基于UHPLC－QTOF MS的PLA吸管中未知物的篩查識(shí)別

吳景杰，葉 蕾，支朝暉，夏伊寧*

（1．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所，北京 100081；2．常州龍駿天純環(huán)保科技有限公司，江蘇 常州 213100）

塑料作為一種重要的石油化工產(chǎn)品，與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。然而，傳統(tǒng)石油基塑料（如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙稀等）極難降解，其長(zhǎng)期大量使用造成生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重污染，并威脅人體健康[1]。為降低石油基塑料的污染，促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，使用可降解塑料成為一種行之有效的解決方案[2]。聚乳酸（Polylactic acid，PLA）是可降解塑料家族中的重要一員，通常以可再生植物資源（如玉米、木薯等）所提取的淀粉為原料，經(jīng)發(fā)酵后得到乳酸，再經(jīng)過(guò)聚合反應(yīng)得到聚乳酸[3]。由于良好的生物降解性和可堆肥特性，PLA一經(jīng)問(wèn)世便得到社會(huì)的廣泛關(guān)注，并作為石油基塑料的替代品，在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4－5]。近年來(lái)，我國(guó)頒布了一系列法律法規(guī)來(lái)限制石油基塑料的生產(chǎn)和使用，以降低其對(duì)環(huán)境造成的污染。為順應(yīng)國(guó)家政策的調(diào)整，餐飲行業(yè)逐步采用PLA吸管替代傳統(tǒng)的聚乙烯/聚丙烯吸管[6]。早期的PLA吸管不耐高溫，使用溫度一般不超過(guò)50℃，多用于冷飲和常溫飲料。近期，隨著工藝和配方的改進(jìn)，一批具有良好耐高溫性能（80～90℃）的PLA吸管進(jìn)入市場(chǎng)并用于熱飲，得到了消費(fèi)者的認(rèn)可。可以預(yù)見，隨著國(guó)家禁塑限塑政策的推進(jìn)，PLA吸管的使用量及市場(chǎng)占有率將進(jìn)一步提升。

PLA吸管的使用和推廣，可有效降低傳統(tǒng)聚乙烯/聚丙烯吸管帶來(lái)的環(huán)境污染，同時(shí)，也有可能引入新的風(fēng)險(xiǎn)。潛在風(fēng)險(xiǎn)之一來(lái)源于PLA吸管與食品直接接觸過(guò)程中材料內(nèi)有害物質(zhì)向食品的遷移。這些物質(zhì)可能是PLA加工過(guò)程中使用的添加劑，即有意添加物（Intentionally added substances，IAS）；也有可能是非有意添加物（Non-intentionally added substances，NIAS），主要包括原料和加工機(jī)械中的雜質(zhì)/污染物，添加劑和包裝材料生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的副反應(yīng)產(chǎn)物，以及添加劑和包裝材料的降解產(chǎn)物[7－8]。相比有意添加物，食品接觸材料中的非有意添加物具有一定的不可預(yù)測(cè)性，其潛在風(fēng)險(xiǎn)未知，更值得關(guān)注[9－10]。對(duì)于食品接觸材料中的未知危害物，國(guó)內(nèi)外普遍采用高分辨質(zhì)譜對(duì)其進(jìn)行篩查識(shí)別。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于多種包裝材料，發(fā)現(xiàn)了眾多非有意添加物，如抗氧劑的降解產(chǎn)物，添加劑中的雜質(zhì)及副反應(yīng)產(chǎn)物，高分子材料的降解產(chǎn)物及低聚物等[11－13]。然而，高分辨質(zhì)譜技術(shù)應(yīng)用于PLA等可降解材料的報(bào)道還十分少見，尤其是當(dāng)PLA用于制造吸管時(shí)是否出現(xiàn)新的危害物，尚未可知。因此，有必要對(duì)PLA吸管在使用過(guò)程中遷出的有害物質(zhì)，尤其是非有意添加物進(jìn)行篩查識(shí)別，以確保其使用安全及食品安全。

