纸吸管中非挥发性迁移物的非靶向筛查及风险评估

安皓月, 马 鑫, 王 倩, 隋海霞, 杜振霞*

（1. 北京化工大学 化学学院, 北京 100029；2. 国家食品安全风险评估中心, 北京 100022）

食品接触材料（FCMs）及制品涵盖塑料、树脂、橡胶、玻璃、金属、陶瓷、纸制品以及活性材料等多个类别[1-2］, 其中, 塑料因具有质量轻、易加工、耐腐蚀、阻隔性能好等优点而被广泛使用[3］。但是, 大多数FCMs所用的塑料不可降解, 且数量众多, 分布广泛, 在自然条件下经过风吹日晒、机械磨损、生物分解、紫外线照射等, 逐渐变小, 最终变成微塑料颗粒, 给土壤、海洋造成严重污染[4］。微塑料可以改变土壤的理化性质, 影响土壤生产力, 危害土壤动物[4］；微塑料进入海洋后容易被鱼类等海洋生物摄入, 但其永远不能被消化, 因而在体内不断积蓄, 最终通过食物链传递到人体, 对人体健康造成潜在风险。目前已有大量关于在鱼类中检测到微塑料的文献报道[5-7］。

近年来, 随着人们对绿色环保理念的不断深入, 以及国家生态文明建设的号召, 餐饮行业开始使用纸吸管代替塑料吸管。纸吸管不仅成本较低, 而且具有一定的强度和抗水性能, 是塑料吸管的最佳替代品。但在使用时, 纸吸管中的小分子物质（如施胶剂等）有迁移到食品中的可能性, 对人体健康造成危害[8］。目前, 关于纸吸管中非挥发性迁移物的筛查及安全性评估的研究较少, 因此需要对其中的潜在迁移物进行筛查及风险评估。

本研究根据欧盟法规选择两种食品模拟物, 结合国标（GB 31604. 1-2015）推荐的总迁移测试条件[9］, 使用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UPLC-Q-TOF MS）对纸吸管中的非挥发性迁移物进行非靶向筛查。利用本课题组前期建立的能有效反映危害和暴露的二级参数的风险矩阵对筛查出的迁移物进行风险评估。用UPLC-Q-TOF MS对评估结果为Ⅱ级的迁移物进行半定量分析, 并通过比较暴露量和安全阈值对纸吸管中非挥发性迁移物的安全性进行评估。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Acquity UPLC超高效液相色谱仪, 配有Acquity UPLC BEH C18（100 mm×2. 1 mm, 1. 7μm）色谱柱（美国Waters公司）；Xevo-G2-S QTOF四极杆飞行时间质谱仪（美国Waters公司）；Quattro Premier XE三重四极杆质谱（美国Waters公司）；移液枪（Eppendorf公司）；Milli-Q A10超纯水系统（美国Millipore公司）；GP225D型电子天平（Sartorius公司）；SHA-BA型水浴恒温振荡器（华普达仪器有限公司）；MTN-2800D型氮吹仪（天津奥特赛恩斯仪器有限公司）；KH-100DE型超声波清洗器（昆山禾创超声仪器有限公司）；0. 22μm聚四氟乙烯（PTFE）有机滤膜（津腾公司）。

甲醇（质谱纯, Fisher Chemical公司）；甲酸（色谱纯, Fisher Chemical公司）；乙酸（分析纯, 北京化工厂）；乙醇（分析纯, 上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；松香酸（≥99%, 国家药品标准物质）；肉豆蔻酸异丙酯（98%, 日本TCI公司）；己内酰胺（≥99%, 比利时Acros Organics公司）；六甘醇（97%, 上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；实验用水由Milli-Q超纯水系统（美国Millipore公司）制备；两种纸吸管规格分别为6 mm×0. 5 mm×10 cm、6 mm×0. 5 mm×12 cm, 由供应商提供。

