基于GC-MS和化學計量法探究邊角料添加比例對食品接觸用再生PE薄膜的影響

郭 盼, 曾少甫, 3, 朱 蕾, 吳永寧, 王志偉, 3*, 胡長鷹, 2*

（1. 暨南大學 包裝工程學院, 廣東省普通高校產品包裝與物流重點實驗室, 廣東 珠海 519070；2. 暨南大學食品科學與工程系, 廣東 廣州 510632；3. 暨南大學 力學與建筑工程學院, 廣東 廣州 510632；4. 國家食品安全風險評估中心, 北京100022）

塑料被廣泛應用于食品包裝, 其需求呈指數性增長。再生聚乙烯（PE）作為第二大食品接觸塑料包裝材料, 可通過擠出流延、吹塑成型等方式加工制備各種包裝容器或薄膜等制品, 其制品具有良好的機械性能、加工性能以及優異的阻隔性能。食品接觸用塑料約占塑料使用量的27. 9%[1］, 而塑料包裝回收率僅為14%[2］, 其中大部分被填埋或焚燒, 造成環境污染和資源浪費。目前已有多位學者和相關機構證實食品接觸用PE材料可實現同級回收[3-7］, 使其再次應用于食品包裝。

針對食品接觸用再生塑料的研究主要集中在“瓶對瓶”閉環回收模式。由于分揀難度大、脫墨處理復雜、復合薄膜回收技術不發達等問題, 導致薄膜回收技術尚不成熟。目前, 回收薄膜的主要來源是工業邊角料和消費后薄膜, 而消費后的薄膜會受到復雜流通環境、污染物等因素的影響, 其回收難度較高, 因此加工后廢棄邊角料的閉環回收成為薄膜回收的重點關注方式[7-9］。歐盟允許將邊角料、加工廢料作為回收材料使用, 并更新相關法規確定安全評估程序以取代原有法規[10］。美國食品藥品監督管理局（FDA）《在食品包裝中使用再生塑料的注意事項：化學方面的考慮》行業指南中, 提出了“初級再生”邊角料的概念, 不同于消費后回收的塑料, 未經消費使用的邊角料可作為食品接觸材料使用[11］。

歐洲食品安全局（EFSA）批準少量高密度聚乙烯（HDPE）硬質包裝可作為食品接觸材料使用[4-5］, 但食品接觸用再生PE薄膜的安全性研究仍處于實驗室階段。Radusin等[3］對再生PE作為中間層的食品接觸用復合塑料進行遷移研究, 發現樣品在95%乙醇食品模擬物中的總遷移量均低于10 mg/dm2, 抗氧劑及其降解產物、增塑劑、低聚物等化合物的特定遷移量（SML）均在規定限值內, 但未進行再生PE作為直接接觸食品內層的遷移研究。Curtzwiler等[6］研究發現不同比例再生料的HDPE樣品萃取殘留物均符合美國聯邦法規的食品接觸材料應用要求, 但未使用食品模擬物進行遷移研究。邊角料作為工業生產中被忽略的回收材料, 盡管未受到消費、回收等過程的污染, 其作為食品接觸用回收塑料的安全性還有待研究, 需要進一步關注含邊角料食品接觸用再生PE材料中潛在的風險物質。已有學者使用化學計量法鑒別原生和再生聚合物, 取得良好的效果[12-13］。為了探究邊角料含量對再生PE薄膜的影響, 可使用化學計量法對PE薄膜中邊角料比例進行評估分類。

本研究采用不同比例邊角料制備再生PE薄膜樣品, 對其進行顏色、總遷移量測定, 利用氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）結合MS-DIAL和保留指數對揮發性化合物進行非靶向篩查, 并建立主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘-判別分析（OPLS-DA）模型對特征化合物進行篩選, 以分析不同比例邊角料對再生PE薄膜樣品的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

