基于FT-IR和GC-MS分析市售PLA吸管中挥发性物质

张株瑞，杨青华，童 星，王志伟，胡长鹰,2,*

（1.暨南大学包装工程学院，广东 珠海 519070；2.暨南大学食品科学与工程系，广东 广州 510632）

随着可持续发展理念的深入，可降解材料聚乳酸（polylactic acid，PLA）因其生物可降解、环境友好等特点，展现出良好的市场发展前景，如PLA吸管替代传统一次性塑料吸管。然而食品安全不仅来自食品本身，食品接触材料也可能存在有害物质迁移至食品导致的食品安全隐患[1]。对于传统的食品接触用塑料，已有众多学者研究它们的安全性，而生物降解材料在食品接触方面的使用还处于起步阶段，材料特性也与传统塑料不同，带来的风险可能更加不明确[2]。

目前，由于对PLA中物质的筛查研究较少，市售PLA吸管中是否存在新的危害物质也尚不清楚。相关文献[3-4]采用超高效液相色谱-串联四极杆飞行时间质谱法研究了PLA颗粒、薄膜和制品中非挥发性成分及其向食品模拟物中的迁移情况，在总溶解提取物中鉴定出39种不同环状和线性低聚物，在迁移液中检测到10种低聚物及15种PLA反应产生的低聚物；利用气相色谱-质谱（gas chromatograph-mass spectrometry，GC-MS）联用法、大气压气相色谱-四极杆飞行时间质谱法和气相色谱-嗅闻-质谱法研究了PLA中挥发性化合物及其向食品模拟物中迁移的情况，定性出22种挥发性化合物[5]。吴景杰等[6]采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱联用法筛查分析了PLA吸管迁移到不同食品模拟物中化合物，发现主要为低聚化合物和各种添加助剂，并通过毒理学关注阈值方法结合Cramer决策树分析，其中大部分物质为Cramer III类（高毒）物质。目前基于质谱非靶向检测技术主要是GC-MS和液相色谱-质谱。其中GC-MS是一种非常强大的非靶向筛查工具，具有全扫描采集灵敏度高、分离能力强、识别效率高、较完备的分析数据库等优点，可以通过非靶向筛查获得大量的信息[7]。

本研究通过傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）鉴定分析市售PLA吸管主要成分，采用GC-MS结合保留指数、NIST质谱库和MSDIAL对吸管样品中挥发性化合物进行非靶向识别分析，借助数据库对检出物质进行关注度分类，探讨可能带来的危害以期为PLA吸管的安全风险评估提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

18种不同商家售卖的PLA吸管，分别编号为S1～S18。

1 000 mg/L正构烷烃（C7～C40）混合标准溶液（色谱纯） 上海安谱璀世标准技术服务有限公司；二氯甲烷、甲醇、乙酸乙酯、异辛烷、正己烷（均为色谱纯）上海麦克林生化科技有限公司；乙腈（分析纯） 天津市大茂化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

7890A-5975CGC-MS仪、7697A顶空（headspace，HS）进样器 美国Agilent公司；AR224CN电子天平奥豪斯仪器有限公司；iS50型FT-IR 美国赛默飞公司；DRK203薄膜厚度仪 山东德瑞克仪器有限公司；KQ5200DE数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；UPTC 10超纯水机 上海力辰邦西仪器科技有限公司。

1.3 条件

1.3.1 样品处理

将样品剪成规格约10 mm×10 mm，用于FT-IR测定。将样品剪成规格约5 mm×5 mm，分别准确称取2.00 g样品，放入20 mL HS进样瓶中，迅速密封，待测定。另精准称取0.02 g样品，放入20 mL样品瓶中，加10 mL二氯甲烷，超声萃取5 min。用注射器抽取1 mL提取液过0.22 μm有机滤膜，待GC-MS检测。每种样品采取3 个平行。

1.3.2 FT-IR测定

采用表面全反射法，把PLA吸管放在FT-IR附件晶体表面，调整压力板使样品和晶体表面紧贴，进行数据采集，扫描次数为32 次，扫描范围为450～4 000 cm-1，分辨率为4 cm-1。

1.3.3 HS-GC-MS条件

平衡温度120 ℃；定量环温度130 ℃；传输线温度140 ℃；平衡时间20 min；GC循环时间35 min；进样时间0.5 min；压力平衡时间0.5 min。

