基于UHPLC－QTOF MS的PLA吸管中未知物的筛查识别

吴景杰，叶 蕾，支朝晖，夏伊宁*

（1．中国农业科学院 农业质量标准与检测技术研究所，北京 100081；2．常州龙骏天纯环保科技有限公司，江苏 常州 213100）

塑料作为一种重要的石油化工产品，与人们的生产生活息息相关。然而，传统石油基塑料（如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙稀等）极难降解，其长期大量使用造成生态环境严重污染，并威胁人体健康[1]。为降低石油基塑料的污染，促进社会可持续发展，使用可降解塑料成为一种行之有效的解决方案[2]。聚乳酸（Polylactic acid，PLA）是可降解塑料家族中的重要一员，通常以可再生植物资源（如玉米、木薯等）所提取的淀粉为原料，经发酵后得到乳酸，再经过聚合反应得到聚乳酸[3]。由于良好的生物降解性和可堆肥特性，PLA一经问世便得到社会的广泛关注，并作为石油基塑料的替代品，在多个领域得到广泛应用[4－5]。近年来，我国颁布了一系列法律法规来限制石油基塑料的生产和使用，以降低其对环境造成的污染。为顺应国家政策的调整，餐饮行业逐步采用PLA吸管替代传统的聚乙烯/聚丙烯吸管[6]。早期的PLA吸管不耐高温，使用温度一般不超过50℃，多用于冷饮和常温饮料。近期，随着工艺和配方的改进，一批具有良好耐高温性能（80～90℃）的PLA吸管进入市场并用于热饮，得到了消费者的认可。可以预见，随着国家禁塑限塑政策的推进，PLA吸管的使用量及市场占有率将进一步提升。

PLA吸管的使用和推广，可有效降低传统聚乙烯/聚丙烯吸管带来的环境污染，同时，也有可能引入新的风险。潜在风险之一来源于PLA吸管与食品直接接触过程中材料内有害物质向食品的迁移。这些物质可能是PLA加工过程中使用的添加剂，即有意添加物（Intentionally added substances，IAS）；也有可能是非有意添加物（Non-intentionally added substances，NIAS），主要包括原料和加工机械中的杂质/污染物，添加剂和包装材料生产过程中产生的副反应产物，以及添加剂和包装材料的降解产物[7－8]。相比有意添加物，食品接触材料中的非有意添加物具有一定的不可预测性，其潜在风险未知，更值得关注[9－10]。对于食品接触材料中的未知危害物，国内外普遍采用高分辨质谱对其进行筛查识别。目前，该技术已应用于多种包装材料，发现了众多非有意添加物，如抗氧剂的降解产物，添加剂中的杂质及副反应产物，高分子材料的降解产物及低聚物等[11－13]。然而，高分辨质谱技术应用于PLA等可降解材料的报道还十分少见，尤其是当PLA用于制造吸管时是否出现新的危害物，尚未可知。因此，有必要对PLA吸管在使用过程中迁出的有害物质，尤其是非有意添加物进行筛查识别，以确保其使用安全及食品安全。

本研究聚焦PLA吸管中有害物质的筛查识别及潜在风险，所用PLA吸管均为市售产品且耐高温型号。首先，开展迁移实验来模拟PLA吸管的不同使用场景；然后，利用超高效液相色谱－飞行时间质谱（UHPLC－QTOF MS）对迁移到不同食品模拟液中的化学物质进行筛查识别；最后，在筛查结果的基础上，采用毒理学关注阈值（Threshold of toxicological concern，TTC）方法对各类化学物质进行危害评估。本研究的开展有助于了解PLA吸管中未知危害物的基本情况，为后续暴露分析与风险评估提供有用信息。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

SCIEX ExionLC™AD超高效液相色谱系统、SCIEX X500R飞行时间质谱仪（美国SCIEX公司），配SCIEX OS软件（Version 1．5．0．23389）。

甲醇（质谱级）购自德国Merck公司，乙醇（色谱级）购自中国麦克林公司，甲酸铵（>99%）由德国Fisher Chemical公司提供，乙酸（≥99．7%）由美国Honeywell公司提供，实验用水为Milli-Q超纯水（电阻率18．2 MΩ·cm）。PLA吸管购自国内不同地区的不同厂家，共5份（编号1～5），所有PLA吸管均为耐高温型，耐受温度不低于80℃，尺寸均为23 cm（长度）×1．2 cm（口径）。外包装为普通白纸或牛皮纸，吸管颜色从乳白到浅黄色不等。