1.2 色谱-质谱条件

色谱条件：色谱柱：Waters Acquity UPLC BEH C18（2. 1 mm×100 mm, 1. 7μm）；柱温箱温度：35℃；流动相：0. 1%甲酸水溶液（A）-甲醇（B）；洗脱梯度：0～6 min, 3%～100% B；6～10 min, 100%B；10～10. 5 min, 100%～3%B；10. 5～12 min, 3%B, 流速0. 3 mL/min；进样体积：1μL。

质谱条件：采集模式为MSE；电离模式为ESI+和ESI-；离子源温度为120℃；脱溶剂气温度为450℃；锥孔电压为30 kV（ESI+）和40 kV（ESI-）；毛细管电压为3 kV（+）和2. 5 kV（-）；脱溶剂气流速为1 000 L/h；锥孔气流速为50 L/h；低能通道碰撞电压为4 eV；高能通道碰撞电压为20～60 eV；扫描范围为m/z 50～1 200 Da；采用亮氨酸脑啡肽（LE）实时校正质量轴：m/z=556. 276 6（ESI+）、554. 262 0（ESI-）, 每30 s切换1次进行质量数的校正。

采用选择离子模式进行半定量分析, 4种标准品优化的质谱参数如表1所示。

1.3 标准溶液的配制

精确称取4种标准品, 分别用甲醇溶解, 配制成1 000 mg/L的标准溶液。将3种正模式定量标准物质混合成1 mg/L的混合标准溶液, 并用甲醇稀释为10、20、50、100、200、500μg/L的混合标准工作溶液。用甲醇将松香酸稀释为10、20、50、100、200、500、1 000μg/L的标准工作溶液。

1.4 迁移试验

参照欧盟法规（No. 10/2011）进行迁移试验[10］：根据纸吸管的使用特点及可能接触的食品（茶、果汁和蛋白饮料等）, 采用两种食品模拟物, 即50%（体积分数）乙醇、3%（体积分数）乙酸进行模拟浸提, 截取6 cm纸吸管（接触面积约为6 cm2）于玻璃试管中, 加入10 mL食物模拟物。根据纸吸管预期接触的最长时间并结合国标（GB 31604. 1-2015）推荐的总迁移测试条件[9］, 进行70℃水浴加热2 h的迁移试验。将上述条件下得到的提取液进行氮吹浓缩, 再用1 mL甲醇复溶, 用注射器吸取样品, 经0. 22μm PTFE有机滤膜过滤至1. 5 mL样品瓶中, 用UPLC-Q-TOF MS进行检测。每个样品设置两个平行, 并设置相同处理过程的空白样品。

1.5 迁移物的非靶向筛查

使用沃特世公司的UNIFI软件对迁移物进行非靶向筛查。UNIFI科学信息系统可实现数据采集、处理、浏览和报告生成一体化。Q-TOF MS的MSE采集模式能在一次进样下通过低能通道与高能通道分别得到物质的准分子离子峰及碎片信息[11］。原始数据采用UNIFI进行处理, 通过对比样品色谱峰与空白色谱峰并设置质谱响应阈值3 000对迁移物进行筛查, 进而根据碎片信息进行鉴定, 鉴定流程图如图1所示。

图1 鉴定流程图Fig. 1 Flow chart for identification

1.6 风险矩阵的构建及迁移物的风险评估

当食品接触材料中迁移物较多时, 如果可以进行优先级排列, 则可以关注高风险物质, 优化资源。鉴于风险为危害和暴露的函数, 本课题组前期基于风险的两个函数, 即危害和暴露建立了一种快速筛选评估并进行风险分级的风险矩阵[12］, 如图2所示, 图中a、b、c、d、e分别为权重系数1、1、4、4、4。用毒性水平、Cramer分级和致突变性的加和来表征危害的大小, 而暴露由于需要具体情境的暴露数据, 考虑到迁移物的水溶性和渗透性越好, 暴露风险越高, 代表更容易被吸收, 因此暴露定义为迁移物的水溶性和渗透性的加和。其中, LD50是表征物质急性毒性最常用的指标, 使用TEST（V. 5. 1. 1）软件进行预测, Cramer分类主要反映物质的慢性毒性, 使用Toxtree（V. 3. 1. 0）对不具有DNA反应性致突变物进行Cramer分类, 致突变性是食品接触材料评估中重点关注的毒性终点, 使用VEGA（V. 1. 1. 4）中的Ames致突变性功能进行预测[13］。水溶性方面参考EU No. 10/2011法规中10μg/kg的阈值和1 L/kg食品的假设, 使用TEST（V. 5. 1. 1）进行预测, 渗透性方面采用Lipinski5规则[14］。

