食品包装迁移物双酚类物质稳定性与转化规律的研究

李　培,范雨豪,刘志刚,柏建国,姚卫蓉，*

(1.苏州市产品质量监督检验所,江苏苏州 215104;2.江南大学食品学院,江苏无锡 214122;3.江南大学机械学院,江苏无锡 214122;4.奥瑞金包装股份有限公司,北京 101407)



食品包装迁移物双酚类物质稳定性与转化规律的研究

李培1,范雨豪2,刘志刚3,柏建国4,姚卫蓉2，*

(1.苏州市产品质量监督检验所,江苏苏州 215104;2.江南大学食品学院,江苏无锡 214122;3.江南大学机械学院,江苏无锡 214122;4.奥瑞金包装股份有限公司,北京 101407)

选用三片罐食品迁移物双酚A二环氧甘油醚(BADGE)及其6种双酚类物质衍生物为实验对象,探究了这些物质在模拟物体系中经不同灭菌方式后的稳定性以及各物质的转化产物。在此基础上,选取不同的储藏条件来进一步研究各物质之间的转化规律。结果表明:BADGE、BADGE·H2O和BADGE·HCl在常压灭菌后以及储藏过程中会发生水合,转化成相应的水化物。BADGE·2HCl、BADGE·2H2O和BADGE·H2O·HCl在常压条件下,性质比较稳定。BADGE·HCl、BADGE·2HCl和BADGE·H2O·HCl在经过高压灭菌后,三种氯化物在醇性模拟液中,会转变为BADGE及其水化物。本研究为金属包装材料中双酚类物质的迁移分析提供参考依据。

双酚类物质,灭菌,储藏,稳定性,转化规律

金属三片罐在用于食品包装材料时,通常会在罐内壁表面覆上涂层用以提高罐子的抗腐蚀性能,延长产品的保质期[1]。目前食品罐内涂料常采用酚醛树脂、环氧树脂以及有机溶胶等涂料,这些树脂主要由双酚A(BPA)、BADGE以及双酚F二环氧甘油醚(BFDGE)等为原料通过高温聚合反应而成[2-3]。在生产过程中如果树脂固化不完全,涂层中就可能残留未交联的双酚物单体,继而可能会向食品内部发生迁移[4]。双酚类物质是一类内分泌干扰物,能影响人和动物的内分泌系统和神经系统,因此这类物质迁移引发的食品安全问题日益受到人们的关注[5-7]。

由于有害物迁移对食品安全造成的危害具有隐蔽性和潜在性,因而分析有害物的迁移行为和迁移规律已成为国内外研究的热点。有学者在进行迁移实验时发现,部分双酚类污染物在迁移过程中存在不稳定的现象,其迁移量随时间的延长反而出现了降低,由此会低估实际的迁移值,影响实验结果的准确性和可靠性[8]。此外,部分双酚物在迁移过程中还可能存在相互转化的现象,由于不同物质的毒性存在区别,因而这些物质转化后毒性可能会相应增加[9]。

表2　6种双酚物的MRM扫描参数Table 2　MS/MS parameters for 6 kinds of bisphenol compounds

注:* 定量离子。

目前对双酚类污染物关注较多的主要有BPA、BADGE及其衍生物、BFDGE及其衍生物,欧盟在EC/1895/2005号条例[10]中规定BFDGE及其衍生物在食品材料中则不得检出,因而这些物质在食品中的存在并不普遍,而BADGE及其衍生物在多种罐头食品和罐装饮料中被检出[11-14]。本实验在借用灵敏性高,抗干扰能力强的HPLC-MS/MS检测手段基础上,以酸性和醇性模拟物为体系,来探究BADGE及其衍生物6种典型双酚类物质的稳定性和转化规律,为金属包装材料中双酚类物质迁移结果的分析提供参考依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

BADGE、双酚A-(2,3-二羟丙基)甘油醚(BADGE·H2O)、双酚A-双(2,3-二羟丙基)甘油醚(BADGE·2H2O)、双酚A-(3-氯-2-羟丙基)甘油醚(BADGE·HCl)、双酚A-双(3-氯-2-羟丙基)甘油醚(BADGE·2HCl)、双酚A-(3-氯-2-羟丙基)(2,3-二羟丙基)甘油醚(BADGE·H2O·HCl)均为色谱纯,美国ChemService公司。甲醇、甲酸、乙酸铵均为色谱纯,美国Fisher公司;乙醇、乙酸分析纯,天津市大茂化学试剂厂。

