超高效液相色譜法測定聚乙烯類食品接觸材料中8種添加劑

凌 云, 畢靜波,2, 雍 煒, 姚美伊, 張雨佳, 張 峰*

(1. 中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院, 北京 100176; 2. 中國醫(yī)科大學(xué), 遼寧 沈陽 110122)

聚乙烯(polyethylene, PE)是由乙烯聚合而成的一種熱塑性樹脂,具有無毒無臭、穩(wěn)定性好、吸水性小、電絕緣性優(yōu)良、能耐大多數(shù)酸堿等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于制造食品包裝膜袋,餐廚具與礦泉水瓶等食品接觸材料。樹脂類食品接觸材料在生產(chǎn)和使用過程中易發(fā)生氧化裂解,為增強(qiáng)產(chǎn)品性能,會(huì)加入抗氧化劑,光穩(wěn)定劑和增塑劑等添加劑[1]。但是在食品接觸材料的使用過程中,這些添加劑會(huì)遷移至食品中,對人體造成潛在危害[2-5]。鑒于此,我國國家標(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)》[6]以肯定列表的方式規(guī)定了允許使用的添加劑品種及最大使用量、殘留量、遷移量,歐盟指令(EU)No 10/2011[7]也對食品接觸材料中遷移有害物的限量進(jìn)行了規(guī)定。因此,建立食品接觸材料中添加劑含量及遷移量的測定方法,對于監(jiān)控食品接觸材料的安全性具有重要意義。

目前,食品接觸材料中添加劑的檢測方法主要為氣相色譜法[8]、液相色譜法[9,10]、氣相色譜-質(zhì)譜法[11],液相色譜-質(zhì)譜法[12],以及綠色分析方法,如合相色譜、合相色譜-串聯(lián)四極桿質(zhì)譜法[13-16]。氣相色譜法及氣相色譜-質(zhì)譜法主要針對一些易揮發(fā)性組分,如2,6-二叔丁基對苯酚(BHT)、叔丁基對苯二酚(TBHQ)等抗氧劑,鄰苯二甲酸酯類增塑劑,二苯甲酮(BP)等光穩(wěn)定劑的測定[8],應(yīng)用范圍較小。液相色譜及液相色譜-質(zhì)譜技術(shù)的適用范圍更廣泛,但是大部分文獻(xiàn)[17,18]只針對食品接觸材料中有害物遷移量的測定,對于食品接觸材料中有害物含量的測定方法多局限于殘留單體、低聚體、重金屬[19,20],以及鄰苯二甲酸酯類、雙酚類化合物等環(huán)境污染物[21,22]。因此,急需發(fā)展食品接觸材料中抗氧劑、光穩(wěn)定劑、增塑劑等添加劑的定量分析方法。

對于添加劑含量的檢測,艾連峰等[10]采用超高效液相色譜建立了聚氯乙烯和聚乙烯材料中6種紫外吸收劑的分析方法;Martin等[11]采用液相色譜-質(zhì)譜建立了聚丙烯材料中13種添加劑的分析方法,但一次僅能處理少量樣品,容易產(chǎn)生樣品量小、代表性差導(dǎo)致的檢測結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。Ackerman等[23]采用實(shí)時(shí)分析原位電離質(zhì)譜技術(shù),建立了食品接觸材料中添加劑的快速鑒別方法,無需樣品前處理。Bignardi等[24]采用液相色譜-軌道阱質(zhì)譜建立了聚碳酸酯材料中有害物的篩查方法,但方法僅用于定性,定量尚不準(zhǔn)確。本研究依據(jù)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)》,選擇在樹脂類產(chǎn)品中規(guī)定了最大使用量和特定遷移量的8種目標(biāo)物:3種抗氧劑(2種受阻酚類、1種亞磷酸酯類)、3種光穩(wěn)定劑(2種二苯甲酮類、1種苯并三唑類)、2種鄰苯二甲酸酯類增塑劑,采用超高效液相色譜-二極管陣列檢測結(jié)合加速溶劑萃取方法,建立了這8種目標(biāo)物的同時(shí)定量分析方法,為從原料的源頭階段進(jìn)行食品接觸材料的安全性監(jiān)測提供了有效的技術(shù)手段。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Acquity UPLC配二極管陣列檢測器(美國Waters公司), 6870D冷凍研磨機(jī)(美國SPEX公司), ASE 350加速溶劑萃取儀(美國Thermo公司), MFV-24氮吹儀(廣州得泰儀器科技有限公司)。

