液相色谱-串联质谱法测定纸质食品接触材料印刷紫外固化油墨中18种光引发剂的迁移量

(上海市质量监督检验技术研究院,上海 201114)

光引发剂(PIs)是印刷紫外固化(UV)油墨配方的重要组成部分,是不可替代的成分,它的混合物被广泛应用于光聚物。在紫外光作用下,光引发剂分解为自由基,从而引发聚合反应使墨水或清漆固化在衬底上。然而,在印刷过程中光引发剂并不总是完全被利用或除去,应用于包装材料外表面的低相对分子质量的光引发剂迁移到食物中去的事件仍然存在[1]。光引发剂具有一定的毒性,不仅对皮肤有一定的刺激作用和接触毒性,而且还有生殖毒性、遗传毒性和致癌作用。光引发剂既容易挥发又容易迁移,半挥发性的光引发剂通过蒸汽间接污染食品,低相对分子质量的光引发剂通过扩散和蹭脏迁移直接污染食品,这会给被包装食品带来难闻的气味,更会对人体健康造成潜在的危害[2]。

欧盟、中国等已经陆续在相关的法律法规中去限制光引发剂的使用[3]。瑞士联邦民政事务部率先于2005年发布了SR817.023.21法规,经过修订,又在2016年12月发布了2016版本,分为A 和B 两个部分。A 部分列出了可以使用在食品接触材料中物质的清单,这些物质经过瑞士当局的风险评估,在符合其特定迁移量要求下可以使用,没有特定迁移量要求的物质,在符合其总迁移量低于10 mg·dm-2或60 mg·kg-1的要求下可以使用;B 部分列出了未经官方科学评估的物质,其特定迁移量为不得检出,检出限为0.01 mg·kg-1。我国在GB 9685-2016《食品接触材料及制品用添加剂使用标准》中规定油墨中2,4-二羟基二苯甲酮的特定迁移量(SML)为6 mg·kg-1。

食品接触材料或食品中光引发剂的测定方法主要有液相色谱法[4-5]、液相色谱-串联质谱法[6-7]、气相色谱-质谱法[8-10]、超高效合相色谱法[11]、凝胶渗透色谱-气相色谱-串联质谱法[12-13]。虽然这些方法可以筛查并定量分析印刷UV 油墨中的光引发剂[1],但在实际印刷UV 油墨的工艺中,常常需要多种光引发剂配合使用,因此急切需要一种快速、简单、高通量的分析方法去鉴定和定量分析涵盖市面上尽可能多的印刷UV 油墨中光引发剂的迁移量,以降低或控制风险,保证相关食品接触材料的安全卫生要求。

本工作利用液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)建立了纸质食品接触材料印刷UV 油墨中2-羟基-4-甲氧基苯甲酮(HMMP)、2-甲基-1-[4-(甲基硫代)苯基]-2-(4-吗啉基)-1-丙酮(Irgacure 907)、4-羟基二苯甲酮(4-HBP)、1-羟基环己基苯基酮(HCPK)、4-二甲氨基苯甲酸乙酯(EDMAB)、苯甲酮(BP)、4-(二甲氨基)二苯甲酮(DMBP)、4,4-二甲基氨基苯甲酮(MK)、2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(DMPA)、4-甲基二苯甲酮(MBP)、2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(HMBP)、2-乙基蒽醌(EA)、4,4′-双(二乙氨基)苯甲酮(DEAB)、2-氯噻吨-9-酮(CTX)、4-苯甲酰基联苯(PBZ)、2-异丙基噻吨酮(ITX)、1-氯-4-丙氧基硫杂蒽-9-酮(CPTX)、对二甲氨基苯甲酸异辛酯(EDB)等18种光引发剂迁移量的测定方法。本方法操作简单、灵敏度高、准确可靠,可为监管部门实施产品监控和生产企业实现产品质量提升提供可靠的技术支持。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 1260-6460型液相色谱-三重四极杆质谱仪;0412-1 型离心机;XW 80A 型涡旋混合器;Milli Q 型超纯水仪;0.22μm 微孔滤膜。