液相色谱串联质谱仪API4000+高效液相色谱-三重四极杆串联质谱,美国AB SCIEX公司;色谱柱:Eclipse Plus C18色谱柱(1.8 μm×2.1 mm×50 mm)美国Agilent公司;PL203电子分析天平、pH计梅特勒-托利多公司;Milli-Q PLUS超纯水系统美国Millipore公司;恒温灭菌锅上海博迅;智能恒温箱宁波海曙赛福实验仪器厂。

1.2实验方法

1.2.1样品制备分别移取0.5 mL的各物质标准溶液(浓度为20 mg/L)于15 mL的玻璃管中,分别加入9.5 mL的3%乙酸和10%乙醇模拟液,制成浓度为1 mg/L的工作标液,将玻璃管密封后在不同条件下进行处理。每种物质进行3份平行实验。

1.2.2灭菌条件实验选用95 ℃,30 min常压和121 ℃,20 min高压(100 kPa)条件两种常见的三片罐食品的灭菌条件处理3%乙酸和10%乙醇工作标液。具体将工作液置于恒温灭菌锅中进行灭菌处理,到点后将样品取出并快速冷却,过膜后进行检测。

1.2.3储存条件实验选择25、40 ℃分别模拟常温和高温储藏温度。将工作溶液置于相应温度的恒温箱中,BADGE,BADGE·H2O和BADGE·HCl每隔1 d取样,连续检测10 d。BADGE·2H2O、BADGE·2HCl和BADGE·H2O·HCl性质相对比较稳定,特增大取样间隔,每隔5 d取样,连续检测30 d。

1.2.4HPLC-MS/MS检测条件

1.2.4.1色谱条件采用Eclipse Plus C18色谱柱(1.8 μm,2.1 mm×50 mm);柱温:50 ℃;流速:0.25 mL/min;进样量:5 μL;流动相:A:10 mmol/L乙酸铵水溶液(用甲酸调节pH4.75),B:100%甲醇,梯度洗脱。具体参数如表1所示。

表1　6种双酚物的梯度洗脱参数Table 1　Elution parameters for 6 kinds of bisphenol compounds

1.2.4.2质谱条件电喷雾ESI,正离子模式;扫描方式:多反应监测(MRM);离子喷雾电压(Ion Spray Voltage):5500 V;离子源温度:550 ℃;雾化器Gas1:40。MRM扫描参数如表2所示。

2　结果与讨论

2.1BADGE的稳定性和转化规律

将3%乙酸和10%乙醇中的BADGE工作液经过常压、高压灭菌后,以及在25、40 ℃下储藏期间,对样液中的双酚物进行了定性和定量分析,结果见表3和图1所示。

图1　BADGE在不同储藏条件下的转化规律(n=3)Fig.1　Transformation rules of BADGE under different storage conditions(n=3)注:A:3%乙酸/25 ℃,B:3%乙酸/40 ℃,C:10%乙醇/25 ℃,D:10%乙醇/40 ℃,图2、图3同。

表3　BADGE经过不同灭菌工艺后的稳定性及转化产物(相对含量,%;n=3)Table 3　Stability and reaction products of BADGE after different sterilization processes(relative amount,%;n=3)

注:表格中各数据均为各目标物相对灭菌前BADGE原始量的相对含量(%);ND:未检测到。

由表3可知,经过95 ℃,30 min的常压灭菌热处理后,两种模拟液中BADGE均发生了不同程度的损失,损失率在3%乙酸和10%乙醇中分别为97.15%和37.51%。BADGE的减少伴随着BADGE·H2O和BADGE·2H2O的生成,这是由于BADGE中含有不稳定的环氧基,在水性溶液中容易与水分子发生开环反应,形成相应的水合物BADGE·H2O和BADGE·2H2O[15]。而经过121 ℃,20 min的高压灭菌处理后,在10%乙醇中BADGE损失率为94.27%,而3%乙酸中BADGE完全消失,并全部变成BADGE·2H2O,原因是高温高压环境中反应非常剧烈,中间物BADGE·H2O可能也全部转化成BADGE·2H2O;另外3%乙酸中氢离子的存在进一步促进了物质间的反应[8]。表3中BADGE·2H2O在3%乙酸中的转化产物的相对百分数为101.21%±7.41%,有可能是BADGE·2H2O比较稳定,没有转化成其他物质,由于检测误差而造成数据大于100%。

