高效液相色譜法測定聚甲基丙烯酸酯食品材料中甲基丙烯酸酯及甲基丙烯酸向模擬食品液的遷移量

萬 富，李陽廣，柳阿芳，趙金堯

(1.湖南省產(chǎn)商品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，長沙 410000；2.湖南人文科技學(xué)院，婁底 417000)

甲基丙烯酸及其羧酸酯類化合物是有機(jī)中間體及合成高分子的單體，用于制造有機(jī)玻璃、涂料、塑料、黏合劑和樹脂等。聚甲基丙烯酸酯材料由于高透光率高、使用性能優(yōu)異及價格適中等特點，被廣泛用于制作餐具、外包裝盒等食品接觸制品。當(dāng)此類制品與食品接觸時，制品中殘留的甲基丙烯酸及其羧酸酯類單體可遷移至食品中，隨后進(jìn)入人體，危害人類健康[1]。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 9685－2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品接觸材料及制品用添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定食品接觸用塑料材料及制品、涂料及涂層、橡膠材料及制品中甲基丙烯酸及其羧酸酯的特定遷移總量限量不大于6 mg·kg－1(以甲基丙烯酸計)。標(biāo)準(zhǔn)中附錄B特定遷移總量限量[SML(T)]中以甲基丙烯酸計的受限物質(zhì)包括2-羥基乙基-2-甲基-2-丙烯酸酯、2-甲基丙烯酸、甲基丙烯酸異丙酯、甲基丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸異丁酯、甲基丙烯酸芐酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸苯酯、甲基丙烯酸酐和甲基丙烯酸仲丁酯共13種。

目前，我國針對甲基丙烯酸及羧酸酯的檢測標(biāo)準(zhǔn)為GB 31604.29－2016和SN/T 3183－2012。這兩項標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了食品接觸材料中甲基丙烯酸甲酯的遷移測定方法，而沒有關(guān)于其他12種物質(zhì)的檢測方法。

甲基丙烯酸及其羧酸酯的測定方法有氣相色譜法[2]、氣相色譜-質(zhì)譜法[3-4]、液相色譜法[5]、頂空-氣相色譜法[6-7]、頂空-氣相色譜-質(zhì)譜法[8]、熱裂解-氣相色譜法[9]和離子遷移譜法[1]等。采用氣相色譜法分離13種甲基丙烯酸及其羧酸酯需要先用到有機(jī)溶劑萃取分離，然后凈化上樣，該測定方法操作耗時繁瑣，且氣相色譜法對于強(qiáng)極性的甲基丙烯酸的測定比較困難[10]。13種甲基丙烯酸及其羧酸酯均含有不飽和雙鍵，在紫外光區(qū)有吸收，可以用二極管陣列檢測器進(jìn)行檢測。液相色譜法測定食品模擬液中甲基丙烯酸及其羧酸酯不需要液液萃取分離，操作簡單，可以提高檢測效率[11]，但是13種甲基丙烯酸及其羧酸酯存在多種同分異構(gòu)體，采用液相色譜法測定時，存在分離困難等問題。

鑒于當(dāng)前未建立該類物質(zhì)的國家標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，也未有文獻(xiàn)報道多種食品模擬物中13種甲基丙烯酸酯類單體的測定，本工作建立食品接觸材料及制品中甲基丙烯酸及其羧酸酯在食品模擬液中的特定遷移量分析方法具有現(xiàn)實意義。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

LC-30AD 型超高效液相色譜儀，配SPD-M20A型光電二極管陣列檢測器；MS-105DV 型電子天平；KNSY 10134 型超純水制備儀；Talboys型渦旋振蕩器；Wonda Pipet型移液槍。

13種甲基丙烯酸及其羧酸酯混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液:1 000 mg·L－1，分別稱取甲基丙烯酸及其羧酸酯單體0.010 0 g，用乙腈溶解并定容至10.0 mL，混合均勻，于4 ℃下冷藏保存。

13種甲基丙烯酸及其羧酸酯混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列:分別移 取0，0.01，0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，0.15，0.20 mL 甲基丙烯酸及其羧酸酯混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液于10 mL容量瓶中，用乙腈定容，配制0，1，2，4，6，8，10，15，20 mg·L－1的13種甲基丙烯酸及其羧酸酯混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。

