GC-MS和LC-MS技術用于食品接觸高分子中非有意添加物的檢測研究

(北京市理化分析測試中心，有機材料檢測技術與質量評價北京市重點實驗室，北京 100089)

食品接觸材料中的有毒有害物質在某些環境下會從接觸材料中向與其直接接觸的食品中遷移，從而對人體健康產生一定的危害。食品接觸材料的安全風險除了已被批準使用的化學物質向食品的超量遷移外，非有意添加物(non intentionally added substance, NIAS)遷移造成的污染也日益成為主要的風險來源。評價食品接觸材料的衛生安全情況主要就是考察其含有的各物質組分是否會遷移，遷移量是否會對人體健康產生影響。NIAS一般包括原料中含有的雜質、反應生成的副產物、使用周期中的降解產物以及各種外部污染物等。根據歐盟EC 10/2011法規的定義，NIAS是指所用物質殘留的雜質，或制造過程中形成的反應中間體，或是分解產物和副反應產物[1-3]。如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)食品接觸材料中的丙烯腈單體殘留，聚碳酸酯(PC)食品接觸材料熱分解釋放出的雙酚A，聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)食品接觸材料生產中的副反應產物乙醛等[4-6]。要研究NIAS遷移對食品安全的影響首先需要對NIAS種類進行準確的判斷，而這些NIAS來源復雜且相當數量是未知和難以預測的，這給檢測帶來很大的挑戰。氣-質和液-質聯用技術，兼具色譜的高分離能力和質譜的高鑒別特性，可同時實現復雜混合樣品的分離、定性及定量工作，并且其分析精度高，速度快，分析范圍廣，恰好適于食品接觸材料中微量未知NIAS的檢測[7-9]。

本文簡要介紹了GC-MS和LC-MS分析技術及食品接觸材料中NIAS的來源，討論了GC-MS和LC-MS用于NIAS檢測的可行性，為NIAS的遷移測試及對食品安全的評估提供依據。

1 食品接觸材料中NIAS主要來源

1.1 降解過程

食品接觸材料降解是產生NIAS的最主要途徑，這其中包括食品接觸材料自身的降解，包括材料中添加劑的降解，還包括材料中膠黏劑、涂料、油墨等物質的降解。食品接觸材料加工時經歷的熱化學過程，生產時暴露于高能量輻照的滅菌過程及使用時的微波過程等都會引起材料降解從而產生具有高擴散系數及高遷移風險的小分子[10-12]。

1.2 雜質

用于生產食品接觸材料的原料中的雜質是NIAS的另一個來源。這些雜質不會包含在材料的信息表里，因此我們也無法提前預知這些物質的成分。塑料所使用的單體劑助劑的殘留是雜質的主要來源，包括苯乙烯、氯乙烯、異氰酸酯等。非塑料類食品接觸材料如金屬合金或金屬涂層中也可能殘留有雜質元素如鉛、砷、鋇等[13]。

1.3 副反應產物

食品接觸材料，尤其是高分子聚合物類材料，其在生產過程中會涉及到大量的化學物質和化學反應，這些化學反應除了會生成最終所需的高分子聚合物外，還會生成低聚物、中間產物及副產物等非目標結構物質[14]。比如甲基丙烯酸甲酯(MMA)聚合中，由于MMA是一種極性單體，分子鏈上同時含有碳碳雙鍵和酯羰基，且酯羰基具有一定活性，在聚合過程中極易受到活性種的進攻發生端基環化等副反應[15]。

1.4 污染物

食品接觸材料中的污染物是指非預期、非正常途徑引入的化學物質。主要包括三個方面：一是使用再生料生產食品接觸材料所帶來的污染物，如制品在第一次使用過程中殘留的內容物；二是食品接觸材料生產時使用的加工設備可能帶來的污染物，如加工設備上的潤滑油會造成食品接觸材料中礦物油污染；三是外部環境帶來的污染物，如水、粉塵、微生物等[16]。

2 NIAS的GC-MS和LC-MS分析方法

目前尚沒有識別NIAS的標準方法。要進行NIAS分析首先應該對包裝材料、包裝食品及其生產工藝有充分的了解，才能夠保證設計的實驗能夠檢測到足夠多種的NIAS。實驗對象既可以是樣品本身，也可以設計遷移實驗檢測食品模擬物中遷移出的NIAS。實驗過程通常有4種方法可以選擇：頂空或固相微萃取直接熱解析氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)分析；直接實時分析(DART)、大氣探針固體分析(ASAP)、解析電噴霧離子化分析(DESI)等直接質譜(MS)分析技術；樣品全部溶解后GC-MS或液相色譜-質譜聯用(LC-MS)分析；樣品溶劑萃取后GC-MS或LC-MS分析。前兩種方法的優點是上機前不需要對樣品進行前處理，缺點是樣品濃度低且成分復雜不易開展識別工作，所以這兩種方法多用于對篩查出的可疑物質做最后的確證。后兩種方法首先要將樣品溶解或者做萃取的前處理，提取液進行濃縮之后再進行分析。由于濃縮液中通常含有多種化合物，色譜和質譜聯用分析就成為NIAS分析不可缺少的技術(圖1)[17-19]。其中GC-MS主要用于易揮發性化合物檢測而LC-MS主要用于熱穩定難揮發的物質檢測。