1.2 迁移实验

参照国标GB 31604．1－2015[14]开展PLA吸管的迁移实验（2个平行样）。实验设计主要考虑PLA吸管用于热饮的场景，尽可能模拟PLA吸管的实际使用情况。如图1所示，采用500 mL玻璃试剂瓶模拟饮料杯（如纸塑杯子）以避免真实饮料杯中化学物质对筛查结果造成干扰。选取4种食品模拟液：水（A，模拟水本身），4%乙酸（B，模拟各种果汁饮料），20%乙醇（C，模拟含10%～20%酒精饮料以及豆浆或发酵豆浆饮料等），50%乙醇（D，模拟含奶油饮料，乳品以及液体巧克力等）。将400 mL模拟液倒入试剂瓶中，并置于烘箱加热至60℃（一般热饮饮用温度约60℃），其中模拟液为50%乙醇时，加热温度设置为40℃，主要考虑到奶油易化，含奶油的饮料温度不宜太高。当模拟液达到设定温度后，将试剂瓶从烘箱取出，插入PLA吸管样品。将插入吸管的试剂瓶重新置于烘箱中，同时关闭烘箱温度，模拟热饮在饮料杯中自然冷却的过程。考虑到一般热饮的饮用时间在1 h之内，试剂瓶在烘箱中放置的时间设置为1 h。之后，将试剂瓶取出，用移液枪（德国Eppendorf公司）移取1 mL模拟液于1．5 mL进样瓶（美国Agilent公司）中，待分析。

图1 迁移装置示意图Fig．1 Apparatus for the migration test

1.3 仪器条件与迁移物筛查识别

利用UHPLC－QTOF MS筛查识别迁移到食品模拟液中的化学物质。色谱条件：Agilent Zorbax Eclipse XDB−C8色谱柱（3．0 mm ×100 mm，1．8µm），柱温40℃。流动相：A为水+5 mmol/L甲酸铵，B为甲醇+5 mmol/L甲酸铵；梯度洗脱程序：0 min，5%B；2 min，70%B；6 min，100%B；16 min，100%B；16．1 min，5%B；18 min，5%B。流速为0．4 mL/min，进样器温度15℃，进样量为5µL。

质谱条件：采用电喷雾离子源（Electron spray ionization，ESI）分别在正离子和负离子模式下扫描。数据采集方式为信息依赖采集（Information dependent acquisition，IDA）。扫描范围80～1 300 Da，离子源温度为550℃，去簇电压为5 500 V，累计时间为0．2 s。Gas 1、Gas 2、气帘气和CAD Gas分别设置为50、55、35、7 psi。MS/MS扫描范围50～1 300 Da，碰撞能30 V，幅度20 V。每次扫描循环选取响应前10的母离子（阈值设置为1．0×105）并采集MS/MS数据。其他质谱参数采用仪器默认值。

采用SCIEX OS软件的Analytics模块进行数据分析，以靶向筛查与非靶筛查相结合的方式对食品模拟液中的迁移物进行筛查识别[11]。靶向筛查主要依靠实验室自建食品接触材料数据库（Indirect food additive database or IFA database，包含各类添加剂500余种），将仪器得到的未知物信息（m/z，同位素丰度比，二级碎片等）和数据库中的信息匹配，当匹配度满足Purity>70时，可确认未知物的化学结构。对于不在数据库中的未知物，采用非靶向筛查的方式确认其化学结构，可分为两个步骤：首先，选取峰面积大于空白样品5倍以上的未知物（5倍以下则认为是系统干扰），借助SCIEX OS软件自带的“Formula Finder”功能并结合未知物的一级谱图信息（m/z，同位素丰度比，加合形式）推导出未知物所有可能的化学式（mass error<10 ppm）。然后，在ChemSpider数据库（www．chemspider．com）中搜索满足候选化学式的所有化学结构，由软件推导出二级碎片并和仪器结果比对（mass error<10 ppm），挑选出高度吻合的化学结构，最终依赖研究人员的经验以及对塑料添加剂的了解，实现未知物的化学结构最终确认。此外，还可通过购买标准品或合成标准品的方式对未知物进行验证。若ChemSpider数据库未查询到与所列化学式相关的任何化学结构，则需要根据未知物的二级碎片并结合“Formula Finder”功能对二级碎片进行结构解析，在推导出二级碎片化学结构的基础上推导出未知物的完整化学结构。此项工作同样高度依赖研究人员的经验以及对塑料添加剂的了解。