由图1可知,在两种储存温度下,两种模拟液中BADGE的含量随着时间的延长均呈下降的趋势。其中在3%乙酸体系中,BADGE在25、40 ℃下分别至6、3 d后完全消失;BADGE·H2O起初有一定量的生成,1 d之后又出现下降,BADGE·2H2O则随时间呈不断上升的趋势;在40 ℃下,当BADGE和BADGE·H2O至第5 d都全部消失后,BADGE·2H2O的含量趋于稳定。而在10%乙醇体系中,在25 ℃条件下,BADGE下降相对缓慢,至10 d后,损失率为60%,BADGE·H2O和BADGE·2H2O含量则均保持增长的趋势;在40 ℃条件下,BADGE耗损加快,10 d后几乎全部消失。

计算各时间点对应的物质摩尔质量总合,其数值之间的偏差小于5%。说明在上述储藏条件下,BADGE的转化实际上是一个水合的过程,由于其分子中含有两个环氧基,因而反应可能是连续性的,即先水合成BADGE·H2O,接着再进一步水合形成BADGE·2H2O。

2.2BADGE·H2O的稳定性和转化规律

将3%乙酸和10%乙醇中的BADGE·H2O工作液按照上述方法处理后,对样液中的双酚物进行了定性定量分析,结果见表4和图2所示。

图2　BADGE·H2O在不同储藏条件下的转化规律Fig.2　Transformation rules of BADGE·H2O under different storage conditions

表4　BADGE·H2O经过不同灭菌工艺后的稳定性及转化产物(相对含量,%;n=3)Table 4　Stability and reaction products of BADGE·H2O after different sterilization processes(relative amount,%;n=3)

注:表格中各数据均为各目标物相对灭菌前BADGE·H2O原始量的相对含量(%);ND:未检测到。

由表4可知,经过95 ℃,30 min的常压和121 ℃,20 min的高压灭菌热处理后,两种模拟液中BADGE·H2O含量均有不同程度的降低,其中在3%乙酸中BADGE·H2O损失率分别为88.19%和100%,10%乙醇中则分别为31.58%和80.11%,BADGE·H2O在3%乙酸中的稳定性比10%乙醇中差。四种条件下BADGE·H2O减少均伴随着BADGE·2H2O的生成,这是由于BADGE·H2O结构中只含有一个环氧基,开环后直接转化为BADGE·2H2O。

由图2可知,随着储放时间的延长,BADGE·H2O含量都呈下降的趋势,而对应BADGE·2H2O含量则均呈上升的趋势。在40 ℃条件下,3%乙酸中的BADGE·H2O至第4 d全部消失后,随后BADGE·2H2O含量趋于稳定。计算各时间点对应的物质摩尔质量总合,其数值之间的偏差小于5%。说明在上述储藏条件下,BADGE·H2O的转化实际上是一个水合的过程,形成水化物BADGE·2H2O。

2.3BADGE·HCl的稳定性和转化规律

将3%乙酸和10%乙醇中的BADGE·HCl工作液按照上述方法处理后,对样液中的双酚物进行了定性定量分析,结果见表5和图3所示。

由表5可知,经过95 ℃,30 min的常压和121 ℃,20 min的高压灭菌热处理后,两种模拟液中BADGE·HCl含量均有不同程度的降低,其中在3%乙酸中BADGE·HCl损失率为89.62%和100%,在10%乙醇中则分别为32.15%和100%。BADGE·HCl在3%乙酸中的稳定性比10%乙醇中差。在常压下,BADGE·HCl的减少伴随着BADGE·H2O·HCl生成。而经高压处理后,10%乙醇中的BADGE·HCl全部消失,相应形成了BADGE、BADGE·H2O和BADGE·2H2O,这可能是由于在醇溶液介质中,在高压作用下,BADGE·HCl分子结构中末端的-Cl和-OH之间会脱去HCl,发生闭环反应,重新形成环氧基转化成BADGE,继而进一步水解形成BADGE·H2O和BADGE·2H2O,该机理与BADGE工业生产的合成原理类似[16]。而相同条件下BADGE·HCl在3%乙酸溶液中并未转化成BADGE及其水化物,原因是-Cl在酸性溶液中比较稳定。

