食品罐内涂层中双酚A及其环氧衍生物的迁移及检测研究进展

何明枫,周建伟,2,刘东红,3，*

(1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院,浙江杭州 310058;2.浙江大学宁波理工学院,浙江宁波 315100;3.浙江大学馥莉食品研究院,浙江杭州 310058)

食品罐内涂层中双酚A及其环氧衍生物的迁移及检测研究进展

何明枫1,周建伟1,2,刘东红1,3，*

(1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院,浙江杭州 310058;2.浙江大学宁波理工学院,浙江宁波 315100;3.浙江大学馥莉食品研究院,浙江杭州 310058)

食品罐内涂层中的双酚A及其环氧衍生物会向食品内容物迁移,对人体健康造成危害。本文综述了近年来国内外食品罐内涂层中双酚A及其环氧衍生物的迁移规律、与食品的反应及提取与分析方法等方面的最新研究进展,并在分析目前不足之处的基础上展望了未来研究的方向。

罐头内涂层,双酚A及其环氧衍生物,迁移,检测,研究进展

大部分食品和饮料罐头内都涂有涂料,以保护食品不与金属直接接触,防止金属罐被食品原料腐蚀[1-2]。目前,以环氧酚醛树脂为基础的涂料由于其良好的抗化性、柔韧性和附着力,已成为涂料行业的主要产品之一。我国市场上三片罐内涂料中,环氧酚醛树脂214涂料高达70%[3]。

然而,食品包装材料也会带来食品安全问题。在罐头的加工和储藏过程中,涂料中的化学污染物不可避免会向食品内容物迁移,对人体健康造成潜在危害,包括双酚A(BPA)及其环氧衍生物双酚A二缩水甘油醚(BADGE)、酚醛清漆甘油醚(NOGE,其中二环NOGE又称为BFDGE)等。它们可作为环氧酚醛内涂料、聚氯乙稀有机溶胶内涂料、聚酯内涂料的初始原料、热稳定剂和增强剂[4]。

目前欧盟(2011/8/EU)和我国(GB 9685-2008)规定食品包装容器中双酚A容许向食品中迁移的最高浓度(MRL)均为0.6mg/kg,欧盟提出的双酚A每日可耐受摄入量和美国环境保护署(EPA)规定的最大可接受剂量均为0.05mg/(kg·d)[5]。欧盟EC/1895/2005[6]中规定食品包装容器中BADGE及其水解衍生物(BADGE·H2O,BADGE·2H2O)的总迁移量应低于9mg/kg或9mg/6dm2,氢氯化衍生物(BADGE·HCl,BADGE·2HCl,BADGE·H2O·HCl)的总迁移量应低于1mg/kg或 1mg/6dm2,同时禁止BFDGE及NOGE用于与食品接触的涂料。

食品罐内涂层中双酚A及其环氧衍生物对人体健康的危害已成为人们关注的热点。本文综述了近年来国内外研究者在食品罐内涂层中双酚A及其环氧衍生物的迁移规律、与食品的反应及提取与分析方法等方面的研究进展。

1 罐装食品中双酚A及其环氧衍生物的分布与迁移

1.1 罐装食品中的双酚A及其环氧衍生物

表1 化学物迁移模型Table 1 Examples of predictive migration models

注:aMt:t时间内迁移量,t:迁移时间,Cp0:初始时刻包装材料中迁移物浓度,Dp:迁移物在包装中扩散系数,Ds:迁移物在食品中扩散系数,K:迁移物在食品和包装中的分配系数,M∞:平衡时迁移总量,Lp:包装材料厚度,α:平衡时食品与包装中迁移物的质量比,ierfc(x):误差函数;b无限包装:迁移物在包装中的浓度恒等于初始值,无限食品:迁移物在食品中的浓度恒等于初始值。BPA,BADGE,NOGE属于“环境激素”,有类似雌性激素的作用,能干扰内分泌系统,降低免疫功能,损害生殖能力,增加前列腺癌、乳腺癌、子宫癌的发病率,还与肥胖,糖尿病,心脏病,哮喘等疾病相关联。胚胎和新生儿对这些物质尤其敏感,过量接触会导致早熟[2,7-8]。动物实验表明,BPA是低毒性化学物质,大鼠经口径半数致死剂量(LD50)为3250mg/kg,吸入LD50为0.02%,小鼠经口径LD50为2400mg/kg[9]。BADGE的含氯衍生物可能会引起细胞毒性和遗传毒性[2]。

