基于FT-IR和GC-MS分析市售PLA吸管中揮發(fā)性物質(zhì)

張株瑞，楊青華，童 星，王志偉，胡長鷹,2,*

（1.暨南大學(xué)包裝工程學(xué)院，廣東 珠海 519070；2.暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東 廣州 510632）

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入，可降解材料聚乳酸（polylactic acid，PLA）因其生物可降解、環(huán)境友好等特點(diǎn)，展現(xiàn)出良好的市場發(fā)展前景，如PLA吸管替代傳統(tǒng)一次性塑料吸管。然而食品安全不僅來自食品本身，食品接觸材料也可能存在有害物質(zhì)遷移至食品導(dǎo)致的食品安全隱患[1]。對(duì)于傳統(tǒng)的食品接觸用塑料，已有眾多學(xué)者研究它們的安全性，而生物降解材料在食品接觸方面的使用還處于起步階段，材料特性也與傳統(tǒng)塑料不同，帶來的風(fēng)險(xiǎn)可能更加不明確[2]。

目前，由于對(duì)PLA中物質(zhì)的篩查研究較少，市售PLA吸管中是否存在新的危害物質(zhì)也尚不清楚。相關(guān)文獻(xiàn)[3-4]采用超高效液相色譜-串聯(lián)四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜法研究了PLA顆粒、薄膜和制品中非揮發(fā)性成分及其向食品模擬物中的遷移情況，在總?cè)芙馓崛∥镏需b定出39種不同環(huán)狀和線性低聚物，在遷移液中檢測到10種低聚物及15種PLA反應(yīng)產(chǎn)生的低聚物；利用氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatograph-mass spectrometry，GC-MS）聯(lián)用法、大氣壓氣相色譜-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜法和氣相色譜-嗅聞-質(zhì)譜法研究了PLA中揮發(fā)性化合物及其向食品模擬物中遷移的情況，定性出22種揮發(fā)性化合物[5]。吳景杰等[6]采用超高效液相色譜-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用法篩查分析了PLA吸管遷移到不同食品模擬物中化合物，發(fā)現(xiàn)主要為低聚化合物和各種添加助劑，并通過毒理學(xué)關(guān)注閾值方法結(jié)合Cramer決策樹分析，其中大部分物質(zhì)為Cramer III類（高毒）物質(zhì)。目前基于質(zhì)譜非靶向檢測技術(shù)主要是GC-MS和液相色譜-質(zhì)譜。其中GC-MS是一種非常強(qiáng)大的非靶向篩查工具，具有全掃描采集靈敏度高、分離能力強(qiáng)、識(shí)別效率高、較完備的分析數(shù)據(jù)庫等優(yōu)點(diǎn)，可以通過非靶向篩查獲得大量的信息[7]。

本研究通過傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR）鑒定分析市售PLA吸管主要成分，采用GC-MS結(jié)合保留指數(shù)、NIST質(zhì)譜庫和MSDIAL對(duì)吸管樣品中揮發(fā)性化合物進(jìn)行非靶向識(shí)別分析，借助數(shù)據(jù)庫對(duì)檢出物質(zhì)進(jìn)行關(guān)注度分類，探討可能帶來的危害以期為PLA吸管的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

18種不同商家售賣的PLA吸管，分別編號(hào)為S1～S18。

1 000 mg/L正構(gòu)烷烴（C7～C40）混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（色譜純） 上海安譜璀世標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司；二氯甲烷、甲醇、乙酸乙酯、異辛烷、正己烷（均為色譜純）上海麥克林生化科技有限公司；乙腈（分析純） 天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

7890A-5975CGC-MS儀、7697A頂空（headspace，HS）進(jìn)樣器 美國Agilent公司；AR224CN電子天平奧豪斯儀器有限公司；iS50型FT-IR 美國賽默飛公司；DRK203薄膜厚度儀 山東德瑞克儀器有限公司；KQ5200DE數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；UPTC 10超純水機(jī) 上海力辰邦西儀器科技有限公司。