本研究聚焦PLA吸管中有害物質(zhì)的篩查識(shí)別及潛在風(fēng)險(xiǎn)，所用PLA吸管均為市售產(chǎn)品且耐高溫型號(hào)。首先，開展遷移實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬PLA吸管的不同使用場(chǎng)景；然后，利用超高效液相色譜－飛行時(shí)間質(zhì)譜（UHPLC－QTOF MS）對(duì)遷移到不同食品模擬液中的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行篩查識(shí)別；最后，在篩查結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用毒理學(xué)關(guān)注閾值（Threshold of toxicological concern，TTC）方法對(duì)各類化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行危害評(píng)估。本研究的開展有助于了解PLA吸管中未知危害物的基本情況，為后續(xù)暴露分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供有用信息。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

SCIEX ExionLC?AD超高效液相色譜系統(tǒng)、SCIEX X500R飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（美國(guó)SCIEX公司），配SCIEX OS軟件（Version 1．5．0．23389）。

甲醇（質(zhì)譜級(jí)）購(gòu)自德國(guó)Merck公司，乙醇（色譜級(jí)）購(gòu)自中國(guó)麥克林公司，甲酸銨（>99%）由德國(guó)Fisher Chemical公司提供，乙酸（≥99．7%）由美國(guó)Honeywell公司提供，實(shí)驗(yàn)用水為Milli-Q超純水（電阻率18．2 MΩ·cm）。PLA吸管購(gòu)自國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的不同廠家，共5份（編號(hào)1～5），所有PLA吸管均為耐高溫型，耐受溫度不低于80℃，尺寸均為23 cm（長(zhǎng)度）×1．2 cm（口徑）。外包裝為普通白紙或牛皮紙，吸管顏色從乳白到淺黃色不等。

1.2 遷移實(shí)驗(yàn)

參照國(guó)標(biāo)GB 31604．1－2015[14]開展PLA吸管的遷移實(shí)驗(yàn)（2個(gè)平行樣）。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要考慮PLA吸管用于熱飲的場(chǎng)景，盡可能模擬PLA吸管的實(shí)際使用情況。如圖1所示，采用500 mL玻璃試劑瓶模擬飲料杯（如紙塑杯子）以避免真實(shí)飲料杯中化學(xué)物質(zhì)對(duì)篩查結(jié)果造成干擾。選取4種食品模擬液：水（A，模擬水本身），4%乙酸（B，模擬各種果汁飲料），20%乙醇（C，模擬含10%～20%酒精飲料以及豆?jié){或發(fā)酵豆?jié){飲料等），50%乙醇（D，模擬含奶油飲料，乳品以及液體巧克力等）。將400 mL模擬液倒入試劑瓶中，并置于烘箱加熱至60℃（一般熱飲飲用溫度約60℃），其中模擬液為50%乙醇時(shí)，加熱溫度設(shè)置為40℃，主要考慮到奶油易化，含奶油的飲料溫度不宜太高。當(dāng)模擬液達(dá)到設(shè)定溫度后，將試劑瓶從烘箱取出，插入PLA吸管樣品。將插入吸管的試劑瓶重新置于烘箱中，同時(shí)關(guān)閉烘箱溫度，模擬熱飲在飲料杯中自然冷卻的過(guò)程。考慮到一般熱飲的飲用時(shí)間在1 h之內(nèi)，試劑瓶在烘箱中放置的時(shí)間設(shè)置為1 h。之后，將試劑瓶取出，用移液槍（德國(guó)Eppendorf公司）移取1 mL模擬液于1．5 mL進(jìn)樣瓶（美國(guó)Agilent公司）中，待分析。

圖1 遷移裝置示意圖Fig．1 Apparatus for the migration test

1.3 儀器條件與遷移物篩查識(shí)別

利用UHPLC－QTOF MS篩查識(shí)別遷移到食品模擬液中的化學(xué)物質(zhì)。色譜條件：Agilent Zorbax Eclipse XDB?C8色譜柱（3．0 mm ×100 mm，1．8μm），柱溫40℃。流動(dòng)相：A為水+5 mmol/L甲酸銨，B為甲醇+5 mmol/L甲酸銨；梯度洗脫程序：0 min，5%B；2 min，70%B；6 min，100%B；16 min，100%B；16．1 min，5%B；18 min，5%B。流速為0．4 mL/min，進(jìn)樣器溫度15℃，進(jìn)樣量為5μL。