1.4 迁移物危害评估

来自PLA吸管中的迁移物可能对食品安全造成潜在威胁。为确保包装材料使用安全及食品安全，我国在GB9685－2016[15]中规定了允许用于食品接触材料的各类化学物质及特定迁移限量（Specific migration limit，SML）。对于未规定SML的化学物质，其迁移量不应超过总迁移限量（Overall migration limit，OML），即60 mg/kg。对于未出现在GB9685－2016中的化学物质，尤其是非有意添加物，在缺乏完整毒理学数据的情况下，采用TTC方法结合Cramer决策树对其进行危害评估，评估软件为Toxtree（version 3．1．0．1851），评估方法选择Revised Cramer Decision Tree。根据Cramer等建立的化学物质分类体系和分类流程，将化学物质分为3类：Cramer Ⅰ（低毒），Cramer Ⅱ（中等毒）和Cramer Ⅲ（高毒），对应的TTC阈值分别为30、9、1．5µg/kg bw[16]。假设一个成年人（60 kg体重）每天摄入含某化学物质的食物1 kg，则3类Cramer化合物的迁移限量分别为1．8、0．54、0．09 mg/kg。

2 结果与讨论

2.1 PLA吸管中迁移物的分析鉴定

5种PLA吸管样品向不同食品模拟液迁移的化学物质见表1，迁移物共计30种（两个平行样均有检出且mass error<10 ppm），可分为低聚物和添加剂两大类。低聚物主要有聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和丁二醇－己二酸－对苯二甲酸共聚物（PBAT），数量较多，聚合度不同，以环状结构为主，也有少量线性结构（水解产物）。其他低聚物中，聚己二酸丁二醇酯（PBA）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）被视为PBAT的副反应产物，由组成PBAT的3种单体中的两种共聚而成。由于低聚物由单体聚合而成，其MS/MS谱图的碎片通常展现出单体的信息。因此，可通过化学结构解析的方式推导出低聚物的化学结构。以No．11（1聚PBT+1聚PBA，成环）为例（图2A），其主要碎片包含对苯二甲酸（149．023 9）、对苯二甲酸+丁二醇（221．082 6）、对苯二甲酸+丁二醇+己二酸（349．131 1）等，再结合软件“Formula finder”功能，便可由部分特征碎片的化学结构推导出整体化学结构。PBAT和PBS属同系列聚酯材料，均可生物降解，具有加工方便、耐热性好等优点，综合力学性能优异，与PLA共混可改善材料的加工条件，提高材料的韧性和耐热性[17－18]。由表1可见，样品2～4均选择该方式提高吸管的各项性能，但又有所区别。样品2中只加入了PBAT，样品3中只加入了PBS，而样品4中同时加入了PBAT和PBS。虽然吸管的主体材料是PLA，但4种食品模拟液中均未检出PLA低聚物，其原因可能是PLA低聚物在所选模拟液中溶解性差，未发生迁移，因此未被检出。

图2 化合物11（A）及化合物22（B）的MS/MS谱图及其碎片结构Fig．2 MS/MS spectra and fragmental structures of compound number 11（A）and number 22（B）

