食品接觸材料中非故意添加物質(zhì)分析方法的研究進展

■ 文/上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 李潔君，李文慧，石鎏杰

0 引 言

食品接觸材料（Food Contact Materials, FCM）在運輸和存儲過程中對食品進行包裝和保護，以延長食品的保質(zhì)期，食品接觸材料包括與食品接觸的所有材料, 是由原材料和有意添加物質(zhì)（Intentionally Added Substances, IAS）共同生產(chǎn)加工而成，添加IAS是為了提高食品接觸材料本身的穩(wěn)定性和機械性能，IAS包括單體，預(yù)聚物，抗氧化劑，潤滑劑，表面活性劑和紫外穩(wěn)定劑[1]。除IAS外，食品接觸材料還可能含有非故意添加物質(zhì)（Non-Intentionally Added Substances, NIAS），這些物質(zhì)可能來源于包裝材料與食品之間的化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物或新形成的化合物、低聚物、降解產(chǎn)物[2]又或是其生產(chǎn)原料中存在的雜質(zhì)[3]。NIAS的化學(xué)結(jié)構(gòu)往往難以確定，需要使用高靈敏度分析技術(shù)。隨著分析方法的進一步改進，今后將發(fā)現(xiàn)越來越多的NIAS。

關(guān)于食品接觸材料的法規(guī)（歐盟法規(guī)10/2011）規(guī)定，在塑料材料和物品的生產(chǎn)和使用過程中會形成NIAS，只要最終食品接觸材料中NIAS與風險評估有關(guān)，就應(yīng)考慮將其列入限制使用物質(zhì)清單內(nèi)，制造商應(yīng)根據(jù)國際公認的風險評估科學(xué)原則評估NIAS任何的潛在健康風險[4]。然而NIAS的分析是非常困難的，造成這一技術(shù)困難有幾個原因。其一，缺乏食品接觸材料生產(chǎn)制造中使用不同材料真實成分的信息，食品接觸材料是一種非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以是共擠，也可以使用不同的粘合劑和不同的聚合物作為基材制造，還可以印上油墨，不可能知道食品接觸材料涉及的每個細節(jié)。食品接觸材料的成分通常是保密的，只聲明食品接觸材料的主要成分而不是所有成分，因而不可能知道食品接觸材料所有的組成成分。此外，在食品接觸材料生產(chǎn)制造過程中會有很多合作，如聚合物生產(chǎn)商或制造商和粘合劑、印刷油墨生產(chǎn)商。其二，食品接觸材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，一些性能通常是由一些IAS決定的，如穩(wěn)定劑、紫外線吸收劑、增塑劑和抗氧化劑。

通常情況下，很低的NIAS濃度會增加了分析的難度，因而需要復(fù)雜的分析技術(shù)，主要是基于質(zhì)譜檢測器和化學(xué)數(shù)據(jù)庫的幫助來分析NIAS的分子結(jié)構(gòu)。涉及安全性評估時，了解NIAS的來源是非常重要的。食品接觸材料的可追溯性是強制性的，也包括NIAS。盡管存在上述困難，但是分析NIAS仍是一項需要解決的工作。一般認為分子量較大的NIAS沒有擴散性，不會遷移到與其接觸的食品中[2]。本文重點關(guān)注食品接觸材料中分子量低于或等于1 000 Da的食品接觸材料的NIAS，對其來源、分析方法、安全性評價進行了梳理與概述，以期為國內(nèi)相關(guān)學(xué)者提供一定的參考依據(jù)。

1 NIAS來源

NIAS的來源多種多樣，研究NIAS形成的不同途徑將有助于分析NIAS。NIAS的來源分為以下幾種：降解過程、IAS降解、雜質(zhì)、新形成化合物、污染物。

1.1 降解過程

NIAS形成最常見的途徑是降解過程。降解可以發(fā)生在食品接觸材料本身。降解的主要來源包括食品接觸材料在制造過程中暴露在高溫或高輻照能量下，暴露在微波下[5]，輻照過程應(yīng)用于食品的滅菌目的。在這些過程中形成分子量較低的新分子，這些分子具有較高的擴散系數(shù)，從而具有更高的遷移勢能。已有一些研究報道了食品接觸材料降解過程中會產(chǎn)生NIAS，大部分羰基化合物與聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Ethylene Terephthalate, PET)熱降解過程有關(guān)[6]。