1.3 條件

1.3.1 樣品處理

將樣品剪成規(guī)格約10 mm×10 mm，用于FT-IR測定。將樣品剪成規(guī)格約5 mm×5 mm，分別準(zhǔn)確稱取2.00 g樣品，放入20 mL HS進(jìn)樣瓶中，迅速密封，待測定。另精準(zhǔn)稱取0.02 g樣品，放入20 mL樣品瓶中，加10 mL二氯甲烷，超聲萃取5 min。用注射器抽取1 mL提取液過0.22 μm有機(jī)濾膜，待GC-MS檢測。每種樣品采取3 個(gè)平行。

1.3.2 FT-IR測定

采用表面全反射法，把PLA吸管放在FT-IR附件晶體表面，調(diào)整壓力板使樣品和晶體表面緊貼，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掃描次數(shù)為32 次，掃描范圍為450～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.3.3 HS-GC-MS條件

平衡溫度120 ℃；定量環(huán)溫度130 ℃；傳輸線溫度140 ℃；平衡時(shí)間20 min；GC循環(huán)時(shí)間35 min；進(jìn)樣時(shí)間0.5 min；壓力平衡時(shí)間0.5 min。

DB-5MS色譜柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；升溫程序：40 ℃保持3 min，以10 ℃/min升至300 ℃，保持2 min；載氣（He）流速1.0 mL/min，進(jìn)樣量1 mL；分流比5∶1。

電子電離源；電子能量70 eV；傳輸線溫度80 ℃；離子源溫度230 ℃；溶劑延遲3 min；全掃描模式；質(zhì)量掃描范圍m/z45～600。

1.3.4 GC-MS條件

同1.3.3節(jié)GC-MS條件。

1.3.5 保留指數(shù)計(jì)算

取正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)品準(zhǔn)確稀釋至1 mg/L，取適量置于進(jìn)樣瓶中，迅速密封，按照1.3.3節(jié)方法檢測并分析，利用NIST17譜庫進(jìn)行檢索，并記錄正構(gòu)烷烴的保留時(shí)間，按下式[8]計(jì)算樣品中各組分的保留指數(shù)。

式中：n為正構(gòu)烷烴的碳數(shù)；tx為被測組分的保留時(shí)間/min；tn為碳數(shù)為n的正構(gòu)烷烴保留時(shí)間/min；tn+1為碳數(shù)為n+1的正構(gòu)烷烴保留時(shí)間/min；且tn＜tx＜tn+1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用MS-DIAL和NIST質(zhì)譜庫對(duì)所有樣品中揮發(fā)性化合物進(jìn)行定性，譜庫檢索與保留指數(shù)結(jié)合可以有效提高定性準(zhǔn)確度，而MS-DIAL能對(duì)化合物色譜峰進(jìn)行解卷積分析，提高重疊峰的解析能力[9]。參數(shù)設(shè)置如下：質(zhì)量數(shù)分析范圍0～1 000 Da，最小峰高1 000，保留指數(shù)相似度容差20%，保留時(shí)間容差0.5 min，質(zhì)荷比容差0.5 Da，EI碎片離子峰相似度不低于70%，保留時(shí)間容差20%，總體得分不低于80%。對(duì)生成的化合物列表進(jìn)行人工檢查，以減少錯(cuò)誤鑒定。為了避免柱流失等影響，去除空白樣品數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步分析定性化合物的來源、影響及潛在安全隱患，分別在PubChem（https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov）、Chemical Book（https://www.chemicalbook.com/ProductIndex.aspx）查閱物質(zhì)相關(guān)信息。特定遷移限量（specific migration limit，SML）來自法規(guī)EU No.10/2011[10]，內(nèi)分泌干擾物（endocrine disrupting chemical，EDC）清單和高關(guān)注物質(zhì)（substances of very high concern，SVHC）清單從ECHA（https://echa.europa.eu/home）中獲取。參照Su Qizhi等[11]的方法，根據(jù)物質(zhì)的安全性風(fēng)險(xiǎn)，給予不同關(guān)注度：滿足致癌物1、2類（IARC）、SML小于5 mg/kg、EDC或SVHC為IV類；滿足SML小于50 mg/kg、致畸劑或Cramer III類的物質(zhì)為III類；Cramer II類的物質(zhì)為II類；Cramer I類的物質(zhì)為I類。關(guān)注度不低于III類的為重點(diǎn)關(guān)注物質(zhì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 FT-IR測定結(jié)果