除低聚物外，食品模拟液中还筛查出与塑料添加剂相关的迁移物，这些塑料添加剂通常在高分子材料成型加工时加入，以改善材料加工性能和理化性质，也可通过迁移进入食品，威胁食品安全。本研究共筛查出的十余种塑料添加剂主要有抗氧剂、润滑剂和增塑剂。如抗氧剂1 076（No．30）只在与样品4接触的50%乙醇中检出；润滑剂有芥酸酰胺及其类似物（No．23～26、28），仅在与样品4接触的50%乙醇中检出。在PLA中加入芥酸酰胺，可起到抗粘接和抗静电作用。芥酸酰胺的类似物由原料中芥酸以外的脂肪酸（杂质）经酰胺化后获得[19]。增塑剂在样品2～4中均有检出，种类不尽相同，增塑剂可降低PLA玻璃转化温度（Tg），促进分子链运动，从而提高材料的结晶度和耐热性[20]。样品2中增塑剂（No．29）为环己烷-1，2-二甲酸二异壬酯（DINCH），是一类新型环保增塑剂。样品4中为乙酰柠檬酸三丁酯，为无毒增塑剂，具有较好的耐水性[21]。同时还发现了合成乙酰柠檬酸三丁酯的原料柠檬酸三丁酯（No．16）和柠檬酸三丁酯的脱水产物（副反应产物）丙烯三羧酸三丁酯（No．22，图2B）。此外，样品3和4中还发现少量磷酸三苯酯（No．13），为常见有机磷类阻燃增塑剂。

2.2 不同PLA吸管样品之间的比较分析

不同PLA吸管样品向食品模拟液迁移的化学物质不同。总体来看，在同一食品模拟液条件下，样品4中迁移出的物质数量最多，其次是样品3和样品2。当食品模拟液为50%乙醇时（图3A和表1），30种迁移物均有检出。其中，样品4中迁移物数量达29个，远大于样品3（6个）和样品2（5个）。值得注意的是，无论选取何种食品模拟液，均未发现来自样品1和5的迁移物，表明这两种吸管在生产中可能使用了无机填料（如滑石粉）替代有机添加剂，因此未检出，但也不排除这两种吸管样品中所含化学物质在本研究所选取的食品模拟液中溶解性差，未发生明显迁移。

2.3 不同食品模拟液之间的比较分析

比较不同食品模拟液发现，同一种有化学物质迁出的吸管样品在50%乙醇中的迁移物数量最多，其次为20%乙醇、4%乙酸和水，这表明食品模拟液的类型是影响PLA吸管内化学物质迁移的主要因素之一。提高模拟液中有机试剂（如乙醇和乙酸）含量，有助于溶解吸管内更多数量的化学物质（亲油性）并迁移到模拟液中。此外，样品4在不同模拟液中迁移物的色谱峰强度顺序大致为50%乙醇>20%乙醇>4%乙酸>水（图3B），表明PLA吸管与偏油性模拟液接触时迁移出的化学物质浓度更高。因此，在开展PLA吸管的迁移测定及安全性评价时，更应关注吸管接触乳品等高脂肪性饮料的情况。

2.4 PLA吸管中迁移物的潜在危害

PLA吸管中的迁移物是否存在潜在风险，需进行科学评估确定。由表1数据可知，30种迁移物中仅5种出现在GB9685−2016的肯定列表中，为食品接触材料允许使用的添加剂。其中，抗氧剂1076的迁移限量为6 mg/kg，其他无特定迁移限量，但仍需符合总迁移限量的要求（60 mg/kg）。未在肯定列表中的迁移物主要为低聚物，以及已知添加剂的类似物（来源于芥酸酰胺）、原料及副反应产物（来源于乙酰柠檬酸三丁酯）等。根据定义，这些迁移物均可认为是非有意添加物。Toxtree软件分析结果显示，除芥酸酰胺的类似物（No．24～26、28）外，其余物质皆被归为Cramer Ⅲ型危害物，具有潜在高毒性，参考迁移限量为0．09 mg/kg，需予以高度关注。

3 结 论

本研究实现了不同PLA吸管样品在接触不同食品模拟液条件下的迁移物筛查识别，并通过查询相关限量标准和采用计算毒理学方法对迁移物的潜在危害进行评估。结果表明，不同生产厂家在加工PLA吸管时添加的化学物质种类有所不同，迁移物也有所不同，总体可分为低聚物和添加剂两类，其中低聚物主要为PBS和PBAT，数量较多，且以环状结构为主；添加剂分为有意添加物和非有意添加物，但由于大部分非有意添加物（包括低聚物）被毒理学软件（Toxtree）判定为Cramer Ⅲ型危害物，未来需关注这些物质在PLA吸管实际使用中的迁移，尤其是向高脂肪饮料（乳品、含奶油饮料）中的迁移。