食品的輻照還不是一種廣泛使用的滅菌方式，在一些國家只適用于特定的食品，使用γ射線或β射線照射時有一個最大限量，通常為10 kg。關(guān)于這個問題的論文相對較少，Zygoura等人[7]對多層材料進行處理并研究輻照對聚氯乙烯（PolyVinyl Chloride, PVC）中增塑劑的影響。

1.2 IAS降解

降解也可以發(fā)生在用于改善其物理化學(xué)特性的IAS中。常用抗氧化劑的降解產(chǎn)物已被廣泛研究[5,8]。這些抗氧化劑最常見的降解產(chǎn)物是2,4-二叔丁基苯酚、2,6-二叔丁基對苯醌、3,5-二叔丁基-4-羥基苯基丙酸、2,6-二叔丁基-4-甲氧基苯酚、3,5-二叔丁基-4-羥基苯甲酸、磷酸三苯酯、磷酸三鄰甲苯酯、磷酸二苯酯和3-(3,5-二叔丁基-4-羥基芐基)丙酸。其他因素如食品接觸材料在微波加熱下，可能導(dǎo)致抗氧化劑降解加快[5]。已研究的其他降解產(chǎn)物是烷基酚，壬基酚（NonylPhenol, NP）和辛基酚（OctylPhenol, OP），它們都是內(nèi)分泌干擾物[6]。三（壬基苯基）亞磷酸三酯（Tris（NonylPhenyl）Phosphite, TNPP)是PVC、聚烯烴（PolyPropylene, PP)和丙烯酸等高分子材料中的抗氧化劑，TNPP氧化后可生成NP和OP。NP和OP也可以通過聚乙氧基化壬基酚的降解而產(chǎn)生，聚乙氧基化壬基酚是PET瓶制造中使用的清潔劑[9-10]。

1.3 雜質(zhì)

在食品接觸材料的遷移中發(fā)現(xiàn)NIAS的另一個常見原因是生產(chǎn)制造過程的生產(chǎn)原料中存在雜質(zhì)。這些雜質(zhì)在生產(chǎn)原料的信息數(shù)據(jù)表中沒有提及，因而不可能事先知道它們的成分。Aznar等人[11]研究一些最近發(fā)表關(guān)于新型活性食品接觸材料的文章，發(fā)現(xiàn)無論是在食品模擬物中還是在食品中都存在用于為食品接觸材料提供活性特性的活性劑雜質(zhì)。食品接觸材料中使用的粘合劑IAS中的雜質(zhì)也在遷移中被發(fā)現(xiàn)。丙烯酸膠黏劑的多層材料中遷移出2-乙基-1-己醇、2-乙基己酯和2,4,7,9-四甲基-5-癸基-4,7-二醇[12]。

1.4 新形成化合物

在遷移過程中發(fā)現(xiàn)對消費者健康有不利影響的反應(yīng)產(chǎn)物是致癌化合物初級芳香胺（Primary Aromatic Amines, PAAs)，是聚氨酯（PolyUrethane, PU）粘合劑新形成的化合物。PU粘合劑是由多元醇和二異氰酸酯單體聚合而成，沒有正確固化黏合劑，或者聚合反應(yīng)不夠充分，剩余的未聚合的芳香異氰酸酯將與水反應(yīng)，產(chǎn)生PAAs[13]。一種來自PU粘合劑的新形成化合物是環(huán)己二酸1,4,7-三氧環(huán)十三烷-8,13-二酮，這種化合物很可能來自粘合劑配方中兩種常見成分之間的相互作用[14]。

在其他食品接觸材料如罐頭的遷移過程中也發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)產(chǎn)物。環(huán)氧基漆通常用于食品罐頭內(nèi)的涂層，這些漆是環(huán)氧酚醛樹脂，可能含有雙酚A（BisPhenol A，BPA）和雙酚A二縮水甘油醚（BisPhenol A Diglycidyl ether,BADGE)，在貯存過程中，涂層與酸性食品接觸，BADGE會產(chǎn)生兩種水解產(chǎn)物（BADGE·H2O和BADGE·2H2O）和兩種氯羥基衍生物（BADGE·HCl和BADGE·2HCl），所有這些副產(chǎn)品都可能遷移到食品上[15]。BAMGE·H2O是BADGE的氧化形式，最近也在罐頭涂層的遷移中被發(fā)現(xiàn)[16]。由于懷疑這類化合物具有基因誘變、毒性和抗雄激素性，近來引起了人們的關(guān)注[17,18]。Coulier等人[15]報道了BADGE與食物蛋白反應(yīng)形成新的反應(yīng)產(chǎn)物。

