基于FT-IR和GC-MS分析市售PLA吸管中揮發(fā)性物質

張株瑞，楊青華，童 星，王志偉，胡長鷹,2,*

（1.暨南大學包裝工程學院，廣東 珠海 519070；2.暨南大學食品科學與工程系，廣東 廣州 510632）

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入，可降解材料聚乳酸（polylactic acid，PLA）因其生物可降解、環(huán)境友好等特點，展現(xiàn)出良好的市場發(fā)展前景，如PLA吸管替代傳統(tǒng)一次性塑料吸管。然而食品安全不僅來自食品本身，食品接觸材料也可能存在有害物質遷移至食品導致的食品安全隱患[1]。對于傳統(tǒng)的食品接觸用塑料，已有眾多學者研究它們的安全性，而生物降解材料在食品接觸方面的使用還處于起步階段，材料特性也與傳統(tǒng)塑料不同，帶來的風險可能更加不明確[2]。

目前，由于對PLA中物質的篩查研究較少，市售PLA吸管中是否存在新的危害物質也尚不清楚。相關文獻[3-4]采用超高效液相色譜-串聯(lián)四極桿飛行時間質譜法研究了PLA顆粒、薄膜和制品中非揮發(fā)性成分及其向食品模擬物中的遷移情況，在總溶解提取物中鑒定出39種不同環(huán)狀和線性低聚物，在遷移液中檢測到10種低聚物及15種PLA反應產生的低聚物；利用氣相色譜-質譜（gas chromatograph-mass spectrometry，GC-MS）聯(lián)用法、大氣壓氣相色譜-四極桿飛行時間質譜法和氣相色譜-嗅聞-質譜法研究了PLA中揮發(fā)性化合物及其向食品模擬物中遷移的情況，定性出22種揮發(fā)性化合物[5]。吳景杰等[6]采用超高效液相色譜-四極桿飛行時間質譜聯(lián)用法篩查分析了PLA吸管遷移到不同食品模擬物中化合物，發(fā)現(xiàn)主要為低聚化合物和各種添加助劑，并通過毒理學關注閾值方法結合Cramer決策樹分析，其中大部分物質為Cramer III類（高毒）物質。目前基于質譜非靶向檢測技術主要是GC-MS和液相色譜-質譜。其中GC-MS是一種非常強大的非靶向篩查工具，具有全掃描采集靈敏度高、分離能力強、識別效率高、較完備的分析數據庫等優(yōu)點，可以通過非靶向篩查獲得大量的信息[7]。

本研究通過傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR）鑒定分析市售PLA吸管主要成分，采用GC-MS結合保留指數、NIST質譜庫和MSDIAL對吸管樣品中揮發(fā)性化合物進行非靶向識別分析，借助數據庫對檢出物質進行關注度分類，探討可能帶來的危害以期為PLA吸管的安全風險評估提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

18種不同商家售賣的PLA吸管，分別編號為S1～S18。

1 000 mg/L正構烷烴（C7～C40）混合標準溶液（色譜純） 上海安譜璀世標準技術服務有限公司；二氯甲烷、甲醇、乙酸乙酯、異辛烷、正己烷（均為色譜純）上海麥克林生化科技有限公司；乙腈（分析純） 天津市大茂化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

7890A-5975CGC-MS儀、7697A頂空（headspace，HS）進樣器 美國Agilent公司；AR224CN電子天平奧豪斯儀器有限公司；iS50型FT-IR 美國賽默飛公司；DRK203薄膜厚度儀 山東德瑞克儀器有限公司；KQ5200DE數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；UPTC 10超純水機 上海力辰邦西儀器科技有限公司。

1.3 條件

1.3.1 樣品處理

將樣品剪成規(guī)格約10 mm×10 mm，用于FT-IR測定。將樣品剪成規(guī)格約5 mm×5 mm，分別準確稱取2.00 g樣品，放入20 mL HS進樣瓶中，迅速密封，待測定。另精準稱取0.02 g樣品，放入20 mL樣品瓶中，加10 mL二氯甲烷，超聲萃取5 min。用注射器抽取1 mL提取液過0.22 μm有機濾膜，待GC-MS檢測。每種樣品采取3 個平行。

1.3.2 FT-IR測定

采用表面全反射法，把PLA吸管放在FT-IR附件晶體表面，調整壓力板使樣品和晶體表面緊貼，進行數據采集，掃描次數為32 次，掃描范圍為450～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.3.3 HS-GC-MS條件

平衡溫度120 ℃；定量環(huán)溫度130 ℃；傳輸線溫度140 ℃；平衡時間20 min；GC循環(huán)時間35 min；進樣時間0.5 min；壓力平衡時間0.5 min。