图2 风险因素及其得分分布Fig. 2 Risk factors and their score distributions

所建立的风险矩阵为：风险=危害（毒性水平+Cramer分级+4×致突变性）×暴露（4×水溶性+4×渗透性）, 各项风险因素分级描述及得分如表2所示。

表2 风险因素描述及评分Table 2 Description and score of the risk factors

将物质的总得分划分成四个区间, 即四个风险等级, 分数越高意味着风险越高。风险因素综合得分及总风险得分如表3所示, 详细方法及划分标准参考本课题组前期建立的风险矩阵[12］。使用风险矩阵对纸吸管迁移试验中的迁移物进行风险评估, 并根据物质的风险进行优先级排序。

表3 风险因素综合得分及总风险得分Table 3 Composite and total risk score of risk factors

2 结果与讨论

2.1 纸吸管中迁移物的非靶向筛查

利用图1的鉴定流程对2种纸吸管样品分别在2种模拟物中的迁移物以及空白样品进行非靶向筛查。图3显示了迁移试验中迁移物的色谱图, 4组迁移试验共鉴定出31种化合物（见表4）。结果表明, 两种纸吸管均检出较多纸及纸制品生产过程中的加工助剂, 主要包括润滑剂、施胶剂、抗氧剂、消泡剂等。由表4可以看出, 1号样品检出的加工助剂明显多于2号样品, 原因可能是两种纸吸管样品来自不同商家, 其品牌不同, 制造工艺有所区别, 加工过程中用于增强纸吸管性能的添加剂种类也有所不同。

表4 鉴定的迁移物Table 4 Identified migrants

图3 两种纸吸管样品的色谱图Fig. 3 Chromatograms of two paper straw samples

造纸过程的涂布阶段需添加润滑剂, 以改善涂料的流动性及流平性, 使涂层光滑平整, 且避免涂料干燥时发生龟裂。在1、2号样品中均检出酰胺类润滑剂, 其中芥酸酰胺作为芥酸的重要衍生物, 是一种应用广泛的优良精细化工产品, 由于其具有较高的熔点和良好的热稳定性, 因而常被用做润滑剂[15］。除了润滑作用, 酰胺基还能与纤维素分子的羟基形成氢键, 从而提高纤维间的结合[16］。

松香酸类和花生酸、棕榈酸等饱和脂肪酸是造纸工艺中常用的施胶剂, 可增强纸对水渗透的抵抗力, 赋予成品纸憎水性[16］。抗氧剂用于防止纸张老化, 延长纸张的使用寿命[17］, 在这两种样品中均检出抗氧剂降解成分, 推测其可能是在高温烘烤阶段产生。

此外, 在1号样品中还检出12～22个碳的聚乙二醇类消泡剂。消泡剂常用于造纸工艺中的抄纸过程, 在制浆过程中未洗净的起泡物质以及人工添加的表面活性剂均会产生泡沫, 给生产带来各种问题并使纸张产品质量下降, 加入聚乙二醇类物质不仅可消除泡沫, 还可使纸张保持一定水分, 减少纸边卷曲。

（续表4）

2.2 迁移物的风险分级

使用所建立的风险矩阵, 对纸吸管中鉴定的31种迁移物进行风险分级, 各项风险因素得分如表5所示。根据总风险得分进行分级, 发现Ⅱ级风险物质23个, Ⅲ级风险物质2个, Ⅳ级风险物质6个, 并未发现Ⅰ级高风险物质。Ⅱ级风险物质涵盖大多数加工助剂, 但得分较高的物质主要为几种润滑剂、施胶剂和消泡剂, 这些助剂具有良好的渗透性和水溶性, 因此有较高的暴露分数。综上所述, 对于纸吸管中迁移物的风险, 应主要关注润滑剂、施胶剂和消泡剂。