1.5 污染物

當回收材料用于食品接觸材料時，NIAS可能來自先前食品接觸材料的化合物，也可能是由于消費者在丟棄前誤用食品接觸材料而產(chǎn)生的化合物[19]?；厥者^程中存在固有污染物，化學(xué)添加劑及其降解產(chǎn)物也需加以考慮[20]。對PET回收材料遷移的研究進行研究[21]。紙和紙板[22-23]和PP[24]也被研究。

2 NIAS的分析方法

當食品接觸材料的樣品到達實驗室后，最具挑戰(zhàn)性和最困難的任務(wù)是采用合適的方法來分析。深入研究樣品、材料和生產(chǎn)工藝對后續(xù)的分析有很大的幫助。氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS)是分析NIAS最常用的技術(shù)。低揮發(fā)性、熱不穩(wěn)定性的NIAS不能用氣相色譜法分析（Gas Chromatography，GC），但可以用液相色譜法分析（Liquid Chromatography, LC）。

2.1 揮發(fā)性NIAS的分析方法

GC-MS是小分子NIAS分析中最常用的技術(shù)，這種技術(shù)在商業(yè)的質(zhì)譜庫的輔助下分析NIAS是非常有效的，質(zhì)譜庫包含由電子碰撞（Electronic Impact, EI）和四極桿（Quadrupole, Q）質(zhì)譜儀產(chǎn)生的質(zhì)譜圖。當使用離子阱（Ion Trap, IT）等其他質(zhì)譜儀時，產(chǎn)生的質(zhì)譜圖與質(zhì)譜庫里的質(zhì)譜圖存在差異。使用IT質(zhì)譜儀的優(yōu)點是可以對選定質(zhì)量的碎片進一步破碎，有助于更好地分析NIAS。當無法通過現(xiàn)有質(zhì)譜庫進行識別時，可以使用高分辨率精確質(zhì)譜（High Resolution Accurate Mass Spectrometry, HRAMS）技術(shù)，如飛行時間（Time Of Flight, TOF），可以提供精確的質(zhì)量測定和全光譜掃描，這有助于分析已知的NIAS。與GC相比，商用的HRAMS質(zhì)譜儀耦合到LC更廣泛[25]。

影響信號去噪的另一個關(guān)鍵因素是小波分解層次的選取,在選用同一小波基的前提下,不同的分解層次,信號的去噪效果也不同。表2列出了sym7和bior2.2兩種不同小波基在不同分解層次下對模擬的加噪微流控芯片信號去噪效果數(shù)據(jù)。分析表2數(shù)據(jù)可知,選用4層分解可提高微流控芯片信號去噪效果。

通過與質(zhì)譜庫中質(zhì)譜圖比較確定的NIAS一般稱為“初步確定”。一個完整的NIAS分析還需要進一步的數(shù)據(jù)。在類似條件下，將保留時間或是保留指數(shù)與之前已經(jīng)公布的數(shù)據(jù)相匹配[26]，NIAS的質(zhì)譜圖和保留時間或是保留指數(shù)與文獻中給出的NIAS相匹配就可確認該NIAS。使用自動質(zhì)譜圖解卷積和鑒定系統(tǒng)軟件[27]是分析NIAS的有力工具。高分辨率精確質(zhì)譜測定可以提供化合物的準確元素組成[14]。

具有不同電離模式的GC-MS方法是相互補充的，根據(jù)所涉及的NIAS的不同，反應(yīng)也是不同的，而且僅靠其中任何一種方法都不能直接分析出NIAS。Felix等人[14]最近發(fā)表的論文中有一個例子，環(huán)內(nèi)酯是一種來自粘合劑配方的NIAS，最終被確定為粘合劑中兩種成分之間反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)品。表1概述了使用GC分析技術(shù)檢測從食品接觸材料中遷移出的NIAS。

表1 顯示了使用GC分析技術(shù)檢測從食品接觸材料中遷移出的NIAS

NIAS 食品接觸材料 分析方法 參考文獻鄰苯二甲酸二乙酯具有抗菌功能的新型活性納米材料-氧化鋅納米顆粒與PP復(fù)合材料氣相色譜-電子碰撞-四極飛行時間質(zhì)譜（Gas chromatographyelectronic impact- quadrupole time-offlight mass spectrometry，GC-(EI)-QTOFMS）[13]三丙二醇二丙烯酸酯、10-二十碳烯開發(fā)的聚乳酸(polyactic acid, PLA)、丙烯和氧化鋅納米顆粒聚合物氣相色譜-電子碰撞-四極桿靜電場軌道阱質(zhì)譜（Gas chromatographyelectronic impact-quadrupole-Orbitrap mass spectrometry，GC-(EI)-QOrbitrap-MS）[30]