食品接觸用PE顆粒和破碎后PE邊角料（同一批次）均由浙江某公司提供；二氯甲烷、乙醇（色譜純, 上海麥克林生化科技有限公司）；冰乙酸（分析純, 上海麥克林生化科技有限公司）；正構烷烴（C7～C40, 1 000 mg/L, 上海安譜璀世標準技術服務有限公司）。UltraScan PRO型分光測色儀（美國HunterLab公司）；DRK203B薄膜測厚儀（濟南德瑞克儀器公司）；JYLG-30型雙螺桿擠出流延機（廣東金中河機械有限公司）；Agilent 7890A-5975C氣相色譜-質譜儀（美國Agilent公司）；DHG-9140A型電熱鼓風干燥箱（上海精宏儀器設備有限公司）；AR224CN電子天平（奧豪斯儀器有限公司）。

1.2 總遷移量實驗

根據GB 31604. 1-2015[14］要求, 總遷移條件為70℃, 2 h, 選取4%（體積分數, 下同）乙酸、10%乙醇、50%乙醇、95%乙醇為食品模擬物, 選用直徑75 mm的遷移池, 參考GB 31604. 8-2021[15］實驗步驟對樣品進行總遷移量的測定, 做3組平行并設置空白組。計算公式如下：X=（m1-m2）V/（V1S）。式中：X為總遷移量（mg/dm2）；m1為樣品浸泡液殘渣的質量（mg）；m2為空白浸泡液殘渣的質量（mg）；V為浸泡液總體積（mL）；V1為樣品浸泡液體積（mL）；S為樣品與浸泡液的接觸面積（dm2）。

1.3 GC-MS儀器條件

氣相色譜條件：色譜柱：DB-5MS（30 m×0. 25 mm×0. 25μm）；升溫程序：50℃保持1 min, 以15℃/min升至300℃, 保持8 min；載氣（氦氣）流速：1. 2 mL/min；進樣量：1μL；不分流；傳輸線溫度：280℃。

質譜條件：電子轟擊離子源（EI源）；電離能量：70 eV；離子源溫度：230℃；四極桿溫度：150℃；檢測方式：全掃描模式；溶劑延遲：3 min；選擇離子監測模式；質量掃描范圍（m/z）：50～650。

1.4 實驗方法

1.4.1 樣品制備與處理將破碎的邊角料與PE原生母粒分別按質量比0%、3%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、50%、75%、100%混合均勻, 在40℃下烘干2 h。含不同比例邊角料的再生PE薄膜樣品由雙螺桿擠出流延機制得。熔融區溫度分別為：175、180、185℃；合流區和模具區溫度均為185℃；主機螺桿轉速為20 rad/min, A、B、C輥輪速度分別為10、10、11 rad/min。使用UltraScan PRO型分光測色儀測得并記錄每個樣品的顏色參數L*、a*、b*, 每種樣品平行測定5次。

將樣品剪成規格約5 mm×5 mm的碎片, 稱取1. 00 g（精確至0. 01 g）樣品于試管中, 加入15 mL二氯甲烷, 密封后超聲萃取0. 5 h, 過0. 22μm有機濾膜, 取1 mL提取液于進樣小瓶, 待檢測。

1.4.2 正構烷烴混合標準溶液配制取正構烷烴（C7～C40）標準品稀釋至1 mg/L, 按照“1. 3”實驗條件上機檢測, 結合NIST17譜庫和線性升溫公式計算保留指數[16］。

式中：RI為保留指數；n為正構烷烴碳數；tx為被測組分的保留時間（min）；tn為碳數為n的正構烷烴的保留時間（min）；tn+1為碳數為n+1的正構烷烴的保留時間（min）；且tx＜tn＜tn+1。

1.4.3 數據處理使用MS-DIAL和NIST17質譜庫, 結合保留指數, 對所有揮發性化合物進行定性。NIST17譜庫可增加檢索結果的可信度, MS-DIAL能對化合物的色譜峰進行解卷積分析, 提高重疊峰的解析能力。參數設置如下：質量數分析范圍50～650 Da, 最小峰高1 000, 定性時保留指數容差為20%, 保留時間容差為0. 5 min, 質荷比容差為0. 5 Da, EI相似度為70%, 總體得分不低于70%。峰對齊處理時設置保留指數容差值為20%, EI相似度不低于70%。