甲基丙烯酸酐標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液:1 000 mg·L－1，稱取甲基丙烯酸酐0.010 0 g，用乙腈溶解并定容至10.0 mL，于4 ℃下冷藏保存。

2-羥基乙基-2-甲基-2-丙烯酸酯(純度不小于95%)、2-甲基丙烯酸(MAA，純度不小于99%)、甲基丙烯酸異丙酯(純度不小于98%)、甲基丙烯酸叔丁酯(純度不小于98%)、甲基丙烯酸異丁酯(純度不小于98%)、甲基丙烯酸芐酯(純度不小于98%)、甲基丙烯酸甲酯(純度為99.5%)、甲基丙烯酸乙酯(EMA，純度為99.2%)、甲基丙烯酸丁酯(純度為99%)、甲基丙烯酸丙酯(純度為95%)、甲基丙烯酸苯酯(純度為95%)、甲基丙烯酸酐(MAAY，純度為94%)和甲基丙烯酸仲丁酯(純度為99%)等13種標(biāo)準(zhǔn)品；乙醇、甲醇和乙腈均為色譜純；冰乙酸和磷酸均為優(yōu)級純；試驗用水為超純水；自制的食品接觸用塑料薄片。

1.2 儀器工作條件

Shim Sen-VD C30色譜柱(250 mm×4.6 mm，3μm)；柱溫為35 ℃；流量為0.5 mL·min－1；流動相A 為0.1%(體積分?jǐn)?shù)，下同)磷酸溶液，B 為甲醇；檢測波長為210 nm；進(jìn)樣體積為10μL。梯度洗脫程序:0～5 min時，B 為50%；5～20 min時，B由50%升至60%；20～40 min 時，B 由60%降至55%；40～62 min時，B為55%。

1.3 試驗方法

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.156－2016 和 GB/T 23296.1－2009中規(guī)定食品接觸材料遷移試驗中食品模擬液主要有4%(體積分?jǐn)?shù))乙酸溶液、10%(體積分?jǐn)?shù))乙醇溶液、20%(體積分?jǐn)?shù))乙醇溶液、50%(體積分?jǐn)?shù))乙醇溶液和油性模擬物(植物油)等5種[12-13]。由于甲基丙烯酸酐與植物油中的酸或酯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不能準(zhǔn)確測定甲基丙烯酸酐的含量，按照要求可以采用95%(體積分?jǐn)?shù))乙醇溶液進(jìn)行替代試驗。常見的遷移試驗條件為70 ℃，2 h 和40 ℃，10 d；95%乙醇溶液采用替代試驗(60 ℃，2 h)。食品接觸用塑料薄片采用全浸泡的方式，測試面積(S)為0.3 dm2，浸泡液體積(V)為50.0 mL，S/V＝6.0 dm2·L－1；浸泡樣品后的食品模擬液經(jīng)0.45μm 有機(jī)濾膜過濾后，按照儀器工作條件進(jìn)行測定。測試溶液中的2-甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酐、甲基丙烯酸乙酯以2-甲基丙烯酸計。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜行為

按照儀器工作條件對20.0 mg·L－1的13種甲基丙烯酸及其羧酸酯混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測定，色譜圖見圖1。

2.2 檢測波長的選擇

采用二極管陣列檢測器在190～800 nm 內(nèi)對13種甲基丙烯酸及其羧酸酯進(jìn)行光譜掃描。結(jié)果發(fā)現(xiàn):13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的最大吸收波長在197～206 nm 之間，當(dāng)采用206 nm 作為檢測波長時，基線不穩(wěn)且干擾較多；甲醇在205 nm 左右末端有吸收，以甲醇為流動相時，檢測波長最低為210 nm。根據(jù)文獻(xiàn)[5，11]報道的分析方法，試驗選擇的檢測波長為210 nm。

圖1 13種甲基丙烯酸及甲基丙烯酸酯混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜圖Fig.1 Chromatogram of mixed standard solution of the 13 methacrylic acids and methacrylates