標(biāo)準(zhǔn)品:亞磷酸三(2,4-二叔丁苯基)酯(抗氧劑168, tris(2,4-di-tert-butylphenyl)phosphite, Irganox 168)、鄰苯二甲酸二異丁酯(diisobutyl phthalate, DIBP)、鄰苯二甲酸雙戊酯(diphenyl phthalate, DPP),純度均≥98%,德國Ehrenstorfer公司;2-(2′-羥基-5′-甲基苯基)苯并三唑(2-(2-hydroxy-5-methylphenyl)benzotriazole, UV-71)、十八烷基-3,5-雙(1,1-二甲基乙基)-4-羥基苯丙酸酯(抗氧劑1076, 3,5-bis(1,1-dimethylethyl)-4-hydroxy-benzenepropanoicacioctadecylester, Irganox 1076),純度≥97%,加拿大TRC公司;2-羥基-4-甲氧基苯并苯酮(2-hydroxy-4-methoxybenzophenone, UV-9),純度≥99%,北京曼哈格生物科技有限公司;4,4′-硫代雙(5-甲基-2-叔丁基苯酚) (抗氧劑300, 4,4′-thiobis(6-tert-butyl-m-cresol), Irganox 300),純度≥87%、2-羥基-4-正辛氧基苯并苯酮(2-hydroxy-4-n-octyloxybenzophenone, UV-531),純度≥99%,美國Chemservice公司。甲苯、甲醇、乙腈、丙酮(色譜純,美國Fisher公司),水為Milli-Q超純水。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液:準(zhǔn)確稱取上述標(biāo)準(zhǔn)品0.100 0 g;抗氧劑168、抗氧劑1076、UV-71用丙酮溶解并定容至10 mL,其他5種用甲醇溶解并定容至10 mL,配制成10 g/L的單標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液,于-20 ℃保存。

混合標(biāo)準(zhǔn)溶液:根據(jù)各化合物的響應(yīng),準(zhǔn)確移取各標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液于10 mL容量瓶中,用甲醇定容,配制成混合標(biāo)準(zhǔn)工作液,再用水-乙腈(3∶7, v/v)逐級稀釋,制備系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3 樣品的制備

聚乙烯類食品接觸樣品用剪刀剪碎至5 mm×5 mm以下,經(jīng)冷凍研磨至粉末。取2 g樣品,采用加速溶劑萃取,甲苯為萃取溶劑,加熱溫度80 ℃,萃取時(shí)間10 min,萃取壓力10.34～11.72 MPa(1 500～1 700 psi);萃取1個(gè)循環(huán),收集提取溶劑并定容至200 mL,靜置10 min待沉淀析出。取上清10 mL,氮?dú)獯蹈?用丙酮-甲醇(1∶1, v/v)定容至10 mL。取100 μL,用甲醇-水(7∶3, v/v)定容至1 mL。待上機(jī)。

1.4 UPLC條件

色譜柱:ACQUITY UPLC BEH C8(100 mm×2.1 mm, 1.7 μm);柱溫:30 ℃;流動(dòng)相A:乙腈,流動(dòng)相B:水;梯度洗脫:見表1;流速:0.3 mL/min;進(jìn)樣量:5 μL; PDA檢測波長:210～400 nm。