將扣除空白值的定性數據矩陣導出, 對數據進行lg對數變換以縮小最大最小數據間的差異, 導入SIMCA軟件建立PCA、OPLS-DA模型。

2 結果與討論

2.1 再生薄膜色差分析

圖1為實驗室自制不同比例邊角料的再生PE薄膜樣品, 成卷樣品外觀顏色存在明顯差異。借助分光測色儀測定樣品的顏色指標（樣品疊加至厚度1 mm）, 以原生薄膜為參考進行顏色參數ΔE*分析, 結果如表1所示。再生PE薄膜的L*、b*均比原生薄膜暗黃, b*隨邊角料比例的增加呈上升趨勢, 且添加比例為75%、100%的樣品與原生薄膜具有顯著性差異, 這是由于邊角料在破碎、電暈處理、破碎、熔融過程中發生氧化降解, 生成羰基、過氧化羥等發色官能團和自由基[3, 6, 17］。再生PE薄膜樣品（厚度1 mm）的色差值ΔE*在2. 0～6. 0之間, 能夠肉眼分辨顏色差異[18］, 但單層薄膜較薄, 添加邊角料的再生薄膜實際色差引起的感官影響可忽略不計。

表1 不同比例邊角料再生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）

圖1 食品接觸用再生PE薄膜樣品圖Fig. 1 Sample diagram of recycled PE film for food contact

2.2 再生薄膜總遷移量的測定

為驗證添加邊角料樣品的安全性, 對樣品的總遷移量進行測定。如圖2所示, 原生和再生PE薄膜（100%邊角料）在4種食品模擬物中的總遷移量均小于GB 4806. 7-2016[19］規定的塑料制品總遷移量限量標準10 mg/dm2。原生和再生PE薄膜在不同食品模擬物中的遷移量無顯著性差異, 說明加入邊角料對總遷移量的影響不明顯。

圖2 原生與再生PE薄膜在4種食品模擬物中的總遷移量（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篩查

分別對不同邊角料比例的再生PE薄膜樣品進行GC-MS非靶向篩查, 總離子流圖如圖3所示。使用MS-DIAL軟件結合保留指數解卷積處理和NIST17譜庫檢索共同定性, 由于邊角料和原生母粒來自同一批次樣品, 不同比例邊角料樣品色譜圖的特征出峰位置基本相同, 而峰面積略有差異。共定性出90種揮發性化合物, 包括46種脂肪烷烴、14種酯類、3種脂肪醛、3種脂肪酸、2種脂肪酮、4種脂肪酰胺、6種脂肪醇、7種苯及其取代衍生物、5種其他物質。

圖3 不同比例邊角料再生PE薄膜的總離子流色譜圖Fig. 3 Total ion flow chromatograms of recycled PE film with different proportion scraps

不同比例邊角料樣品均檢測到脂肪烴, 如十四烷、十六烷、環二十烷、1-十六烯、1-十四烯、支鏈飽和烴等, 這是由于PE邊角料在電暈處理、破碎、儲存、高溫熔融加工過程中發生機械和熱（光）氧化降解、斷鏈, 產生大量的鏈烷烴和烯烴等揮發性化合物, 并揮發到外界環境中[20-21］。隨著邊角料添加量的增多, 再生薄膜中脂肪烴化合物的峰面積逐漸減少[13］。此外在樣品中還篩查出大量醛類、醇類等化合物, 如E-15-十七烯醛、3-十七酮、十六醇、二十酸等。由于PE聚合物在熱（光）氧化下會奪取氫原子形成大量烷基自由基, 與不飽和基團或氧氣形成初級氧化產物氫過氧化物或過氧化物, 通過O—O鍵斷裂降解成烷氧自由基和羥基自由基, 形成各種化學物質, 例如醛、酮、醇、羧酸等氧化產物[22-24］。