對(duì)PLA吸管樣品進(jìn)行FT-IR分析表征，結(jié)果如圖1所示。根據(jù)DB46/T 519—2020《全生物降解塑料制品紅外光譜拉曼光譜指紋圖譜快速檢測法》[12]和文獻(xiàn)[13-15]對(duì)其主要成分進(jìn)行分析。由于樣品來源不同，生產(chǎn)工藝未知，樣品中的成分比例可能存在較大差異，而且添加助劑的使用也會(huì)導(dǎo)致吸收峰發(fā)生重疊和偏移現(xiàn)象，無法借助1 000 cm-1以下指紋峰準(zhǔn)確分析基材種類。1 749 cm-1附近為酮的C＝O伸縮振動(dòng)吸收峰，1 450 cm-1附近為—CH3不對(duì)稱變形振動(dòng)吸收峰，1 385 cm-1附近為—CH3對(duì)稱變形振動(dòng)吸收峰，1 180 cm-1附近為—C—O—C—伸縮振動(dòng)吸收峰，以上吸收峰作為PLA的判斷依據(jù)[13]。聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（poly(butyleneadipate-co-terephthalate)，PBAT）、聚丁二酸丁二醇酯（poly(butylene succinate)，PBS）在多處有相似特征吸收，通過其特有結(jié)構(gòu)吸收峰差異進(jìn)一步分析，PBAT在1 268 cm-1左右出現(xiàn)與苯環(huán)相連的—CO吸收峰[14]，而PBS在1 330 cm-1左右出現(xiàn)—C—O—C—吸收峰[15]。由此判斷吸管的主要組成材料如表1所示。對(duì)比相同組別樣品的紅外光譜，如PLA+PBS樣品，在指紋區(qū)的出峰比例不同，這可能是由樣品間成分比例差異，以及不同添加劑導(dǎo)致。目前所收集的市面上銷售的PLA吸管，不同程度地混合了PBAT和PBS。

圖1 18 個(gè)市售PLA吸管樣品的FI-IRFig. 1 Infrared spectra of 18 commercially available PLA straw samples

表1 市售PLA吸管樣品信息Table 1 Information on commercially available PLA straw samples

2.2 前處理和HS條件優(yōu)化

為盡可能得到足夠多的檢出物質(zhì)，對(duì)樣品所用萃取溶劑進(jìn)行選擇優(yōu)化，對(duì)比了甲醇、二氯甲烷、乙酸乙酯、異辛烷、正己烷對(duì)吸管樣品中揮發(fā)性化合物的萃取效果。結(jié)果表明，二氯甲烷具有中等極性，對(duì)樣品中物質(zhì)的提取效果最好。選用超聲輔助二氯甲烷溶劑萃取。在超聲5、10、20、30 min情況下，物質(zhì)出峰情況無明顯變化，故選用超聲時(shí)間為5 min。

為了優(yōu)化對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)的提取效率，將平衡溫度（100、120、140、160 ℃）、平衡時(shí)間（10、20、30、40 min）、樣品量（0.50、1.00、1.50、2.00 g）分別進(jìn)行對(duì)比。平衡溫度120、140、160 ℃下樣品物質(zhì)的出峰情況無明顯差異，而100 ℃條件下的出峰數(shù)目明顯少于其他溫度；平衡時(shí)間從10 min延長到20 min時(shí)，峰面積均有所增加。延長平衡時(shí)間超過20 min后，無明顯變化；隨著樣品量的增加，一些低響應(yīng)峰面積會(huì)明顯增加。因此最終條件選取平衡溫度120 ℃、平衡時(shí)間20 min、樣品量2.00 g。

2.3 GC-MS定性分析

圖2 GC-MS揮發(fā)性物質(zhì)總離子流圖Fig. 2 Total ion current chromatogram of volatile substances detected by GC-MS from dichloromethane extract of straw samples