圖1 基于GC-MS和LC-MS的食品接觸材料中NIAS確證流程示意圖

2.1 揮發性化合物的檢測

小分子易揮發性NIAS的識別主要是利用GC-MS技術。GC-MS對NIAS的快速識別要借助于成熟的質譜數據庫。較通用的有美國國家科學技術研究院出版的NIST譜庫、Willey質譜數據庫、美國國家標準技術研究院質譜數據庫等。除通用質譜庫還有一些專用質譜庫，如標準農藥庫、藥物庫、揮發油庫等。譜庫中的質譜圖都來自于四級桿質譜儀，采用正常(70eV)EI電離方式。當儀器類型、操作條件有變化時，質譜圖會發生變化。僅通過譜庫比對再高相似度的化合物也只能是初步懷疑，對化合物的確認還需要更多的證據，比如保留時間和保留指數的匹配，標準品的確證等。

Salafranca[20]等用GC-MS方法結合頂空固相微萃取(HS-SPME)研究了聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯復合食品包裝材料經過伽馬輻照后的降解產物。結果表明包裝材料中含有的主要降解產物包括碳4到碳8的直鏈和支鏈的酸、醛、酮、醇等。Casajuana[21]等利用GC-MS在5種不同包裝的市售全脂牛奶中都檢測出非有意添加物壬基苯酚，其含量范圍在16.5～34.8 μg/kg。推測牛奶中的壬基苯酚來源于包裝材料中抗氧劑亞磷酸三(壬基苯基)酯的氧化降解。Karlsson[22]選用GC-MS方法對同時添加了受阻酚類抗氧劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和受阻胺類光穩定劑944的低密度聚乙烯食品接觸材料進行分析。結果發現兩種添加劑及其降解產物在使用過程中會相互反應生成新的化合物2,4-二-叔丁基-6-硝基-苯酚、2-環己烯-1-酮-2,5-二甲基-O-甲基肟等。

楊岳平[23]等建立了經過紫外或微波處理的食品接觸聚丙薄(PP)膜中抗氧劑168的降解產物的GC-MS分析方法。結果表明微波處理后PP薄膜中抗氧劑168的降解產物主要為2,4-二叔丁基苯酚，紫外處理后PP薄膜中抗氧劑168主要生成3個降解產物，其中通過標準品可以確定的其中兩個分別為2,4-二叔丁基苯酚和(2,4-二-叔丁基苯基)磷酸酯，另一個無法確認的產物推測為抗氧劑168失去一個叔丁基苯酚后的產物。王美華[24]用乙醇回流食品包裝用聚乙烯再生料樹脂后對回流液進行了GC-MS分析。在再生料回流液中檢測到很多長鏈的烷烴結構，并且檢測到荷質比m/z 220的抗氧劑叔二丁基羥基甲苯(BHT)及其抗氧劑叔丁基上甲基斷裂形成的m/z 205的碎片離子。復合包裝材料中聚氨酯類膠黏劑極易水解生成2,4-二氨基甲苯。陳旭明[25]等建立了氣-質聯用測定復合食品包裝膜袋中2,4-二氨基甲苯的方法，其檢出限為0.2 μg/L。并用該方法對隨機抽樣的30個復合食品包裝膜袋樣品進行測試，結果顯示有5個樣品檢出2,4-二氨基甲苯，其質量濃度在1.1～6.4 μg/L之間，檢出率為16.7%。

