会导致对真实食品中甲醛含量的高估,但从食品安全风险控制角度,建议仍选择4%乙酸作为酸性模拟物,与现有的法规保持一致。

3 结论

本文调查了灌装4%乙酸的21种金属空罐在迁移测试后(60 ℃,10 d)的腐蚀情况。对腐蚀与未腐蚀的金属罐,分别评估了6种溶液(1%乙酸、3%乙酸、4%乙酸、3 g/L柠檬酸、5 g/L柠檬酸与10%乙醇)作为酸性食品模拟物的适用性。4%乙酸作为食品模拟物会造成金属罐的腐蚀(腐蚀样品占比19%),而灌装真实食品时金属罐并未出现腐蚀情况。对于发生腐蚀的样品,4%乙酸溶液中甲醛迁移量远高于真实食品中的甲醛含量。就甲醛特定迁移测试而言,5 g/L柠檬酸溶液中甲醛迁移量略高于真实食品中的,能做到对4%乙酸的有效代替。对于未腐蚀的样品,10%乙醇、3 g/L和5 g/L柠檬酸会低估大多数样品灌装真实食品中的甲醛迁移量,不建议作为酸性食品模拟物。尽管4%乙酸获得的甲醛迁移结果高估真实食品中的,但从食品安全风险控制角度,建议仍选择4%乙酸作为酸性模拟物用于空罐中甲醛迁移量测定,与现有的法规保持一致。本研究为涂层金属罐的酸性食品模拟物的选择提供参考。