質(zhì)譜條件：采用電噴霧離子源（Electron spray ionization，ESI）分別在正離子和負(fù)離子模式下掃描。數(shù)據(jù)采集方式為信息依賴采集（Information dependent acquisition，IDA）。掃描范圍80～1 300 Da，離子源溫度為550℃，去簇電壓為5 500 V，累計(jì)時(shí)間為0．2 s。Gas 1、Gas 2、氣簾氣和CAD Gas分別設(shè)置為50、55、35、7 psi。MS/MS掃描范圍50～1 300 Da，碰撞能30 V，幅度20 V。每次掃描循環(huán)選取響應(yīng)前10的母離子（閾值設(shè)置為1．0×105）并采集MS/MS數(shù)據(jù)。其他質(zhì)譜參數(shù)采用儀器默認(rèn)值。

采用SCIEX OS軟件的Analytics模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以靶向篩查與非靶篩查相結(jié)合的方式對(duì)食品模擬液中的遷移物進(jìn)行篩查識(shí)別[11]。靶向篩查主要依靠實(shí)驗(yàn)室自建食品接觸材料數(shù)據(jù)庫(kù)（Indirect food additive database or IFA database，包含各類添加劑500余種），將儀器得到的未知物信息（m/z，同位素豐度比，二級(jí)碎片等）和數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息匹配，當(dāng)匹配度滿足Purity>70時(shí)，可確認(rèn)未知物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。對(duì)于不在數(shù)據(jù)庫(kù)中的未知物，采用非靶向篩查的方式確認(rèn)其化學(xué)結(jié)構(gòu)，可分為兩個(gè)步驟：首先，選取峰面積大于空白樣品5倍以上的未知物（5倍以下則認(rèn)為是系統(tǒng)干擾），借助SCIEX OS軟件自帶的“Formula Finder”功能并結(jié)合未知物的一級(jí)譜圖信息（m/z，同位素豐度比，加合形式）推導(dǎo)出未知物所有可能的化學(xué)式（mass error<10 ppm）。然后，在ChemSpider數(shù)據(jù)庫(kù)（www．chemspider．com）中搜索滿足候選化學(xué)式的所有化學(xué)結(jié)構(gòu)，由軟件推導(dǎo)出二級(jí)碎片并和儀器結(jié)果比對(duì)（mass error<10 ppm），挑選出高度吻合的化學(xué)結(jié)構(gòu)，最終依賴研究人員的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)塑料添加劑的了解，實(shí)現(xiàn)未知物的化學(xué)結(jié)構(gòu)最終確認(rèn)。此外，還可通過(guò)購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)品或合成標(biāo)準(zhǔn)品的方式對(duì)未知物進(jìn)行驗(yàn)證。若ChemSpider數(shù)據(jù)庫(kù)未查詢到與所列化學(xué)式相關(guān)的任何化學(xué)結(jié)構(gòu)，則需要根據(jù)未知物的二級(jí)碎片并結(jié)合“Formula Finder”功能對(duì)二級(jí)碎片進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析，在推導(dǎo)出二級(jí)碎片化學(xué)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出未知物的完整化學(xué)結(jié)構(gòu)。此項(xiàng)工作同樣高度依賴研究人員的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)塑料添加劑的了解。

1.4 遷移物危害評(píng)估

來(lái)自PLA吸管中的遷移物可能對(duì)食品安全造成潛在威脅。為確保包裝材料使用安全及食品安全，我國(guó)在GB9685－2016[15]中規(guī)定了允許用于食品接觸材料的各類化學(xué)物質(zhì)及特定遷移限量（Specific migration limit，SML）。對(duì)于未規(guī)定SML的化學(xué)物質(zhì)，其遷移量不應(yīng)超過(guò)總遷移限量（Overall migration limit，OML），即60 mg/kg。對(duì)于未出現(xiàn)在GB9685－2016中的化學(xué)物質(zhì)，尤其是非有意添加物，在缺乏完整毒理學(xué)數(shù)據(jù)的情況下，采用TTC方法結(jié)合Cramer決策樹對(duì)其進(jìn)行危害評(píng)估，評(píng)估軟件為Toxtree（version 3．1．0．1851），評(píng)估方法選擇Revised Cramer Decision Tree。根據(jù)Cramer等建立的化學(xué)物質(zhì)分類體系和分類流程，將化學(xué)物質(zhì)分為3類：Cramer Ⅰ（低毒），Cramer Ⅱ（中等毒）和Cramer Ⅲ（高毒），對(duì)應(yīng)的TTC閾值分別為30、9、1．5μg/kg bw[16]。假設(shè)一個(gè)成年人（60 kg體重）每天攝入含某化學(xué)物質(zhì)的食物1 kg，則3類Cramer化合物的遷移限量分別為1．8、0．54、0．09 mg/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 PLA吸管中遷移物的分析鑒定