表 1 色譜分離流動(dòng)相梯度

2 結(jié)果與討論

2.1 檢測波長的確定

8種目標(biāo)組分混合標(biāo)準(zhǔn)溶液通過液相色譜進(jìn)樣器進(jìn)樣,梯度洗脫后通過二極管陣列檢測器在200～400 nm進(jìn)行掃描分析,得到的二維投影圖及每一個(gè)化合物的掃描圖,8種目標(biāo)物在低波段有很強(qiáng)的吸收。3種光穩(wěn)定劑在240、290、330 nm分別有3個(gè)較強(qiáng)的吸收峰;2種鄰苯二甲酸酯類增塑劑在230和270 nm處有2個(gè)較強(qiáng)吸收峰;2種酯類抗氧化劑抗氧劑1076和抗氧劑168在230和270 nm處有2個(gè)較強(qiáng)吸收峰;而作為酚類抗氧化劑,抗氧劑300與抗氧劑1076和抗氧劑168明顯不同,在250和285 nm處有較強(qiáng)吸收峰。所以本實(shí)驗(yàn)采用230、250、280、330 nm作為監(jiān)測波長,可以同時(shí)對8種目標(biāo)物進(jìn)行定性和定量。

2.2 色譜柱的選擇

本研究中的8種目標(biāo)物極性差別較大,尤其是抗氧劑1076和抗氧劑168屬于弱極性化合物,所以選擇兩種反相色譜柱(C18柱和C8柱)進(jìn)行條件優(yōu)化。結(jié)果表明,在優(yōu)化條件下兩種色譜柱均可分離8種目標(biāo)物。但C18色譜柱的保留能力更強(qiáng),抗氧劑168需要更長的分離時(shí)間;而C8色譜柱分離時(shí)間相對更短,所以本研究采用C8色譜柱作為分離柱。在優(yōu)化后的色譜條件下8種目標(biāo)物標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜圖見圖1。

圖 1 C8色譜柱(100 mm×2.1 mm, 1.7 μm)分離8種目標(biāo)物的色譜圖

2.3 流動(dòng)相的選擇

用C8色譜柱分離目標(biāo)物,選擇乙腈-水和甲醇-水流動(dòng)相體系進(jìn)行優(yōu)化,兩種溶劑體系均能完全分離8種目標(biāo)物。但是8種目標(biāo)組分在低波段均有較強(qiáng)吸收,而甲醇的低波段吸收較強(qiáng),梯度洗脫時(shí)低波段的基線漂移較明顯,而使用乙腈-水能夠避免這種現(xiàn)象。但使用乙腈時(shí),對標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制溶劑要求較高,如果直接使用甲醇進(jìn)行配制,前6種組分出現(xiàn)了前延峰。調(diào)整配制溶劑中水的體積分?jǐn)?shù)為30%～50%,峰形得到改善;但水的體積分?jǐn)?shù)在30%以上時(shí),配制50 mg/L以上濃度的混標(biāo)溶液時(shí)出現(xiàn)渾濁,部分化合物析出。所以最后選擇乙腈-水溶液作為流動(dòng)相,標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制溶劑為甲醇水溶液(7∶3, v/v)。

2.4 樣品前處理?xiàng)l件的優(yōu)化

樹脂類食品接觸材料屬于聚合物,其結(jié)構(gòu)致密,有機(jī)試劑的提取效率較低,需要索氏抽提、加速溶劑萃取、超臨界流體萃取等方式[25]進(jìn)行提取;另外使用有機(jī)溶劑將聚合物溶解或溶脹能夠游離出添加成分,從而提高對添加劑提取效率[26]。對于聚乙烯類等聚烯烴類食品接觸材料,只有使用苯及甲苯類試劑能夠?qū)⑵淙芙?艾連峰等[10]采用熱甲苯進(jìn)行溶解提取,并用甲醇沉淀聚合物后提取液進(jìn)行分析,但一次僅能處理0.1 g樣品,容易產(chǎn)生樣品量小、代表性差導(dǎo)致的檢測結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。本研究采用加速溶劑萃取的方式進(jìn)行前處理,比較了甲苯、氯仿、丙酮、二氯甲烷、乙腈等溶劑,并對加熱時(shí)間及循環(huán)次數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。圖2為各種溶劑提取質(zhì)控樣品時(shí)的提取效率,可以看出乙腈-二氯甲烷(1∶1, v/v)對各目標(biāo)物的提取效率最差;對于DIBP、DPP、抗氧劑168,前4種提取溶劑的提取效果較差;只有甲苯作為提取溶劑時(shí),各目標(biāo)物均有較好的提取效率。進(jìn)一步對甲苯提取的溫度及提取時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化,當(dāng)加熱溫度超過100 ℃時(shí),樣品有部分溶解,且在提取過程中由于管路中溫度低于提取溫度,溶解的樣品出現(xiàn)了沉淀,造成管路堵塞;采用80 ℃作為提取溫度,可獲得較好的提取效率,聚合物不會(huì)出現(xiàn)溶解再沉淀的現(xiàn)象。對于提取時(shí)間,10 min的1個(gè)循環(huán)提取效率穩(wěn)定。