图3　BADGE·HCl在不同储藏条件下的转化规律Fig. 3　Transformation rules of BADGE·HCl under different storage conditions

表5　BADGE·HCl经过不同灭菌工艺后的稳定性及转化产物(相对含量,%;n=3)Table 5　Stability and reaction products of BADGE·HCl after different sterilization processes(relative amount,%;n=3)

注:表格中各数据均为各目标物相对灭菌前BADGE·HCl原始量的相对含量(%);ND:未检测到。

表6　BADGE·2HCl经过不同灭菌工艺后的稳定性及转化产物(相对含量,%;n=3)Table 6　Stability and reaction products of BADGE·2HCl after different sterilization processes(relative amount,%;n=3)

注:表格中各数据均为各目标物相对灭菌前BADGE·2HCl原始量的相对含量(%);ND:未检测到。

由图3可知,在两种储存温度下,两种模拟液中BADGE·HCl的含量随着储放时间的延长,含量都呈下降的趋势,而对应BADGE·H2O·HCl含量则均呈上升的趋势。在40 ℃条件下,3%乙酸中的BADGE·HCl至第3 d全部消失后,随后BADGE·H2O·HCl含量趋于稳定。BADGE·HCl分子中也只含有一个环氧基,开环后直接转化为BADGE·H2O·HCl,其转化规律与BADGE·H2O相似。计算各时间点对应的物质摩尔质量总合,其数值之间的偏差小于5%。说明在上述储藏条件下,BADGE·HCl的转化实际上也是一个水合的过程,形成水合物BADGE·H2O·HCl。

2.4BADGE·2HCl的稳定性和转化规律

将3%乙酸和10%乙醇中的BADGE·2HCl工作液分别经过常压、高压灭菌后,对样液中的双酚物进行了定性定量分析,具体结果见表6所示。

由表6可知,经过95 ℃,30 min的常压热处理后,两种模拟液中BADGE·2HCl含量均保持稳定,原因是BADGE·2HCl分子结构中不含有环氧基,因而在常压下较为稳定[15]。

表7　BADGE·H2O·HCl经过不同灭菌工艺后的稳定性及转化产物(相对含量,%;n=3)Table 7　Stability and reaction products of BADGE·2H2O·HCl after different sterilization processes(relative amount,%;n=3)

注:表格中各数据均为各目标物相对灭菌前BADGE·H2O·HCl原始量的相对含量(%);ND:未检测到。

表8　BADGE·2H2O经过灭菌后的稳定性及转化产物(相对含量,%;n=3)Table 8　Stability and reaction products of BADGE·2H2O after different sterilization processes(relative amount,%;n=3)

注:表格中各数据均为各目标物相对灭菌前BADGE·2H2O原始量的相对含量(%);ND:未检测到。

而经过121 ℃,20 min的高压灭菌后,在10%乙醇中BADGE·2HCl全部消失,形成BADGE、BADGE·H2O和BADGE·2H2O,其反应原理与BADGE·HCl相同。

鉴于BADGE·2HCl在常压灭菌处理后,依旧保持稳定。因而本实验选用最严厉条件即3%乙酸模拟液以及40 ℃高温来考察BADGE·2HCl在储藏过程中的稳定性。此外,增大了取样的时间间隔,延长了最后一次取样时间至30 d。结果表明在40 ℃高温条件下,3%乙酸中的BADGE·2HCl在储藏30 d过程中的回收率保持在97.7%～101.1%之间,样液中并未检测BADGE及其他衍生物,因而该物质在40 ℃储藏条件下稳定。