如圖2所示，定性出41種化合物，大部分為酯類、芳香族化合物，其中共17種重點(diǎn)關(guān)注物質(zhì)如表2所示。萘屬于多環(huán)芳烴化合物，主要用于合成鄰苯二甲酸酐和殺蟲劑，已被列入2B類致癌物清單中[16]。2,4-二叔丁基苯酚是抗氧化劑168的降解產(chǎn)物之一[17]，也具有一定的神經(jīng)毒性和殺菌作用[18]。2,2’-亞甲基雙(4-甲基-6-叔丁基苯酚)俗稱抗氧劑2246，具有很好的熱老化和光老化防護(hù)作用，廣泛應(yīng)用于塑料制造行業(yè)。雙(2-乙基己基)鄰苯二甲酸酯是一種鄰苯二甲酸酯類的增塑劑，可增加塑料的韌性，但其具有生殖和發(fā)育毒性，不同國家都對(duì)食品接觸材料中鄰苯二甲酸酯類增塑劑含量和遷移量作出了相關(guān)限制，以減少暴露風(fēng)險(xiǎn)和健康危害[19]。1,2-環(huán)己烷二甲酸結(jié)構(gòu)的酯類化合物，可能是苯環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生。乙酰檸檬酸三丁酯，是一種環(huán)保型增塑劑，具有良好耐水性，可替代傳統(tǒng)鄰苯二甲酸酯類增塑劑[20]，并發(fā)現(xiàn)反應(yīng)副產(chǎn)物丙-1-烯-1,2,3-三羧酸三丁酯。此外，發(fā)現(xiàn)4種具有一定氣味特征的物質(zhì)，萘具有樟腦丸氣味，乙酰檸檬酸三丁酯具有草本氣味，對(duì)二甲苯具有芳香味，棕櫚酸具有輕微的特征氣味。5種食品調(diào)味劑，乙酰檸檬酸三丁酯、5-羥基-4-甲基己酸內(nèi)酯、十五烷、棕櫚酸、棕櫚酸甲酯，這些物質(zhì)會(huì)對(duì)食品的味道產(chǎn)生影響，從而影響消費(fèi)者體驗(yàn)。樣品中還存在來自植物的化學(xué)物質(zhì)L-鈴蘭氨酸。棕櫚酸可用作合成潤滑劑、防水劑、殺菌劑、表面活性劑等，在此不能確定其具體來源[21]。

2.4 HS-GC-MS定性分析

如圖3所示，定性出173種揮發(fā)性物，烷烴類化合物占39.88%，酯類物質(zhì)占11.56%，芳香烴和烯烴類物質(zhì)分別為10.41%、9.82%。49種化合物自身具有氣味，32種物質(zhì)屬于食品添加劑，共檢出高關(guān)注物質(zhì)32種如表3所示。樣品中檢測出一些萜類物質(zhì)，如對(duì)薄荷三烯、3-蒈烯、α-側(cè)柏烯、檸檬烯等。檸檬烯是一種低成本、低毒性的可生物降解萜烯物質(zhì)，可能來自清潔產(chǎn)品中的香料物質(zhì)和溶劑[22]。環(huán)己酮、環(huán)戊酮可由醛、酮反應(yīng)生成，可能是來自農(nóng)藥殘留。醛類物質(zhì)可由酯交換反應(yīng)生成，醇類化合物可能是由酯基水解產(chǎn)生，烷烴可能是聚合過程中引入的物質(zhì)，也可能是添加劑或加工助劑的降解產(chǎn)物[5,23]。苯甲醛帶有苦杏仁味，用作食品添加劑、化妝品、香水和洗滌劑中的香料，會(huì)隨著保存時(shí)間的增加而變黃，這可能是PLA長時(shí)間保存后變黃的原因[24]。磷酸三乙酯是一種有機(jī)磷酸酯類增塑劑，能起到阻燃作用，也可用于制備農(nóng)業(yè)殺蟲劑，并具有一定的神經(jīng)毒性、生殖毒性和細(xì)胞毒性特征[25]。樣品中還檢出擴(kuò)鏈劑2,6-二異丙苯基異氰酸酯及其原料2,6-二異丙基苯胺，該物質(zhì)可用2-乙基己醇作端封劑合成多碳化二亞胺類抗水解劑[26]。此外還發(fā)現(xiàn)抗氧劑246，鄰苯二甲酸二甲酯、鄰苯二甲酸二異丁酯及雙(2-乙基己基)鄰苯二甲酸酯的代謝產(chǎn)物2-乙基己醛。頻哪酮可能來自生產(chǎn)農(nóng)藥殺菌劑和除草劑[27]。新戊二醇和2-乙基己酸乙酯可能是由酯類潤滑油新戊二醇二異辛酸酯斷鏈產(chǎn)生[28]。2-乙基己醛是非離子表面活性劑的原料，可替代生物降解緩慢的壬基酚氧乙基化物，并且穩(wěn)定性高，不易受酸堿性影響[29]。2,2,4,6,6-五甲基庚烷可能是單體聚合反應(yīng)所需的引發(fā)劑的溶劑[30]。γ-丁內(nèi)酯可在人體中代謝成γ-羥基丁酸，γ-羥基丁酸是一種具有抑制作用的精神活性物質(zhì)，具有鎮(zhèn)定和健忘效果，也能刺激人體增加快感，但對(duì)于PLA吸管中γ-丁內(nèi)酯的來源尚未有很好的解釋[31]。