樣品中也檢測到抗氧劑168、抗氧劑BHT、芥酸酰胺和鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯等提高PE薄膜性能的添加劑。抗氧劑168和抗氧劑BHT可抑制聚合物氧化降解, 提高擠出流延加工過程中的熱穩定性。同時檢測出抗氧劑168的降解產物2, 4-二叔丁基苯酚, 說明邊角料中的抗氧劑168在存儲過程中發生了降解[25］。芥酸酰胺為爽滑劑, 可有效降低聚合物鏈間的摩擦力, 防止薄膜間粘連。鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯為增塑劑, 可用于提高聚合物的柔韌性和可加工性。

結合SML、半數致死量（LD50）和Cramer法則對17種化合物進行重點關注, 以探究不同邊角料比例樣品中物質的潛在風險, 如表2所示。SML可參考歐盟食品接觸塑料法規（EU）No. 10/2011授權物質清單[26］；LD50數 據 可 從PubChem（https：//pubchem. ncbi. nlm. nih. gov）、Chemical Book（https：//www. chemicalbook. com）檢索獲得；Cramer分類使用Toxtree軟件將物質分為CramerⅠ、CramerⅡ、CramerⅢ3類, 安全閾值分別為1 800、540、90μg/（人·d）[27］。其中抗氧劑BHT、1-十六醇、棕櫚酸、硬脂酸、抗氧劑168、芥酸酰胺、鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯7種物質均在（EU）No. 10/2011添加劑清單中。抗氧劑BHT為3類致癌物（IARC）, 其SML限量為3 mg/kg, 鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯為2B類致癌物（IARC）, 其SML限量為1. 5 mg/kg。部分脂肪酰胺類物質（如癸酰胺、十二酰胺、棕櫚酰胺）被歸類為CramerⅢ。

表2 不同比例邊角料樣品二氯甲烷萃取液中的重點關注化合物Table 2 Key compounds from dichloromethane extract of different proportions of scrap samples

PE聚合物斷鏈、氧化降解產生大量相對無味的烷烴化合物以及烯烴、酮、醛、羧酸等揮發性有機物, 導致樣品具有蠟質、脂肪等異味[28］。長鏈烷烴一側帶有雙鍵的烯烴（十七烯除外）是引起異味的主要原因, 如1-十四烯、2-丁基-1-癸烯、1-十五烯、1-十六烯[29］。壬醛為爽滑劑芥酸酰胺或PE聚合物的熱降解產物[22, 30］, 具有油脂味道和柑橙味[28］；抗氧劑168的降解產物2, 4-二叔丁基苯酚具有椰子味[29］；硬脂酸、棕櫚酸具有類似于牛脂的特征氣味[31］。這些氣味會影響PE再生薄膜制品的感官評價。

2.4 PE薄膜樣品中邊角料含量分析

2.4.1 PCA與OPLS-DA分析主成分分析是一種無監督線性降維方法, 能夠將大量數據通過線性變換轉化為不相關特征變量, 可觀察樣品間的差異。基于GC-MS得到不同比例邊角料樣品中化合物峰面積所組成的矩陣X, 分別使用單位方差換算（UV）和帕萊托換算（Par）兩種方法對數據矩陣X進行PCA分析, 結果表明樣品均在t[1］軸具有明顯差異（圖4A、B）, 添加邊角料≤10%（包括不添加邊角料）的樣品在t[1］軸負坐標軸區域, 而75%、100%邊角料含量的樣品主要分布在t[1］軸正坐標軸區域, 其余樣品聚集在坐標原點附近。

圖4 樣品的UV-scaling PCA得分圖（A）、Par-scaling PCA得分圖（B）、UV-scaling OPLS-DA得分圖（C）與Par-scaling OPLS-DA得分圖（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