2.5BADGE·H2O·HCl的稳定性和转化规律

将3%乙酸和10%乙醇中的BADGE·H2O·HCl工作液分别经过常压、高压灭菌后,对样液中的双酚物进行了定性定量分析,具体结果见表7。

由表7可知,经过95 ℃,30 min的常压热处理后,两种模拟液中 BADGE·H2O·HCl含量均保持稳定,推测其原因是BADGE·H2O·HCl结构中也不含环氧基,因而在常压下较稳定。而经过121 ℃,20 min的高压灭菌后,在10%乙醇中BADGE·H2O·HCl全部消失,形成了BADGE·H2O和BADGE·2H2O,该条件下并未有BADGE形成,这可能因为BADGE·H2O·HCl分子结构中末端含有一对-OH,性质较稳定,因而无法闭环形成BADGE。

参照BADGE·H2O,研究了3%乙酸中BADGE·H2O·HCl在40 ℃高温储藏条件下的稳定性。结果表明,在40 ℃高温条件下,3%乙酸中的BADGE·H2O·HCl在储藏30 d过程中的回收率保持在98.7%～101.2%之间,样液中并未检测BADGE及其他衍生物,因而该物质在40 ℃储藏条件下稳定。

2.6BADGE·2H2O的稳定性和转化规律

将3%乙酸和10%乙醇中的BADGE·2H2O工作液分别经过常压、高压灭菌后,对样液中的双酚物进行了定性定量分析,具体结果见表8。

由表8可知,经过以上两种灭菌热处理后,两种模拟液中BADGE·2H2O含量均保持稳定,并未转化成其他物质。

参照BADGE·H2O,研究了3%乙酸中BADGE·2H2O在40 ℃高温储藏条件下的稳定性。结果表明在40 ℃高温条件下,3%乙酸和10%乙醇中BADGE·2H2O在储藏30 d过程中的回收率保持在98.7%～101.5%之间,样液中并未检测BADGE及其他衍生物,因而该物质在40 ℃储藏条件下稳定。

3　结论

本实验选取了BADGE及其衍生物6种双酚物为对象,研究了这些物质在3%乙酸和10%乙醇模拟液中,经过常压、高压灭菌处理以及在常温、高温储藏过程中各物质的稳定性和转化规律。结果表明BADGE、BADGE·H2O和BADGE·HCl在常压灭菌后以及储藏过程中会发生水合,形成相应的水化物。BADGE·2HCl、BADGE·2H2O和BADGE·H2O·HCl在常压条件下性质则比较稳定。而BADGE·HCl、BADGE·2HCl和BADGE·H2O·HCl三种氯化物在醇性模拟液中,经过高压灭菌后会转变为BADGE及其水化物。

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Research of the stability and transformation rules of bisphenols migrated from food packagings

LI Pei1,FAN Yu-hao2,LIU Zhi-gang3,BAI Jian-guo4,YAO Wei-rong2，*

(1.Suzhou Product Quality Supervision and Inspection Institute,Suzhou 215104,China;2.School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;3.School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;4.O.R.G.Packaging Co.,Ltd.,Beijing 101407,China)

The stability and transformation products of bisphenol A diglycidyl ether(BADGE)and its derivatives from three-piece metal cans in simulants after different sterilizing processes were studied,and the transformation rules of these compounds under different storage conditions were further explored. Results showed that after atmospheric pressure sterilization and during the storage,BADGE,BADGE·H2O and BADGE·HCl hydrolyzed and transformed to their hydrates. BADGE·H2O·HCl,BADGE·2H2O and BADGE·2HCl were stable under the same conditions. However,the chloride of BADGE in ethanol transformed into BADGE and its hydrates after high pressure sterilizing. The study provided the references for the analysis of migrations of bisphenols from metal packaging materials.

Bisphenols;sterilizing;storage;stability;transformation rules

2015-05-13

李培(1966-)，男，本科，研究方向：食品分析与食品安全，E-mail:zjxx@jjj.suzhou.gov.cn。

姚卫蓉(1970-)，女，博士，教授，食品安全与质量控制，E-mail：yaoweirongcn@jiangnan.edu.cn。

“十二五”国家科技支撑计划(2015BAD16B01)。

TS221

A

1002-0306(2016)03-0279-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.050