圖 2 不同溶劑的提取效率

2.5 線性關(guān)系、檢出限和定量限

配制8種目標(biāo)物的系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,以目標(biāo)組分的峰面積y對相應(yīng)的質(zhì)量濃度x(μg/L)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果見表2。結(jié)果表明,8種化合物在0.2 ～10 μg/mL之間的線性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)(R2)均大于0.99。以S/N=3確定方法的檢出限,S/N=10確定方法的定量限,結(jié)果見表2, 8種化合物含量的檢出限為0.005%,定量限為0.02%。GB 9685-2016對聚乙烯類食品接觸材料中這8種物質(zhì)的最大使用量要求在0.05%～0.5%之間,所以本方法靈敏度能夠滿足檢測需求。

表 2 8種化合物的線性方程、線性范圍、相關(guān)系數(shù)及方法定量限

2.6 方法的準(zhǔn)確性

空白PE樣品添加含量為0.05%的目標(biāo)物,進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn),8種組分的加標(biāo)回收率在83.8%～103.4%之間,RSD在0.14%～7.86%之間(見表3)。同時(shí)制備質(zhì)控樣品,考察方法的回收率和精密度。模擬聚合物制備流程,采用高速混料機(jī)將低密度聚乙烯粉料與8種添加劑混合,混合后的物料采用雙螺桿擠出機(jī)在高溫(190 ℃)熔融狀態(tài)下擠出造粒(主機(jī)轉(zhuǎn)速200 r/min,擠出機(jī)轉(zhuǎn)速400 r/min),制備均勻的質(zhì)控樣品聚乙烯顆粒。結(jié)果見表4, 8種目標(biāo)物的平均回收率在63.5%～118.5%之間,RSD在4.61%～15.6%之間。這表明本方法具有較好的準(zhǔn)確性。

表 3 聚乙烯空白樣品加標(biāo)含量為0.05%時(shí)8種化合物的回收率和RSD(n=6)

表 4 聚乙烯質(zhì)控樣品中8種化合物在3個(gè)加標(biāo)水平下的回收率和RSD(n=6)

2.7 實(shí)際樣品的測定

采用本方法檢測了市售的10份聚乙烯食品包裝袋和手套進(jìn)行測定,其中6份樣品均檢出抗氧劑168,含量在0.02%～0.07%,均小于GB 9685-2016規(guī)定的聚乙烯類食品接觸材料中抗氧劑168的最大使用量(0.2%)。典型的色譜圖見圖3。

圖 3 聚乙烯食品接觸材料樣品的色譜圖

3 結(jié)論

本研究建立了高效液相色譜法同時(shí)測定聚乙烯類食品接觸材料中8種添加劑的方法,能夠處理大量樣品,克服了樣品量小、代表性差的問題。本研究采用加速溶劑萃取的方式對聚乙烯材料進(jìn)行快速提取,液相色譜-二極管陣列檢測。并采用質(zhì)控樣品考察了方法的準(zhǔn)確性,應(yīng)用于實(shí)際樣品檢測時(shí)的重復(fù)性良好,能夠滿足食品接觸材料中8種目標(biāo)物的檢測需求,可為食品接觸材料中此類化合物的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測提供技術(shù)支撐。