2.2 非揮發(fā)性NIAS的分析方法

雖然揮發(fā)性NIAS樣品處理方法也可以應(yīng)用于非揮發(fā)性NIAS，但最終的儀器分析是完全不同的。使用LC分析NIAS需要進行預(yù)先分離。

雖然大量的檢測器可以耦合到LC上，但是大多數(shù)檢測器如紫外、熒光、紅外等都不能提供足夠的信息用于NIAS的分析，更多的是用于確認目的。液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（Liquid Chromatography-Mass Spectrometry，LC-MS）可能是分析非揮發(fā)性NIAS最有效的技術(shù)。由于LC-MS技術(shù)缺乏完善的質(zhì)譜庫，鑒定過程比GC-MS技術(shù)更困難和耗時。LC-MS缺乏質(zhì)譜庫的主要原因是離子的強度會因儀器、電離源條件、流動相組成、緩沖液添加和樣品成分的不同而不同，這些參數(shù)在實驗室之間很難控制，而且它們在單一儀器中也隨時間而變化[31]。

和GC一樣，LC-MS可以使用不同的質(zhì)譜儀。這些質(zhì)譜儀包括Q和IT，或高分辨率質(zhì)譜儀，如TOF。Q質(zhì)譜儀具有較高的靈敏度和選擇性，常用于定量研究，然而其在全掃描模式下的靈敏度和質(zhì)量精度都有所降低，識別能力變得非常低。HRAMS技術(shù)的主要優(yōu)勢是可以在全掃描模式下進行精確質(zhì)量測定，這使分析人員可以對未知NIAS進行結(jié)構(gòu)解析。

不同的質(zhì)譜儀都有各自的優(yōu)點和缺點。質(zhì)譜儀交替使用是為了將多種優(yōu)點統(tǒng)一到一個儀器上。Q-TOF質(zhì)譜串聯(lián)或離子阱和飛行時間（Ion Trap and Time Of Flight,IT-TOF) 質(zhì)譜串聯(lián)能夠?qū)IAS前體離子和產(chǎn)物離子進行精確的質(zhì)量測定，能夠提供碎片離子的信息，可以獲得結(jié)構(gòu)信息，NIAS可以表征[32-33]。

利用經(jīng)驗公式生成器軟件確定前體離子的元素組成。確定元素的第一步是使用公式生成器軟件選擇質(zhì)量相關(guān)聯(lián)未知NIAS的元素，大量元素的組合會大大增加NIAS的可能性，因此第一種方法只包括有機分子中最常見的元素C、H、N、S和O，除非懷疑存在其他特定元素[31,34]。當NIAS的質(zhì)量較大時，可能的元素組合也會增加[35]，在公式生成器提出的元素組成中選擇質(zhì)量誤差最小、相對離子豐度比最接近的，NIAS存在特定同位素，如鹵素，將容易分析正確的元素組成，從而減少NIAS的數(shù)量。然后通過化學(xué)數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站將元素組成與化學(xué)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，從而選擇NIAS。下一步是評估在高碰撞能譜中檢測到的產(chǎn)物離子是否可以和待確定NIAS的化學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。最后在可能的情況下，通過使用標準物質(zhì)來確認該NIAS。

當GC-MS還是LC-MS都無法識別NIAS，可以使用核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR)分析，它是一種能夠分析化合物分子結(jié)構(gòu)的強大檢測技術(shù)，也是食品接觸材料領(lǐng)域NIAS鑒定的有力技術(shù)[36]。使用NMR分析NIAS通常需要對樣品進行分離純化，需要使用制備LC柱收集組分。NMR分析需要高純度和足夠量的樣品。NMR分析混合未知NIAS并沒有很大優(yōu)勢。 表2概述了使用LC分析技術(shù)檢測從食品接觸材料中遷移出的NIAS。