BPA及其环氧衍生物广泛存在于各种罐头食品中已被众多研究证实。罗辉甲[10]检测的24种罐头内涂料中均测出BPA,其中肉类食品罐内涂料含量最高95.6～163.6μg/dm2,啤酒16.6～28.5μg/dm2,碳酸饮料7.35～15.3μg/dm2。Molina-García等[8]从6种纯液体牛奶中的3种和2种液体婴儿配方食品中检测到了BPA(0.38～6.31ng/mL),固体婴儿食品和奶粉中未测出BPA。Cooper等[11]测定得到室温下BPA从内衬环氧树脂的铝罐中向水中的迁移量为0.08～1.9mg/L。Cao等[12]检测了22种软饮料和16种啤酒中的BPA。研究结果表明,塑料或玻璃瓶装的软饮料中只有1个样品中检测出微量BPA,而罐头中的软饮料均测出BPA;7种玻璃瓶装的啤酒产品中,只有1个样品测出BPA,而罐头中均测出BPA,说明罐头涂料是BPA的主要污染源。Sun等[13]检测了13种罐头食品中的BPA、BADGE及其衍生物,结果BPA含量为0.0328～0.1645mg/kg,其他主要污染物为BADGE·2H2O,BADGE·H2O·HCl,BADGE·2HCl,单基取代的BADGE衍生物明显更少,说明BADGE的单基取代衍生物可能在贮存过程中进一步水解反应生成了更为稳定的双基取代衍生物。Zhang等[14]检测了20种罐装食品包装材料和食品内容物中的双酚类环氧衍生物,结果75%的包装材料检测出至少一种污染物;食品中的污染物浓度相对较低,50%以上的样品中未测出污染物。

1.2 食品罐内涂层中双酚A及其环氧衍生物的迁移模型

迁移理论上是一个扩散和平衡的过程,是迁移成分从包装材料中向接触食品的传质过程。双酚A及其环氧衍生物从食品罐内涂层中向涂层-食品界面扩散,当涂层和食品两相的浓度相等时达到平衡。理想条件下的迁移过程可以用菲克第二定律来描述,即:

式(1)

上式中,C为扩散物质的体积浓度(kg/m3),t为扩散时间(s),x为距离(m),D为扩散系数(m2/s)。

根据菲克第二定律,研究者们建立了许多包装材料中化学物向接触食品迁移的数学模型。(见表1)

然而,实际情形中,迁移过程还受到诸多因素的影响,产生非菲克迁移和无规律迁移的现象,因此这些模型的评估能力有限。

1.3 食品罐内涂层中双酚A及其环氧衍生物迁移的影响因素

研究表明,食品罐内涂层中双酚A及其环氧衍生物向食品内容物的迁移量与温度、贮藏时间及食品介质等因素有关。

1.3.1 温度 高温会增加双酚A及其环氧衍生物向食品内容物的迁移量。Cooper等[11]研究发现,加热显著增加了BPA从内衬环氧树脂水瓶向水中的迁移。李碧芳等[17]的研究表明,双酚A及其环氧衍生物在乙腈模拟液中的迁移总量随着浸泡温度的升高而增加。在常温区20～40℃之间,温度对迁移总量的影响较小;而在低温区和高温区,迁移总量会随温度的升高而剧烈增加。

1.3.2 贮藏时间 贮藏时间也会增加双酚A及其环氧衍生物向食品内容物的迁移量。Cao等[18]将21种液体婴儿配方食品室温储存10个月后,在其中9个样品中观察到了BPA迁移量的增加,增加百分比为29.8%～110%。其中以牛奶为主要原料的婴儿食品储存后BPA含量相对储存前显著增加;以大豆为主要原料的的婴儿食品储存后BPA含量相对储存前变化不显著。Lin等[19]将3种鱼肉类罐头室温储存18个月后,发现双酚A环氧衍生物的迁移量基本随贮藏时间的延长而增加,18个月后的迁移量是3个月后的3～20倍。