為進一步研究添加不同比例邊角料樣品間的差異并篩選特征化合物, 根據PCA模型初步將再生PE樣品分為3類（A類：邊角料含量為0%、3%、5%、10%；B類：邊角料含量為15%、20%、25%、30%、50%；C類：邊角料含量為75%、100%）, 建立具有監督模式的OPLS-DA模型, 對3類樣品進行預測分析。如圖4C、D所示, 相較于PCA非監督的模式識別方法, OPLS-DA對樣品進行分組處理后, 基于正交信號校正方法濾除與分類無關的信息, 可更好地觀察組間聚類趨勢和組間差異。使用UV歸一化（擬合參數：R2Xcum：0. 806, R2Ycum：0. 994, Q2cum：0. 825）比Par歸一化（擬合參數：R2Xcum：0. 588, R2Ycum：0. 88, Q2cum：0. 749）建立的OPLS-DA模型具有更好的穩定性和預測性, 在UV-scaling OPLS-DA得分圖中, 3組不同比例樣品的聚集趨勢更明顯（圖4C）。

2.4.2 特征成分的篩選為探索造成樣品差異的特征成分, 根據UV-scaling OPLS-DA模型, 以每個變量投影重要性（VIP）＞1和|p（corr）值|＞0. 7為標準篩選出26個變量, 其中15個變量為脂肪烴化合物, 且再生PE薄膜（100%邊角料）中上述15種脂肪烴化合物的峰面積約為原生薄膜的1. 5倍。由于PE邊角料中的脂肪烴化合物經前述加工過程揮發至外界環境, 當與原生顆粒混合再次制備成薄膜時, 樣品中脂肪烴化合物的峰面積會隨之減少, 相關研究中也發現類似結論[13］。添加劑及其降解產物也是造成樣品差異的原因, 如十二酰胺、7, 9-二叔丁基-1-氧雜螺（4, 5）癸-6, 9-二烯-2, 8-二酮、壬醛分別為表面活性劑、抗氧劑1010的降解產物[32-33］、爽滑劑芥酸酰胺或聚合物PE的降解產物[22, 30］, 在再生薄膜（C類）中的峰面積較高。因此經同批次邊角料回收再次制備薄膜制品, 雖未出現明顯的新物質, 但邊角料經電暈、破碎、儲存、高溫熔融等加工過程會導致脂肪烴化合物的峰面積減少, 添加劑及其降解產物的峰面積增加。根據不同比例邊角料樣品的GC-MS篩查數據, 建立的PCA和OPLS-DA模型可將樣品分為3類：邊角料添加比例在10%以下的樣品與原生薄膜較為相似；當添加比例為10%～50%時, 開始與原生薄膜產生差異, 需對其安全性進行進一步評估；當添加比例達到50%以上時與原生薄膜產生明顯差異, 需對其安全性重點關注。

3 結 論

基于GC-MS對自制的不同比例PE再生薄膜進行了非靶向篩查, 檢測出90種揮發性有機化合物, 主要為脂肪烴、添加劑及其降解產物、中間體等。分析發現了17種重點關注物質, 如抗氧劑BHT、抗氧劑168、芥酸酰胺、鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯、1-十六烯等。通過建立PCA和OPLS-DA模型將樣品分為3類, 發現邊角料比例在10%以下的樣品與原生薄膜差異不大, 比例在10%～50%之間需進一步評估其安全性, 比例在50%以上需重點關注。造成不同比例邊角料再生PE薄膜差異的主要原因是脂肪烴、添加劑及其降解產物, 脂肪烴化合物的峰面積隨邊角料添加比例的增加而減少, 十二酰胺、抗氧劑1010的降解產物7, 9-二叔丁基-1-氧雜螺（4, 5）癸-6, 9-二烯-2, 8-二酮、芥酸酰胺或聚合物降解產物壬醛的峰面積隨邊角料添加比例的增加而增大。因此, 邊角料作為再生料同級應用到食品接觸用再生PE薄膜時, 需重點關注再生薄膜中添加劑及其降解產物的遷移情況。本研究為邊角料應用于食品級“膜對膜”同級回收工藝提供了數據支持, 有助于加快塑料循環經濟發展。