GC-MS和LC-MS技术用于食品接触高分子中非有意添加物的检测研究

(北京市理化分析测试中心，有机材料检测技术与质量评价北京市重点实验室，北京 100089)

食品接触材料中的有毒有害物质在某些环境下会从接触材料中向与其直接接触的食品中迁移，从而对人体健康产生一定的危害。食品接触材料的安全风险除了已被批准使用的化学物质向食品的超量迁移外，非有意添加物(non intentionally added substance, NIAS)迁移造成的污染也日益成为主要的风险来源。评价食品接触材料的卫生安全情况主要就是考察其含有的各物质组分是否会迁移，迁移量是否会对人体健康产生影响。NIAS一般包括原料中含有的杂质、反应生成的副产物、使用周期中的降解产物以及各种外部污染物等。根据欧盟EC 10/2011法规的定义，NIAS是指所用物质残留的杂质，或制造过程中形成的反应中间体，或是分解产物和副反应产物[1-3]。如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)食品接触材料中的丙烯腈单体残留，聚碳酸酯(PC)食品接触材料热分解释放出的双酚A，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)食品接触材料生产中的副反应产物乙醛等[4-6]。要研究NIAS迁移对食品安全的影响首先需要对NIAS种类进行准确的判断，而这些NIAS来源复杂且相当数量是未知和难以预测的，这给检测带来很大的挑战。气-质和液-质联用技术，兼具色谱的高分离能力和质谱的高鉴别特性，可同时实现复杂混合样品的分离、定性及定量工作，并且其分析精度高，速度快，分析范围广，恰好适于食品接触材料中微量未知NIAS的检测[7-9]。

本文简要介绍了GC-MS和LC-MS分析技术及食品接触材料中NIAS的来源，讨论了GC-MS和LC-MS用于NIAS检测的可行性，为NIAS的迁移测试及对食品安全的评估提供依据。

1 食品接触材料中NIAS主要来源

1.1 降解过程

食品接触材料降解是产生NIAS的最主要途径，这其中包括食品接触材料自身的降解，包括材料中添加剂的降解，还包括材料中胶黏剂、涂料、油墨等物质的降解。食品接触材料加工时经历的热化学过程，生产时暴露于高能量辐照的灭菌过程及使用时的微波过程等都会引起材料降解从而产生具有高扩散系数及高迁移风险的小分子[10-12]。

1.2 杂质

用于生产食品接触材料的原料中的杂质是NIAS的另一个来源。这些杂质不会包含在材料的信息表里，因此我们也无法提前预知这些物质的成分。塑料所使用的单体剂助剂的残留是杂质的主要来源，包括苯乙烯、氯乙烯、异氰酸酯等。非塑料类食品接触材料如金属合金或金属涂层中也可能残留有杂质元素如铅、砷、钡等[13]。

1.3 副反应产物

食品接触材料，尤其是高分子聚合物类材料，其在生产过程中会涉及到大量的化学物质和化学反应，这些化学反应除了会生成最终所需的高分子聚合物外，还会生成低聚物、中间产物及副产物等非目标结构物质[14]。比如甲基丙烯酸甲酯(MMA)聚合中，由于MMA是一种极性单体，分子链上同时含有碳碳双键和酯羰基，且酯羰基具有一定活性，在聚合过程中极易受到活性种的进攻发生端基环化等副反应[15]。

1.4 污染物

食品接触材料中的污染物是指非预期、非正常途径引入的化学物质。主要包括三个方面：一是使用再生料生产食品接触材料所带来的污染物，如制品在第一次使用过程中残留的内容物；二是食品接触材料生产时使用的加工设备可能带来的污染物，如加工设备上的润滑油会造成食品接触材料中矿物油污染；三是外部环境带来的污染物，如水、粉尘、微生物等[16]。

2 NIAS的GC-MS和LC-MS分析方法

目前尚没有识别NIAS的标准方法。要进行NIAS分析首先应该对包装材料、包装食品及其生产工艺有充分的了解，才能够保证设计的实验能够检测到足够多种的NIAS。实验对象既可以是样品本身，也可以设计迁移实验检测食品模拟物中迁移出的NIAS。实验过程通常有4种方法可以选择：顶空或固相微萃取直接热解析气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析；直接实时分析(DART)、大气探针固体分析(ASAP)、解析电喷雾离子化分析(DESI)等直接质谱(MS)分析技术；样品全部溶解后GC-MS或液相色谱-质谱联用(LC-MS)分析；样品溶剂萃取后GC-MS或LC-MS分析。前两种方法的优点是上机前不需要对样品进行前处理，缺点是样品浓度低且成分复杂不易开展识别工作，所以这两种方法多用于对筛查出的可疑物质做最后的确证。后两种方法首先要将样品溶解或者做萃取的前处理，提取液进行浓缩之后再进行分析。由于浓缩液中通常含有多种化合物，色谱和质谱联用分析就成为NIAS分析不可缺少的技术(图1)[17-19]。其中GC-MS主要用于易挥发性化合物检测而LC-MS主要用于热稳定难挥发的物质检测。