表2 顯示了使用LC分析技術(shù)檢測到從食品接觸材料中遷移出的NIAS

NIAS 食品接觸材料 分析方法 參考文獻環(huán)狀化合物（內(nèi)酯）多層包裝材料（PE/鋁和PE / (乙烯-乙醇乙烯共聚物ethylene-vinyl alcohol copolymer,EVOH） / PE/鋁）UPLC-(ESI+)-QTOF-MS [44]29種低聚物都是羧酸與二醇的反應(yīng)產(chǎn)物聚酯罐涂料 UPLC-(ESI+/-)-QOrbitrap [45]由殘留的異氰酸酯衍生而來(含有PAAs)18層食品包裝膜與PU粘合劑UPLC-(ESI+)-QTOF-MS [46]來自PU粘合劑的低聚酯2個含有PU粘合劑的多層袋UPLC-(ESI+/-)-QTOF-MS [47]

3 NIAS安全性評估

當在食品接觸材料遷移化合物中分析出一個新的NIAS時，有必要對其安全性進行評估。對食品接觸材料進行適當?shù)陌踩u估不僅包括對生產(chǎn)原料的評估，還包括對NIAS的評估。

需要對食品接觸材料的毒性進行幾項研究。通常，僅憑識別出化合物的毒性數(shù)據(jù)是不可能完全解釋食品接觸材料的毒性。這就強調(diào)了分析NIAS的重要性，因為這些NIAS可能會影響食品接觸材料的毒性。比如使用體外試驗評估再生紙和原生紙的遺傳毒性[48]中，只有一些遷移物質(zhì)被鑒定出來。它們的濃度并不能完全解釋所觀察到總的遺傳毒性[49]。

另一個例子是NP是TNPP的分解產(chǎn)物，是從食品接觸材料遷移到食品的NIAS。NP的雌激素作用是眾所周知的，并已在幾個體外和體內(nèi)試驗系統(tǒng)中研究過[50]。

然而，現(xiàn)在還沒有全部化學(xué)物質(zhì)的毒性數(shù)據(jù)。當在食品模擬物或食品中檢測和表征出NIAS時，如何評估這個NIAS所涉及的風險是個問題。一個選擇是使用毒理學(xué)關(guān)注閾值（Threshold of Toxicological Concern, TTC）方法。TTC是根據(jù)克拉默規(guī)則，該規(guī)則根據(jù)NIAS的化學(xué)結(jié)構(gòu)估計其理論毒性，對其進行分類，分成三類毒性：I、II和III。I類NIAS的毒性較低，II類NIAS的毒性中等，III類NIAS的毒性較高，建議第I、II和III類的最大攝入量為1.8 mg/人/天；0.54 mg/人/天和0.09 mg/人/d。Koster等人[51]提出了復(fù)雜混合物安全評估策略（Complex Mixture Safety Assessment Strategy, CoMSAS）來評估未知NIAS的安全性，CoMSAS是TTC方法的應(yīng)用。該策略最重要的方面是沒有必要識別遷移中存在的低于0.09 mg/人/d的未知NIAS。從FCM中使用的粘合劑中鑒定未知遷NIAS的研究中，采用了TTC方法分析鑒定出的NIAS，5個酰胺歸為II類毒性[52]。

4 結(jié) 論

分析NIAS所面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，取決于幾個因素，如NIAS的性質(zhì)，濃度，標準物質(zhì)的可得性。許多可能的同分異構(gòu)體、具有相似物理化學(xué)性質(zhì)的NIAS將顯著減少確認的可能性。需要樣品處理過程，在分離和濃縮步驟盡可能多消除干擾，提高目標NIAS的濃度，軟件工具和數(shù)據(jù)庫信息以及高分辨率質(zhì)譜對成功識別NIAS是必不可少的。

通過GC-MS分析揮發(fā)性NIAS通常更容易，因為可以使用質(zhì)譜庫幫助分析NIAS。當使用LC-MS分析NIAS時，這項任務(wù)更加困難和耗時，因為沒有現(xiàn)成質(zhì)譜庫可用。在這種情況下，實驗設(shè)計是非常重要的，許多因素可以影響最終的識別。

盡管NIAS的分析很復(fù)雜，但是最新分析技術(shù)的進步極大地促進了這一過程。開發(fā)強大的數(shù)據(jù)處理軟件工具和增加化學(xué)數(shù)據(jù)庫也是促進這項任務(wù)的必要條件。對食品接觸材料中NIAS分析研究仍需進一步深入和拓展，以便為后續(xù)科學(xué)評估對人體健康的影響提供依據(jù)。