DB-5MS色譜柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；升溫程序：40 ℃保持3 min，以10 ℃/min升至300 ℃，保持2 min；載氣（He）流速1.0 mL/min，進樣量1 mL；分流比5∶1。

電子電離源；電子能量70 eV；傳輸線溫度80 ℃；離子源溫度230 ℃；溶劑延遲3 min；全掃描模式；質量掃描范圍m/z45～600。

1.3.4 GC-MS條件

同1.3.3節(jié)GC-MS條件。

1.3.5 保留指數計算

取正構烷烴標準品準確稀釋至1 mg/L，取適量置于進樣瓶中，迅速密封，按照1.3.3節(jié)方法檢測并分析，利用NIST17譜庫進行檢索，并記錄正構烷烴的保留時間，按下式[8]計算樣品中各組分的保留指數。

式中：n為正構烷烴的碳數；tx為被測組分的保留時間/min；tn為碳數為n的正構烷烴保留時間/min；tn+1為碳數為n+1的正構烷烴保留時間/min；且tn＜tx＜tn+1。

1.4 數據處理

利用MS-DIAL和NIST質譜庫對所有樣品中揮發(fā)性化合物進行定性，譜庫檢索與保留指數結合可以有效提高定性準確度，而MS-DIAL能對化合物色譜峰進行解卷積分析，提高重疊峰的解析能力[9]。參數設置如下：質量數分析范圍0～1 000 Da，最小峰高1 000，保留指數相似度容差20%，保留時間容差0.5 min，質荷比容差0.5 Da，EI碎片離子峰相似度不低于70%，保留時間容差20%，總體得分不低于80%。對生成的化合物列表進行人工檢查，以減少錯誤鑒定。為了避免柱流失等影響，去除空白樣品數據。

為了進一步分析定性化合物的來源、影響及潛在安全隱患，分別在PubChem（https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov）、Chemical Book（https://www.chemicalbook.com/ProductIndex.aspx）查閱物質相關信息。特定遷移限量（specific migration limit，SML）來自法規(guī)EU No.10/2011[10]，內分泌干擾物（endocrine disrupting chemical，EDC）清單和高關注物質（substances of very high concern，SVHC）清單從ECHA（https://echa.europa.eu/home）中獲取。參照Su Qizhi等[11]的方法，根據物質的安全性風險，給予不同關注度：滿足致癌物1、2類（IARC）、SML小于5 mg/kg、EDC或SVHC為IV類；滿足SML小于50 mg/kg、致畸劑或Cramer III類的物質為III類；Cramer II類的物質為II類；Cramer I類的物質為I類。關注度不低于III類的為重點關注物質。

2 結果與分析

2.1 FT-IR測定結果

對PLA吸管樣品進行FT-IR分析表征，結果如圖1所示。根據DB46/T 519—2020《全生物降解塑料制品紅外光譜拉曼光譜指紋圖譜快速檢測法》[12]和文獻[13-15]對其主要成分進行分析。由于樣品來源不同，生產工藝未知，樣品中的成分比例可能存在較大差異，而且添加助劑的使用也會導致吸收峰發(fā)生重疊和偏移現(xiàn)象，無法借助1 000 cm-1以下指紋峰準確分析基材種類。1 749 cm-1附近為酮的C＝O伸縮振動吸收峰，1 450 cm-1附近為—CH3不對稱變形振動吸收峰，1 385 cm-1附近為—CH3對稱變形振動吸收峰，1 180 cm-1附近為—C—O—C—伸縮振動吸收峰，以上吸收峰作為PLA的判斷依據[13]。聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯（poly(butyleneadipate-co-terephthalate)，PBAT）、聚丁二酸丁二醇酯（poly(butylene succinate)，PBS）在多處有相似特征吸收，通過其特有結構吸收峰差異進一步分析，PBAT在1 268 cm-1左右出現(xiàn)與苯環(huán)相連的—CO吸收峰[14]，而PBS在1 330 cm-1左右出現(xiàn)—C—O—C—吸收峰[15]。由此判斷吸管的主要組成材料如表1所示。對比相同組別樣品的紅外光譜，如PLA+PBS樣品，在指紋區(qū)的出峰比例不同，這可能是由樣品間成分比例差異，以及不同添加劑導致。目前所收集的市面上銷售的PLA吸管，不同程度地混合了PBAT和PBS。

圖1 18 個市售PLA吸管樣品的FI-IRFig. 1 Infrared spectra of 18 commercially available PLA straw samples