2.2 非揮發性化合物的檢測

非揮發性化合物的檢測主要是借助于LC-MS技術。盡管可以與LC連接的檢測器有多種，但紫外(UV)、二極管陣列(PDA)、示差折光(RI)和熒光(FL)檢測器并不能提供足夠的NIAS識別的信息，它們更多的用來做確證。LC連接MS檢測器是最有利的用來做非揮發性NIAS鑒別的工具。由于使用LC-MS缺乏大范圍的質譜數據庫，LC-MS的識別過程比GC-MS更困難也更費時。質譜檢測器有多種，包括四級桿(Q)、離子肼(TRAP)、飛行時間(TOF)等。四級桿的優勢在于定量的靈敏度和穩定性；離子肼的優勢在于可通過碎片信息進行結構推斷；飛行時間的優勢在于精確分子量的測定。而將多級質譜串聯則可以獲得包括質量數、碎片結構等多重信息，因此LC-MS已經在NIAS確證中廣泛應用。要完成一個樣品的分析，獲得盡可能多的實驗數據，多個實驗參數包括碰撞能、電離源、電壓、質量數范圍等可供調節。識別NIAS的第一步是識別色譜圖中的未知峰。有許多輔助工具，比如Waters公司的Markerlynx和Agilent公司的MassHunter Profiling都能夠從色譜圖中提取那些直觀不易觀察到的特征信息幫助完成這一工作。然后根據質譜數據通過經驗公式預測軟件得出物質元素和化學式的信息。下一步是確定碎片離子的結構，Waters的MassFragment軟件可以幫助完成這個工作，軟件能夠根據碎片的可能性給出一個1到14的得分，得分越低產生碎片的可能性越大。最后，如果可能還是要用標準物質來做確證。

Bentayeb[26]等通過LC-MS在PET再生材料中檢測到了對苯二甲酸乙二醇酯二聚體和三聚體。70℃下，1g PET材料在20ml 95%的食品模擬物中處理2小時，實驗選擇C18色譜柱，甲醇-水為流動相，全掃描模式進行檢測，質量數387.5和578.8分別為二聚體和三聚體的加氫離子峰。Canellas[27]等借助LC-MS檢測到食品接觸用聚丙烯酸酯膠黏劑中的雜質成分壬基酚聚氧乙烯醚，其分子量范圍從173到965。作者同時對其在固態食物模擬物Tenax(2,6-二苯呋喃多孔聚合物)中的遷移行為進行了研究，發現能遷移到食品中的壬基酚聚氧乙烯醚的分子量范圍是從331～551，表明分子量是影響遷移過程的主要因素。Bignardi[28]等借助LC-MS技術對15個使用了不同時間(從2年到14年)的聚碳酸酯餐具中的NIAS向食品模擬物的遷移行為進行了研究。研究表明聚碳酸酯中的可遷移NIAS主要有兩類：一類是含有兩個端羥基的寡聚物，這類物質主要來源于聚碳酸酯的降解；另外一類是含有一個或不含端羥基的產物，這類物質可能是碳酸酯聚合過程的副產物。月桂酰精氨酸乙酯常用作PET包裝里的抗菌劑，Aznar[29]通過遷移實驗在食品模擬物及所包裝食品雞胸肉中都檢測到了來自抗菌劑的雜質成分N2-十二烷酰-L-精氨酸。他們還在PP/EVOH和PET/EVOH復合膜中檢測到來自抗氧劑檸檬醛中的一種分子式為C10H16O2的雜質成分。

復合食品包裝中的聚氨酯粘結劑水解及偶氮染料降解會釋放出初級芳香胺(PAAs)。李全忠[30]等建立了LC-MS同時對食品接觸材料中28種PAAs進行定性定量檢測的方法。實驗采用C3色譜柱，以甲醇-水為流動相，電噴霧正離子模式下以多反應監測(MRM)方式進行檢測，28種PAAs的檢出限和定量限分別為0.02～0.3μg/kg和0.1～1.0μg/kg。金屬包裝材料內壁的環氧樹脂漆中往往含有雜質成分雙酚A二縮水甘油醚(BADGE)，其在與食物接觸時會生成衍射物BADGE·H2O、BADGE·2H2O、BADGE·HCl、BADGE·2 HCl等。周勇[31]等應用LC-MS建立了金槍魚罐頭中BADGE衍生物的檢測方法。金槍魚樣品經乙酸乙酯超聲萃取，溶劑吹干后重新用甲醇與水(1∶1)溶解。選用C18色譜柱，醋酸銨-甲醇為流動相梯度洗脫，MRM模式檢測，定量限為0.5μg/kg。食品接觸材料中的壬基酚可能來自于聚合物中添加的抗氧劑三(壬基酚)亞磷酸酯的降解，也可能來自于清洗劑中表面活性劑烷基酚聚氧乙烯醚的降解。陳益歐[32]建立了LC-MS方法對市售主要品牌的瓶裝水和桶裝水中的壬基酚含量進行了檢測。建立方法檢出限為5 ng/mL，在7種瓶裝水和3種桶裝水中均檢測到壬基酚成分，其含量范圍在0.02～0.34μg/L之間。

3 結論

總體來說食品接觸材料中NIAS的識別是一項復雜的工作，能否成功要依賴于NIAS的性質，NIAS在樣品中的濃度，NIAS是否有對應標準品等多個因素。并且需要樣品前處理，成分分離，濃縮等多種技術相互配合來盡量排除各種干擾因素。盡管困難重重，但是隨著分析儀器精密度的提高，數據處理軟件及化學物質數據庫的完善，NIAS的識別工作也將取得更大的進展。