表5 各项风险因素得分表Table 5 Score table of various risk factors

2.3 纸吸管中风险物质的迁移量及风险评估

因为迁移物中Ⅱ级风险物质数量较多, 可根据结构和作用进行分类, 因此每类迁移物选择一个结构相似且有代表性的标准物质进行半定量分析, 分别为松香酸、六甘醇、己内酰胺和肉豆蔻酸异丙酯。以4种标准品的质量浓度为横坐标（x, μg/L）, 峰面积为纵坐标（y）建立标准曲线, 以3倍信噪比（S/N=3）为检出限（LOD）, 10倍信噪比（S/N=10）为定量下限（LOQ）, 确定4种标准品的线性范围、检出限及定量下限（见表6）。数据表明, 4种标准物质在一定质量浓度范围内呈良好线性。己内酰胺的检出限可达0. 5μg/L, 定量下限可达1μg/L, 其他3种标准品的检出限和定量下限分别为1μg/L和10μg/L。

表6 4种标准品的检出限、定量下限及线性范围Table 6 LODs, LOQs and linear ranges of 4 standards

采用4种标准品的标准曲线对纸吸管中Ⅱ级风险物质进行半定量分析, 结果如表7所示。根据欧盟法规（No. 10/2011）规定, 假设每人每天摄入1 kg食物, 根据迁移量（mg/kg）和摄入量（kg/人/d）计算暴露量（mg/人/d）, 即暴露量（mg/人/d）=迁移量（mg/kg）×摄入量（kg/人/d）。对迁移物的安全性评估使用TTC方法[18］, 即：对于Cramer分级为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的化合物, 对应的安全阈值分别为30、9、1. 5μg/kg BW, 即1. 8、0. 54、0. 09 mg/d, 然后将暴露量与TTC阈值比较, 若暴露量低于TTC阈值, 则该迁移物的健康风险无需关注, 否则可能存在安全风险, 后续需要进一步优化暴露评估, 或者采用非TTC方法进行风险评估。由于假设每人每天的食物摄入量为1 kg, 因此暴露量与迁移量在数值上相等。由表7可以看出部分酰胺类润滑剂的暴露量高于相应的TTC阈值, 尤其是芥酸酰胺, 需引起关注。

表7 Ⅱ级风险物质在50%乙醇和3%乙酸中的迁移水平及其风险评估Table 7 Migration of gradeⅡrisk substances in 50%ethanol and 3%acetic acid and its potential risk

3 结 论

本研究根据欧盟法规推荐的两种食品模拟物对纸吸管进行迁移试验, 并使用UPLC-Q-TOF MS对两种纸吸管样品进行了非靶向筛查, 共鉴定出31种迁移物, 主要包括润滑剂、施胶剂、抗氧剂、消泡剂等加工助剂。基于本课题组前期建立的风险矩阵, 即风险=危害（毒性水平+Cramer分级+4×致突变性）×暴露（4×水溶性+4×渗透性）, 对31种迁移物进行风险分级, 结果表明, 未发现Ⅰ级高风险物质, Ⅱ级风险物质中得分较高的是几种润滑剂、施胶剂和消泡剂, 如芥酸酰胺、海松酸、聚乙二醇等。对部分Ⅱ级风险物质进行定量分析, 通过对比暴露量和TTC阈值, 发现酰胺类润滑剂存在健康风险, 尤其是芥酸酰胺, 应在纸吸管生产加工过程中引起关注。本研究的样本量较小, 存在一定的不确定性。后续还需进一步增加样本量, 并基于实际的迁移水平, 对筛选出的高风险物质进行风险评估, 从而对结论进行进一步验证, 以期为相关部门进行风险管理提供科学建议。