表1 市售PLA吸管樣品信息Table 1 Information on commercially available PLA straw samples

2.2 前處理和HS條件優(yōu)化

為盡可能得到足夠多的檢出物質，對樣品所用萃取溶劑進行選擇優(yōu)化，對比了甲醇、二氯甲烷、乙酸乙酯、異辛烷、正己烷對吸管樣品中揮發(fā)性化合物的萃取效果。結果表明，二氯甲烷具有中等極性，對樣品中物質的提取效果最好。選用超聲輔助二氯甲烷溶劑萃取。在超聲5、10、20、30 min情況下，物質出峰情況無明顯變化，故選用超聲時間為5 min。

為了優(yōu)化對揮發(fā)性物質的提取效率，將平衡溫度（100、120、140、160 ℃）、平衡時間（10、20、30、40 min）、樣品量（0.50、1.00、1.50、2.00 g）分別進行對比。平衡溫度120、140、160 ℃下樣品物質的出峰情況無明顯差異，而100 ℃條件下的出峰數目明顯少于其他溫度；平衡時間從10 min延長到20 min時，峰面積均有所增加。延長平衡時間超過20 min后，無明顯變化；隨著樣品量的增加，一些低響應峰面積會明顯增加。因此最終條件選取平衡溫度120 ℃、平衡時間20 min、樣品量2.00 g。

2.3 GC-MS定性分析

圖2 GC-MS揮發(fā)性物質總離子流圖Fig. 2 Total ion current chromatogram of volatile substances detected by GC-MS from dichloromethane extract of straw samples

如圖2所示，定性出41種化合物，大部分為酯類、芳香族化合物，其中共17種重點關注物質如表2所示。萘屬于多環(huán)芳烴化合物，主要用于合成鄰苯二甲酸酐和殺蟲劑，已被列入2B類致癌物清單中[16]。2,4-二叔丁基苯酚是抗氧化劑168的降解產物之一[17]，也具有一定的神經毒性和殺菌作用[18]。2,2’-亞甲基雙(4-甲基-6-叔丁基苯酚)俗稱抗氧劑2246，具有很好的熱老化和光老化防護作用，廣泛應用于塑料制造行業(yè)。雙(2-乙基己基)鄰苯二甲酸酯是一種鄰苯二甲酸酯類的增塑劑，可增加塑料的韌性，但其具有生殖和發(fā)育毒性，不同國家都對食品接觸材料中鄰苯二甲酸酯類增塑劑含量和遷移量作出了相關限制，以減少暴露風險和健康危害[19]。1,2-環(huán)己烷二甲酸結構的酯類化合物，可能是苯環(huán)結構發(fā)生還原反應產生。乙酰檸檬酸三丁酯，是一種環(huán)保型增塑劑，具有良好耐水性，可替代傳統(tǒng)鄰苯二甲酸酯類增塑劑[20]，并發(fā)現(xiàn)反應副產物丙-1-烯-1,2,3-三羧酸三丁酯。此外，發(fā)現(xiàn)4種具有一定氣味特征的物質，萘具有樟腦丸氣味，乙酰檸檬酸三丁酯具有草本氣味，對二甲苯具有芳香味，棕櫚酸具有輕微的特征氣味。5種食品調味劑，乙酰檸檬酸三丁酯、5-羥基-4-甲基己酸內酯、十五烷、棕櫚酸、棕櫚酸甲酯，這些物質會對食品的味道產生影響，從而影響消費者體驗。樣品中還存在來自植物的化學物質L-鈴蘭氨酸。棕櫚酸可用作合成潤滑劑、防水劑、殺菌劑、表面活性劑等，在此不能確定其具體來源[21]。