图1 基于GC-MS和LC-MS的食品接触材料中NIAS确证流程示意图

2.1 挥发性化合物的检测

小分子易挥发性NIAS的识别主要是利用GC-MS技术。GC-MS对NIAS的快速识别要借助于成熟的质谱数据库。较通用的有美国国家科学技术研究院出版的NIST谱库、Willey质谱数据库、美国国家标准技术研究院质谱数据库等。除通用质谱库还有一些专用质谱库，如标准农药库、药物库、挥发油库等。谱库中的质谱图都来自于四级杆质谱仪，采用正常(70eV)EI电离方式。当仪器类型、操作条件有变化时，质谱图会发生变化。仅通过谱库比对再高相似度的化合物也只能是初步怀疑，对化合物的确认还需要更多的证据，比如保留时间和保留指数的匹配，标准品的确证等。

Salafranca[20]等用GC-MS方法结合顶空固相微萃取(HS-SPME)研究了聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯复合食品包装材料经过伽马辐照后的降解产物。结果表明包装材料中含有的主要降解产物包括碳4到碳8的直链和支链的酸、醛、酮、醇等。Casajuana[21]等利用GC-MS在5种不同包装的市售全脂牛奶中都检测出非有意添加物壬基苯酚，其含量范围在16.5～34.8 μg/kg。推测牛奶中的壬基苯酚来源于包装材料中抗氧剂亚磷酸三(壬基苯基)酯的氧化降解。Karlsson[22]选用GC-MS方法对同时添加了受阻酚类抗氧剂2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和受阻胺类光稳定剂944的低密度聚乙烯食品接触材料进行分析。结果发现两种添加剂及其降解产物在使用过程中会相互反应生成新的化合物2,4-二-叔丁基-6-硝基-苯酚、2-环己烯-1-酮-2,5-二甲基-O-甲基肟等。

杨岳平[23]等建立了经过紫外或微波处理的食品接触聚丙薄(PP)膜中抗氧剂168的降解产物的GC-MS分析方法。结果表明微波处理后PP薄膜中抗氧剂168的降解产物主要为2,4-二叔丁基苯酚，紫外处理后PP薄膜中抗氧剂168主要生成3个降解产物，其中通过标准品可以确定的其中两个分别为2,4-二叔丁基苯酚和(2,4-二-叔丁基苯基)磷酸酯，另一个无法确认的产物推测为抗氧剂168失去一个叔丁基苯酚后的产物。王美华[24]用乙醇回流食品包装用聚乙烯再生料树脂后对回流液进行了GC-MS分析。在再生料回流液中检测到很多长链的烷烃结构，并且检测到荷质比m/z 220的抗氧剂叔二丁基羟基甲苯(BHT)及其抗氧剂叔丁基上甲基断裂形成的m/z 205的碎片离子。复合包装材料中聚氨酯类胶黏剂极易水解生成2,4-二氨基甲苯。陈旭明[25]等建立了气-质联用测定复合食品包装膜袋中2,4-二氨基甲苯的方法，其检出限为0.2 μg/L。并用该方法对随机抽样的30个复合食品包装膜袋样品进行测试，结果显示有5个样品检出2,4-二氨基甲苯，其质量浓度在1.1～6.4 μg/L之间，检出率为16.7%。