18种光引发剂的标准储备溶液:1 000 mg·L-1,分别称取18 种光引发剂的标准品各10.00 mg,用甲醇溶解并定容于10 mL棕色容量瓶中,于4 ℃保存。

18种光引发剂的混合标准溶液:3.0 mg·L-1,分别移取1 000 mg·L-1的18种光引发剂标准储备溶液适量,用甲醇稀释于100 mL棕色容量瓶中,配制成30 mg·L-1的混合标准溶液,于4 ℃保存。再将30 mg·L-1的混合标准溶液用甲醇稀释至3.0 mg·L-1,现配现用。

分别移取3组,每组均为3.0 mg·L-1的18种光引发剂混合标准溶液0.010,0.025,0.050,0.075,0.100,0.125 mL于6个10 mL 棕色容量瓶中,3组依次用相应的水基食品模拟物[4%(体积分数,下同)乙酸溶液、50%(体积分数,下同)乙醇溶液、95%乙醇溶液]作为溶剂稀释并定容至刻度,混匀,得到3.0,7.5,15.0,22.5,30.0,37.5μg·L-1的水基食品模拟物基质的18种光引发剂的混合标准溶液系列,经0.22μm 微孔滤膜过滤,现配现用。

分别称取3.00 g油基食品模拟物(橄榄油),置于6个15 mL离心管中,移取3.0 mg·L-1的18种光引发剂混合标准溶液0.010,0.025,0.050,0.075,0.100,0.125 mL加盖密封,混匀,得到0.010,0.025,0.050,0.075,0.100,0.125 mg·kg-1的油基食品模拟物基质的18种光引发剂的混合标准溶液系列。分别在6 个离心管中加入10 mL 乙腈,涡旋振荡10 min,再以4 000 r·min-1转速离心10 min,立即移取乙腈层1 mL,经0.22μm 微孔滤膜过滤,现配现用。

HMMP 标准品、HCPK 标准品、BP 标准品、MBP标准品的纯度均大于99.0%;Irgacure 907标准品、4-HBP标准品、EDMAB 标准品、DMBP 标准品、MK 标准品、DMPA 标准品、HMBP标准品、EA标准品、DEAB标准品、CTX 标准品、PBZ 标准品、ITX 标准品、EDB 标准品的纯度均大于98.0%;CPTX 标准品的纯度大于97.0%;乙腈、甲醇、甲酸均为色谱纯;乙酸、乙醇、橄榄油均为分析纯;试验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

1)色谱条件 ZORBAX Eclipse Plus-C18RRHD 色谱柱(2.1 mm×50 mm,1.8μm),柱温25 ℃;流量0.3 mL·min-1;进样体积2μL。流动相:A 为0.1%(体积分数,下同)甲酸溶液,B 为0.1%(体积分数,下同)甲酸乙腈溶液。梯度洗脱程序:0～4.0 min时,B 为40%;4.0～10.0 min时,B由40%升至95%;10.0～18.0 min时,B 由95%降至40%。

2)质谱条件 电喷雾离子源,正离子模式;多反应监测(MRM)模式;干燥气为氮气,流量7 L·min-1;干燥气温度230 ℃;雾化器压力1.38×105Pa;鞘气温度380 ℃,鞘气流量11 L·min-1;喷嘴电压1 000 V,毛细管电压3 500 V;离子驻留时间15 ms。其余质谱参数见表1,其中,“*”为定量离子。

1.3 试验方法

1.3.1 迁移试验

按照GB 5009.156-2016及GB 31604.1-2015中迁移试验要求,对样品进行迁移试验。考虑到样品的实际使用情况,采用迁移测试池法,取0.6 dm2样品,将100 mL 食品模拟物注入迁移池,在130 ℃的烘箱中,迁移1 h。试验结束后,将食品模拟液冷却至室温并不得低于10 ℃待用。