2.3 色譜條件的選擇

2.3.1 色譜柱

試驗比較了C18色譜柱(250 mm×4.6 mm，5μm)、C30色譜柱(250 mm×4.6 mm，3μm)和C30色譜柱(250 mm×4.6 mm，5μm)等3種色譜柱對13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的分離效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn):13種甲基丙烯酸及其羧酸酯中存在甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸仲丁酯、甲基丙烯酸叔丁酯等同分異構(gòu)體，C18色譜柱(250 mm×4.6 mm，5μm)和C30色譜柱(250 mm×4.6 mm，5μm)均不能實現(xiàn)其分離，只有C30色譜柱(250 mm×4.6 mm，3μm)可以實現(xiàn)13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的基線分離。試驗選擇的色譜柱為C30色譜柱(250 mm×4.6 mm，3μm)。

2.3.2 流動相及其流量

試驗考察了分別以乙腈-水、甲醇-水、甲醇-0.1%磷酸溶液作為流動相時對13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的峰形以及分離情況的影響。結(jié)果表明:以乙腈-水作為流動相時，乙腈的洗脫能力較強(qiáng)，各甲基丙烯酸及其羧酸酯之間不能完全分離；以甲醇-水為流動相時，通過調(diào)節(jié)流動相的比例可以使13種甲基丙烯酸及其羧酸酯實現(xiàn)完全分離，但是甲基丙烯酸的峰形較差；以甲醇-0.1%磷酸溶液作為流動相時，13種甲基丙烯酸及其羧酸酯不僅能實現(xiàn)完全分離且甲基丙烯酸的峰形良好。試驗選擇的流動相為甲醇-0.1%磷酸溶液。

改變流動相的比例，即改變流動相極性，可以改變各目標(biāo)物的出峰時間，實現(xiàn)各目標(biāo)物徹底分離的目的[12]。試驗考察了在等度洗脫條件下，改變甲醇所占比例為40%和45%時，13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的分析時間較長且不能完全分離；當(dāng)甲醇所占比例為70%時，13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的分析時間明顯縮短，色譜圖中出現(xiàn)了13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的色譜峰，但仍然無法實現(xiàn)基線分離；當(dāng)甲醇所占比例為50%，55%，60%時，13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的分析時間適中且峰形良好，但是存在部分物質(zhì)未完全分離的現(xiàn)象，說明采用等度洗脫的方式無法達(dá)到試驗?zāi)康?。綜合考慮，試驗采用的梯度洗脫程序見1.2節(jié)。

試驗進(jìn)一步考察了在不同流量(0.4，0.5，0.6 mL·min－1)的流動相條件下，13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的分離情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)流動相的流量為0.4 mL·min－1時，甲基丙烯酸芐酯和甲基丙烯酸丁酯不能形成尖銳的峰形；當(dāng)流量為0.6 mL·min－1時，13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的峰形尖銳，但甲基丙烯酸酐和甲基丙烯酸乙酯未能實現(xiàn)基線分離，且甲基丙烯酸芐酯和甲基丙烯酸丁酯的分離情況也相對較差；當(dāng)流動相流量為0.5 mL·min－1時，13種甲基丙烯酸及其羧酸酯分離情況較好且峰形尖銳。試驗選擇流動相的流量為0.5 mL·min－1。

2.3.3 柱 溫

試驗考察了柱溫對13種甲基丙烯酸及其羧酸酯分離情況的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)柱溫為30 ℃時，甲基丙烯酸芐酯和甲基丙烯酸丁酯不能完全分離；當(dāng)柱溫為40℃時，甲基丙烯酸異丁酯和甲基丙烯酸芐酯分離性較差；而當(dāng)柱溫為35 ℃時，13種甲基丙烯酸及其羧酸酯基本實現(xiàn)完全分離。試驗選擇的柱溫為35 ℃。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限和測定下限

按照儀器工作條件對13種甲基丙烯酸及其羧酸酯混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測定，以13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，與其對應(yīng)的峰面積為縱坐標(biāo)，采用最小二乘法繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明:13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的質(zhì)量濃度均在1～20 mg·L－1內(nèi)與其對應(yīng)的峰面積之間呈線性關(guān)系，線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)見表1。以3倍信噪比計算方法的檢出限(3S/N)，以10倍信噪比計算方法的測定下限(10S/N)，結(jié)果見表1。

表1 線性參數(shù)、檢出限和測定下限Tab.1 Linearity parameters，detection limits and lower limits of determination