DB-5MS色谱柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；升温程序：40 ℃保持3 min，以10 ℃/min升至300 ℃，保持2 min；载气（He）流速1.0 mL/min，进样量1 mL；分流比5∶1。

电子电离源；电子能量70 eV；传输线温度80 ℃；离子源温度230 ℃；溶剂延迟3 min；全扫描模式；质量扫描范围m/z45～600。

1.3.4 GC-MS条件

同1.3.3节GC-MS条件。

1.3.5 保留指数计算

取正构烷烃标准品准确稀释至1 mg/L，取适量置于进样瓶中，迅速密封，按照1.3.3节方法检测并分析，利用NIST17谱库进行检索，并记录正构烷烃的保留时间，按下式[8]计算样品中各组分的保留指数。

式中：n为正构烷烃的碳数；tx为被测组分的保留时间/min；tn为碳数为n的正构烷烃保留时间/min；tn+1为碳数为n+1的正构烷烃保留时间/min；且tn＜tx＜tn+1。

1.4 数据处理

利用MS-DIAL和NIST质谱库对所有样品中挥发性化合物进行定性，谱库检索与保留指数结合可以有效提高定性准确度，而MS-DIAL能对化合物色谱峰进行解卷积分析，提高重叠峰的解析能力[9]。参数设置如下：质量数分析范围0～1 000 Da，最小峰高1 000，保留指数相似度容差20%，保留时间容差0.5 min，质荷比容差0.5 Da，EI碎片离子峰相似度不低于70%，保留时间容差20%，总体得分不低于80%。对生成的化合物列表进行人工检查，以减少错误鉴定。为了避免柱流失等影响，去除空白样品数据。

为了进一步分析定性化合物的来源、影响及潜在安全隐患，分别在PubChem（https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov）、Chemical Book（https://www.chemicalbook.com/ProductIndex.aspx）查阅物质相关信息。特定迁移限量（specific migration limit，SML）来自法规EU No.10/2011[10]，内分泌干扰物（endocrine disrupting chemical，EDC）清单和高关注物质（substances of very high concern，SVHC）清单从ECHA（https://echa.europa.eu/home）中获取。参照Su Qizhi等[11]的方法，根据物质的安全性风险，给予不同关注度：满足致癌物1、2类（IARC）、SML小于5 mg/kg、EDC或SVHC为IV类；满足SML小于50 mg/kg、致畸剂或Cramer III类的物质为III类；Cramer II类的物质为II类；Cramer I类的物质为I类。关注度不低于III类的为重点关注物质。

2 结果与分析

2.1 FT-IR测定结果

对PLA吸管样品进行FT-IR分析表征，结果如图1所示。根据DB46/T 519—2020《全生物降解塑料制品红外光谱拉曼光谱指纹图谱快速检测法》[12]和文献[13-15]对其主要成分进行分析。由于样品来源不同，生产工艺未知，样品中的成分比例可能存在较大差异，而且添加助剂的使用也会导致吸收峰发生重叠和偏移现象，无法借助1 000 cm-1以下指纹峰准确分析基材种类。1 749 cm-1附近为酮的C＝O伸缩振动吸收峰，1 450 cm-1附近为—CH3不对称变形振动吸收峰，1 385 cm-1附近为—CH3对称变形振动吸收峰，1 180 cm-1附近为—C—O—C—伸缩振动吸收峰，以上吸收峰作为PLA的判断依据[13]。聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（poly(butyleneadipate-co-terephthalate)，PBAT）、聚丁二酸丁二醇酯（poly(butylene succinate)，PBS）在多处有相似特征吸收，通过其特有结构吸收峰差异进一步分析，PBAT在1 268 cm-1左右出现与苯环相连的—CO吸收峰[14]，而PBS在1 330 cm-1左右出现—C—O—C—吸收峰[15]。由此判断吸管的主要组成材料如表1所示。对比相同组别样品的红外光谱，如PLA+PBS样品，在指纹区的出峰比例不同，这可能是由样品间成分比例差异，以及不同添加剂导致。目前所收集的市面上销售的PLA吸管，不同程度地混合了PBAT和PBS。