表1 质谱参数Tab.1 MS parameters

1.3.2 食品模拟液的处理

水基食品模拟液的处理:移取1 mL 迁移试验后得到的水基食品模拟液经0.22μm 微孔滤膜过滤后,按仪器工作条件进行测定。

油基食品模拟液的处理:称取3.00 g迁移试验后得到的油基食品模拟液置于离心管中,加入10 mL乙腈,涡旋振荡10 min,以4 000 r·min-1转速离心10 min,立即移取乙腈层1 mL 经0.22μm微孔滤膜过滤后,按仪器工作条件进行测定。

2 结果与讨论

2.1 色谱行为

按仪器工作条件对18种光引发剂的混合标准溶液进行测定,18种光引发剂的提取离子色谱图见图1。

2.2 流动相的选择

基于光引发剂易溶于甲醇和乙腈,微溶于水的物理性质,选择反相色谱常用的流动相体系甲醇-水体系和乙腈-水体系进行考察。鉴于质谱在正离子模式下,甲酸可以使目标物形成[M＋H]＋,有助于质子离子化,进一步提高分析灵敏度,试验选择在流动相中加入甲酸。相对于甲醇-水体系和0.1%甲酸溶液-乙腈体系作为流动相,0.1%甲酸溶液-0.1%甲酸乙腈溶液作为流动相时,灵敏度更高,峰形尖锐,对称性更好,分离度更优。试验选择流动相为0.1%甲酸溶液-0.1%甲酸乙腈溶液。

2.3 质谱条件的选择

移取37.5μg·L-1的18种光引发剂混合标准溶液适量,采用多反应监测模式对目标物进行质谱参数的考察。在电喷雾离子源正离子模式下进行全扫描,可获得理想的准分子离子峰[M＋H]＋。以准分子离子峰为母离子,调节适当的碎裂电压,选择响应值高、干扰小的两个碎片作为定性离子和定量离子对,同时分别优化各离子对的碰撞能量、毛细管电压等参数。试验选择的质谱条件见1.2节。

2.4 油基食品模拟液提取剂的选择

试验考察了油基食品模拟液的提取剂依次为甲醇、50%(体积分数,下同)甲醇乙腈溶液、乙腈时对18种光引发剂(0.010 mg·kg-1)提取效果的影响,结果见图2。

由图2可知:乙腈对18种光引发剂的整体提取效果最好;50%甲醇乙腈溶液对18种光引发剂的整体提取效果次之;甲醇对18种光引发剂的整体提取效果最差,甲醇对HCPK 的提取效果较好,但对其他光引发剂的提取效果不佳。试验选择油基食品模拟液的提取剂为乙腈。

2.5 油基食品模拟液提取时间以及提取体积的选择

试验考察了油基食品模拟液的提取时间(5,10,15 min)和提取体积(4,8,10,12 mL)对18种光引发剂回收率的影响。采用18种光引发剂的平均回收率,用二次函数进行最小二乘法的拟合得到模型,把提取时间记为x(min),把提取体积记为y(mL),回收率记为z,所得的二次模型为z＝-0.303 0＋0.117 6x＋0.109 0y-0.005 6x2-0.0044y2。二次模型的三维函数图像见图3。

图1 18种光引发剂的提取离子色谱图Fig.1 Ion extracted chromatograms of 18 photoinitiators

图2 提取剂对18种光引发剂提取效果的影响Fig.2 Effect of extractant on extraction effect of 18 photoinitiators

图3 二次模型的三维函数图像Fig.3 Three dimensional function image of quadratic model

由图3可知:由此模型得到理论最优提取时间为10.517 min,最优提取体积为10 mL。

在油基食品模拟液提取时间考察试验中,提取时间为10 min 时,18 种光引发剂的回收率最好。

在油基食品模拟液提取体积考察试验中,提取体积为10 mL时,18种光引发剂的回收率最好;提取体积大于10 mL时,18种光引发剂的回收率不再提高,甚至略有下降。试验选择油基食品模拟液的提取时间为10 min,提取体积为10 mL。