由表1可知:13種甲基丙烯酸及其羧酸酯標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.999 0，說明標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性關(guān)系良好；13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的檢出限(3S/N)為0.015～0.084 mg·L－1，測定下限(10S/N)為0.052～0.280 mg·L－1，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 9685－2016中規(guī)定的食品接觸用塑料材料及制品中甲基丙烯酸及其羧酸酯的特定遷移總量限量不大于6 mg·kg－1(以2-甲基丙烯酸計算)的檢測要求。

2.5 甲基丙烯酸酐的水解及醇解

甲基丙烯酸酐在水、醇存在的情況下會發(fā)生水解、醇解反應(yīng)，甲基丙烯酸酐水解生成2-甲基丙烯酸，醇解生成甲基丙烯酸乙酯。文獻(xiàn)[13-15]在測定酸酐含量時認(rèn)為，酸酐在有水存在的情況下會完全水解生成相應(yīng)的酸，可以通過測定樣品中酸的含量，得到酸與酸酐的總量。

為了測定食品模擬液中甲基丙烯酸酐的含量，采用常規(guī)條件下不與甲基丙烯酸酐反應(yīng)的乙腈作為溶劑配制標(biāo)準(zhǔn)溶液。由2.4節(jié)的測定方法獲得的甲基丙烯酸酐的標(biāo)準(zhǔn)曲線(表1)可見，甲基丙烯酸酐在1～20 mg·L－1內(nèi)線性良好，相關(guān)系數(shù)為0.999 7，檢出限為0.018 mg·L－1，測定下限為0.060 mg·L－1，說明以甲醇-0.1%磷酸水溶液作為流動相時，在本方法試驗條件下，甲基丙烯酸酐仍能進(jìn)行定量分析。

試驗考察了添加3種不同質(zhì)量濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的食品接觸材料、不同食品模擬液及不同遷移試驗條件下的甲基丙烯酸酐水解及醇解的程度(以甲基丙烯酸計)，結(jié)果見表2。

表2結(jié)果表明:在70℃、2 h處理后，4%乙酸溶液、10%乙醇溶液、20%乙醇溶液中甲基丙烯酸酐均無殘留；而50%乙醇溶液及95%乙醇溶液中發(fā)現(xiàn)有部分甲基丙烯酸酐殘留，說明甲基丙烯酸酐并未完全分解，因此采用直接測定甲基丙烯酸含量的方法不能得到甲基丙烯酸酐的準(zhǔn)確含量，當(dāng)采用同時測定2-甲基丙烯酸酐、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸乙酯的質(zhì)量濃度，并合并三者質(zhì)量濃度以2-甲基丙烯酸計，計算得到甲基丙烯酸酐在不同食品模擬液中回收率為91.1～104%，說明該處理方法適合甲基丙烯酸酐含量的測定。在40 ℃、10 d處理后，4%乙酸、10%乙醇、20%乙醇、50%乙醇溶液中甲基丙烯酸酐均無殘留。95%乙醇溶液在60 ℃、2 h 處理后，部分有甲基丙烯酸酐殘留的測定色譜圖見圖2。不同食品模擬物中甲基丙烯酸酐濃度(以2-甲基丙烯酸計)回收率為91.1%～104%。

2.6 精密度和回收試驗

分別移取一定量的甲基丙烯酸及其羧酸酯混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液至10 mL比色管中，用食品模擬液定容至刻度，按照S/V＝6.0 dm2·L－1加入空白樣品，得到質(zhì)量濃度約為1，5，20 mg·L－1食品模擬液加標(biāo)溶液。按照試驗方法對每個加標(biāo)樣品分別在70 ℃，2.0 h和40℃，10 d及60℃，2.0 h(95%乙醇溶液)條件下平行測定6次，計算回收率和測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，甲基丙烯酸酐分解后的產(chǎn)物、甲基丙烯酸乙酯以2-甲基丙烯酸計，結(jié)果見表3和表4。

表2 酸酐分解前后溶液中各物質(zhì)質(zhì)量濃度及回收率(95%乙醇溶液作為模擬液時為60 ℃，2 h)Tab.2 Results of mass concentration and recovery of various substances in the solution before and after decomposition of the anhydride(60 ℃，2 h for 95%ethanol solution as food simulant)mg·L－1