1.3.3 食品介质 双酚A及其环氧衍生物在不同食品介质中迁移量不同。食品介质的pH,粘稠度,迁移物在食品中的溶解性等均会对迁移过程产生影响[20]。此外,食品罐内涂层的结构会被食品成分破坏,产生更多的双酚A及其环氧衍生物。Cabado等[21]探究了多种海鲜罐头中双酚环氧衍生物的迁移规律,结果表明BADGE和BFDGE更容易迁移到脂肪含量较高的海鲜中。Zhang等[14]发现油溶性环境下BADGE、NOGE及其衍生物的含量要高于水溶性环境。李碧芳等[17]研究表明,食品的pH越低,BADGE·2H2O及双酚A环氧衍生物的迁移量越高。这主要是由于在酸性条件下环氧树脂层的结构会不断被破坏,生成BADGE·2H2O。王文辉等[22]研究发现未装食品模拟液的空罐中NOGE的检测量非常低,但7种食品罐分别装上4种食品模拟液(水、3%乙酸、10%乙醇、橄榄油)在常温下储存3个月后,分别有2,3,5,7种食品罐被检测到含NOGE,说明在储存过程中,模拟液与食品罐内壁涂层发生反应,形成NOGE及其衍生物。

2 双酚环氧衍生物与食品的反应

近年来的研究表明,在食品加工和贮存过程中,迁移到食品内容物中的BADGE、BFDGE及其衍生物会与食品原料发生反应。将BADGE或BFDGE添加到食品或食品模拟液中,热处理或经过一段时间贮存后,BADGE、BFDGE及其水解衍生物和氢氯化衍生物的回收率明显下降[1,23-24]。

进一步研究表明,BADGE会与氨基酸和蛋白质溶液发生反应。BADGE亲电子的环氧乙烷环会和氨基酸的氨基或亲核侧链反应,其中半胱氨酸显示显著活性[1,24]。BADGE不会与脂类发生反应[1,24],但是否与葡萄糖发生反应,目前研究者们未达成共识。Petersen等[24]认为BADGE不会与葡萄糖反应,但Coulier等[1]的研究结果表明BADGE会与其发生反应。

Petersen等[24]用HPLC-MSD确定了BADGE与N-Ac-Met反应中间产物与最终产物(BADGE·H2O·SCH3)的结构式。Coulier等[1]也用HRLC-FT-MS确定了BADGE与食品原料的反应产物,包括与葡萄糖的反应产物BADGE·H2O·glucose,与氨基酸的反应产物BADGE·H2O·Cys,BADGE·2Cys,BADGE·H2O·SCH3,BADGE·2SCH3等。Petersen等[24]发现15种商业罐头食品中,大部分能检测到BADGE与蛋氨酸的反应产物,即甲硫基衍生物,这说明迁移到食品中的BADGE与食品中蛋白质的反应十分普遍。

3 双酚A及其环氧衍生物检测方法研究进展

3.1 样品前处理

食品罐或食品内容物在分析前需要经过一定的前处理。表2列举了一些研究者对样品进行前处理的方法。

3.1.1 食品罐 目前对食品罐中双酚A及其环氧衍生物的提取多采取溶剂加热浸泡提取法,其中乙腈是最常用的溶剂。也有研究者将食品罐剪碎[25]或采用电化学法将内涂膜与罐壁分离后[10],再用溶剂浸泡提取。

3.1.2 食品内容物 食品罐多采用单一的金属或塑料等材质,而食品基质中多存在蛋白质、油脂等复杂化合物,因此在进行双酚A及其环氧衍生物的提取时,要考虑复杂化合物对提取结果的影响。

目前对食品内容物的前处理步骤大多是溶剂提取,离心,蒸干,再溶解,最后经微滤或固相萃取柱(SPE)进一步净化。常用的有正己烷-丙酮提取后乙腈萃取,以及叔丁基甲醚(MTBE)提取。有的研究者在溶剂提取时采用了一些辅助技术,如微波辅助提取[2,14,26]或超声提取[27-28]。