5種PLA吸管樣品向不同食品模擬液遷移的化學(xué)物質(zhì)見表1，遷移物共計(jì)30種（兩個(gè)平行樣均有檢出且mass error<10 ppm），可分為低聚物和添加劑兩大類。低聚物主要有聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和丁二醇－己二酸－對(duì)苯二甲酸共聚物（PBAT），數(shù)量較多，聚合度不同，以環(huán)狀結(jié)構(gòu)為主，也有少量線性結(jié)構(gòu)（水解產(chǎn)物）。其他低聚物中，聚己二酸丁二醇酯（PBA）和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）被視為PBAT的副反應(yīng)產(chǎn)物，由組成PBAT的3種單體中的兩種共聚而成。由于低聚物由單體聚合而成，其MS/MS譜圖的碎片通常展現(xiàn)出單體的信息。因此，可通過(guò)化學(xué)結(jié)構(gòu)解析的方式推導(dǎo)出低聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。以No．11（1聚PBT+1聚PBA，成環(huán)）為例（圖2A），其主要碎片包含對(duì)苯二甲酸（149．023 9）、對(duì)苯二甲酸+丁二醇（221．082 6）、對(duì)苯二甲酸+丁二醇+己二酸（349．131 1）等，再結(jié)合軟件“Formula finder”功能，便可由部分特征碎片的化學(xué)結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出整體化學(xué)結(jié)構(gòu)。PBAT和PBS屬同系列聚酯材料，均可生物降解，具有加工方便、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，綜合力學(xué)性能優(yōu)異，與PLA共混可改善材料的加工條件，提高材料的韌性和耐熱性[17－18]。由表1可見，樣品2～4均選擇該方式提高吸管的各項(xiàng)性能，但又有所區(qū)別。樣品2中只加入了PBAT，樣品3中只加入了PBS，而樣品4中同時(shí)加入了PBAT和PBS。雖然吸管的主體材料是PLA，但4種食品模擬液中均未檢出PLA低聚物，其原因可能是PLA低聚物在所選模擬液中溶解性差，未發(fā)生遷移，因此未被檢出。

圖2 化合物11（A）及化合物22（B）的MS/MS譜圖及其碎片結(jié)構(gòu)Fig．2 MS/MS spectra and fragmental structures of compound number 11（A）and number 22（B）

除低聚物外，食品模擬液中還篩查出與塑料添加劑相關(guān)的遷移物，這些塑料添加劑通常在高分子材料成型加工時(shí)加入，以改善材料加工性能和理化性質(zhì)，也可通過(guò)遷移進(jìn)入食品，威脅食品安全。本研究共篩查出的十余種塑料添加劑主要有抗氧劑、潤(rùn)滑劑和增塑劑。如抗氧劑1 076（No．30）只在與樣品4接觸的50%乙醇中檢出；潤(rùn)滑劑有芥酸酰胺及其類似物（No．23～26、28），僅在與樣品4接觸的50%乙醇中檢出。在PLA中加入芥酸酰胺，可起到抗粘接和抗靜電作用。芥酸酰胺的類似物由原料中芥酸以外的脂肪酸（雜質(zhì)）經(jīng)酰胺化后獲得[19]。增塑劑在樣品2～4中均有檢出，種類不盡相同，增塑劑可降低PLA玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg），促進(jìn)分子鏈運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的結(jié)晶度和耐熱性[20]。樣品2中增塑劑（No．29）為環(huán)己烷-1，2-二甲酸二異壬酯（DINCH），是一類新型環(huán)保增塑劑。樣品4中為乙酰檸檬酸三丁酯，為無(wú)毒增塑劑，具有較好的耐水性[21]。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了合成乙酰檸檬酸三丁酯的原料檸檬酸三丁酯（No．16）和檸檬酸三丁酯的脫水產(chǎn)物（副反應(yīng)產(chǎn)物）丙烯三羧酸三丁酯（No．22，圖2B）。此外，樣品3和4中還發(fā)現(xiàn)少量磷酸三苯酯（No．13），為常見有機(jī)磷類阻燃增塑劑。