2.4 HS-GC-MS定性分析

如圖3所示，定性出173種揮發(fā)性物，烷烴類化合物占39.88%，酯類物質占11.56%，芳香烴和烯烴類物質分別為10.41%、9.82%。49種化合物自身具有氣味，32種物質屬于食品添加劑，共檢出高關注物質32種如表3所示。樣品中檢測出一些萜類物質，如對薄荷三烯、3-蒈烯、α-側柏烯、檸檬烯等。檸檬烯是一種低成本、低毒性的可生物降解萜烯物質，可能來自清潔產品中的香料物質和溶劑[22]。環(huán)己酮、環(huán)戊酮可由醛、酮反應生成，可能是來自農藥殘留。醛類物質可由酯交換反應生成，醇類化合物可能是由酯基水解產生，烷烴可能是聚合過程中引入的物質，也可能是添加劑或加工助劑的降解產物[5,23]。苯甲醛帶有苦杏仁味，用作食品添加劑、化妝品、香水和洗滌劑中的香料，會隨著保存時間的增加而變黃，這可能是PLA長時間保存后變黃的原因[24]。磷酸三乙酯是一種有機磷酸酯類增塑劑，能起到阻燃作用，也可用于制備農業(yè)殺蟲劑，并具有一定的神經毒性、生殖毒性和細胞毒性特征[25]。樣品中還檢出擴鏈劑2,6-二異丙苯基異氰酸酯及其原料2,6-二異丙基苯胺，該物質可用2-乙基己醇作端封劑合成多碳化二亞胺類抗水解劑[26]。此外還發(fā)現(xiàn)抗氧劑246，鄰苯二甲酸二甲酯、鄰苯二甲酸二異丁酯及雙(2-乙基己基)鄰苯二甲酸酯的代謝產物2-乙基己醛。頻哪酮可能來自生產農藥殺菌劑和除草劑[27]。新戊二醇和2-乙基己酸乙酯可能是由酯類潤滑油新戊二醇二異辛酸酯斷鏈產生[28]。2-乙基己醛是非離子表面活性劑的原料，可替代生物降解緩慢的壬基酚氧乙基化物，并且穩(wěn)定性高，不易受酸堿性影響[29]。2,2,4,6,6-五甲基庚烷可能是單體聚合反應所需的引發(fā)劑的溶劑[30]。γ-丁內酯可在人體中代謝成γ-羥基丁酸，γ-羥基丁酸是一種具有抑制作用的精神活性物質，具有鎮(zhèn)定和健忘效果，也能刺激人體增加快感，但對于PLA吸管中γ-丁內酯的來源尚未有很好的解釋[31]。

表2 吸管樣品二氯甲烷萃取液中重點關注揮發(fā)性化合物Table 2 Volatile compounds of high concern in dichloromethane extracts of straw samples

圖3 HS-GC-MS揮發(fā)性物質總離子流圖Fig. 3 Total ion current chromatogram of volatile substances detected by HS-GC-MS from straw samples

2.5 GC-MS與HS-GC-MS比較

通過GC-MS和HS-GC-MS共檢測到200種物質，14種物質在2種檢測方式中都被檢測到。HS-GC-MS比GC-MS檢測定性出更多揮發(fā)性大的烷烴類物質和低分子質量化合物，這是由于HS進樣不受溶劑影響。而GC-MS可以較好地檢出更多揮發(fā)性較低的物質，并且所需的樣品量更少。值得注意的是，2-乙基己基氯乙酸酯僅在GC-MS中檢測到，該物質可通過2-乙基己酸乙酯與萃取劑二氯甲烷反應生成，而在HS-GC-MS中檢出2-乙基己酸乙酯，因此可以推測2-乙基己酸乙酯是PLA吸管中存在的物質，而2-乙基己基氯乙酸酯可能是由二氯甲烷的前處理帶入。萃取劑不應與檢測物質發(fā)生反應，但在實際篩查中很難實現(xiàn)高效的萃取劑與物質不發(fā)生反應。GC-MS通過不同的萃取試劑對所需物質進行萃取，樣品消耗量小。HS-GC-MS將樣品直接置于HS瓶中，該方法快速、便捷，有利于易揮發(fā)性化合物的檢測。這2種技術各有優(yōu)勢，相互補充，可以更完整、更準確地分析PLA吸管中的揮發(fā)性物質。

表3 吸管樣品經HS-GC-MS分析的重點關注揮發(fā)性化合物Table 3 Volatile compounds of high concern from straw samples analyzed by HS-GC-MS

3 結 論

通過FT-IR鑒定市售PLA吸管主要成分，采用GC-MS分析樣品中揮發(fā)性化合物。結果表明，市售PLA吸管樣品都不同程度地含有PBS和PBAT。經二氯甲烷萃取GC-MS檢測發(fā)現(xiàn)17種重點關注物質，通過HS-GC-MS分析得到32種重點關注物質，這些物質存在一定安全隱患，需要加強監(jiān)管。同時在吸管樣品中檢出多種塑料添加劑，如抗氧化劑、增塑劑、擴鏈劑等，還發(fā)現(xiàn)了可能來源于生產過程中的殘留化合物，如洗滌劑、殺蟲劑等，以及一些來自植物的萜類物質。GC-MS和HS-GC-MS提供互補信息，這2種技術結合使用有利于全面分析篩查揮發(fā)性物質的來源和安全性。從食品安全角度考慮，需要對PLA吸管進行更好地規(guī)范、引導和監(jiān)管。本研究為今后的市售PLA吸管的安全風險評價提供研究基礎和數據支持。