3.2 样品分析

目前双酚A及其环氧衍生物的分析方法以高效液相色谱法(HPLC)或超高效液相色谱法(UPLC)为主。此外,气相色谱法(GC)、酶联免疫吸附剂法(ELISA)等也得到了一定的应用。检测限一般可达到ng/g级别。(见表2)。

3.2.1 色谱法 色谱法具有分离效率高、分析速度快、检测灵敏度高、选择性好、可以多组分同时分析等优点,缺点是仪器昂贵,前处理操作繁琐、耗时。双酚A及其环氧衍生物的沸点较高,应用气相色谱有一定局限性,因此国内外研究者广泛采用液相色谱法检测双酚A及其环氧衍生物,只有少量报道运用了气相色谱。常用的检测器包括质谱(MS)或串联质谱(MS/MS)、荧光检测器(FLD)、二极管阵列等,其中MS/MS、FLD的灵敏度相对更高。

3.2.2 ELISA ELISA的原理是利用抗体-抗原间的特异性反应。食品样品由于基体组成复杂,色谱分析前的样品处理步骤繁琐,样品准备占了检测过程的大部分。而免疫测定容易操作、不需要专门人员、便宜、迅速、样品只需简单稀释、许多样品可同时测定[29-30],具有很大的应用潜力。由于双酚类物质的相对分子质量较小,必须与蛋白质结合,形成一个完整的抗原,才能实现免疫反应。ELISA的缺点在于对每一种检测物都需制备相应的抗原和抗体,难以实现多种双酚类物质的同时检测,目前的应用范围比较有限,仅有用于检测BPA的研究报道,需要进一步的研究和完善。

3.2.3 其他分析方法 此外,也有一些研究者尝试将其他分析方法应用于双酚A及其环氧衍生物的检测。如Molina-García等[8]建立了多通道荧光传感器结合固相分光光度法(SPS)测定牛奶中BPA的方法。

表2 双酚A及其环氧衍生物的检测Table 2 Determination methods of bisphenol A and its epoxy derivatives

4 总结与展望

综上,目前国内外已对双酚A及其环氧衍生物的毒性、迁移规律、与食品的反应及检测方法等做了一定的研究。但在以下方面的研究仍有待完善:

双酚A及其环氧衍生物种类较多、含量极低,很难用一种方法完全有效地进行多组分同时分析。因此,建立一种灵敏度、准确度、精密度和分析效率都理想的检测方法,值得进一步研究。同时,如何从复杂的食品成分中简单、有效地提取双酚类物质也是一个重要的研究课题。

目前双酚A及其环氧衍生物迁移规律的研究主要集中在影响迁移的因素上,迁移机理即物理扩散和包装材料的降解在迁移中的不同贡献有待深入研究。

食品可能会与任何具有反应活性的迁移物反应。BADGE与食品原料的反应表明,欧盟限定的BADGE及其水解衍生物和氢氯化衍生物只反映了实际迁移的BADGE的一小部分。未来可对BADGE与食品的反应作进一步研究,确定产物的结构和毒理学性质,建立反应模型及可行的检测方法,为国内外制定和完善相关卫生标准提供理论依据和指导。

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Review on migration and determination of bisphenol A and its epoxy derivatives in food can coatings

HE Ming-feng1,ZHOU Jian-wei1,2,LIU Dong-hong1,3，*

(1.College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;2.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo 315100,China;3.Fuli Institute of Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

Bisphenol A and its epoxy derivatives in can coatings can migrate into canned food,leading to health problems. This article reviewed the recent research progress of the law of their migration,their reaction with food stuff and the extraction and analytical methods for their determination. At last,the new research directions were proposed.

can coatings;bisphenols;migration;determination;research progress

2014-05-05

何明枫(1990-)，女，博士研究生，研究方向：食品加工。

*通讯作者:刘东红(1968-)，女，博士，教授，研究方向：食品加工新技术装备和工程化设计。

新型罐头加工装备开发与新技术研究(863计划)(2011AA100804)；出口水产品罐头杀菌过程优化与控制技术研究与应用(2012C10028)。

TS201.6

A

1002-0306(2015)01-0381-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.072