图1 18 个市售PLA吸管样品的FI-IRFig. 1 Infrared spectra of 18 commercially available PLA straw samples

表1 市售PLA吸管样品信息Table 1 Information on commercially available PLA straw samples

2.2 前处理和HS条件优化

为尽可能得到足够多的检出物质，对样品所用萃取溶剂进行选择优化，对比了甲醇、二氯甲烷、乙酸乙酯、异辛烷、正己烷对吸管样品中挥发性化合物的萃取效果。结果表明，二氯甲烷具有中等极性，对样品中物质的提取效果最好。选用超声辅助二氯甲烷溶剂萃取。在超声5、10、20、30 min情况下，物质出峰情况无明显变化，故选用超声时间为5 min。

为了优化对挥发性物质的提取效率，将平衡温度（100、120、140、160 ℃）、平衡时间（10、20、30、40 min）、样品量（0.50、1.00、1.50、2.00 g）分别进行对比。平衡温度120、140、160 ℃下样品物质的出峰情况无明显差异，而100 ℃条件下的出峰数目明显少于其他温度；平衡时间从10 min延长到20 min时，峰面积均有所增加。延长平衡时间超过20 min后，无明显变化；随着样品量的增加，一些低响应峰面积会明显增加。因此最终条件选取平衡温度120 ℃、平衡时间20 min、样品量2.00 g。

2.3 GC-MS定性分析

图2 GC-MS挥发性物质总离子流图Fig. 2 Total ion current chromatogram of volatile substances detected by GC-MS from dichloromethane extract of straw samples

如图2所示，定性出41种化合物，大部分为酯类、芳香族化合物，其中共17种重点关注物质如表2所示。萘属于多环芳烃化合物，主要用于合成邻苯二甲酸酐和杀虫剂，已被列入2B类致癌物清单中[16]。2,4-二叔丁基苯酚是抗氧化剂168的降解产物之一[17]，也具有一定的神经毒性和杀菌作用[18]。2,2’-亚甲基双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)俗称抗氧剂2246，具有很好的热老化和光老化防护作用，广泛应用于塑料制造行业。双(2-乙基己基)邻苯二甲酸酯是一种邻苯二甲酸酯类的增塑剂，可增加塑料的韧性，但其具有生殖和发育毒性，不同国家都对食品接触材料中邻苯二甲酸酯类增塑剂含量和迁移量作出了相关限制，以减少暴露风险和健康危害[19]。1,2-环己烷二甲酸结构的酯类化合物，可能是苯环结构发生还原反应产生。乙酰柠檬酸三丁酯，是一种环保型增塑剂，具有良好耐水性，可替代传统邻苯二甲酸酯类增塑剂[20]，并发现反应副产物丙-1-烯-1,2,3-三羧酸三丁酯。此外，发现4种具有一定气味特征的物质，萘具有樟脑丸气味，乙酰柠檬酸三丁酯具有草本气味，对二甲苯具有芳香味，棕榈酸具有轻微的特征气味。5种食品调味剂，乙酰柠檬酸三丁酯、5-羟基-4-甲基己酸内酯、十五烷、棕榈酸、棕榈酸甲酯，这些物质会对食品的味道产生影响，从而影响消费者体验。样品中还存在来自植物的化学物质L-铃兰氨酸。棕榈酸可用作合成润滑剂、防水剂、杀菌剂、表面活性剂等，在此不能确定其具体来源[21]。