2.2 非挥发性化合物的检测

非挥发性化合物的检测主要是借助于LC-MS技术。尽管可以与LC连接的检测器有多种，但紫外(UV)、二极管阵列(PDA)、示差折光(RI)和荧光(FL)检测器并不能提供足够的NIAS识别的信息，它们更多的用来做确证。LC连接MS检测器是最有利的用来做非挥发性NIAS鉴别的工具。由于使用LC-MS缺乏大范围的质谱数据库，LC-MS的识别过程比GC-MS更困难也更费时。质谱检测器有多种，包括四级杆(Q)、离子肼(TRAP)、飞行时间(TOF)等。四级杆的优势在于定量的灵敏度和稳定性；离子肼的优势在于可通过碎片信息进行结构推断；飞行时间的优势在于精确分子量的测定。而将多级质谱串联则可以获得包括质量数、碎片结构等多重信息，因此LC-MS已经在NIAS确证中广泛应用。要完成一个样品的分析，获得尽可能多的实验数据，多个实验参数包括碰撞能、电离源、电压、质量数范围等可供调节。识别NIAS的第一步是识别色谱图中的未知峰。有许多辅助工具，比如Waters公司的Markerlynx和Agilent公司的MassHunter Profiling都能够从色谱图中提取那些直观不易观察到的特征信息帮助完成这一工作。然后根据质谱数据通过经验公式预测软件得出物质元素和化学式的信息。下一步是确定碎片离子的结构，Waters的MassFragment软件可以帮助完成这个工作，软件能够根据碎片的可能性给出一个1到14的得分，得分越低产生碎片的可能性越大。最后，如果可能还是要用标准物质来做确证。

Bentayeb[26]等通过LC-MS在PET再生材料中检测到了对苯二甲酸乙二醇酯二聚体和三聚体。70℃下，1g PET材料在20ml 95%的食品模拟物中处理2小时，实验选择C18色谱柱，甲醇-水为流动相，全扫描模式进行检测，质量数387.5和578.8分别为二聚体和三聚体的加氢离子峰。Canellas[27]等借助LC-MS检测到食品接触用聚丙烯酸酯胶黏剂中的杂质成分壬基酚聚氧乙烯醚，其分子量范围从173到965。作者同时对其在固态食物模拟物Tenax(2,6-二苯呋喃多孔聚合物)中的迁移行为进行了研究，发现能迁移到食品中的壬基酚聚氧乙烯醚的分子量范围是从331～551，表明分子量是影响迁移过程的主要因素。Bignardi[28]等借助LC-MS技术对15个使用了不同时间(从2年到14年)的聚碳酸酯餐具中的NIAS向食品模拟物的迁移行为进行了研究。研究表明聚碳酸酯中的可迁移NIAS主要有两类：一类是含有两个端羟基的寡聚物，这类物质主要来源于聚碳酸酯的降解；另外一类是含有一个或不含端羟基的产物，这类物质可能是碳酸酯聚合过程的副产物。月桂酰精氨酸乙酯常用作PET包装里的抗菌剂，Aznar[29]通过迁移实验在食品模拟物及所包装食品鸡胸肉中都检测到了来自抗菌剂的杂质成分N2-十二烷酰-L-精氨酸。他们还在PP/EVOH和PET/EVOH复合膜中检测到来自抗氧剂柠檬醛中的一种分子式为C10H16O2的杂质成分。

复合食品包装中的聚氨酯粘结剂水解及偶氮染料降解会释放出初级芳香胺(PAAs)。李全忠[30]等建立了LC-MS同时对食品接触材料中28种PAAs进行定性定量检测的方法。实验采用C3色谱柱，以甲醇-水为流动相，电喷雾正离子模式下以多反应监测(MRM)方式进行检测，28种PAAs的检出限和定量限分别为0.02～0.3μg/kg和0.1～1.0μg/kg。金属包装材料内壁的环氧树脂漆中往往含有杂质成分双酚A二缩水甘油醚(BADGE)，其在与食物接触时会生成衍射物BADGE·H2O、BADGE·2H2O、BADGE·HCl、BADGE·2 HCl等。周勇[31]等应用LC-MS建立了金枪鱼罐头中BADGE衍生物的检测方法。金枪鱼样品经乙酸乙酯超声萃取，溶剂吹干后重新用甲醇与水(1∶1)溶解。选用C18色谱柱，醋酸铵-甲醇为流动相梯度洗脱，MRM模式检测，定量限为0.5μg/kg。食品接触材料中的壬基酚可能来自于聚合物中添加的抗氧剂三(壬基酚)亚磷酸酯的降解，也可能来自于清洗剂中表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚的降解。陈益欧[32]建立了LC-MS方法对市售主要品牌的瓶装水和桶装水中的壬基酚含量进行了检测。建立方法检出限为5 ng/mL，在7种瓶装水和3种桶装水中均检测到壬基酚成分，其含量范围在0.02～0.34μg/L之间。

3 结论

总体来说食品接触材料中NIAS的识别是一项复杂的工作，能否成功要依赖于NIAS的性质，NIAS在样品中的浓度，NIAS是否有对应标准品等多个因素。并且需要样品前处理，成分分离，浓缩等多种技术相互配合来尽量排除各种干扰因素。尽管困难重重，但是随着分析仪器精密度的提高，数据处理软件及化学物质数据库的完善，NIAS的识别工作也将取得更大的进展。