表2 吸管樣品二氯甲烷萃取液中重點(diǎn)關(guān)注揮發(fā)性化合物Table 2 Volatile compounds of high concern in dichloromethane extracts of straw samples

圖3 HS-GC-MS揮發(fā)性物質(zhì)總離子流圖Fig. 3 Total ion current chromatogram of volatile substances detected by HS-GC-MS from straw samples

2.5 GC-MS與HS-GC-MS比較

通過GC-MS和HS-GC-MS共檢測到200種物質(zhì)，14種物質(zhì)在2種檢測方式中都被檢測到。HS-GC-MS比GC-MS檢測定性出更多揮發(fā)性大的烷烴類物質(zhì)和低分子質(zhì)量化合物，這是由于HS進(jìn)樣不受溶劑影響。而GC-MS可以較好地檢出更多揮發(fā)性較低的物質(zhì)，并且所需的樣品量更少。值得注意的是，2-乙基己基氯乙酸酯僅在GC-MS中檢測到，該物質(zhì)可通過2-乙基己酸乙酯與萃取劑二氯甲烷反應(yīng)生成，而在HS-GC-MS中檢出2-乙基己酸乙酯，因此可以推測2-乙基己酸乙酯是PLA吸管中存在的物質(zhì)，而2-乙基己基氯乙酸酯可能是由二氯甲烷的前處理帶入。萃取劑不應(yīng)與檢測物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，但在實(shí)際篩查中很難實(shí)現(xiàn)高效的萃取劑與物質(zhì)不發(fā)生反應(yīng)。GC-MS通過不同的萃取試劑對(duì)所需物質(zhì)進(jìn)行萃取，樣品消耗量小。HS-GC-MS將樣品直接置于HS瓶中，該方法快速、便捷，有利于易揮發(fā)性化合物的檢測。這2種技術(shù)各有優(yōu)勢，相互補(bǔ)充，可以更完整、更準(zhǔn)確地分析PLA吸管中的揮發(fā)性物質(zhì)。

表3 吸管樣品經(jīng)HS-GC-MS分析的重點(diǎn)關(guān)注揮發(fā)性化合物Table 3 Volatile compounds of high concern from straw samples analyzed by HS-GC-MS

3 結(jié) 論

通過FT-IR鑒定市售PLA吸管主要成分，采用GC-MS分析樣品中揮發(fā)性化合物。結(jié)果表明，市售PLA吸管樣品都不同程度地含有PBS和PBAT。經(jīng)二氯甲烷萃取GC-MS檢測發(fā)現(xiàn)17種重點(diǎn)關(guān)注物質(zhì)，通過HS-GC-MS分析得到32種重點(diǎn)關(guān)注物質(zhì)，這些物質(zhì)存在一定安全隱患，需要加強(qiáng)監(jiān)管。同時(shí)在吸管樣品中檢出多種塑料添加劑，如抗氧化劑、增塑劑、擴(kuò)鏈劑等，還發(fā)現(xiàn)了可能來源于生產(chǎn)過程中的殘留化合物，如洗滌劑、殺蟲劑等，以及一些來自植物的萜類物質(zhì)。GC-MS和HS-GC-MS提供互補(bǔ)信息，這2種技術(shù)結(jié)合使用有利于全面分析篩查揮發(fā)性物質(zhì)的來源和安全性。從食品安全角度考慮，需要對(duì)PLA吸管進(jìn)行更好地規(guī)范、引導(dǎo)和監(jiān)管。本研究為今后的市售PLA吸管的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供研究基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。