圖2 甲基丙烯酸酐在95%乙醇溶液中以60 ℃浸泡2 h分解后的色譜圖Fig.2 Chromatogram of the decomposition of methacrylic anhydride after decomposition by soaking in 95%ethanol solution at 60 ℃，2 h

由表3可知:食品模擬液在70℃，2 h前處理條件下，13種甲基丙烯酸及其羧酸酯在4%乙酸溶液下的回收率為81.6%～105%，RSD 為0.18%～4.8%；13種甲基丙烯酸及其羧酸酯在10%乙醇溶液下的回收率為82.2%～102%，RSD 為0.090%～3.1%；13種甲基丙烯酸及其羧酸酯在20%乙醇溶液下的回收率為82.4%～103%，RSD 為0.53%～4.8%；13種甲基丙烯酸及其羧酸酯在50%乙醇溶液中的回收率為82.8%～103%，RSD 為0.080%～2.1%；95%乙醇溶液模擬中13種甲基丙烯酸及其羧酸酯在60 ℃，2 h 前處理條件下的回收率為81.4%～105%，RSD 為0.090%～5.4%。

由表4可知:在40 ℃，10 d處理條件下，13種甲基丙烯酸及其羧酸酯在4%乙酸溶液中的回收率為82.0%～105%，RSD 為0.090%～4.9%；13種甲基丙烯酸及其羧酸酯在10%乙醇溶液中的回收率為82.2%～105%，RSD 為0.030%～3.8%；13種甲基丙烯酸及其羧酸酯在20%乙醇溶液中的回收率為81.8%～105%，RSD 為0.070%～3.4%；13種甲基丙烯酸及其羧酸酯在50%乙醇溶液中的回收率為90.3%～106%，RSD 為0.32%～3.9%；13種甲基丙烯酸及其羧酸酯在95%乙醇溶液中的回收率為85.2%～104%，RSD 為0.46%～5.0%。

表3 70 ℃(95%乙醇溶液作為食品液時為60 ℃)，2 h浸泡條件下，5種模擬食品介質(zhì)中的精密度和回收試驗結(jié)果(n＝6)Tab.3 Tests for precision and recovery in 5 food simulants under soaking condition of 70 ℃(60 ℃，95%ethanol solution as food simulant)and 2 h(n＝6)

2-甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酐、甲基丙烯酸乙酯以2-甲基丙烯酸計，食品模擬液在70 ℃，2 h(95%乙醇模擬物為60 ℃，2 h)前處理條件下，以2-甲基丙烯酸計的回收率為96.2%～104%，RSD 為0.19%～4.4%，在40 ℃，10 d前處理條件下的回收率為96.4%～106%，RSD 為0.24%～4.9%。表明將甲基丙烯酸酐分解后產(chǎn)物與甲基丙烯酸乙酯、2-甲基丙烯酸合并后以2-甲基丙烯酸計符合定量分析要求。

由以上分析可知，食品接觸材料在經(jīng)4種食品模擬液在70 ℃，2 h和40 ℃，10 d處理(95%乙醇模擬物為60 ℃，2 h)后，13種甲基丙烯酸及其羧酸酯單體的回收率為81.4%～106%，RSD 為0.030%～5.4%，表明該方法具有良好的準(zhǔn)確度和精密度，可用于食品接觸材料中13種甲基丙烯酸及其羧酸酯的日常分析檢測。

表4 40 ℃、10 h浸泡條件下(95%乙醇溶液作為模擬食品液時為60 ℃，2 h)，5種食品模擬液中的精密度和回收試驗結(jié)果(n＝6)Tab.4 Tests for precision and recovery in 5 food simulants under soaking condition of 40 ℃and 10 d(60 ℃，2 h for 95%ethanol solution as food simulant)(n＝6)

本工作建立了高效液相色譜法同時測定食品接觸材料及制品中13種甲基丙烯酸及其羧酸酯遷移量的方法，該方法操作簡單，無需萃取分離等步驟，穩(wěn)定性好，適用于各種食品模擬液中甲基丙烯酸及其羧酸酯遷移量的測定。該方法具有一定的實際應(yīng)用價值，可為相關(guān)部門的監(jiān)管工作提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。