2.4 HS-GC-MS定性分析

如图3所示，定性出173种挥发性物，烷烃类化合物占39.88%，酯类物质占11.56%，芳香烃和烯烃类物质分别为10.41%、9.82%。49种化合物自身具有气味，32种物质属于食品添加剂，共检出高关注物质32种如表3所示。样品中检测出一些萜类物质，如对薄荷三烯、3-蒈烯、α-侧柏烯、柠檬烯等。柠檬烯是一种低成本、低毒性的可生物降解萜烯物质，可能来自清洁产品中的香料物质和溶剂[22]。环己酮、环戊酮可由醛、酮反应生成，可能是来自农药残留。醛类物质可由酯交换反应生成，醇类化合物可能是由酯基水解产生，烷烃可能是聚合过程中引入的物质，也可能是添加剂或加工助剂的降解产物[5,23]。苯甲醛带有苦杏仁味，用作食品添加剂、化妆品、香水和洗涤剂中的香料，会随着保存时间的增加而变黄，这可能是PLA长时间保存后变黄的原因[24]。磷酸三乙酯是一种有机磷酸酯类增塑剂，能起到阻燃作用，也可用于制备农业杀虫剂，并具有一定的神经毒性、生殖毒性和细胞毒性特征[25]。样品中还检出扩链剂2,6-二异丙苯基异氰酸酯及其原料2,6-二异丙基苯胺，该物质可用2-乙基己醇作端封剂合成多碳化二亚胺类抗水解剂[26]。此外还发现抗氧剂246，邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二异丁酯及双(2-乙基己基)邻苯二甲酸酯的代谢产物2-乙基己醛。频哪酮可能来自生产农药杀菌剂和除草剂[27]。新戊二醇和2-乙基己酸乙酯可能是由酯类润滑油新戊二醇二异辛酸酯断链产生[28]。2-乙基己醛是非离子表面活性剂的原料，可替代生物降解缓慢的壬基酚氧乙基化物，并且稳定性高，不易受酸碱性影响[29]。2,2,4,6,6-五甲基庚烷可能是单体聚合反应所需的引发剂的溶剂[30]。γ-丁内酯可在人体中代谢成γ-羟基丁酸，γ-羟基丁酸是一种具有抑制作用的精神活性物质，具有镇定和健忘效果，也能刺激人体增加快感，但对于PLA吸管中γ-丁内酯的来源尚未有很好的解释[31]。

表2 吸管样品二氯甲烷萃取液中重点关注挥发性化合物Table 2 Volatile compounds of high concern in dichloromethane extracts of straw samples

图3 HS-GC-MS挥发性物质总离子流图Fig. 3 Total ion current chromatogram of volatile substances detected by HS-GC-MS from straw samples

2.5 GC-MS与HS-GC-MS比较

通过GC-MS和HS-GC-MS共检测到200种物质，14种物质在2种检测方式中都被检测到。HS-GC-MS比GC-MS检测定性出更多挥发性大的烷烃类物质和低分子质量化合物，这是由于HS进样不受溶剂影响。而GC-MS可以较好地检出更多挥发性较低的物质，并且所需的样品量更少。值得注意的是，2-乙基己基氯乙酸酯仅在GC-MS中检测到，该物质可通过2-乙基己酸乙酯与萃取剂二氯甲烷反应生成，而在HS-GC-MS中检出2-乙基己酸乙酯，因此可以推测2-乙基己酸乙酯是PLA吸管中存在的物质，而2-乙基己基氯乙酸酯可能是由二氯甲烷的前处理带入。萃取剂不应与检测物质发生反应，但在实际筛查中很难实现高效的萃取剂与物质不发生反应。GC-MS通过不同的萃取试剂对所需物质进行萃取，样品消耗量小。HS-GC-MS将样品直接置于HS瓶中，该方法快速、便捷，有利于易挥发性化合物的检测。这2种技术各有优势，相互补充，可以更完整、更准确地分析PLA吸管中的挥发性物质。

表3 吸管样品经HS-GC-MS分析的重点关注挥发性化合物Table 3 Volatile compounds of high concern from straw samples analyzed by HS-GC-MS

3 结 论

通过FT-IR鉴定市售PLA吸管主要成分，采用GC-MS分析样品中挥发性化合物。结果表明，市售PLA吸管样品都不同程度地含有PBS和PBAT。经二氯甲烷萃取GC-MS检测发现17种重点关注物质，通过HS-GC-MS分析得到32种重点关注物质，这些物质存在一定安全隐患，需要加强监管。同时在吸管样品中检出多种塑料添加剂，如抗氧化剂、增塑剂、扩链剂等，还发现了可能来源于生产过程中的残留化合物，如洗涤剂、杀虫剂等，以及一些来自植物的萜类物质。GC-MS和HS-GC-MS提供互补信息，这2种技术结合使用有利于全面分析筛查挥发性物质的来源和安全性。从食品安全角度考虑，需要对PLA吸管进行更好地规范、引导和监管。本研究为今后的市售PLA吸管的安全风险评价提供研究基础和数据支持。