2.6 标准曲线和检出限

按仪器工作条件对水基食品模拟物基质的18种光引发剂的混合标准溶液系列和油基食品模拟物基质的18种光引发剂的混合标准溶液系列进行测定,以18种光引发剂的质量浓度或质量分数为横坐标,对应的峰面积为纵坐标绘制标准曲线。根据3 倍信噪比计算方法的检出限(3S/N),根据10倍信噪比计算方法的测定下限(10S/N)。

食品模拟物为4%乙酸溶液、50%乙醇溶液、95%乙醇溶液、橄榄油时的线性范围、线性回归方程、相关系数、检出限和测定下限依次见表2、表3、表4和表5。

表2 食品模拟物为4%乙酸溶液时的线性范围、线性回归方程、相关系数、检出限和测定下限Tab.2 Linearity ranges,linear regression equations,correlation coefficients,detection limits and lower limits of determination when food simulant was 4% (φ)acetic acid solution

表2 (续)

表3 食品模拟物为50%乙醇溶液时的线性范围、线性回归方程、相关系数、检出限和测定下限Tab.3 Linearity ranges,linear regression equations,correlation coefficients,detection limits and lower limits of determination when food simulant was 50% (φ)ethanol solution

表4 食品模拟物为95%乙醇溶液时的线性范围、线性回归方程、相关系数、检出限和测定下限Tab.4 Linearity ranges,linear regression equations,correlation coefficients,detection limits and lower limits of determination when food simulant was 95% (φ)ethanol solution

表4 (续)

表5 食品模拟物为橄榄油时的线性范围、线性回归方程、相关系数、检出限和测定下限Tab.5 Linearity ranges,linear regression equations,correlation coefficients,detection limits and lower limits of determination when food simulant was olive oil

2.7 方法的精密度和回收试验

按试验方法对4%乙酸溶液、50%乙醇溶液、95%乙醇溶液和橄榄油(空白食品模拟物)进行加标回收试验,加标量依次为30,135,225 ng,平行测定6次,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD)。食品模拟物为4%乙酸溶液、50%乙醇溶液、95%乙醇溶液、橄榄油时的精密度和回收试验结果见表6和表7。

由表6、表7可知:食品模拟物为4%乙酸溶液时,回收率为86.0%～114%,RSD 为0.80%～9.4%;食品模拟物为50%乙醇溶液时,回收率为88.0%～113%,RSD 为0.30%～9.4%;食品模拟物为95%乙醇溶液时,回收率为90.0%～110%,RSD为0.50%～8.1%;食品模拟物为橄榄油时,回收率为87.0%～111%,RSD 为0.10%～9.4%。

表6 食品模拟物为4%乙酸溶液、50%乙醇溶液时的精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.6 Results of tests for precision and recovery when food simulant was 4% (φ)acetic acid solution or 50% (φ)ethanol solution(n＝6)%

表7 食品模拟物为95%乙醇溶液、橄榄油时的精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.7 Results of tests for precision and recovery when food simulant was 95% (φ)ethanol solution or olive oil(n＝6)%

表7 (续)%

2.8 样品分析

按试验方法对市场上烘焙用带有印刷紫外固化油墨的玛芬蛋糕纸膜样品(1号～6号)进行分析,分别在4%乙酸溶液、95%乙醇溶液和橄榄油等3种食品模拟物中进行18种光引发剂的迁移试验。结果表明:18种光引发剂在橄榄油中迁移量最高,在95%乙醇溶液中迁移量次之,在4%乙酸溶液中迁移量最少;3号样品中18种光引发剂的迁移量均小于测定下限;其余样品中MBP、Irgacure 907、DEAB均有不同程度检出,4 个样品中检出0.02～0.4 mg·kg-1的 MBP,3 个样品中均检出0.03 mg·kg-1Irgacure 907;4 个样品中检出0.01～0.1 mg·kg-1DEAB。这些光引发剂在市场上有一定程度的存在,应引起关注。

本工作采用液相色谱-串联质谱法测定纸质食品接触材料印刷紫外固化油墨中18种光引发剂的迁移量。本方法具有精密度高等优点。