2.2 不同PLA吸管樣品之間的比較分析

不同PLA吸管樣品向食品模擬液遷移的化學(xué)物質(zhì)不同。總體來(lái)看，在同一食品模擬液條件下，樣品4中遷移出的物質(zhì)數(shù)量最多，其次是樣品3和樣品2。當(dāng)食品模擬液為50%乙醇時(shí)（圖3A和表1），30種遷移物均有檢出。其中，樣品4中遷移物數(shù)量達(dá)29個(gè)，遠(yuǎn)大于樣品3（6個(gè)）和樣品2（5個(gè)）。值得注意的是，無(wú)論選取何種食品模擬液，均未發(fā)現(xiàn)來(lái)自樣品1和5的遷移物，表明這兩種吸管在生產(chǎn)中可能使用了無(wú)機(jī)填料（如滑石粉）替代有機(jī)添加劑，因此未檢出，但也不排除這兩種吸管樣品中所含化學(xué)物質(zhì)在本研究所選取的食品模擬液中溶解性差，未發(fā)生明顯遷移。

2.3 不同食品模擬液之間的比較分析

比較不同食品模擬液發(fā)現(xiàn)，同一種有化學(xué)物質(zhì)遷出的吸管樣品在50%乙醇中的遷移物數(shù)量最多，其次為20%乙醇、4%乙酸和水，這表明食品模擬液的類型是影響PLA吸管內(nèi)化學(xué)物質(zhì)遷移的主要因素之一。提高模擬液中有機(jī)試劑（如乙醇和乙酸）含量，有助于溶解吸管內(nèi)更多數(shù)量的化學(xué)物質(zhì)（親油性）并遷移到模擬液中。此外，樣品4在不同模擬液中遷移物的色譜峰強(qiáng)度順序大致為50%乙醇>20%乙醇>4%乙酸>水（圖3B），表明PLA吸管與偏油性模擬液接觸時(shí)遷移出的化學(xué)物質(zhì)濃度更高。因此，在開展PLA吸管的遷移測(cè)定及安全性評(píng)價(jià)時(shí)，更應(yīng)關(guān)注吸管接觸乳品等高脂肪性飲料的情況。

2.4 PLA吸管中遷移物的潛在危害

PLA吸管中的遷移物是否存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)行科學(xué)評(píng)估確定。由表1數(shù)據(jù)可知，30種遷移物中僅5種出現(xiàn)在GB9685?2016的肯定列表中，為食品接觸材料允許使用的添加劑。其中，抗氧劑1076的遷移限量為6 mg/kg，其他無(wú)特定遷移限量，但仍需符合總遷移限量的要求（60 mg/kg）。未在肯定列表中的遷移物主要為低聚物，以及已知添加劑的類似物（來(lái)源于芥酸酰胺）、原料及副反應(yīng)產(chǎn)物（來(lái)源于乙酰檸檬酸三丁酯）等。根據(jù)定義，這些遷移物均可認(rèn)為是非有意添加物。Toxtree軟件分析結(jié)果顯示，除芥酸酰胺的類似物（No．24～26、28）外，其余物質(zhì)皆被歸為Cramer Ⅲ型危害物，具有潛在高毒性，參考遷移限量為0．09 mg/kg，需予以高度關(guān)注。

3 結(jié) 論

本研究實(shí)現(xiàn)了不同PLA吸管樣品在接觸不同食品模擬液條件下的遷移物篩查識(shí)別，并通過(guò)查詢相關(guān)限量標(biāo)準(zhǔn)和采用計(jì)算毒理學(xué)方法對(duì)遷移物的潛在危害進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，不同生產(chǎn)廠家在加工PLA吸管時(shí)添加的化學(xué)物質(zhì)種類有所不同，遷移物也有所不同，總體可分為低聚物和添加劑兩類，其中低聚物主要為PBS和PBAT，數(shù)量較多，且以環(huán)狀結(jié)構(gòu)為主；添加劑分為有意添加物和非有意添加物，但由于大部分非有意添加物（包括低聚物）被毒理學(xué)軟件（Toxtree）判定為Cramer Ⅲ型危害物，未來(lái)需關(guān)注這些物質(zhì)在PLA吸管實(shí)際使用中的遷移，尤其是向高脂肪飲料（乳品、含奶油飲料）中的遷移。